何晋

中铁十七局集团第二工程有限公司 陕西西安 710043

1 工程概况

昭通至泸州高速公路坪上隧道是一座双线分离式四车道高速公路特长隧道，位于云南省昭通市镇雄县。隧道设计起点位于牛场镇，设计终点位于镇雄县坪上镇，为相距30m分修的双洞隧道，净空高度8.0m，宽度12.50m，隧道长约6km，埋深最大达600多m。进出口端双向掘进。

坪上隧道为高风险隧道，进出口端均穿越二叠系上统宣威组（P2x）含煤地层，隧道中部被F2诸宗断层分隔左右两侧，煤系地层分布如表1。根据区域地质资料，煤系地层中煤层编号为C1-C7，其中C1、C5煤层为区域主采煤层，C1煤厚1.73m，煤层瓦斯含量3.03m³/t；C5煤厚2.12m，C5煤层在邻近矿井煤层突出危险性鉴定工作中被鉴定为煤与瓦斯突出煤层，坪上隧道按煤与瓦斯突出隧道管理。

表1 隧道煤系地层分布表

隧道分进口工区、1号斜井工区、出口工区及2号斜井工区四个工区施工。隧道在实际施工过程中，揭露煤层多，尽管隧道设计阶段已做了一定程度的勘探，但实际揭煤情况与勘探资料有一定的差异，施工前尚未准确掌握开挖工作面前方各煤层的赋存情况。2号斜井工区设计为低瓦斯工区，不穿过煤系地层。截止2018年8月，2号斜井工区施工至Z2K0+060桩号左右，距正洞相交点约60m。在施工过程中，发现掌子面右下部拱脚处有大量气泡冒出，通过人工检测，该气泡为瓦斯气体，测得掌子面正常施工的瓦斯浓度从之前的0.04%左右上升到0.1%左右，初步判断掌子面附近疑似有煤层赋存，为保障掘进安全，对掌子面进行超前钻探，探测煤层赋存状况。

2 超前钻探及层位控制关键技术

2.1 技术难点分析

如何施工超前钻探及对煤层层位的准确控制，是超前钻探施工的关键。

（1）在高瓦斯或突出隧道中施工超前钻探，选择既能满足隧道超前钻探距离（至少100m），又要考虑符合瓦斯隧道特殊条件下对设备防爆的要求，目前市面上钻机型号众多，功能各异，需要进行综合分析，确定设备的最佳选择；

（2）由于隧道穿越煤与瓦斯突出矿区，地质条件复杂，煤层多，层间距离不详，突出风险高，在煤层赋存情况尚未完全掌握下，如何探明开挖工作面前方上部及左右部位煤层位置，需要合理设置钻孔布置参数；

（3）施钻期间，对钻探人员的操作水平及判断能力要求较高，准确判断钻机钻探时所表现出来的状态性质及返水期间钻屑的物理特征，是影响初步判断隧道前方煤层和地质构造的重要因素；

（4）煤层层位控制是详细了解煤层赋存工作的一项重要工作，也是一项难点，特别是在地质构造复杂的煤系地层，煤层层位的判定要综合考虑各种因素，避免层位误判，造成误揭煤层导致安全事故。

2.2 超前钻探设备选择

普通无瓦斯隧道现广泛使用履带式液压潜孔钻机（如TY-370GN履带式液压潜孔钻机）作为超前钻探工具，该钻机钻孔深度一般较短（约30～40m），钻机广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、水电建设、国防施工及土石方等露天工程的爆破孔钻凿及水下钻孔爆破炸礁工程中。钻头具有较强冲击性，若在瓦斯隧道突出煤层段使用，易诱导煤层突出，危险系数高，且钻机不具备瓦斯隧道特殊作业环境下的防爆功能，同时钻进深度不能满足对煤层群超前探测需要。

目前，煤矿专用钻机主要有ZDY-1250煤矿用液压坑道钻机等，钻机具备安全国家防爆标志，该装备已在我国煤矿得到了广泛的推广应用。可适用于煤矿井下超前探测、钻瓦斯抽放孔、排放孔及各种工程钻孔，同样完全适用于瓦斯隧道的超前钻探工作，钻孔深度可达100m以上。ZDY-1250煤矿用液压坑道钻机基本参数如表2所示。

表2 ZDY-1250煤矿用液压坑道钻机基本参数

2.3 超前钻孔参数研究

为了探明隧道煤系地层的瓦斯赋存情况及地质状况，确切掌握煤层的层位、倾角、厚度、顶底板岩性、地质构造等煤层赋存情况，为安全揭煤提供可靠的基础资料，瓦斯隧道揭煤前，必须对煤层赋存条件进行超前探测，以确定煤层的准确位置及基本参数，准确掌握其赋存情况，本隧道主要以地质调查法为基础，物探、超前钻孔等手段为主的综合超前地质预报。

通常，瓦斯隧道工作面开挖至距煤层位置50m之前，沿隧道前进方向施工一个孔深不小于50m的水平超前探孔，探孔尽可能穿透煤层全厚且进入煤层底板不小于0.5m。水平超前探孔的超前距为20m即工作面距上一循环水平超前探孔终孔20m时，停止开挖，施工下一个循环水平超前探孔。水平超前探孔示意图见图1所示：

图1 水平超前探孔示意图

在隧道开挖工作面至距推测煤层法距不小于10m时，必须打至少3个超前钻孔，钻孔直径为89mm，必须穿透煤层全厚，并且进人底板岩层不小于0.5m，其终孔位置应控制在开挖轮廓外5m左右，并取岩(煤)芯，分析煤层顶、底板岩性。3个超前钻孔(1个仰孔和2个水平边孔)，仰孔起到控制煤层倾角的作用，2个水平边孔起到控制煤层走向的作用。打钻过程中应注意观察孔内排出的浆液、煤屑、瓦斯动力现象等，并作好详细记录。超前探孔布置示意图见图2。

图2 超前探孔布置示意图

坪上隧道依据钻孔控制范围，对上述钻孔参数进行优化设计，隧道超前探孔设计参数如表3所示，超前探孔布置示意图如图3所示。

图3 超前探孔布置示意图

表3 隧道超前探孔设计参数表

2.4 煤层层位控制技术

施工超前钻探期间，现场专业钻探人员及技术员观察孔内排出的返浆、钻屑物理特征、钻机钻探时所表现出来的状态性质及钻进深度等，并做好详细记录，依据施工钻孔参数、钻孔原始记录成果作出剖面图、平面图进行成果分析，可以准确探测开挖工作面前方煤（岩）层赋存参数（主要为煤层厚度、倾角、走向、层间距及与隧道的几何关系），对煤层层位进行掌握控制，为揭煤作业预留安全岩柱具有重要指导意义。

根据超前探测钻孔确定实际煤层平面公式如下：

（1）三孔确定煤层平面

① 假设煤层平面方程为：

② 根据超前探测钻孔开孔坐标、钻孔偏角、倾角及孔长，计算见煤点坐标：

3 超前钻探结果

采用ZDY-1250型煤矿用大功率防爆型钻机按照钻孔设计参数在Y2K0+060掌子面施工了3个超前探测钻孔，钻孔施工过程中，通过排出的渣样对探测范围内岩性进行了判断。对探测出的煤层，根据各孔的见煤点，采用公式进行计算。探测结果表明，约在现掌子面前方32m处有一层煤层赋存，煤层产状约为60°∠8°。计算得到煤层厚度约为1.5m。通过观测，1#、2#、3#钻探过程实施正常，钻孔内无瓦斯异常涌出等动力现象。对打钻前后掌子面瓦斯浓度进行测试，结果如下：掌子面打钻前瓦斯浓度为0.04%；打钻后瓦斯浓度为 0.10% ；打钻过程中最高瓦斯浓度为0.15%。测试表明，在钻孔过程中隧道施工通风系统态良好，掌子面瓦斯浓度一直控制在较低水平。钻探过程中，采用WTC型突出参数测定仪测定了煤样的钻屑瓦斯解吸指标，测得K1值最大值为0.08mL/g·min1/2，小于《防治煤与瓦斯突出规定》推荐临界值，判定该煤层无煤与瓦斯突出危险性，因此，可在采取安全措施的前提下，直接掘进揭开煤层。

4 结语

结合坪上隧道的地质资料及现场掘进实际情况，通过采用煤矿用大功率防爆型全液压钻机ZDY-1250施工长距离超前探测钻孔，施工3个钻孔，分别控制隧道前方80m范围内，按照“三点定面”的几何原理，超前钻探钻孔的合理布置，可以准确探测开挖工作面前方煤（岩）层赋存参数等（主要为煤层厚度、倾角、走向、层间距及与隧道的几何关系），对煤层层位进行掌握控制，可以解决地勘期间煤层赋存资料不全的技术难题，避免盲目施工，误揭煤层导致安全事故。同时随着技术的进步，钻孔机具的不断更新改进和超前钻探预测技术的不断实践和总结，这一技术必将在以后的隧道施工中发挥着更大的作用。