浅谈炭质板岩瓦斯隧道勘察方法与评价

2013-05-04王建军

铁道建筑 2013年6期

王建军

(中铁第一勘察设计院地质路基处，陕西西安 710043)

近年来，随着国民经济的持续增长以及铁路建设的快速发展，铁路等级不断提高，线路通过的长大、深埋隧道明显增加，难免穿越煤系或非煤层等含瓦斯地层，给隧道施工以及运营带来极大的安全隐患［1］。我国铁路、煤炭行业现行相关规范主要是应用煤质工业分析及瓦斯压力测试等瓦斯参数(适用煤系地层预测瓦斯涌出量)，确定瓦斯隧道工区以及瓦斯隧道类型。对于炭质板岩、炭质页岩等含瓦斯地层，目前尚无具体的适用规范，一般参考煤系地层进行测试;但计算中由于炭质岩层挥发分数值极高(一般＞90%)，应用此参数计算瓦斯绝对涌出量明显偏高。本文根据化马隧道含瓦斯炭质板岩测试原理，提出利用钻孔瓦斯流量预测此类地层绝对瓦斯涌出量的可行方法及计算公式。

1 工程概况

化马隧道位于甘肃省宕昌县境内，为兰渝铁路兰州至广元段的一座特长双线隧道，全长12 574 m。2012年7月15日，化马隧道化马沟斜井正洞施工至DK304+190处，电焊切割超前小导管时，导管口发生气体燃烧现象，遂停止施工。实测掌子面右侧边墙小导管瓦斯浓度4.63%，封闭掌子面后在通风状态下检测掌子面瓦斯浓度0.24%～1.25%。

2 瓦斯地质勘察

炭质板岩与煤层瓦斯勘察方法基本一致，主要通过地质调绘、岩矿鉴定及碳含量测试、瓦斯参数测试、瓦斯来源及储存条件分析进行瓦斯评价。本文重点在瓦斯评价中提出了应用钻孔瓦斯流量预测瓦斯绝对涌出量的方法及公式。

2.1 瓦斯地质调绘

根据区域地质、矿产地质、水文地质、油气田有害气体区测资料、隧道工程地质勘察报告以及施工揭示的围岩特征，区内以二叠系下统灰岩，石炭系中上统灰岩、炭质板岩及其压碎岩为主，不含煤层、煤线等地层。

现场勘察自DK304+202进入断层f36，上盘为石炭系中上统灰岩(已开挖)，掌子面为压碎炭质板岩夹灰岩，压碎结构，原岩以石炭系炭质板岩为主，夹有一层厚0.5 m的灰白色石炭系灰岩，岩质软，揉皱发育，层间结合差，节理裂隙发育，岩体破碎，无水，属Ⅴ级围岩。从已经揭示的地质情况分析，DK303+404—DK304+202段为含瓦斯地段，长798 m。地质剖面详见图1。

2.2 岩矿鉴定及碳含量测试

经过取样进行薄片鉴定，岩石为砂质泥炭质板岩或泥炭质板岩质碎裂岩，由变余碎屑物、泥炭质残余物和新生矿物绢云母等组成。变余泥炭质含量27%～47%，为粒径＜0.005 mm的隐晶状质点，基本不具透光性。同时还进行碳含量测试，结果为2.86% ～2.96%。

2.3 瓦斯勘探测试

2.3.1 规范标准［2-4］

由于化马隧道含气层为石炭系非煤炭质板岩，参照煤层引用煤层气体参数测试方法，利用超前地质钻孔取煤(岩)样、气样并与孔内瓦斯压力及流量等瓦斯监测相结合，依据的主要规范标准:①《地勘时期煤层瓦斯含量测定方法》(GB/T 23249—2009);②《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》(AQ/T 1047—2007);③《煤的工业分析方法》(GB/T 212—2008)。

图1 化马隧道化马沟段纵断面

2.3.2 主要瓦斯参数成果

1)岩样及孔内含气量测试

根据项目需要，在化马沟斜井正洞DK304+190—DK304+195段进行了3个岩样瓦斯含量和6组气成分的测定。瓦斯由CH4、CO2和C2+组成，测点瓦斯含量为0.15～0.26 m3/t，瓦斯气成分CH4为14.46% ～52.37%，CO2为0.05% ～10.99%，N2为47.38% ～78.04%，C2+为0～0.94%。孔内测试瓦斯压力0.25～0.33 MPa;测点透气性系数为0.054 2～7.298 8 m2/MPa2·d;钻孔瓦斯流量衰减系数为(0.02～0.41)/d;瓦斯放散初速度为1～2。样品坚固性系数为0.97～2.01。

2)煤质工业分析

本次对3组样品在实验室进行了水分、灰分和挥发分的化验。样品水分产率为1.28% ～1.38%，灰分产率为85.76% ～89.86%，挥发分产率为92.03% ～92.46%。

3)瓦斯压力测试

二是医院管理上的因素。医院管理制度上的缺失也是带来隐患的重要原因，由于医院疏于制度建设，导致护理管理规章制度得不到及时的更新和修正，失去了正确的指导和行为规范后护理工作流程不合理。另外对于护理人员的培训落实不到位，使其专业技能得不到提高，职业素养得不到加强。

在3个超前地质钻孔内进行瓦斯压力测试，结果为0.25～0.33 MPa。

4)密度测试

对采集的3组样品在实验室进行了真密度、视密度的测试。样品真密度为2.74～2.99 g/cm3，视密度为2.57～2.73 g/cm3，孔隙率为6.16% ～8.69%。

2.4 瓦斯来源及储存条件

1)气体产生的地层岩性条件

该段为f36断层破碎带之压碎岩，地层岩性以石炭系炭质板岩及灰岩为主，原岩为泥岩、炭质页岩、灰岩，属于滨海相或海陆交互相沉积环境，一般在炭质页岩中常含大量植物遗体或植物化石，通过薄片鉴定炭质板岩矿物成分中泥炭质含量约占27%～47%。在成岩过程的第一阶段(泥炭化阶段)早期，由于氧气和亲氧细菌的作用植物主要产生CO2，晚期出现弱氧化环境或还原环境，主要生成CH4、CO2;在第二阶段(变质作用阶段)，主要生成以CH4为主的气态烃，由于埋藏深不易扩散。

2)气体储存的构造条件

该段位于压性断层f36之破碎带内，以断层泥、断层角砾及压碎泥质结构炭质板岩为主，揉皱构造十分发育，地层透水、透气性较差，利于气体储存，且断层上盘为石炭系灰岩，下盘为二叠系下统石灰岩，岩体普遍较为完整，为瓦斯封闭创造了条件。

3 瓦斯涌出量预测

3.1 瓦斯涌出量预测

《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2002)［5］中的计算公式，以及本文针对炭质板岩的计算公式如表1所示。两种计算方法的主要区别在吨煤(岩)瓦斯逸出量w及单位时间单位坑壁面积瓦斯逸出初始强度Q0，具体区别详见表1。

根据《铁路瓦斯隧道技术规范》附录F独头坑道瓦斯涌出量预测方法及参数取值，对兰渝线化马隧道化马沟斜井正洞DK304+190掌子面的瓦斯涌出量进行了预测;同时，本文现场测试过程中为了测试透气性系数进行孔内瓦斯流量测试，应用瓦斯流量计算新暴露岩壁瓦斯涌出量q2，结果见表2。

表1 现行规范煤层瓦斯涌出量计算与钻孔瓦斯流量预测法计算公式

表2 DK304+190独头坑道瓦斯涌出量计算结果m3/min

3.2 现场监测分析

根据化马隧道化马沟正洞瓦斯监测资料，2012-08-06日至2012-08-31掌子面瓦斯涌出点甲烷浓度为2%～2.68%，甲烷浓度变化不大。同期距掌子面2～5 m位置甲烷浓度为0.02% ～0.03%，甲烷浓度变化不大，开挖台车下部位置甲烷浓度为0.01%。2012-08-13至2012-08-31距掌子面2～5 m位置甲烷浓度为0.10%～0.27%，甲烷浓度变化较大，开挖台车下部位置甲烷浓度为0～0.01%，甲烷浓度明显下降。估算瓦斯涌出量为0.5～0.9 m3/min，与本文预测分析相当。

4 瓦斯地质条件评价

根据瓦斯参数测试及瓦斯涌出量预测结果，对该隧道瓦斯工区划分、瓦斯地段等级以及煤与瓦斯突出危险性作了如下评价。

1)瓦斯工区划分

依据《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2002)，独头坑道瓦斯涌出量为2.81 m3/min，该工区为高瓦斯工区，属高瓦斯隧道;根据钻孔瓦斯流量预测法，独头坑道瓦斯涌出量为0.688 m3/min，为高瓦斯工区;根据现场瓦斯涌出检测及分析估算瓦斯涌出量为0.5～0.9 m3/min，综合判断该工区为高瓦斯工区。

2)瓦斯地段等级

3个钻孔的瓦斯压力分别为0.29 MPa，0.33 MPa，0.25 MPa，依据《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2002)，判定该隧道瓦斯地段等级为二级。

3)煤与瓦斯突出危险性预测

根据检测结果瓦斯压力0.25～0.33 MPa(＜0.74 MPa);瓦斯放散初速度为1～2(＜10);岩样坚固性系数为0.97～2.01(＞0.5);煤(岩)的破坏类型为Ⅱ类，均达不到突出危险性指标，因此该工区无煤与瓦斯突出危险性［5-6］。