一种高瓦斯隧道精细化综合防突揭煤方法与流程

1.本发明涉及地下与隧道工程安全风险防控领域，更具体而言，涉及一种高瓦斯隧道精细化综合防突揭煤方法。


背景技术：

2.瓦斯隧道是指施工过程中局部穿过煤系层，有瓦斯突出风险的一类隧道。瓦斯隧道施工易引起围岩失稳、瓦斯突出及瓦斯爆炸等事故。其中危险系数最高的是在揭煤时发生的煤与瓦斯突出事故。由于瓦斯隧道施工的高风险性，安全可靠的进行瓦斯隧道揭煤作业成为保证整个工程建设顺利实施的关键环节。
3.针对瓦斯隧道的研究，国内最早始于铁路，早期的研究主要借鉴煤矿的瓦斯防止技术对瓦斯隧道的爆破技术与安全管理进行研究。直到我国高速公路网蔓延至西南煤矿区，才开始出现大量穿越煤系地层的高瓦斯隧道。自此，我国高瓦斯隧道揭煤技术的研究开始增多。但过往研究往往集中在揭煤防突技术的系统、体系优化以及通风优化方面，缺少对高瓦斯隧道煤层探测、瓦斯突出预防措施以及防突技术方面的综合实用研究。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种高瓦斯隧道精细化综合防突揭煤方法。该方法具有良好的适用性和较好的瓦斯突出检测和预防效果，能有效保障高瓦斯隧道穿越煤层时高效安全的揭煤。
5.为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：
6.一种高瓦斯隧道精细化综合防突揭煤方法，包括以下步骤：
7.s1、超前地质预报：
8.物探采用单一物探或组合物探实现地质宏观预报，正洞、平导、斜井物探方法根据地质情况及物探方法的适用性而定，采用地震波反射法+地质雷达法+瞬变电磁法探测揭煤段，以掌握煤层采空区、断层破碎带和软弱夹层等的大致位置；
9.钻探采用超前地质钻孔与加深炮孔钻孔的方法，验证地质是否异常时，施作超前钻孔1孔；根据现场情况，超前钻探的同时，每一循环布置加深炮孔3孔或5孔以保证探测质量；
10.在正洞、平导、斜井全段开展地质调查，对煤层位置进行预测；
11.s2、精探确定煤层层位：
12.根据初探资料，平导、斜井掌子面距推测煤层垂距10m时，施作超前探测孔会穿越煤层，贯通施作3个φ89mm探测孔，1孔取芯，布孔位置按照孔数3而定，穿透煤层全厚且进入顶、底板煤层不小于0.5m；
13.利用平导推测正洞，当平导推测与正洞探测结果不一致时，需在上台阶掌子面距推测煤层10m垂距处增设2个φ89探测孔，重新探测，并在正洞下台阶增设φ89验证孔2个，对正洞上台阶重新推测的情况进行验证，验证孔施作要求同探测孔；
14.s3、区域突出危险性预测：
15.煤层区域防突分两次预测：掌子面距推测煤层20m、10m最小垂距的预测；施工5个超前地质探孔：上台阶3孔探测，下台阶2孔验证；3孔全程取芯：上台阶1孔取芯，下台阶2孔取芯；若残余瓦斯压力p《0.74mpa，且残余瓦斯含量q《8m3/t，则无区域突出危险，反之，则要采用预抽瓦斯的区域防突措施；
16.s4、工作面突出危险性预测：
17.在精探瓦斯各指标未超过临界值时，掌子面向前掘进至煤层垂直距离5m时，施作φ75预测孔36个，正洞掌子面预测孔孔距、排距为1m，平导、斜井掌子面预测孔孔距、排距为0.5m；
18.s5、工作面局部防突：
19.若区域验证指标通过，在采取安全防护的前提下，掘进至煤层与掌子面法向距离2m时，再次进行突出判定，只要预测有突出危险，则揭煤前必须采取工作面防突措施；
20.s6、防突措施效果检验：
21.防突措施效果检验要分为区域防突效果检验和工作面局部防突效果检验，区域防突效果检验根据瓦斯压力法进行判断，符合要求即可；工作面局部防突效果检验是在实施钻孔排放或水力冲孔后再打孔，采用综合指标法和钻屑瓦斯解吸附法进行判断；
22.s7、揭煤：
23.工作面验证通过后，按照如下方式进行揭煤施工：
24.(1)正洞、平导、斜井采用分层、分段揭煤，需待上层煤揭完方可揭下层煤；
25.(2)揭煤前设置防护措施；
26.(3)采用湿式钻孔，煤矿许用电雷管远距离放炮揭煤；
27.(4)采用压入式通风，喷射混凝土初支，气密性混凝土二衬；
28.(5)隧道拱墙全环铺设全封瓦斯隔离板，排水管内设置水气分离装置；
29.s8、石门揭煤结束：
30.当揭穿煤层进入煤层底板2m后，应立即进行新一个循环的超前钻孔施工，若没有遇到煤层，则在保证至少35m的超前探距的情况下继续掘进，直至隧道掘进完整个煤系地层。
31.所述步骤s1中，物探揭煤段，采用wt3探测；钻探采用超前钻孔+加深孔，最小垂距2m和5m时，孔径为φ75mm，最小垂距10m和20m时，孔径为φ89mm；地质调查全段开展。
32.所述步骤s3中，区域防突采用预抽瓦斯进行防突，工作面局部防突采用封闭掌子面
→
施工排放钻孔
→
施工金属骨架
→
水力冲孔的工序进行综合防突。
33.将长3m的φ22锚杆植入岩体，锚固i16型钢节点，形成网格骨架以封闭工作面。
34.瓦斯排放需待工作面网格骨架安装后，采用直径为φ75mm钻孔作为排放孔，控制范围为：顶部12m，底板12m，两边15m，排放孔应与抽采孔错开，并保证孔底间距不大于0.2m，排放孔控制范围为开挖轮廓线外5m。
35.所有钻孔施作完毕排放10天后，施作φ108大管棚，拱部环向间距0.3m，边墙环向间距0.6m，长度以一环穿越煤层进入顶、底板岩层0.5m为准。
36.钻孔排放后，排放防突效果检验不达标，进行水力冲孔，冲孔选用1/3的排放孔进行，均匀间隔，先对角，再边上，后中间，钻孔控制范围至轮廓线外至少5m。
37.所述步骤s7中，正洞、平导、斜井采用分层、分段揭煤，不得同时施工，各掘进工作面应始终保持前方安全区不得小于5m；湿式钻孔，压入式通风，煤矿用远距离电力起爆放炮揭煤；揭煤前预支，喷射混凝土初支，气密性混凝土二衬；隧道拱墙全环铺设全封瓦斯隔离板。
38.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
39.通过在煤系地层实施地质调查、物探、钻探等手段，先行确定最小垂距20m进行初探、10m处煤层的区域突出危险性，再确定最小垂距5m、2m处煤层的工作面突出危险性，并在必要时采取防突措施，待区域验证指标和工作面验证指标达标后，开始揭煤，保证施工的安全、稳定性；本发明的高瓦斯隧道揭煤综合防突方法可应用于正洞揭煤、平导揭煤以及斜井揭煤，具有良好的适用性和较好的瓦斯突出检测和预防效果，能有效保障高瓦斯隧道穿越煤层时高效安全的揭煤。
附图说明
40.图1为本发明中的揭煤防突流程图；
41.图2为本发明中的超前地质预报施工流程图；
42.图3为本发明中的区域突出危险预测(地质初探)设计图；
43.图4为本发明中的正洞穿越煤层前区域突出性危险预测(地质精探)设计图；
44.图5为本发明中的正洞煤层5m垂距工作面突出危险性预测孔设计图；
45.图6为本发明中的平导及斜井煤层5m垂距工作面突出危险性预测孔设计图；
46.图7为本发明中的煤层2m垂距工作面突出危险性二次预测(验证)钻孔设计图。
具体实施方式
47.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
48.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
49.如图1至图7所示，一种高瓦斯隧道精细化综合防突揭煤方法，包括以下步骤：
50.1、超前地质预报
51.煤系地层段以物探宏观预报，超前钻探精准定位，地质调查辅助验证实现综合超前地质预报。其中，钻探施工流程见图2。
52.(1)物探
53.采用单一物探或物探组合实现地质宏观预报。具体方法有地震波反射法、地质雷达法、瞬变电磁法等，相关方法的预报距离、搭接长度等可参考相关应用及规范。另外，视地层地质状况而定，物探方法选用一种或多种结合使用。
54.(2)超前钻孔
55.综合超前地质预报以平导超前为主，正洞超前预报验证的方法实施。
56.根据地质资料及相关现场调查资料，在结合物探宏观预报和超前钻探的基础上，
平导、斜井超前预报必须施作不少于一个超前钻孔。正洞超前钻探布孔时根据布孔数量不同原则上要求不同：单孔中心，双孔两侧，三孔等腰三角形布置。布孔时，如果出现特殊情况，宜适当调整孔位。
57.根据预测的前方地质及施工情况，确定正洞、平导、斜井掌子面超前钻探zt类型。如果物探预测前方存在煤层，则在平导、斜井掌子面距推测煤层20m最小垂距处施作φ89探测孔1个，按zt1执行，验证是否存在穿越煤层的异常，初探煤层位置。若穿越煤层，则按zt6执行，补足超前钻孔数量达到3孔(1孔取芯)，并保证探测孔穿透煤层全厚且进入顶(底)板煤层不小于0.5m。平导、斜井初探钻孔参照正洞初探施作，当综合物探有异常时，还应增加超前探孔。
58.由于超前地质钻孔孔长较深，孔数较少，对于开挖断面较大的隧道，单一的超前地质钻孔获取的地质信息无论是从数量还是准确性上都略显不足。因此，超前钻探的同时，布置加深炮孔(小孔径浅孔)进行补充。加深炮孔数及孔位布置要求见表1，当适用条件重合时，设计时考虑最不利条件。
59.表1加深炮孔孔数要求
[0060][0061]
由于平导先行，可利用平导推测正洞。按zt1执行，根据先行平导推测前方地质状况，再于正洞上台阶掌子面距推测煤层20m最小垂距处，施作φ89探测孔1个，初探煤层位置。正洞超前钻探布孔按照布孔数1孔布置，初探探测孔布置如图3所示。另外，需要注意的是正洞、平导、斜井上台阶掌子面允许开挖范围距上一循环超前钻孔孔底处岩面的距离不小于20m。
[0062]
(3)地质调查法
[0063]
在正洞、平导、斜井全段开展地质调查，采用敏感、辅助指标的同时可以根据某些具体现象进行突出预测。
[0064]
2、确定煤层层位(精探)
[0065]
根据初探资料，平导、斜井掌子面距推测煤层最小垂距10m时，施作超前探测孔会穿越煤层。此时超前探测布孔按zt6执行，贯通施作3个φ89mm探测孔(1孔取芯)，布孔位置按照孔数3而定，穿透煤层全厚且进入顶(底)板煤层不小于0.5m，精探煤层位置。平导、斜井精探钻孔参照正洞精探施作，正洞穿越煤层前区域突出性危险预测(地质精探)探测孔布置如图4所示。
[0066]
利用平导推测正洞，采用台阶法开挖时，正洞上台阶布孔按zt6执行。当平导推测与正洞探测结果不相符时，需在上台阶掌子面距推测煤层10m垂距处增设2个φ89探测孔，重新探测，并在正洞下台阶增设φ89验证孔2个，对正洞上台阶重新推测的情况进行验证，验证孔施作要求同探测孔。
[0067]
3、区域突出危险性预测
[0068]
煤层区域防突分2次预测，当超前地质钻孔探测到前方存在平均厚度0.3m及以上煤层时，继续掘进至距煤层垂距10m时停止掘进。施作5个超前地质探孔(上台阶3孔探测，下台阶2孔验证)，过程中上台阶1孔取芯，下台阶2孔取芯，完成主要指标为“煤层瓦斯含量”的区域突出危险性预测。
[0069]
选择至少两种方法验证，任一方法指标超过临界指标，均判定为有突出风险，应立即采取预抽煤层瓦斯的区域防突措施。
[0070]
4、工作面突出危险性预测
[0071]
若区域验证通过，可掘进至煤层与掌子面法向距离5m处，再次打孔。上台阶施作36个φ75预测孔定位煤层，正洞掌子面预测孔孔距、排距为1m，平导、斜井掌子面预测孔孔距、排距为0.5m，正洞预测孔布置详见图5，平导及斜井预测孔布置详见图6。利用综合指标法和钻屑瓦斯解吸指标法判定，其相关参考指标分别见表2和表3。
[0072]
表2综合指标d、k参考临界值
[0073][0074][0075]
表3钻屑瓦斯解吸指标法参考临界值
[0076][0077]
5、工作面(局部)防突
[0078]
若区域验证通过，采取一定的安全防护措施(如施工排放钻孔)，掘进至煤层与掌子面法向距离2m时，需再次按zt6执行(施作3个φ75预测孔)，验证垂距5m处煤与瓦斯的突出危险性。掘进隧道时必须保留足够距离的预测超前距，具体布置详见图7。上述二次预测，任何一次指标超限，则对应工作面必须进行防突。
[0079]
(1)封闭掌子面
[0080]
通常是将长3m的φ22锚杆植入岩体，锚固i16型钢节点，形成网格骨架以封闭工作面。
[0081]
(2)施工排放钻孔
[0082]
工作面防突措施采取施工排放钻孔，瓦斯排放孔采用直径为φ75mm钻孔排放孔，控制范围为:顶部12m，底板12m，两边15m。施放排放钻孔排放瓦斯一般需待工作面网格骨架安装后，排放孔应与抽采孔错开，并保证孔底间距不大于0.2m，排放孔控制范围为开挖轮廓线外5m。
[0083]
(3)施工金属骨架
[0084]
所有钻孔施作完毕排放10天后，施作φ108大管棚(金属骨架的一部分)，拱部环向间距0.3m，边墙环向间距0.6m，管棚长度以一环穿越煤层进入顶(底)板岩层0.5m为宜；如若不能穿透，则进入煤层的长度不应小于15m。本隧道骨架长度按20m设计。
[0085]
(4)水力冲孔
[0086]
钻孔排放后，排放防突效果检验不达标，则进行水力冲孔。选用1/3的排放孔，均匀间隔，先对角，再边上，后中间进行冲孔，钻孔应至少控制自揭煤巷道至轮廓线外5m的煤层。若石门全断面冲出煤量不足，在少煤量钻孔周围补孔。水力冲孔后需再次进行防突效果检验，若防突效果不佳，利用剩余排放孔的一半再次冲孔。水力冲孔水压根据岩层软硬程度和冲孔效果进行测试调整，以保证达到预期效果。
[0087]
6、工作面防突措施效果检验
[0088]
工作面预测分两次。5m处预测无突出后，当掘进至法向距离2m处需进行二次预测。每次实施钻孔排放后或实施水力冲孔后，进行防突效果检验，待检验指标达标后，方可对管棚注浆和放炮揭煤。
[0089]
7、揭煤
[0090]
工作面两次验证通过后，即可按照如下方式进行揭煤施工。
[0091]
(1)正洞、平导、斜井采用分层、分段揭煤，不得同时施工。其中，石门工作面距煤层
的垂距不得小于2m，各掘进工作面应始终保持前方安全区不得小于5m。
[0092]
(2)揭煤前设置钢架、超前支护等防护措施。
[0093]
(3)采用湿式钻孔，煤矿许用电雷管起爆，压入式通风。
[0094]
(4)采用远距离放炮揭煤，喷射混凝土初支，气密性混凝土二衬。
[0095]
(5)隧道拱墙全环铺设全封瓦斯隔离板，排水管内设置水气分离装置。
[0096]
8、石门揭煤结束
[0097]
当揭穿煤层进入煤层底板2m后，应立即进行新一个循环的超前钻孔施工，若没有遇到煤层则在保证至少35m的超前探距的情况下继续掘进，直至隧道掘进完整个煤系地层。
[0098]
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。