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华蓥山隧道煤层瓦斯的预测预报
隧一处九公司 屈天祥
摘要：本文以华蓥山隧道为工程实例，对隧道穿越煤层、瓦斯时，煤层瓦斯的层位、产状、突出危险性、瓦斯的预测预报方法进行简要阐述，以供类似工程参考。
1.前言
华蓥山隧道为全长4705.95m，上下行分离式单洞双车道高速公路隧道，地处川东地区华蓥山山脉，煤炭资源丰富，同时，又是川东煤气层的尾部，工程地质提别特别复杂。
华蓥山公路隧道东段穿越K1煤层起点为：左线ZK35+750（距洞口1694cm）；右线YK35+680（距洞口1726m），该地段为二叠系龙潭组（BL）煤系地层，围岩为中薄层泥岩，粉砂岩，炭质页岩，铝土质粘土岩和煤线，岩体中节理发育4组，间距0.13~1.0m，产状为125°∠35°。煤层变化较大，厚度为1.4~4.0m，隧道轴线穿越处为1.97m，倾角35°，隧道轴线方位为S129°9′46″E与K1煤层揭煤点基本正交。揭煤点K1煤层瓦斯压力1.44MPa（梯度计算值），煤层瓦斯含量为9.19m3/t（间接测定值）。揭煤点瓦斯最大涌出量预计在11.04m3/min（全断面揭开），炮后正常涌出量为4.01m3/min。半断面揭煤最大涌出量为4.58m3/min，炮后正常涌出量为1.69m3/min。揭煤时，具有煤层与瓦斯突出危险。该段围岩类别为Ⅱ类围岩，施工时稳定性较差，有坍塌危险。
准确预测预报K1煤层的位置、厚度、瓦斯含量、瓦斯的压力、突出危险性、围岩稳定性、地下水情况，对制定有效的施工措施和安全措施，防止安全事故有非同小可的意义。
2.煤层瓦斯的预测预报
2.1.K1煤层层位及产状预测
根据设计图，提前30m进行地质雷达探测，初步确定煤层位置，距煤层10m时，停止推进，布置探测孔，采用钻孔方法准确探测。共布置4个孔，（如图4.2.3-1左线，4.2.3-2右线）。主要掌握煤层实际产状及厚度，瓦斯储存状态，为留足揭煤时安全岩柱提供依据。孔径为75mm，孔深进入煤层底板0.5m。布置探孔时，本着一孔多用的原则，既作取样分析用，又作为瓦斯排放及测压用。所有钻孔详细记录岩芯资料，钻进深度，孔位角度，起钻桩号以及观察、记录是否有喷孔、卡钻、顶钻现象。经过钻探和测定，K1煤层东翼倾角α=32°；煤层走向与隧道轴线夹角为82°，即产状为：122°∠32°。煤层真厚m=2.86米。

2.2.突出危险性预测
⑴.预测位置及参数
在隧道掘进面距煤层5m垂距时，停止掘进，进行煤层瓦斯压力测定（P），并取出样芯测定其它参数，如：煤的瓦斯放散初速度（ΔP），煤的坚固性系数（F），钻屑瓦斯解收指标（Δ h2或k1值），瓦斯涌出初速度（qm），并观察是否有卡钻、顶钻、喷孔现象，为综合评定煤层危险程度提供依据。
⑵钻孔及预测方法
左线设在上导坑ZK35+691.6处进行。B1、B2、B3、B4为预测孔，开孔孔径为60mm，见煤层后换为42mm，在孔口接煤粉，测定预测参数值。右线设在下半断面，YK35+706.8 处进行。
钻孔在见煤时分段取样进行有关煤层瓦斯预测参数的测定。钻孔完毕后，立即在孔口用黄泥堵孔，测定钻孔瓦斯涌出初速度的大小及衰减状态，作为判别突出危险性的参数之一。
⑶.预测参数临界值的参考值及预测结果
按照防突《细则》规定相关预测参数临界值作为本次衡量K1煤层突出危险程度的主要依据，同时也参考国内外有效判断煤层突出危险性的经验评价突出危险性。
2.2.2.钻孔及预测方法
左线设在上导坑ZK35+691.6处进行。B1、B2、B3、B4为预测孔，开孔孔径为60mm，见煤层后换为42mm，在孔口接煤粉，测定预测参数值。右线设在下半断面，YK35+706.8 处进行。
钻孔在见煤时分段取样进行有关煤层瓦斯预测参数的测定。钻孔完毕后，立即在孔口用黄泥堵孔，测定钻孔瓦斯涌出初速度的大小及衰减状态，作为判别突出危险性的参数之一。
2.2.3.预测差数临界值的参考值及量侧结果
按照防突《细则》规定相关预测参数临界值作为本次衡量K1煤层突出危险程度的主要依据，同时也参考国内外有效判断煤层突出危险性的经验评价突出危险性。
（1） 预测K1煤层突出危险性单项指标临界参考值见表1
表1
煤层突出危险性
煤层破坏类型
ΔP
F
P（MPa）
钻屑解收系数
涌出处速度qm（L/min）
△h2（Pa）
K1（ml/g min1）/2
突出危险
Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ
10
0.5
0.74
≥160
≥0.4
4~5
（2） K1煤层实际预测指标值见表4.2.3-2
表2
线别
煤层破坏类型
△P
F
P(MPa)
K1(ml/g .min1/2)
Q(l/min)
说明
左线
Ⅱ
10.25
0.46
0.7
0.343
0~7
1、8个见煤钻孔中只有一个轻微喷孔 ；2.、P值为试验室测定。
右线
Ⅱ
13
0.3
0.7
0.364
0~24
4个见煤钻孔中有2个轻微喷孔。
（3）K1煤层瓦斯压力及Pmin的考察
①K1煤层瓦斯压力考察
A：实际取样得到压力值为0.7MPa
B：根据绿水洞煤矿的压力值及标度值，推算结果为：
P=Po+A（Ho-H1）=0.1997MPa
P------预测点瓦斯压力
Po-----绿矿+680m标高处实测瓦斯压力（0.4MPa）
Ho----实测瓦斯压力标高（+660m）
H------预测点标高（+482m）
A------瓦斯压力梯度值（0.003231MPa/m）
为避免测定值的误差，取二者平均值：P=0.83MPa
②煤层突出所需最小瓦斯压力（Pmin）计算：
Pmin=2.79f+0.39=1.282MPa
f------最小坚固性系数
2.79，0.39-----常数
（4）K1煤层吨瓦斯可解吸量（Q解）考察
Q解=Q含-Q残=6.66-6.16m3/t
Q解-----煤层吨瓦斯含量减去一个大气压力下不可解吸的瓦斯残存量
Q含-----煤层吨瓦斯含量（9.16m3/t）
Q残-----绿矿残存值（2.5~3.0m3/t）
2.2.4.煤层瓦斯参数测试及分析
（1）瓦斯压力（P）与可解吸瓦斯含量（Q解）测算与分析
由于工期原因，未在现场实测，而是采用钻屑瓦斯解吸指标K1值的测定，在试验室确定为0.7MPa，又根据附近煤矿提供的数据计算为0.1997MPa，取其平均值为0.83MPa。在左、右线的钻孔探测过程中，瓦斯涌出未见异常，工作面浓度为0.02~0.08%，特别是钻孔中瓦斯涌出状态属呆滞状涌出。在12个探孔中，有8个钻孔瓦斯涌出初速度为零，显示不出瓦斯流动，说明煤层瓦斯是积压的。因此，对该处瓦斯压力定为0.7~0.83MPa是可信的。煤层瓦斯压力是煤与瓦斯突出的发动因素之一。瓦斯压力越大，煤层突出危险性越大。本段煤层瓦斯可解吸量为6.16~6.66m3/t，小于突出临界值9m3/t。
（2）钻屑瓦斯解吸指标K1值测定与分析
钻屑瓦斯吸指标K1是通过煤层钻屑取样在暴露于空气中的最初瞬间解吸瓦斯的数量来反映煤层瓦斯含量的多少和释放瓦斯的快慢。K1越高，煤层的突出危险性就越大。
（3）煤的坚固性系数（f）与瓦斯初速度（ΔP）测定与分析
煤的坚固性系数，反映煤层抵抗破坏的能力。共取样6次，左线最大值为0.59，最小值为0.32，平均值为0.46；右线最大值为0.34，最小值为0.3，平均值为0.32。接近于临界值0.5。
放散初速度，取样6次，左线最大值为12，最小值为7，平均值为10.25；右线最大值为13，最小值为7，平均值12.5。接近于临界值ΔP=10。
（4）钻孔中瓦斯涌出初速度测定与分析
钻孔瓦斯涌出初速度，是反映工作面前方煤层瓦斯压力、煤体应力、煤结构及透气性、瓦斯流动等综合因素的指标，其大、小可直接反映煤层突出危险性的大小。12个钻孔中，有8个孔的qm=0，另左、右线各有两个孔的qm=7~24L/min，且衰减较快，经过10小时排放后，qm=0~3L/min左右，且无明显向孔外涌出，而是滞留在孔中。在供风量大于1500m3/min时，掌子面瓦斯浓度为0.04~0.08%。由此，说明前方瓦斯含量低。
（5）预测突出危险性的综合指标K1值分析
K=ΔP/f，是反映煤层抵抗突出和有利突出因素的综合指标。按平均值计算本处K值；左线为：K=10.25/0.46=22.2；右线为：K=12.5/0.3=41.67。左右线均超过临界值15。
D=（0.0075H/f-3）（P-0.74），考虑了上覆岩层的垂直应力，煤的坚固系数和瓦斯压力的综合影响。左线D=-0.31；右线D=0.056；均未超过临界值。
根据钻探的其它指标考虑，本处采用D值。
（6）钻孔过程中瓦斯动力现象的观察与分析
在12个钻孔中，有4个孔有微弱喷孔现象。其它均未发现喷孔、顶钻、卡钻等瓦斯动力现象。但根据《细则》规定，凡出现动力现象应视为有突出危险。但鉴于是本处另外8个钻孔瓦斯涌出初速度为零。因此，判定左、右线煤层突出危险程度可视为具有突出威胁。
（7）煤层破坏类型分析
采取对附近煤矿同一煤层实地考察确定。+660m标高煤巷的煤层层理明显，无软分层，煤层中有0.1~0.3m夹层，煤层厚度2.8m左右，倾角35°左右，煤质较硬，其破坏程度确定为II类。
3.煤层突出危险性评估
4.结论与建议
施工时，揭露情况与预测结果基本一致，以预测评估结论为依据，制定的实施性施工方案安全有效，经工程实践，得出如下结论。
⑴.距煤层20~30m进行预测预报及钻孔是可行性的，对施工安全有保障。
⑵.四孔法探测满足隧道穿越煤层预测预报精度。
⑶.考察煤层特性的方法和指标符合工程实际。
⑷.预测结果准确、有效。可作为施工方案的依据。
⑸.适用于各种产状的煤层。
根据隧道的特点，建议在突出危险和安全性评估时，对《防突细则》中的标准可适当放宽。

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