煤系瓦斯地层隧道揭煤施工工法.docx

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1、煤系瓦斯地层隧道揭煤施工工法1 .前言随着我国中西部地区交通规划的不断发展，在山区地形修建的隧道也是逐年增加。山区地形同时也蕴藏了丰富的矿产资源，当中不乏煤矿的广泛分布，因而在山区进行隧道施工建设，隧道选线就难免会与煤层相遇，因此我国建设的瓦斯隧道也不断增加。穿越煤层的隧道最主要的危险源就是瓦斯，因为瓦斯的存在容易引发各种事故，比如瓦斯中毒室息、瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出等等。这些灾害的存在，往往会造成人员伤亡及设备毁损，甚至造成隧道大面积坍方，耽误工期，如何快速安全揭煤是当今煤系瓦斯地层隧道施工的一大难题。目前国内外对于煤与瓦斯突出隧道工程实例较少，本单位参建过的主要有王岗山隧道、扎西隧道及扎西

2、胜利隧道等，在施工中所积累的施工经验十分有限。隧道穿越煤系地层，无论是铁路隧道还是公路隧道，其揭煤技术的设计和施工经验均不足，目前仍处于探索阶段，虽然制定有相关的规范，但是很多数据都是参考煤炭部门制定的，由于煤矿巷道与铁路、公路隧道存在很大差别，鉴于铁路和公路隧道与煤矿巷道存在诸多差别，煤矿部门的很多数据对铁路和公路隧道并不适用或应用效果较差。因此在揭煤方面，需要针对铁路隧道和公路隧道自身的特点展开研究。2 .工法特点2.1 该工法首先通过物探+钻探法等超前探测手段，主要探测掌子面前方的的地层岩性、围岩级别、含水率及煤层、瓦斯赋存情况等。物探主要采取地质雷达法，有效规避了洞内爆破安全风险；钻探

3、法是最直接、最可靠的地质超前预报方法，可以达到“一孔之现”效果。两种方法相互印证，确保了地质超前预报的准确性；2.2 采用超前大管棚预注浆预加固围岩，一方面在掌子面周边成止气帷幕，减少游离瓦斯溢出通道，另一方面增强掌子面周边煤体承载能力和稳定性，确保开挖面稳定。2.3 3然后将大断面洞室分部、分台阶开挖支护，将大断面分割成小断面、微震动控制爆破减少掌子面围岩的扰动，临时封闭掌子面和及时初期支护，缩短围岩风化暴露时间，有效防治煤与瓦斯突出，确保了围岩稳定及施工安全，从而达到快速安全的揭煤施工。3 .适用范围本工法适用于煤与瓦斯突出及煤系瓦斯地层隧道揭煤开挖施工，也适用于其它类似不良地层的地下工程

4、。4 .工艺原理煤系瓦斯地层隧道施工首先采用物探与钻探相结合手段进行地质超前探测，根据探测煤层中瓦斯含量及压力制定相应的施工措施。揭煤前采用超前管棚+高压注浆预加固围岩等措施，增强掌子面附近煤体承载能力和稳定性，确保开挖面稳定。采用预留核心土三台阶分部开挖法降低开挖高度，将大断面分割成小断面，分部分台阶微震动控制爆破，临时封闭掌子面及初期支护，减少掌子面围岩的扰动及缩短围岩风化暴露时间，以达到防治煤与瓦斯突出的目的。5 .施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程施工工艺流程见图5.1图5.17隧道揭煤防突施工流程图5.2施工要点5.2.1煤层超前探测在开挖工作面进入瓦斯地层前不小于50m至整个

5、瓦斯地层结束，采取物探和钻探相结合的方式进行超前探测，两种方法相互验证。物探主要采用地质雷达法，最直接、最可靠的钻探法，可以达到“一孔之现”效果。1地质雷达法施工要点：1）采用SIR-3000型地质雷达配置IoOMHZ天线；2）每循环超前探测距离不大于30m,搭接长度不小于5m；3）预报的主要内容：地层、完整性及含水情况、断层及富水情况、煤层及瓦斯情况、采空区与隧道相对位置关系等。2.钻探法施作要点：1）瓦斯隧道开挖面至距煤层位置50m时，沿隧道前进方向施工一个孔深不小于50m的超前探孔，探孔尽可能穿透煤层全厚且进入煤层底板不小于0.5m。2）掌子面距煤层最小法向距离N20m时，钻孔数量不少于

6、3个，地质复杂及岩石破碎区域钻孔数量不少于5个，且至少有2个取芯孔。按各孔见煤、出煤点计算煤层厚度、倾角、走向及与隧道的关系，并分析煤层顶、底板岩性及地质构造。超前钻探孔布置示意图如图5.1.1-1所示:（b）（C）a一开挖工作面；bT占孔平面图；CT占孔剖面图图5.1.17超前钻探孔布置示意图3）开挖面距煤层位置法向距离为IOm时至整个瓦斯地层结束，施作5个直径75mm的地质超前钻孔穿透煤层，其终孔位置应控制掘进而开挖轮廓外6m左右，分别探测掌子面前方上部及左右部位煤层位置并采取煤样和气样进行物理、化学分析和煤层瓦斯参数测定，进行瓦斯或天然气含量、涌出量、压力等测试工作。4）超前探孔应满足下

7、列规定：必须采用湿式钻孔，使用煤矿用安全液压钻机；每个探孔穿越煤层并进入顶（底）板0.5m以上；岩（煤）芯钻取完整，进入煤层后采取干钻取样，各钻孔直径不宜小于75mmo钻孔长度不小于50m,每循环搭接长度不小于IOmo若测定的煤层瓦斯含量N8m3t或瓦斯压力P0.74MPa时，则判定该开挖面有煤与瓦斯突出风险，需采取四位一体的防突措施。5.2.2超前管棚+高压注浆加固超前管棚是在隧道开挖面距离煤层一定距离时，沿隧道开挖轮廓拱部180。范围布设，采用中108X8IiIm无缝钢管作为劲性骨架，穿越全厚煤层进入完整岩体锚固，锚固长度为35m,尾部支撑于钢架上，辅以高压注浆，在开挖轮廓外形成止气帷幕，

8、同时大大提高了掌子面围岩的自稳能力。采取超前管棚加固时，应提前35m按设计开挖轮廓线扩挖0.813m,在开挖台架上采用煤矿用安全液压钻机湿式钻孔，钻孔孔径为中0mm,孔间距控制在0.30.5m之间，孔口距隧道轮廓线外0.81m,进入煤层顶板2m,超出两帮轮廓线0.51m,外插角为13OO在钻孔施工完毕后，立即插入管体。用钻机顶推下管，每根钢管的长度为3.5m,各管节采用丝扣连接，管头加工成锥形，管体上钻设注浆孔，孔径控制在35mm,孔间距为1520cm,呈梅花形布置，尾部留不小于IOOCm不钻孔止浆段。管棚注浆液采用1:1水泥浆，注浆压力控制：初压力为0.51OMPa,终压力为3.54.OMP

9、a,注浆压力由小到大，待孔满后封闭排气孔加压至设计终压持续30min以上，必须保证孔眼浆液饱满密实，扩散范围达到设计要求。注浆顺序：由底到高，由拱脚到拱顶，自下而上隔孔注浆。超前管棚布置示意图如图5.2.2-1所示。超前管棚可与超前小导管配合使用，达到安全可靠的目的。a）剖面图b）平面图c）断面图图5.2.2-1超前管棚布置示意图5.2.3揭煤开挖施工方法1开挖方法确定1）按照隧道开挖施工原则，将大断面分割成小断面，分部、分台阶自上而下揭煤，揭煤过程划分如图5.2.3-1所示。采用三台阶分部开挖法，上台阶一次性揭开煤层，完成上台阶开挖后，再进行中、下台阶揭煤。上、中、下台阶高度控制为3m、3.

10、37m,3.Im,上、中、下台阶长度分别为5m、IOm、18m,仰拱距离上台阶开挖面距离不得大于35m,开挖面积分别为22.9m2.40.8m238.5m2o三台阶揭煤开挖法横、纵断面如图5.2.3-2、5.2.3-3所示。图5.2.3-1揭煤过程划分图拱部1201范围108超前大管棚图5.2.3-2三台阶揭煤横断图图5.2.3-3三台阶揭煤纵断图2）揭开不同倾角、厚度的煤层应符合下列规定：急倾斜和倾斜的薄煤层，应一次全断面揭穿煤层全厚；急倾斜和倾斜的中厚、厚煤层，一次全断面揭入煤层深度宜为113m;缓倾斜煤层，应一次全断面揭开岩墙。当倾角小于12。，岩柱水平长度大时，可刷斜面揭开煤层。3）开

11、挖面瓦斯浓度小于0.5%时，可采用微震动控制爆破，禁止采用大药量震动爆破。2微震动控制爆破设计采用微震动控制爆破揭穿煤层时，开挖工作面到含气层间应留有煤岩柱。岩柱的大小应根据岩石性质、煤层情况等确定，但应保证开挖工作面距煤层之间的最小垂直距离不小于2m。微震动爆破的炸药用量和炮眼数量计算依据如下公式：设计炸药量计算：Q=S1G（kg）炮眼布置个数计算：n=5.5S1/2f2/3式中：S一巷道断面积（1112）,根据图5.2.3-2三台阶揭煤横断图可得：上、中、下台阶面积分别为22.9m2、40.8m238.5m2;1一爆破进尺深度（m）,1=1.2m；G一爆破单位岩体炸药消耗量（kgm3）,G

12、=I.68fi2Km/SSf岩石坚固性系数，设计文件明确：C1煤层为0.31,C5煤层为0.71；平均取0.51。Km煤层厚度对单位体积炸药消耗量的影响修正系数,一般取0.95；通过上式计算设计炮眼个数：上台阶17个、中台阶22个、下台阶22个，设计炸药用量：上台阶1.87kg、中台阶2.16kg,下台阶2.13kgo炮眼布置如图5.2.3-4三台阶微震动爆破炮眼布置图所示，钻爆设计参数见表5.2.3-1o图5.2.3-4三台阶微震动爆破炮眼布置图表5.2.37钻爆设计参数表炮眼名称炮眼深度（cm）炮眼金翘药圈姆1药量(kg)蜘药量（他）药1()上台阶周边眼100720210.10.72.2掏

13、槽眼9043221.50.2250.9底板眼100432210.150.6中台阶周边眼10062020.50.050.32.7掘进眼1001032210.151.5底板眼100632210.150.9下台阶周边眼10062020.50.050.32.7掘进眼1001132X20010.151.65底板眼100532X20010.150.75据钻爆设计参数表可得：上、中、下台阶实际装药量分别为2.2kg、2.7kg,2.7kg,分别比设计多装药0.33kg、0.54kg0.57kgoD炸药、雷管的选择根据煤矿安全规程规定：掏槽眼、掘进眼等采用标准规格药卷长19Omnb药卷直径中32mm的煤矿许用

14、含水炸药（安全等级不低于III级），周边眼和底眼采用中25mm煤矿许用含水炸药（安全等级不低于III级）。雷管选用煤矿许用毫秒延期电雷管且最后一段的延期时间不大于130ms,一般不大于5段。严禁使用导爆管或普通导爆索、火雷管。放炮所用雷管提前进行导通试验，测定其电阻值，其误差不大于0.2o2）车占孑1开挖工作面附近20m风流中瓦斯浓度必须小于1.0%,方可进行钻孔作业；钻孔采用湿式钻孔，钻孔前严格按照现场编制的爆破图表及测设孔位进行布孔，掌握好炮眼的布置方式及数量；采用矿用坑道钻机钻孔，钻孔直径为中42mm。每循环进尺不宜超过1m,炮眼深度不宜小于0.6m,外插角不大于5。，钻孔实际操作做到“

15、准、平、直、齐”，并采用“炮棍瞄准法”控制炮孔的平行，其钻孔方向偏差控制在3cmm5cmm以内。同时，应根据眼口位置及开挖面围岩凸凹程度调整炮眼深度，以保证炮眼底在同一平面上。3）装药装药前进行专项检查，有下列情况之一时不得装药爆破：a.炮孔内发现异状、温度骤高骤低、有显著瓦斯逸出、煤岩松动等；b.在距爆破地点20m内堆放的机具设备、石渣、材料等堵塞坑道断面1/3以上；c.工作面风量不足；装填炸药时，为了避免差错，应按设计将炮眼编号挂牌，凭牌装药。装药一般采用正向装药，装药时按照编制的爆破图表规定的药量使用木质炮棍将药卷轻轻送入炮孔内，使药卷彼此密贴；每个炮眼至少装入2个水炮泥，水泡泥外剩余炮眼部分应用黏土炮泥或者不燃性、可塑性松散材料制成的炮泥封实，炮泥的长度不小于0.3mo周边眼采用小直径药卷不耦合间隔装药，煤矿许用毫秒延期电雷管传爆，其他眼采用一般药卷集中装药。所有的装药