揭煤施工技术

隧道穿越煤系地层时揭煤施工技术综述

1 研究背景

与发达国家相比，我国高速公路建设起步较晚。自从第一条高速公路一一京津唐高速公路建成通车以来，我国高速公路建设进入了一个新的阶段。随着国民经济的迅速发展，特别是国家对基础设施建设投入的加大和西部大开发战略的实施，高等级公路己从沿海地区向西南、西北山岭区延伸，在这些地区修建高速公路有一个显著的特点，即是公路隧道和桥梁的建设多，且由于工程本身的性质决定了隧道工程往往是整条高速公路建设的控制性工程，公路隧道建筑规模将越来越大[1]。

许多公路隧道由于采用隧道方案，改善了路线技术指标，缩短了路程和行车时间，提高了运营效益。随着公路隧道开挖长度不断增长，深度不断加大，加之隧道造价较高，施工技术复杂，各地对隧道建设都十分重视。施工新技术的不断应用，也使设计、施工和管理难度不断加大。因此，加强科研投入和开展理论研究，对高速公路隧道工程建设有着十分重要的意义。

隧道工程建设方兴未艾，穿越岩性较软的煤系地层和赋存高压力的煤层瓦斯隧道也越来越长见。铁路隧道有株六铁路复线的新脚岩隧道、南昆铁路的天生桥隧道和家竹箐隧道、内昆铁路的朱嘎隧道和青山隧道、水柏铁路的发耳隧道。而成渝高速公路中梁山隧道、广(广安)邻(邻水)高速公路的华蓥山隧道等，则是近几年建设的高速公路穿煤隧道。

公路隧道穿过煤层的主要问题是穿煤防突问题，特别是穿越具有煤与瓦斯突出危险的煤层时，更是整个穿煤施工中的关键。如果对穿煤时的煤与瓦斯突出没有充分地认识和准备，不仅会发生严重的生产事故，还会增加隧道建设费用，耽误隧道的建设工期。所以，隧道穿煤防突一直是隧道穿煤施工中的重点。

国内外穿煤隧道施工的实践证明，突出只发生在局部地区。因此，人们进行突出危险性预测，通过预测区分突出危险区、突出威胁区和无突出危险煤层区。在突出危险区内采取防突措施，而在无突出危险性地区只采取安全防护措施，这样可以大量地节约隧道揭煤防突工作量，减少防突工作的盲目性。因此，准确预测穿煤地段的煤与瓦斯突出的危险性，对安全、快速、经济地穿越煤层具有重要

的现实意义。

修建穿煤公路隧道还是铁路隧道，揭煤技术的设计和施工经验均较少，目前亦无比较完善的适合公路、铁路隧道揭煤施工的技术规范。穿煤隧道(特别是穿煤区段)施工技术目前仍处于探索阶段，穿煤隧道的煤层瓦斯及由此引起的相关的设计施工技术和工艺问题都需深入研究[2,3]。

[1] 黄成光. 公路隧道施工[M]. 北京：科学出版社，2002,1-5.

[2] 王梦恕. 隧道工程近期需要研究的问题[J]. 隧道建设，2000，（2）：1-5.

[3] 雷进生. 高速公路穿煤隧道变形及稳定性研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2002.

2 研究现状

王渝培、李勇针对北碚隧道穿越煤矿系地层的具体特点，介绍了较厚、较薄两种情况下煤层防突施工的开挖方法：煤层较厚，采用中隔墙法分部开挖，以减少揭煤中一次落煤量，缓解施工通风压力；煤层较薄时，采用震动性放炮一次揭煤，以利瓦斯排放，增大稀释空间。施工方法根据围岩状态及煤层情况选用半断面或台阶法施工；震动性放炮采用光面爆破、弱爆破施工；瓦斯排放采用钻孔排放，效果不佳时，可改为抽放或水力冲孔；隧道首期将排风管置于洞顶，采用混合式通风，开挖大于1000m后利用车行、人行横通道作回风与运输通道增设局扇[4]。

[4] 王渝培，李勇. 北碚隧道煤系地层施工技术. 地下空间，2003年03期.

刘齐山、卢立波针对内昆铁路昭通至梅花山段的高瓦斯长大隧道——朱嘎隧道具体特点，用超前探测对煤层进行了准确的定位；对有瓦斯突出危险性的地段，利用钻孔抽放瓦斯直到效果检验合格；采用低爆破力震动炮进行爆破作业；及时施作金属骨架法防突出，架设管棚防坍塌，压注水泥——水玻璃双液浆加固岩体或封闭煤层裂隙法防水；采用防爆型压入式风机对正洞、正洞小导坑和平导供风[5]。

[5] 刘齐山，卢立波. 高瓦斯长大隧道揭煤施工安全技术. 建筑安全，2003年08期.

姜德义等针对华蓥山隧道在施工中遇到岩溶、断层、突涌水、煤层段和瓦斯等复杂地质情况，采用底部小导坑微超前后全断面分段（上下）揭煤的开挖方式；

在揭煤及过煤地段，采用控制爆破，浅眼多循环，强支护，对防突、防坍、防围岩移动起到了良好的作用；隧道施工通风采用了射流通风技术以及低噪、节能、变极多速风机和多功能空气引射器等新设备；隧道石门揭穿突出煤层及过煤地段过程中支护方式采用“格栅与小管棚”和“锚超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、早成环”的综合支护体系，对于安全揭煤及过煤地段的安全能够起到良好的保证作用[6]。

[6] 姜德义，刘春，张广洋，郑金龙. 公路隧道全断面揭煤防突技术. 岩土力学，2005年6

月第6期第26卷.

陈炳祥结合渝怀铁路金洞隧道进口瓦斯煤系地层的特点，由于金洞隧道煤层较薄（小于1.0m），平导和正洞施工均采用了全断面法揭煤施工的开挖方式；并利用钻孔排放瓦斯，施工时采用巷道式通风方式；由于无瓦斯突出的可能，结合工作面的岩层特性，通过超前锚杆支护，在确保施工安全的前提下，只对已开挖断的拱部做锚固支护和全断面喷射混凝土支护，喷射混凝土时增加混凝土的厚度，实现瓦斯的第一次封闭[7]。

[7] 陈炳祥. 金洞隧道瓦斯煤系地层施工技术. 铁道标准设计，2004年11期.

周新国以株六复线贵昆段5标新石垭口隧道为例，采用调节风速、湿式打眼、注水、喷雾洒水等措施防止煤尘爆炸；洞内采用短台阶法开挖；揭煤地段雷管和炸药采用毫秒延时电雷管和煤矿专用安全炸药，使用防爆型起爆器安全起爆。文中详细地说明了新石垭口隧道上、下断面揭煤方式的施工工序，并指出瓦斯隧道施工关键是要加强瓦斯检测与洞内通风以及设备的配套[8]。

[8] 周新国. 实例说明隧道穿越中薄煤层段开挖施工技术. 大众科技，2004年第4期.

徐林生结合通渝隧道的特点，超前钻孔作瓦斯预抽放后，采用双排超前锚杆辅助措施来预注浆封闭煤层瓦斯，避免瓦斯泄露；在隧道煤层瓦斯段揭煤施工时，依据围岩级别和煤层状况选用了上下长台阶法开挖方式，并利用上台阶排放下台阶的部分瓦斯；揭煤施工时，采用震动放炮揭煤技术，炮眼布置按光面爆破要求施工；初期支护采用喷射混凝土、锚杆和钢筋网，以格栅钢拱架作为加强支护措施；二次衬砌采用C25模筑混凝土（掺加了水泥用量10%的气密剂），施工缝中设橡胶止水带，并涂混凝土密封剂[9]。

[9] 徐林生. 通渝隧道煤层瓦斯段施工技术. 公路，2006年06期.

吴应明介绍了三种瓦斯排放方法（阻截钻孔排放、阻截钻孔排放与煤孔松动爆破相结合以及多排钻孔排放）的使用环境，并指出揭煤施工要根据断面大小及煤层突出危险程度预测结果决定。文中总结了天生桥瓦斯隧道揭煤施工方法的优点：通过准确确定煤层的位置，防止误揭煤；将探测孔兼作预测孔和排放孔，减少钻孔数量，节约时间和费用；金属骨架制作简单，安装方便，防突效果好，费用低；放炮采用非电毫秒雷管起爆系统，比煤矿采用的电毫秒雷管起爆系统更加安全可靠，操作也十分简单方便；施工设备简单，容易操作[10]。

[10] 吴应明. 瓦斯隧道揭煤施工方法. 西部探矿工程，2001年第4期.

金强国针对圆梁山隧道的工程实际特点，对煤层进行超前探测，采用多排钻孔排放瓦斯；揭煤施工前对软岩层进行超前加固，经过突出危险性预测（以钻屑瓦斯解吸指标法为主，辅以钻孔瓦斯涌出初速度法）后，采用震动放炮或远距离放炮揭开煤层[11]。

[11] 金强国. 圆梁山隧道进口揭煤防突施工技术研究. 隧道建设，2004年10月第5期第24

卷.

邵俊涛对云台山隧道平导第一次揭煤做了详细介绍，首先进行瓦斯含量预测，钻孔排放瓦斯并通过防突措施效果检验；研究了主要爆破参数以后，进行震动揭煤。平导第一次揭煤成功后，为随后的22次揭煤顺利安全的完成提供了宝贵经验[12]。

[12] 邵俊涛. 云台山瓦斯隧道揭煤爆破及安全技术研究. 焦作工学院学报，1999年5月第3

期第18卷.

菅毅针对尖山子隧道复杂地质情况，揭煤施工按照煤层定位（超前钻孔）、煤与瓦斯突出危险性预测（采用ATY瓦斯突出预测仪或“钻屑指标法”）、瓦斯排放（钻孔排放）、煤与瓦斯突出危险性检测、施工防突措施（采用混合式通风）、揭煤（煤层较厚时，采用中隔墙法分部开挖，以减少揭煤中一次落煤量，缓解施工通风困难；煤层较薄时，采用震动性放炮一次揭煤，以利瓦斯排放，增大稀释空间，根据围岩状态及煤层情况选用半断面或台阶法施工，震动性放炮采用光面爆破、弱爆破施工）六个步骤依次进行[13]。

[13] 菅毅. 尖山子煤系地层隧道施工技术. 铁道建筑技术，2005年01期.

杜小平等针对铁峰山2号特长隧道中煤层地段施工时，先对瓦斯地层进行探测，探查瓦斯种类和含量后，钻孔排放并稀释瓦斯浓度，同时加强通风，然后采用超前导坑法开挖。钻爆作业时，炮眼深度不低于40cm ，炮眼最大抵抗线不小于30cm ；打眼时采取湿式凿岩，使用毫秒电雷管和安全炸药，采取电力起爆[14]。

[14] 杜小平，刘涛，李丹，袁勇，李铁生. 铁峰山2号特长隧道不良地质路段评价与施工处

理. 公路隧道，2006年第4期.

杨月生、郇庆珠等为保证白龙山隧道通风效果与瓦斯能够有效稀释，以最短距离排出洞外，距离洞口1110m 处正洞与平导之间增设一竖井，开挖后及时做初期支护封闭围岩。通过上述瓦斯防护措施，白龙山隧道顺利通过瓦斯地段施工

[15]。

[15] 杨月生 郇庆珠 白龙山隧道穿越煤系地层施工瓦斯的防治.铁道运营技术，2000第6卷

张立云、李荣等对洪福隧道采用地质雷达和TSP2003每隔一段距离对掌子面前方进行探测，采用ZY-750D 型煤矿用液压钻机实施超前钻探，每次打钻施工2个超前钻孔深度80-100m ，搭接长度5m ，钻孔孔径75mm ，钻孔仰角0-10o。至隧道贯通，洪福隧道进出口各进行超前钻探8次。事实证明，在瓦斯隧道的施工过程中，超前地质预报是一种非常合理有效的预防与管理措施[16]。

[16] 张立云 李荣 周兴长 超前地质预报在洪福高瓦斯隧道施工过程中的应用.四川林勘设

计，2009年4月

陆春昌、吴再生等采用三维成像系统软件对掘进工作面地质素描图进行分析、处理、判断隧道掘进前方5-20m 的围岩地质、煤层瓦斯及瓦斯浓度。并根据隧道煤壁暴露面积来计算煤壁瓦斯涌出量，计算公式如下：12211v )/200h Q C QC L =-（，式中V1为煤壁瓦斯涌出量，Q1、Q2分别是1,2测点处的隧道通风量，C1，C2分别是1，2测点处的隧道瓦斯体积分数，L 为1,2测点间的距离，h 为1,2测点间的平均煤厚[17]。

[17] 陆春昌 吴再生 穿越煤层地段隧道瓦斯监控、防治技术研究.矿业安全与环保，2008年4月 第35卷第2期

刘小刚、王海祥等对大路梁子隧道揭煤防突措施设计进行研究，为安全揭煤

提供可靠的基础资料，当隧道掘进至距煤系地层20m时，打一超前钻孔，记录岩芯资料，当开挖工作面距离煤系地层位置垂距10m时，必须打至少3个超前钻孔。孔径为75mm，首次揭煤至少打2个穿透煤层全厚的预测钻孔。隧道支护结构采用全封闭结构，即初期支护、二次衬砌、瓦斯隔离层均采用全封闭结构。通过大路梁子隧道成功揭煤实践得知：在煤层施工段，合理的瓦斯预测预报方法和分析方法是工程安全施工的重要保障，支护形式采用全封闭结构，能有效的抑制瓦斯的泄露[18]。

[18] 刘小刚王海祥大路梁子隧道揭煤设计.隧道设计与研究，2007年10月

梅勇文结合蛟岭隧道的瓦斯地层情况，简要论述了煤系地层中瓦斯隧道的特点和施工防治瓦斯的一些措施。蛟岭隧道瓦斯地段左线ZK83+048-ZK83+400段煤系地层瓦斯涌出量达4.93m3/min，隧道右线YK83+044-YK83+250段煤系地层瓦斯涌出量达3.27 m3/min，远超出0.5 m3/min的界限，设计中采用全封闭复合衬砌封闭地层中涌出的瓦斯，在工作缝和沉降缝处采用了双层止水条与止水带，防治瓦斯渗入隧道内部，封闭措施是在喷层和二次衬砌中间设置ECB隔离板作为第一道防线，高抗渗性的气密性混凝土二次衬砌及工作缝的严格处理作第二道防线，在瓦斯涌出危险地段，布置超前预报系统，通过掌握瓦斯的类型、分布、浓度、存在形式等情况，采取相应的预防措施和有效的施工控制，确保了蛟岭隧道的施工安全[19]。

[19] 梅勇文公路瓦斯隧道修筑技术浅析. 北方交通，2007年12期

3 煤系地层揭煤施工程序

3.1 超前探测

不同的隧道，其瓦斯含量及压力与煤系地层的长度、在隧道中所处位置和所占长度比例及隧道本身长度有关，且差异很大。《铁路瓦斯隧道技术规范》要求将瓦斯隧道合理地划分为非瓦斯工区、低瓦斯工区、高瓦斯工区和瓦斯突出工区。

接近突出煤层前，必须对设计标示的各突出煤层位置进行超前探测，标定各突出煤层准确位置，掌握其赋存情况及瓦斯状况。

（1）初步探测：接近突出煤层前，应在距设计煤层位置15～20m（垂距）处的开挖工作面打超前探孔1个，初探煤层位置。

（2）精确探测：在距初探煤层位置10m（垂距）处的开挖工作面上打3个超前探孔，并取岩(煤)芯，分别探测开挖工作面前方上部及左右部位煤层位置；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；掌握并收集探孔施工过程中的瓦斯动力现象。

各探孔施下应汁意：

各探孔要求应穿透煤层进入顶（底）板不小于0.5m；

正式探孔应取完整的岩（煤）芯，进入煤层后宜用干钻取样；

各探孔直径不宜小于76mm；

所有钻孔要详细记录岩芯资料，以利于探明煤层的相对位置，煤层倾角、厚度、走向的变化及地质构造和瓦斯情况等；

在钻孔过程中要仔细观察孔内排出的浆液、煤屑变化情况，是否有喷孔、卡钻、顶钻等异常现象，并做好记录；

在布孔时应本着一孔多用的原则，探孔尽可能用作预测孔和起到瓦斯排放孔的作用。

3.2 突出危险性预测

在瓦斯突出工区施工时，应在距煤层垂距5m处的开挖工作面打瓦斯测压孔，或在距煤层垂距不小于3m处的开挖工作面进行突出危险性预测。

预测孔和测压孔均布置在拟首次揭煤的断面范围内，一般布置3个预测孔和1个测压孔，现场可根据开挖断面大小适当增减钻孔数量；钻孔要能控制开挖周边2～3m范围，钻孔穿透煤层全厚，并进入煤底板不小于0.5m。

测压孔径为75mm；测定瓦斯涌出的初速度后应即时封孔，测定瓦斯压力。预测孔开孔孔径为60mm，见煤后孔径改为42mm，并由孔口接煤粉，测定预测参数值，上述各孔的见煤点与原超前探孔见煤点的间距应不小于5m。

瓦斯突出危险性预测应选用至少两种方法，相互验证。石门揭煤可采用瓦斯压力法、综合指标法或钻屑指标法，对于煤巷掘进宜采用钻孔瓦斯涌出初速度法、钻屑指标法或“R”指标法。突出危险性预测方法中有任何一项指标超过临界指标，该开挖工作面即为有突出危险工作面。其预测时的临界指标应根据实测数据

确定，当无实测数据时，可参照《铁路瓦斯隧道技术规范》中所列突出危险性临界值。

在钻孔过程中，出现顶钻、卡钻、瓦斯和煤粉的喷孔等动力现象时，应视该开挖工作面为突出危险工作面。[13]

[13] 王庆国. 瓦斯隧道煤系地层揭煤施工技术探讨. 重庆建筑，2010年06期.

3.3 防治突出技术措施

（1）加强通风

隧道在掘进过程中，预防瓦斯燃烧与爆炸的主要措施是加强通风以降低瓦斯浓度，使其在允许值之下。

高瓦斯隧道的通风装置应有两套独立的通风机和各自独立的电动机，所有掘进工作面的局部风机都应装设三专（专用变压器、专用开关、专用线路）、一闭锁(风，电)设施，保证局部扇风机可靠运转。瓦斯含量较低时，可考虑一套通风机，两台电动机，其中一台备用。凡备用电动机和配套扇风机必须在10min内启动。

使用局部扇风机进行通风的掘进工作面，无论工作或交接班时，都不准停风。因检修、停电等原因停风时，必须撤出人员，切断电源。在恢复通风前，必须检查瓦斯，局部扇风机及其开关地点附近10m以内风流中瓦斯浓度都不超过0.5%时，方可人工开动风机。

（2）防止喷出及突出

在掘进工作面的前方或两侧钻孔，探明是否有断层、裂缝和溶洞及其分布位置、瓦斯贮存情况（分析了区域地质条件的前提下，可采用红外气体分析仪对其瓦斯含量进行探测分析[14]），以便采取相应措施。

[14] 闫常赫. 煤层浅埋区域铁路隧道瓦斯探测分析. 铁道勘察，2010年04期.

排放瓦斯：瓦斯含量不大时，使其自然排放，亦可用风筒或管子将瓦斯引至回风流或距工作面20m以外的坑道中，以保证工作面开挖放炮的安全。当瓦斯含量大、喷出强度大、持续时间长时，则可插管排放；当开挖面瓦斯含量较大、裂隙多、分布广时，可暂停开挖，封闭坑道抽放瓦斯。

在裂隙小、瓦斯含量小时，可用粘上、水泥浆或其它材料堵塞裂隙，防止瓦斯喷出。

在开挖工作面前方接近煤层2m左右，向煤层打若干 75～300mm的超前钻孔排放瓦斯，钻孔周围形成卸压带，使集中应力移向煤体深部，达到防止突出的目的。

水力冲孔：在进行开挖之前，使用高压水射流，在突出危险煤层中，冲出若干自径较大的孔洞，使瓦斯解吸和排放，降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力。

震动性放炮诱导突出：在工作面布置较多的炮眼并装较多的炸药，撤出人员后远距离起爆，利用爆破时强大的震动力一次揭开具有突出危险性的煤层。

深孔松动爆破：在开挖工作面向煤体深部的应力集中带内布置几个长炮眼进行爆破，其目的在于利用炸药的能量破坏煤体前方的应力集中带，在工作面前方造成较长的卸压带，从而预防突出的发生。

煤层注水：通过钻孔将压力水注入煤层，使煤体湿润以改变煤的物理机械性质，减小或消除突出的危险性。

加强煤与瓦斯突出的技术管理。

3.4 防突措施效果检验

防突措施实施后，必须进行效果检验，以确认防突措施是否有效。防突措施效果检验应在距煤层2.0m垂距的岩柱以外进行；防突措施的效果检验参照《铁路瓦斯隧道技术规范》进行；防突效果检验指标的临界值应根据实测数据确定，当无实测数据时，可参照《铁路瓦斯隧道技术规范》确定。检验结果，其中任何一项指标超标，或在打检验孔时发生喷孔、顶钻、夹钻等动力现象时，则认为防突措施无效，必须采取补充防突措施；采用一次性排放时，应检验工作面前方上、中、下、左、右各部位的排放效果；当采用分段分部分次排放时，每次只检验排放部位的排放效果。

3.5 揭煤施工（开挖支护方式）

揭煤施工要根据隧道断面大小及煤层突出危险程度预测结果决定揭煤方法。煤系地层大多为泥岩、页岩、砂泥岩和煤层互层，岩性松软、破碎，自稳性差，故在隧道大断面开挖时，极易坍落塌方。另一方面，在煤系地层施工必须使用煤矿用毫秒电雷管和煤矿安全炸药。毫秒电雷管规定延期时间不得超过130ms，只能选用到5段；而煤矿安全炸药的爆力和猛度均小于非矿用炸药，其爆炸威力只相当于一般岩石按锑炸药的80%，难以满足隧道大断面施工要求。

上述原因决定了在煤系地层中不宜全断面开挖，而应采取半断面正台阶、先墙后拱的施工方法。在开挖上弧导坑前，视围岩情况或设超前小导管注浆，或设超前水平锚杆补强，并短掘紧衬，衬砌紧跟工作面，以防塌方；喷射混凝土时增加混凝土的厚度，尽量实现瓦斯的第一次封闭。

煤系地层的衬砌结构需要层层设防，力争将瓦斯全部封闭，除了增加初期支护喷射混凝土的厚度外，初期支护和二衬之间设全封闭的防水板做隔离层，做好接缝处理，实现二衬封闭（二衬可采用气密性混凝土，在普通混凝土中掺加NF-B 抗透气型防水剂，施工缝设置膨胀橡胶止水带）。

平行导坑因断面小采取全断面开挖，但仍应短掘紧衬。初期支护紧跟工作面能及时封闭岩面，防止瓦斯向隧道泄漏，有利于施工安全，但由于放炮距离近，使拱部受到扰动。在平导施工中，除第一次封闭外，并不急于做第二次封闭，为了防止正洞掘进瓦斯段时可能发生瓦斯突出，暂时不封闭平导瓦斯，有利于煤层中瓦斯的释放，为顺利通过正洞煤层做好准备。该做法的前提条件，就是保证平导有足够的风量及风速，确保瓦斯浓度低于0.5%。

由于煤系地层岩石松软，强度低，凿眼容易，故只要多用风枪，及时凿眼放炮，在支护2小时内大多能做到打眼放炮完成，此时混凝土尚未初凝，不致使混凝土质量受到影响。在岩石破碎，凿眼过程中发生卡钻、顶钻，或由于其它原因使凿眼时间延长时，则采取密炮眼、小药量的办法，尽量减少放炮对支护混凝土的影响。[7,13]

4 安全防护措施

（1）加强通风管理，确保隧道工作面供风量。

（2）加强瓦斯检测，保证工作面瓦斯浓度不大于1%，距工作面后方20m回风流中的瓦斯浓度不大于0.75%，隧道中无瓦斯积聚。

（3）加强隧道内所有电器设备和照明线路及机具管理，必须采用矿用安全防爆电器设备，并安装风电及瓦斯闭锁设施，随时有专人检查维修，不得失爆。

（4）加强揭煤地段前后放炮管理，特别是揭煤地段爆破作业应按设计进行。

（5）揭煤前的保安岩柱厚2m，在刷斜坡后，炮孔应准确无误地按设计炮孔深度及数目布置，以防止误穿或提前揭煤。

（6）放炮前工作面不装药的炮孔（空眼）要用黄泥堵塞全孔。

（7）在揭煤地段，进入隧道作业人员必须佩带个人自救器。

（8）放炮揭煤后40min，由救护人员携带灭火器材首先进入工作面，经检查无异常后，才能恢复供电、供风。

（9）加强揭煤地段特别是隧道与煤层交接处的支护工作。[10]

隧道穿越采空区治理措施综述

1 研究背景

随着我国国民经济的发展以及西部大开发战略的实施，将进一步促进交通事业的发展，铁路与高速公路的建设日益增多。在选线时由于初勘资料的不足，再加上有些道路的详勘工作跟不上，致使隧道在施工过程中，穿入采空区。特别是我国一些富煤地区浅部大多有小煤窑采空区存在，如果施工前探查不清，施工准备不足，穿入采空区将给施工带来一定的困难。尤其是高速公路，因交通量大，行车速度快，要求运行质量高，隧道建成后将出现衬砌结构破坏，隧道轮廓侵入界限，路面、路基下沉，造成路线纵向不平，侧沟排水不畅，一旦发生这些病害，将危及行车安全，影响铁路、高速公路的正常运营，同时使隧道的养护工作和维修都将十分困难。因此，如何提高隧道穿越采空区部位及其周边围岩的强度，以满足公路的通行要求，便成为采空区处治方法研究中的主要问题。为此，当隧道由于某种原因无法绕过采空区或因选线对路址地质情况和地下采空区分布了解不详时，在隧道施工过程中于煤系地层中遇到未充填的小煤窑采空区和采煤巷道时，必须采取措施慎重处理，以确保隧道的稳定性与运营时的安全畅通。[16] [16] 李晓红，姜德义，刘春，任松. 公路隧道穿越采空区治理技术研究. 岩土力学，2005年

年6月第6期第26卷.

2 研究现状

杨绍波结合韩信岭隧道所穿越煤矿采空区的实际工程地质特征，对该采空区采用注浆加固的方法进行处治。具体此项措施对于采空区为渗透注浆；对于采空

区中的煤柱和裂隙带为劈裂注浆。注浆可以单独类型发生，也可能有两种、三种类型同时发生。一般都是以渗透注浆和劈裂注浆为主，彼此相辅相成，从而达到渗透→劈裂→固结的效果。这一特殊的注浆加固方法，节约了工程造价约13，事实证明是对隧道穿越采空区这一特殊现象的一种较好的处置措施。[15]

[15] 杨绍波. 高速公路隧道穿越采空区的处置方法. 山西建筑，2004年2月第3期第30卷.

李晓红等将采空区位于隧道的部位分为了隧道上方、隧道横断面中部、隧道断面内顶部与底部及隧道底板以下，并分别介绍了采空区位于隧道不同位置的处置措施；随后结合西坪山隧道（采空区位于隧道下方）具体实例，详细介绍了西坪山隧道穿越采空区的注浆治理措施[16]。

于良科针对达万铁路丁子岩隧道穿越采空区的具体特点，采用钻孔回填压浆加固，同时对隧道衬砌基础设置托梁加固的方法，使得隧道施工顺利通过了采空区，为类似高瓦斯隧道通过采空区积累了较丰富的经验。[17]

[17] 于良科. 丁子岩隧道进口煤矿采空区的整治. 铁道标准设计，1999年03期.

林晓峰、朱传忠针对大同香炉寺隧道过煤层采空区和断层的情况，事先对采空区进行注浆处理，隧道开挖后及时对底板进行注浆加固；采用上导硐先行的分步开挖方案和微差控制爆破技术。上半断面掘进始终超前下半断面3～5m，形成小台阶式爆破开挖方式。在上半断面掘进时，以超前的导硐为自由面，实施光面爆破；下半断面的掘进采用预裂爆破。每循环进尺限制在1.0m以下。爆破中，控制最大一段齐爆药量，减轻了爆破震动对煤层采空区和断层的扰动。应用综合技术措施，使隧道顺利地穿越了地质条件特别复杂的地段。[18]

[18] 林晓峰，朱传忠. 过煤层采空区和断层的隧道开挖控制爆破技术. 工程爆破，2002年

02期.

晋城市王坡煤矿柏树底隧道下伏采空区，涉及6个煤矿，开采规模大小不等，开采时间长短有别。其顶板基本为自然跨落方式，上覆岩层软硬相间，致使采空区未完全塌陷冒落，处于不稳定状态。金鑫光等针对这种情况，采用全充填注浆法对采空区进行治理，取得了较好的效果。[19]

[19] 金鑫光，孙兴亮，贾仁政. 晋城市王坡煤矿铁路专运线柏树底隧道下伏采空区治理. 地

质灾害与环境保护，2003年3月第1期第14卷.

降金琦等通过对采空区姜家湾隧道的施工实施，采取加固地层和改变衬砌类型等相应措施，减少了损失，成功解决了隧道下沉和开裂问题，使隧道顺利通过验收。[20]

[20] 降金琦，秦正刚，魏向阳. 矿山采空区对铁路隧道的影响及工程处理. 西部探矿工程，

1999年5月增刊第11卷.

侯军红针对朔黄线温岭隧道采空区的具体特点，采用了洞内注浆的方案对采空区进行治理，在此基础上又提出了洞内挖孔桩基础的新方案，但此方案是否得当有待指正及施工的检验。[21]

[21] 侯军红. 朔黄线温岭隧道采空区处理探讨. 现代隧道技术，2001年4月第2期第38卷.

张志沛等介绍了桥或板跨采空区、支撑法治理、地面注浆治理及隧道内大管棚预注浆超前支护等公路采空区治理方案；针对陕西省灵石县南关镇仁义河与左沟之间的某隧道，主要依据地表的变形特征、地质与采矿特征等因素确定采用地面注浆治理、隧道内小导竹预注浆超前支护的方案对该隧道采空区进行治理。[22] [22] 张志沛，覃羡安，刘旭. 隧道在煤层采空区的治理方案. 公路，2005年8月第8期.

王永河、邱玉良针对真武山二号隧道煤矿采空区的具体特点，在隧道煤矿采空区开挖之前，采用超前小导管注浆和超前小管棚两项开挖辅助措施对围岩进行预加固和预支护，使围岩具有足够的自承力，有效地维持了隧道开挖后至初期支护发挥作用前的时段内的围岩稳定，确保了工程进度顺利和施工安全。[23] [23] 王永河，邱玉良. 真武山二号隧道煤矿采空区施工技术. 西部探矿工程，2002年第3期.

陈斌等针对新大巴山特长隧道穿越古煤窑采空区的具体实例，介绍了注浆加固法在采空区位于隧道不同位置治理措施中的应用。[24]

[24] 陈斌，郭海坡，李贺勇. 特长隧道穿越古煤窑采空区安全快速施工技术. 山西建筑，2008

年8月第22期第34卷.

瓦斯隧道通风方案

1 研究现状

李良清、韩汝才等在朱嘎瓦斯隧道施工时为保证隧道内通风安全，经计算，正洞的风量需810m3/min以上，平导的风量需600 m3/min以上，考虑风管漏风影响，风机的风量应大于1507m3/min。风管的局部阻力和沿程阻力之和为3320Pa。考虑平导与正洞不同时揭煤，选择风量为2000 m3/min的风机为主扇向内压风，正洞选用1000 m3/min的风机置于掌子面前方小导洞内抽风，必要时采用38KW的局扇加强，风机均为防爆型。主风管选用由 800 mm 的防静电阻燃塑性软管, 风机口设20m铁皮硬风管, 三通上加设风量调节阀。通风设计方案如图所示[25]：

[25] 李良清韩汝才张文朋严德育朱嘎瓦斯隧道施工综合配套技术. 铁路标准设计，2001年08期

潘留生为保证有效的通风以稀释洞内瓦斯浓度，通过对正阳隧道煤系地层的瓦斯浓度需现场测定,从而确定风机的型号 ,施工过程中根据实测瓦斯浓度再修改通风设计。根据计算后确定进口安装1台 PF-110SW55型风机 ,风量1000m 3/ min ,风压4900 Pa，采用直径 1.2m PVC拉链式抗静电、阻燃的风筒 ,风筒口到开挖面的距离为15 m;出口采用SDF(C)-No11变级多速隧道长距离掘进专用轴流通风机1台。该通风机设有低、中、高速度 ,根据掘进的距离选用不同的速度 ,高速运转各项参数为:风量 1000～1980m 3 / min ,风压610～4100 Pa ,最大功率107 kW,配用电机功率55 kW×2 ,风筒型号与进口风筒型号相同。通过上述通风方式，有效的控制了隧道内瓦斯浓度[26]。

[26] 潘留生 正阳瓦斯隧道安全施工防护技术.铁道标准设计，2003年S1期

肖锡庄介绍了镇胜高速公路孙家寨煤层隧道通风控制技术，隧道掘进作业环境应符合下列卫生标准坑道中氧气含量按体积计不应小于20%，二氧化碳浓度不超过0.5%，坑道内温度不宜高于30o，有害气体浓度：一氧化碳不大于0.0024%， 二氧化氮不大于0.00025%，二氧化硫不大于0.0005%，硫化氢不大于0.00066%，氨不大于0.004%，由于该隧道存在煤层 ,主要的有害气体为瓦斯,如何降低瓦斯浓度并控制在0.5%以下是确保施工安全的重要条件,而加强通风是稀释瓦斯浓度的最有效、最快捷的途径。风量计算：隧道采用机械通风 ,必须满足洞内各作业所需的最大风量 、风压。风量按每人每分钟供应4m 3的新鲜空气计算；采用内燃机械作业时 ,1kw 供风量不宜小于3m 3/min ，风速在全断面开挖时不应小于0.15m/s ，坑道内不应小于0.25m/s ，但均不应大于6m/s ；隧道通风量计算公式如下：

（1） 按最大班下井人数计算风量

隧道作业人员用风4Q N K =??人，其中4每人需风量(m 3/min)，N-最大班下井

人数,K-风量备用系数,

（2） 按将瓦斯浓度稀释到0.5%以下计算风量

隧道稀释瓦斯用风 .5Q H =?稀（1/0-1）

,其中H-隧道绝对瓦斯涌出量(m 3/min) （3） 以隧道中最低风速计算风量

参照煤矿掘进煤巷、半煤岩巷道的最低允许风速为0.25m/s ，隧道最低风速用风0.25Q S =低 其中S-隧道二衬后最小断面面积(m 2)

(4) 隧道燃油用风量

在装渣工序中,挖掘机、汽车燃油所消耗空气量根据挖掘机、汽车燃油的平均辛烷值和16烷值进行测算,装渣时按4辆载重汽车、二台挖掘机考虑平均每分钟燃油所消耗空气量约为40 m 3即隧道燃油用风量为；3340m /min 0.66m /s Q ==燃

(5) 满足安全生产用风量

采用无轨运输方案的用风量为：Q Q Q Q =++总人燃稀

通过以上计算根据公路隧道施工的实际情况既要解决隧道安全生产的最低用

风量又要为处理沼气分层、消除隧道顶部沼气聚积隐患创造必要条件,同时考虑隧道断面大这一实际困难,计算镇胜高速公路孙家寨煤层隧道所需风量为1046.4 m3/min。根据计算在左洞口安装有SDDY-1NO11A型对旋轴流式风机,采用压人式向隧道内通风，洞内风筒直径1.2m，风机功率2×55kw,转速1480转/min,风量52000-72000 m3/h,全压3700-5400Pa，能满足煤系隧道施工所需风量，采用24h不间断通风[27]。

[27] 肖锡庄镇胜高速公路孙家寨煤层隧道施工技术. 贵州工业大学学报，2006年10月，第35卷第5期

李生杰通过乌稍岭隧道通风方案的选择介绍了隧道通风的几种方式：

(1)压入式通风：风机和启动装置安装在隧道口 10m以外的新鲜空气流中,

风机把新鲜风流经风筒压送到掘进工作面, 污风沿隧道排出。其优点

是风机和启动装置位于新鲜风流中, 对于含瓦斯隧道, 风机运转安全;

风筒出口风流的有效射程长, 排烟能力强, 工作面的通风时间短, 而

且可以采用柔性风筒 ( 价格较低) 。其缺点是污风沿隧道全断面排出,

污染范围广, 隧道的通风时间长，通风方案如下图所示：

压入式通风

(2)抽出式通风：风机和启动装置安装在隧道口 10m以外的背风侧, 新鲜

风流沿隧道全断面流入, 污风通过刚性风筒由风机排出。其优缺点正

好与压入式相反。它能较好的解决隧道的污染问题。这在当前随着掘

进机械化不断提高和光爆锚喷技术推广, 粉尘污染越来越严重的情况

下尤为重要，通风方案如下图所示：

抽出式通风

(3)混合式通风：它由压入式和抽出式联合工作, 所以兼有二者的优点。

其缺点是通风管路和风机设施增多其经济性不如上述二者。在大断面

长隧道施工时通风效果好，通风方案如下图所示：

混合式通风

理论风量计算：隧道施工通风风量按照以下几种计算方法计算后取其中最大的数

值, 再考虑漏风因素进行调整并加备用系数后, 作为选择风机的依据。作者采用了5种方法对理论通风风量进行计算, 分别是。

(1) 按洞内同时工作的最多人数计算

r Q =k ×m ×q

式中, r Q 为所需风量, m 3/min; k 为风量备用系数; 常取 k=1.1～ 1.2; m 为洞

内同时工作的最多人数; q 为隧道内每人每分钟需要新鲜空气量, 按人工作时所需最大空气量 3m 3/min 计算。经计算得出: r Q =72 m 3/min 。

(2) 按同时爆破的最多炸药量计算

b 7.8Q =

式中, b Q 为所需风量,m 3/min; A 为同时爆破的炸药量,kg,本项目煤系地层同时爆炸炸药量设计为35kg;b 为1kg 炸药折合成一氧化碳体积,一般采用 b=40L/kg, 则爆炸产生的一氧化碳的体积为 5Ab; S 为隧道掘进断面面积, m 2; L 为从工作面至炮烟被稀释到安全浓度的距离,L=400A/S, m; t 为爆破后的通风时间,min;一般隧道=20min;其他符号同前。经计算得出: b Q =148 m 3/min 。

(3) 按照内燃机作业废气稀释的需要计算

n i n Q C =

式中, n Q 为所需风量, m 3/min; i n 为洞内同时使用内燃机作业的总 kW 数; C 为洞内同时使用内燃机每 kW 所需的风量, 一般用 3 m 3/min 计算; 其他符号同前。经计算得出: n Q =435 m 3/min 。

(4) 按洞内允许最小风速计算

f 60Q V S =??

式中, f Q 为所需风量, m 3/min; V 为洞内允许最小风速,m/s, 一般取 0.15m/s; S 为隧道断面面积, 乌稍岭隧道断面面积为62.8m2。经计算得出: f Q =565 m 3/min 。

( 5 ) 按稀释瓦斯浓度计算

w 100/0.5Q E =?

式中, w Q 为所需风量, m 3/min; E 为隧道瓦斯涌出量, m 3/min; 根据钻探资料

E=1.2 m 3/min 。经计算得出: w Q =240 m 3/min 。

通过以上 5 种方法计算通风风量, 可以得知 f Q 所需风量最大, 因此乌鞘岭隧

道施工通风理论风量为 f Q =565 m 3/min 。

漏风系数计算风量

Q P Q =?供

式中, Q 供为通风机供风量, m 3/min; P 为漏风系数, 根据不同材料及管径可查取对应系数, 乌鞘岭隧道采用金属风管, P=1.50。经计算得出: Q=848 m 3/min 。 因此,乌鞘岭隧道施工期间通风机的供风量应大于848 m 3/min 。

风压计算

风压计算也是风机选择的一个必要条件, 风机风压可用下式计算

h h h h h ≥=++∑∑∑局正总阻摩机

式中, h 机为通风机的风压; h 总阻为风流受到的总阻力; h 摩为气流经过各种断

面的管 ( 巷) 道时产生的摩擦阻力; h 局为气流经过断面变化、拐弯、分岔等处

分别产生的阻力; h 正为隧道通风时受运输车辆阻塞而产生的阻力。

h 摩=aLUQ 2/S 3

式中, h 摩为摩擦阻力系数, Ns 2/m4, 查表得 a=0.0029; L 为风筒长度, m; U 为

风筒断面周长, m; Q 为风筒内风量, m 3/s; S 为风筒断面积, m 2。经计算得出: h 摩=71.6Pa

h 局=0.612ζ Q 2/S 2

式中, h 局为局部阻力系数,因本隧道局部阻力只产生于风筒口,为断面突然扩大,

因此 ζ =1,其余符号同前。经计算出: h 局=486Pa

h 正=0.612φ SmQ 2/(S- Sm) 2

式中, h 正为正面阻力系数, 车辆行走是 φ =1.5, 车辆停放时 φ =0.5, 两车

间距超过 1m 时逐辆相加; Sm 为阻塞物最大迎风面积, m 2; 其余符号同前。经计算得出: h 正=0.04Pa

h h h h h ≥=++∑∑∑局正总阻摩机=557.6Pa

通过计算, 对于通风风机的选择要求 h 机≥557.6Pa 。

根据通风机供风量和风压的要求,建议乌鞘岭隧道施工选择 FDSNO8.0 型轴流式风机[28]。

[28] 李生杰 乌鞘岭隧道穿越煤系地层施工通风设计. 公路交通科技（应用技术版）2008年02期