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關于瓦斯隧道揭煤突出危險性預測方法的探討

文檔作者：呂貴春文檔來源：中煤科工集團重慶研究院有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年08月31日
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Vo1．41 No．4
Aug．2014
礦業(yè)安全與環(huán)保
MINING SAFETY＆ ENVIR0NMENTAL PROTECTION
第41卷第4期
2014年8月
呂貴春．關于瓦斯隧道揭煤突出危險性預測方法的探討[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2014，41(4)：118—122
文章編號：1008-4495(2014)04一Ol18—05
關于瓦斯隧道揭煤突出危險性預測方法的探討
呂貴春
(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037)
摘要：當隧道穿過煤系地層時，準確可靠地預測揭煤工作面的突出危險性，是大斷面隧道實現(xiàn)安全
揭穿煤層的關鍵環(huán)節(jié)。以貴州某公路瓦斯隧道揭6號和2號煤層突出危險性預測為例，采用瓦斯含量
指標與突出預測指標相互驗證的方法，有效杜絕了因客觀地質條件或因垂直距離不足，導致瓦斯壓力指
標測定結果不可靠，進而當選擇瓦斯壓力作為突出預測指標之一時，突出預測結果出現(xiàn)誤判的缺陷，同
時對現(xiàn)行規(guī)范存在的問題進行了探討。實踐表明，在垂直距離5 m處測定煤層瓦斯壓力，垂直距離偏
小，對于無煙煤，綜合指標(D、K值)不宜作為突出預測的主要指標。
關鍵詞：隧道揭煤；瓦斯含量；瓦斯壓力；綜合指標；垂直距離
中圖分類號：TD713 ．2 文獻標志碼：C 網(wǎng)絡出版時間：2014—07—25 09：34
網(wǎng)絡出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／50．1062．TD．20140725．0934．031．html
Discussion on Prediction M ethod for Gas Outburst Hazard in
Driving through Outburst Coal Seams in a Tunnel
U Guichun
(China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400037，China)
Abstract：When a tunnel was driven through the coal—bearing strata，the accurate and reliable prediction of outburst hazard
in the working face driving through an outburst coal sean'l is a key link to safely drive through outburst coal seams in the largebore
tunne1．By taking the prediction of outburst hazard in driving through No．6 and No．2 outburst coal seams in a highway
tunnel in Guizhou Province as an example and using the inter—verification of gas content index and outburst prediction index，
unreliable measurement results of gas pressure which were caused by objective geologic conditions and insuficient vertical distance
were effectively eliminated；then when gas pressure Was chosen as one of the outburst prediction index，misjudgment of the
outburst prediction index presented；in addition，discussion was made on the problems existing in the current specifications．The
practice proved that when the gas pressure was measured at the place with 5 m vertical distance，the vertical distance was on the
small side，and for anthracite，the comprehensive index(D，K value)should not be as the main index of outburst prediction．
Key words：driving through outburst coal seams in a tunnel；gas content；gas pressure；aggregative indicator；vertical
distance
由于客觀地質條件的原因，公路、鐵路等隧道往
往需要穿過煤系地層。隧道揭煤前，準確可靠地預
測煤層的突出危險性，是準確判定隧道瓦斯等級、按
實際瓦斯等級進行施工和隧道揭煤前實施針對性安
全技術措施的重要依據(jù)? 。
目前瓦斯隧道揭煤突出危險性預測方法，執(zhí)行
收稿日期：2013—12—18；2014—03—30修訂
作者簡介：呂貴春(1979一)，男，黑龍江齊齊哈爾人，工程
師，主要從事瓦斯防治方面的研究和技術咨詢工作。Tel：
65239013，E—mail：147621079@ qq．con。
· ll8 ·
借鑒煤炭行業(yè)《防治煤與瓦斯突出細則》 (已廢
止)相關規(guī)定的基礎上制定的《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)
范》 (TB 10120-2002，以下簡稱《技術規(guī)范》)，但
由于煤炭行業(yè)技術和裝備水平的發(fā)展，《技術規(guī)范》
并未按照現(xiàn)行的《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》 (以下
簡稱《防突規(guī)定》)進行修正和完善，因此可能因預
測指標選擇不合理，導致瓦斯隧道揭煤突出危險性
預測結果不可靠。由此，一方面可能造成安全隱患、
冒險作業(yè)；另一方面可能因措施工程量過多，影響工
程進度。
借鑒煤炭行業(yè)煤層突出危險性預測方法，將具
第41卷第4期
2014年8月
礦業(yè)安全與環(huán)保
MINING SAFETY &amp;amp; ENVIR0NMENTAL PROTECTION
Vo1．41 No．4
Aug．2014
有靈活布置測點、不受地質條件限制、測定工藝簡單
和成功率較高為優(yōu)點的瓦斯含量作為輔助判別指
標，一方面可以克服當選擇由于客觀地質條件和測
定工藝復雜及測定周期長等因素影響導致成功率不
高的瓦斯壓力指標、由于不同煤種原因導致參考意
義不大的綜合指標法(D、K值)等，在準確判定突出
危險性方面存在的缺陷；另一方面，還可以完善瓦斯
隧道揭煤突出危險性預測方法。
1 瓦斯含量測定方法
瓦斯含量是指標準狀態(tài)下單位質量的煤中所含
的瓦斯氣體體積量，單位為m ／t。煤層瓦斯含量測
定，分為取樣和測定兩部分，可按照《煤礦井下煤層瓦
斯含量直接測定方法》(GB／T 23250-2009)進行 j。
在距離煤層適當垂距處施工鉆孔采取煤層煤樣，
當超前鉆孔探測的煤層較硬時，宜采用巖心管取樣，
當煤層較軟時，宜采用定點快速取樣。
將采集的新鮮煤樣裝入煤樣罐進行密封，在隧
道內測定常壓自然解吸量，并做好記錄；將解吸后的
煤樣罐送入地面實驗室，進行粉碎前常壓自然解吸，
之后進行粉碎常壓自然解吸，記錄地面瓦斯解吸量；
根據(jù)煤樣瓦斯解吸模型、井下瓦斯解吸速度、采樣損
失時間計算取樣過程中的瓦斯損失量；根據(jù)實驗室
工業(yè)分析、孔隙率等參數(shù)，計算常壓不可解吸瓦斯含
量；將常壓可解吸瓦斯含量校正后，與常壓不可解吸
瓦斯含量相加即為煤層瓦斯含量。
煤層瓦斯含量 可由下式進行計算：
IV=IVk+ (1)
IVK=1V1+ + + (2)
式中 — —可解吸瓦斯量，Ill ／t；
1— — 損失瓦斯量，m ／t；
— — 井下解吸瓦斯量，m ／t；
— — 粉碎前瓦斯解吸量，m ／t；
— — 粉碎后瓦斯解吸量，m ／t；
— — 常壓不可解吸瓦斯量，m ／t， 采用
式(3)進行計算：
= 1 bp” + · 1 00 · 1 +03 1M + (3)
．
‘
o、6——瓦斯吸附常數(shù)；
p——大氣壓力，0．1 MPa；
A ——煤的灰分，％；
d— — 煤的水分，％ ；
卜煤的孔隙率，m ／m ；
— — 煤的視密度，t／m 。
2 應用實例
在貴州某公路瓦斯隧道揭煤前，實測了煤層瓦
斯壓力、綜合指標(D、 值)及鉆屑瓦斯解吸指標
值，并利用瓦斯壓力測定鉆孔采取煤樣測定了煤層
瓦斯含量，通過煤層瓦斯含量輔助綜合分析，準確可
靠地進行了煤層突出危險性預測。
2．1 隧道揭煤工作面概況
貴州某瓦斯隧道，等級為雙線(左線和右線，間
距17 m)4車道公路隧道，單線雙車道設置，右線全
長1 432 m，左線全長1 396 1TI。開挖斷面105 m ，隧
道施工方式為進、出口獨頭相向掘進。
該隧道需穿過二疊系龍?zhí)督M煤系地層段，該地
層段賦存可采煤層2層，為2號和6號煤層，煤種均
為無煙煤，2號煤層較硬、6號煤層較軟，2號煤層厚
度1．4 m，6號煤層厚度2．9 m，煤層傾角29。，層間
距55 m?？碧狡陂g探明，在隧道左右線穿6號煤層
位置上方賦存一落差為3 m的逆斷層，其中右線頂
部距離斷層面層面距離為12 m，左線頂部距離斷層
面層面距離為35 m，煤層賦存、斷層賦存及隧道相對
位置剖面如圖1所示。
(a)右線
右線進口段
● — 一
掘進方向
(b)左線
圖1 煤層、斷層及隧道位置剖面圖
根據(jù)煤層賦存與隧道設計的相對位置，揭煤段
均處于左右線進口施工段內，按照施工進度，右線施
工進度超前左線80 m，因此，右線先于左線揭穿6號
和2號煤層。
2．2 突出預測指標測定
在隧道右線和左線揭6號和2號煤層前，采用
《技術規(guī)范》規(guī)定的方法，分別測定了煤層瓦斯壓力
． 1 19 ·
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鉆屑瓦斯解吸指標K 值，同時利用鉆孔采集了煤
樣，實驗室進行了瓦斯放散初速度△P、煤的堅固性
系數(shù)廠值及瓦斯吸附常數(shù)(口、b值)及工業(yè)分析指標
等參數(shù)的測定，在施工瓦斯壓力測定鉆孔過程中，利
用深孔快速定點取樣裝置采集煤樣(取樣時間
2～3 min)，同時測定了煤層瓦斯含量。
右線和左線6號、2號煤層突出預測鉆孔布置如
圖2所示，突出預測指標測定結果見表1～2。
圖2 左右線分別揭6號和2號煤層預測鉆孔布置示意圖
2．3 預測指標及結果分析
2．3．1 左右線揭6號煤層突出預測指標及結果分析
從左右線揭6號和2號煤層前，現(xiàn)場實測的突
出預測指標結果來看，右線6號煤層實測瓦斯壓力
偏小，一方面可能因為鉆孔距離地質構造(斷層)較
· 120 ·
近，導致測定結果偏??；另一方面可能由于在距離煤
層垂距5 m處進行瓦斯壓力測定，其巖孔長度較小，
封孑L有效深度不足，導致測定結果偏小。而同時利
用測壓鉆孔實測的煤層瓦斯含量表明，6號煤層瓦
斯含量較高，依據(jù)公式(3)間接測算的煤層瓦斯壓力
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鬈 線別 鉆孔編號 瓦斯放散初速度△P 煤的堅固性系數(shù)廠m D— 絲堂 一 備注
右線
6號
左線
6—1
6—2
6-3
6—1
6-2
6-3
35
38
34
39
32
37
O．33
0．27
0．29
O．38
0．47
0．42
— 1．11
— 0．98
— 1．16
0．09
— 0．O1
一O．01
106．1
140．7
117．2
102．6
68．1
88．1
右線
2號
左線
2—1
2—2
2-3
2—1
2-2
2—3
39
29
37
34
30
38
0．78
0．80
0．7l
0．66
0．73
0．59
0．08
0．16
O．01
O．02
O．13
一O．19
50．O
36．3
52．1
51．5
41．1
64．4
均
有
突
出
危
險
應為0．73～0．94 MPa，最大瓦斯壓力超過0．74 MPa
臨界值。因此，依據(jù)《技術規(guī)范》，采用瓦斯含量輔助
K．值、綜合指標進行突出危險性預測，判定右線揭
6號煤層工作面為突出危險工作面。
后期左線揭6號煤層前，在工作面與煤層垂距
10 m處(加大垂距)開展突出預測工作，由于距離地
質構造較遠，實測的煤層瓦斯壓力最大值為
0．83 MPa，最大煤層瓦斯含量為l3．02 m ／t，最大
值為0．48 mL／(g·min )，判定左線揭6號煤層工
作面為突出危險工作面。
左線實測瓦斯壓力明顯大于右線，瓦斯含量最
大值則相當，由此可以說明右線實測的煤層瓦斯含
量是準確可靠的。
鄰近礦井6號煤層在開采過程中曾經(jīng)發(fā)生過煤
與瓦斯動力現(xiàn)象，在突出鑒定過程中實測的煤層最
大瓦斯壓力達到1．06 MPa(埋深231 m)，說明6號
煤層具有突出危險性。由此說明，隧道左右線揭
6號煤層前依據(jù)瓦斯含量輔助其他預測指標判定為
突出危險工作面，結論是準確可靠的，在實施了防突
措施后，安全揭穿6號煤層。
2．3．2 左右線揭2號煤層突出預測指標及結果分析
在左右線揭2號煤層前，為了杜絕由于垂距較
小導致封孔深度不足，進而可能導致瓦斯壓力測定
結果不可靠，因而，選擇均在垂距10 m處開展突出
預測工作。
2號煤層左右線實測的煤層瓦斯含量均不高，
按公式(3)間接測算的煤層瓦斯壓力與實測的煤層
瓦斯壓力基本相當，說明瓦斯壓力測定結果相對準
確可靠。
雖然綜合指標K值超過了《技術規(guī)范》規(guī)定的
· 1 21·
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礦業(yè)安全與環(huán)保
MINING SAFETY ＆ ENVIRONMENTAL PROTECTION
第41卷第4期
2014年8月
I臨界值，但根據(jù)實測的煤層瓦斯壓力、鉆屑瓦斯解吸
指標墨值，輔助煤層瓦斯含量，最終判定左右線揭
2號煤層工作面均為無突出危險工作面。
鄰近礦井2號煤層在開采過程中未發(fā)生過煤與
瓦斯突出及瓦斯動力現(xiàn)象，在突出鑒定過程中實測
的煤層最大瓦斯壓力為0．22 MPa(埋深226 m)，鑒
定結果為2號煤層無突出危險性。隧道左右線在未
實施防突措施的情況下，安全揭穿2號煤層。由此
說明，隧道左右線揭2號煤層前實測的突出預測指
標是準確可靠的，結論是正確的。
3 突出危險性預測方法的探討
貴州某隧道揭2號和6號煤層突出危險性預測
工作的實施表明，現(xiàn)行的《技術規(guī)范》在揭煤工作面
突出預測方面存在幾個問題值得探討。
1)《技術規(guī)范》中規(guī)定在垂距5 m處測定煤層
瓦斯壓力，垂距偏小。
由于煤炭行業(yè)瓦斯防治技術的發(fā)展，《防突規(guī)
定》將石門(與隧道揭煤相同)揭煤前實測煤層瓦斯
壓力的垂距規(guī)定為不小于10 m處實施，一是保證測
定的煤層瓦斯壓力結果具有可靠性；二是保證揭煤
前工作面前方具有一定寬度的安全巖柱；三是保證
在有突出危險的情況下，能夠較容易施工措施要求
控制范圍內的鉆孔；四是能夠保證實施預抽煤層瓦
斯鉆孔的有效封孑L深度。
而隧道斷面相對煤礦井下石門斷面(10余m )而
言要大得多，從煤炭行業(yè)石門揭煤技術要求的垂距以
及隧道揭煤安全及技術措施角度來看，隧道揭煤在垂
距5 m處測定煤層瓦斯壓力的規(guī)定，垂距偏小。
2)煤層瓦斯含量指標應作為輔助驗證指標進行
隧道揭煤突出危險性預測。
從表1中可以看出，在未測定煤層瓦斯含量的
情況下，當按《技術規(guī)范》要求，選擇瓦斯壓力和
值作為突出預測判別指標時，則預測結果應為無突
出危險工作面。而實際由于煤層瓦斯壓力測定結果
偏小，在未測定煤層瓦斯含量也未實測實驗室參數(shù)
的情況下，就無法與其他指標間相互驗證。結論不
具可靠性和指導性，導致存在冒險作業(yè)的風險。
3)瓦斯壓力、 值和瓦斯含量宜作為隧道揭煤
突出預測主要指標，其他指標宜作為參考指標。
從表1中隧道揭左右線2號煤層前實測的突出
預測指標來看，瓦斯壓力、K 值均未超過《技術規(guī)范》
中規(guī)定的臨界值，瓦斯含量間接測算的瓦斯壓力也未
超過臨界值，但從表2中可以看出，綜合指標(D、K
值)未完全處于《技術規(guī)范》規(guī)定的臨界值以下，而依
． 122 ．
據(jù)《技術規(guī)范》，當選擇綜合指標與瓦斯壓力或K 值
進行突出危險性預測時，則結論應為具有突出危險。
由此，必須實施防突措施方可進行揭煤作業(yè)，可能導
致因施工過多的措施工程量，影響工程進度。
而對于無煙煤來說，在嚴格按照規(guī)范進行測定瓦
斯放散初速度△P和煤的堅固性系數(shù) 值的情況下，
綜合指標中的K值絕大多數(shù)情況下會大于臨界值。
因此，瓦斯壓力、 值和瓦斯含量宜作為隧道
揭煤突出預測主要指標，其他指標宜作為參考指標。
4 結論
隧道因斷面大，揭穿突出煤層的風險相對更高，
準確可靠地進行突出危險性預測是實現(xiàn)安全揭煤和
施工的重要環(huán)節(jié)。通過貴州某隧道揭6號和2號煤
層前實施突出危險性預測，并對現(xiàn)行的《技術規(guī)范》
進行了技術討論，可以得到如下結論：
1)在瓦斯含量指標的輔助驗證下，隧道揭6號
煤層為突出危險工作面，揭2號煤層為無突出危險
工作面。
2)在地質構造處或在垂距5 1TI處測定煤層瓦斯
壓力，可能因構造影響或有效封孔深度不足，導致瓦
斯壓力測定結果不可靠，進而當選擇煤層瓦斯壓力
指標作為突出預測的指標之一時，容易對預測結果
產(chǎn)生誤判。
3)瓦斯含量宜作為隧道揭煤突出危險性預測的
主要輔助驗證指標。
4)《技術規(guī)范》中規(guī)定在距離煤層垂距5 fl處
測定煤層瓦斯壓力，垂距偏小。
5)對于無煙煤來說，綜合指標(D、K值)宜作為
突出預測參考指標。
參考文獻：
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防治與管理[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，36(2)：60—61．
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瓦斯含量直接測定方法[S]．北京：中國標準出版社，
2009．
(責任編輯：吳自立)

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