CN109723421A - 一种高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法，属于瓦斯隧道岩爆防治技术领域，该方法利用隧道超前地质预报，确定隧道围岩岩爆段及揭煤段的位置及范围。针对岩爆段，布置超前中心孔、定向孔及锲形槽，进行多孔割缝定向水力压裂作业和水力压裂作业；针对揭煤段，布置超前压裂孔、定向孔及锲形槽，进行多孔割缝定向水力压裂作业和水力压裂作业，再进行瓦斯抽采及消突评估。本发明确保了工作人员及设备的安全，维护围岩稳定性，达到防治岩爆及瓦斯动力灾害的目的，最大限度的提高瓦斯隧道的施工效率。本发明解决了高地应力条件下掘进活动引起的瓦斯隧道高应力区岩爆、瓦斯动力灾害等问题，效果明显，具有广泛的实用性。

Description

一种高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法

技术领域

本发明涉及瓦斯隧道岩爆防治技术领域，尤其涉及一种高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法。

背景技术

随着我国西部大开发战略的实施和西南地区的全面提速，以高速公路为标志的西部或西线交通基础设施建设正全面展开。西南地区地形起伏较大，以高原、山地、丘陵和盆地四种地貌为主，其地形地貌不仅提高了西南地区高速公路修建的成本，而且导致许多路段要穿山而过。我国西南地区，一方面处于高山峡谷中，埋深极大，地应力水平极高；另一方面，煤炭资源丰富，分布广泛，且很多高速公路隧道垂直于或基本垂直于煤层走向穿过煤层，由于煤系地层地质构造复杂、高地应力、高瓦斯压力的存在，以及受掘进影响扰动频繁，动力响应特征更为复杂，如果防治措施不到位，很可能发生围岩大变形、失稳坍塌甚至岩爆灾害，造成严重的经济损失和不良的社会效应。

由于目前瓦斯隧道研究较少，高速公路基建队伍缺乏对瓦斯隧道岩爆的了解，对瓦斯隧道岩爆灾害的研究主要集中在危险性评价、施工安全管理和围岩变形监测等方面，缺少高地应力下瓦斯隧道岩爆科学的、合理的、安全的防治措施，导致高地应力下瓦斯隧道岩爆防治措施远远落后于现场生产实践的发展。

为解决这一问题，现有措施多采用以被动的加强支护等方法来保证坚硬顶板的巷道围岩稳定，或者通过主动的钻孔爆破、注水弱化来解除隧道的高应力状态，但加强支护的方法并不能从根本上解决岩爆动力灾害的发生，并且只适用于弱～中岩爆的情况；而主动的强制爆破放顶技术对于瓦斯隧道有安全隐患，易引起瓦斯动力灾害；由于岩爆主要发生在完整性好的高强度低渗透性岩石中，注水软化并不能有效的将水注入岩体中，常作为钻孔爆破的辅助手段。现有的瓦斯隧道工程实践表明，常规的岩爆防治方法很难取得预期的效果。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治技术存在的不足，提供一种基于水力化措施适用于高地应力下瓦斯隧道工程的岩爆主动防治方法，该方法在利用隧道超前地质预报，确定隧道的岩爆段及揭煤段的位置及范围的前提下，针对高地应力下瓦斯隧道工程特点，对于岩爆段，在利用超前中心孔及定向孔释放应力的基础上，根据岩爆段最大、最小主应力方位和大小，结合多孔割缝定向水力压裂岩体所形成的塑性区范围，布置超前中心孔、定向孔及锲形槽，对岩爆段实施多孔割缝定向水力压裂，增加岩爆段岩体裂隙、改变岩爆段围岩力学特性的同时，破坏目标岩体整体强度和软化岩体，超前释放隧道集中应力，最终实现瓦斯隧道岩爆的主动高效防治并防止常规爆破作业带来的诱导高应力下瓦斯隧道突出事故的发生。

对于揭露煤层段，首先利用超前地质综合预报，确定揭煤段，并进行揭露煤层突出危险性预测，结合多孔割缝定向水力压裂煤体所形成的塑性区范围，布置超前压裂孔、定向孔及锲形槽，进行多孔割缝定向水力压裂作业，受定向孔及锲形槽的导向作用，在煤体中形成一定长度的定向水压裂缝，同时形成大量的微裂隙，增加了煤体透气性，周围煤体呈现破碎区15、塑性区16、弹性区及原岩应力区依次分布；之后对超前压裂孔进行水力压裂作业，首先起裂的是破碎区的煤体，破碎区和塑性区内的煤体水压裂缝起裂方向受导向作用，按照最优定向孔与超前压裂孔的布置间距d，水压裂缝会继续发育相邻定向孔塑性区内，使定向孔的塑性区和超前压裂孔水压裂缝塑性区相连，加速水压裂缝扩展，进一步增加煤体透气性，扩大瓦斯抽采范围。而后进行瓦斯抽采，保证揭露煤层达到消突要求。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法，括如下步骤：

1)利用隧道超前地质预报，确定隧道的岩爆段及揭煤段的位置及范围；

2)对于岩爆段具有以下步骤：

步骤一：确定岩爆段

开挖前预测岩爆段位置、岩爆烈度及规模，确定岩爆段岩体的最大水平应力和最小水平应力大小及方向；岩爆段主应力大小及方向根据地质勘测及数值模拟反演确定；

步骤二：布置超前中心孔、定向孔及锲形槽

若为岩爆段，在掌子面掘进至距离岩爆段为8～12m时，在岩爆段岩体内纵向布置若干个超前中心孔、定向孔及锲形槽；

超前中心孔、定向孔及锲形槽的位置和个数设置如下：

一、若隧道断面的尺寸不大于6m，或隧道围岩存在裂缝，或强度较小或者岩爆烈度性越低、规模越小，则在隧道中心轴线上钻取1个超前中心孔，在椭圆各顶点位置钻取4个定向孔；

二、若隧道1断面的尺寸大于6m，或隧道围岩完整，或强度较高，或者岩爆烈度性越高、规模越大，则在隧道中心轴线上及椭圆4个顶点位置钻取5个超前中心孔，在椭圆各顶点同一平面位置钻取4个对应定向孔，椭圆顶点处超前中心孔与对应定向钻孔距离为0.6～3m；

步骤三：连接多孔割缝定向水力压裂设备和进行多孔割缝定向水力压裂作业

在超前中心孔及定向孔钻至设计位置后，启动高压泵、钻机，升高泵压25～50MPa，此时利用钻杆上预先安设的多孔割缝定向水力压裂设备对定向孔实施多孔割缝定向水力压裂，钻杆每后退1.5～2m实施一次多孔割缝定向水力压裂，直至退出岩爆段，循环以上步骤完成对所有定向孔的多孔割缝定向水力压裂；对于强度高、完整性好的岩爆段岩体，要在高压水中添加磨料后进行多孔割缝定向水力压裂；在掘进过程中仍具有岩爆倾向，则在隧道中向岩壁四周进一步进行水力压裂卸压；

步骤四：连接水力压裂系统和进行水力压裂作业

多孔割缝定向水力压裂完毕后，在超前中心孔内安设压裂用输水无缝钢管，在钢管上对应钻孔多孔割缝定向水力压裂的位置预留出水孔眼，再对定向孔进行封孔处理，升高泵压25～50MPa，向超前中心孔注入高压水，直至定向孔有水流出或注水压力持续上升至出现3～5MPa的压力降后停止注水；然后，当进入下一个压裂循环时，利用上一步在掌子面前方已经形成的破碎缓冲带，可减少工程量；

进一步地，超前中心孔和超前压裂孔的直径均为90mm～150mm，定向孔直径为60mm～90mm。

进一步地，超前中心孔的终孔深度为20～100m。

进一步地，在掌子面前方与隧道中心轴线平行钻取超前中心孔，孔深为h；其中，超前中心孔和多个定向孔的钻取深度相同，也为h。

进一步地，超前中心孔和多个定向孔的位置呈椭圆形分布，椭圆中心在隧道(1)中心线上，长轴方向与最大主应力方向一致，短轴方向与最小主应力方向一致，长轴m和短轴n的比值等于最大主应力与最小主应力的比值。m、n的大小根据现场水力压裂岩爆段的范围确定。

进一步地，超前中心孔布置有朝向每个定向孔的锲形槽，并呈对称分布，定向孔也布置有朝向超前中心孔的锲形槽，并呈对称分布。

进一步地，多孔割缝定向水力压裂水压保持在25～50MPa，多孔割缝定向水力压裂时间10～15min。

3)对于揭煤段具有以下步骤：

步骤一：确定揭煤段及进行揭露煤层突出危险性预测

在掌子面距煤层9.5～10.5m垂距处，进行超前地质综合预报，确定隧穿过煤层的位置、产状、厚度、透气性系数、瓦斯放散初速度、瓦斯含量、瓦斯压力及坚固性系数，并分析煤的破坏类型，对煤层突出危险性进行初步预测；同时，在钻进过程中观察是否有卡钻、顶钻、喷孔等动力现象，在以上基础上综合评定煤层突出危险性；

步骤二：布置超前压裂孔、定向孔及锲形槽

若为煤层，在隧道掌子面前方的煤层内纵向布置有若干个倾斜的超前压裂孔、定向孔及锲形槽；最优钻孔布置间距d即为水压裂缝形成的塑性区相互交接；

最优超前压裂孔和定向孔的布置间距d按照如下公式计算：

其中，k为塑性区重叠系数，取0.8～0.9；a为水压裂缝最大椭圆塑性区长轴半径；b为水压裂缝最大椭圆塑性区短轴半径；ρL为对应角度弹塑性交界线相应坐标极径；θ为极角；

步骤三：连接多孔割缝定向水力压裂设备和进行多孔割缝定向水力压裂作业

在超前压裂孔及定向孔钻至设计位置后，启动高压泵、钻机，升高泵压15～40MPa，此时利用钻杆上预先安设的多孔割缝定向水力压裂设备对定向孔实施径向多孔割缝定向水力压裂，钻杆后退，循环以上步骤，实施下一个定向孔的多孔割缝定向水力压裂，直至达到设计要求；对于揭煤段的所有定向孔进行了多孔割缝定向水力压裂施工后，封孔至待压煤层顶板；

步骤四：连接水力压裂系统和进行水力压裂作业

多孔割缝定向水力压裂完毕后，在超前压裂孔内安设压裂用输水无缝钢管，在钢管上对应钻孔多孔割缝定向水力压裂的位置预留出水孔眼，再对定向孔进行封孔处理；在封孔段固结满足强度要求后，利用高压泵向超前压裂孔中注入高压水，保持水压在15～20MPa，试压3～5min后，升高压力进行正式水力压裂，正式水利压裂的泵压为20～50MPa，注入高压水，直至定向孔有水流出或注水压力持续上升至出现3～5MPa的压力降后停止注水；

步骤五：瓦斯抽采及消突评估

水力压裂增透措施完成后，施工瓦斯抽放孔，预抽煤层瓦斯，钻孔施工完成后及时接入抽采系统，并测定抽采浓度和流量，计算瓦斯抽采率，进行消突评估。

进一步地，对于揭煤段的超前压裂孔、定向孔及锲形槽布置在同一平面内。

进一步地，对于揭煤段的超前压裂孔内施工至少一个朝向定向孔的径向槽。

进一步地，瓦斯抽放孔采用大直径钻孔，直径在108-120mm，抽放钻孔孔间距为4～6m；瓦斯抽放孔布置于掘进轮廓线外顶压裂位置8～12m、两帮10～14m范围，终孔至煤层底板0.5m～1m处。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法，针对岩爆段，在岩爆段施工超前中心孔、定向孔及锲形槽，首先在定向孔进行多孔割缝定向水力压裂，形成一定长度的朝向超前中心孔的水压裂缝，同时产生了大量的微裂隙，改变了岩体的力学性质，形成了连续塑性区，从而降低了水压裂缝周围岩体的高应力状态，使峰值应力向深部转移；之后，在超前中心孔进行水力压裂，高压水通过形成的定向水压裂缝及微裂隙进入岩体中，利用多孔割缝定向水力压裂形成的连续塑性区的导向作用，水压裂缝进一步的在隧道开挖轮廓线内均匀发展，从而增加高应力岩体的损伤范围，形成大范围的破碎缓冲带，起到大范围软化岩爆段岩体、降低岩体脆性的作用。并且，水压裂缝扩展到定向孔裂缝后即卸压，增加集中应力解除的可控性，不会引起隧道其它岩体的破坏失稳，从而防控高应力下瓦斯隧道岩爆的发生。当进入下一个水力压裂循环时，还可利用上一步在已形成的破碎缓冲带，减少压裂工程量。除此之外，多孔割缝定向水力压裂、水力压裂形成的裂缝、裂纹能够吸收掘进过程中造成隧道围岩破坏产生的能量，起到缓冲作用，防控岩爆的发生。

对于揭煤段，依据水压裂缝首先在最薄弱位置产生并发展这一客观事实，首先利用超前地质综合预报，确定揭煤段及进行揭露煤层突出危险性预测，合理布置超前压裂孔、定向孔及锲形槽，进行多孔割缝定向水力压裂作业，受定向孔及锲形槽的导向作用，在煤体中形成一定长度的定向水压裂缝，同时形成大量的微裂隙，增加了煤体透气性，周围煤体呈现破碎区、塑性区、弹性区及原岩应力区依次分布；之后对超前压裂孔进行水力压裂作业，最先起裂的是破碎区的煤体，破碎区和塑性区内的煤体水压裂缝起裂方向受导向作用，按照最优定向孔与超前压裂孔的布置间距d，水压裂缝会继续发育相邻定向孔塑性区内，使定向孔塑性区和超前压裂孔水压裂缝塑性区相连，加速水压裂缝扩展，进一步增加煤体透气性，夸大水力压裂作业范围。而后进行瓦斯抽采，保证揭露煤层达到消突要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种高地应力下瓦斯隧道岩爆主动防治方法所涉及的结构示意图；

图2为图1的剖面示意图；其中(a)为隧洞断面尺寸较小，或隧道围岩存在裂缝、强度较小或者岩爆烈度性越低、规模越小的超前中心孔、定向孔及锲形槽布设图；(b)为隧洞断面尺寸较大，或隧道围岩完整、强度较高，或者岩爆烈度性越高、规模越大的超前中心孔、定向孔及锲形槽布设图；

图3是本发明实施例中岩爆段的超前中心孔、定向孔及锲形槽布设图；

图4是本发明实施例中揭煤段的超前压裂孔、定向孔及瓦斯抽放孔布置图；

图5是根据图4的剖视示意图。

图6是水压裂缝塑性区范围最大的缝槽断面图，是以水压裂缝形成的椭圆盘状缝槽为例，在多孔割缝定向水力压裂在定向孔处割缝喷嘴处进行垂直剖切，得到塑性区范围最大的缝槽断面图。

图中：1：隧道；2：掌子面；3：岩爆段；4：超前中心孔；5：超前压裂孔；6：定向孔；7：锲形槽；8：瓦斯抽放孔；9：揭煤段；10：高压泵；11：钻机；12：多空定向水力压裂设备；13：钻杆；14：输水无缝钢管；15：破碎区；16：塑性区；17：塑性重叠区。

其中，h：超前中心孔的孔深；l：超前压裂孔与定向孔之间距离；m：椭圆长轴；n：椭圆短轴。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细介绍。

本实施例中，如图1～图6所示，利用隧道超前地质预报，确定隧道1的岩爆段3及揭煤段9的位置及范围；

如图1～图3所示，对于岩爆段3具有以下步骤：

步骤一：确定岩爆段3

开挖前预测岩爆段3位置、岩爆烈度及规模，确定岩爆段3岩体的最大水平应力和最小水平应力大小及方向；

步骤二：布置超前中心孔4、定向孔6及锲形槽7

若为岩爆段3，在掌子面2掘进至距离岩爆段3为8～12m时，在岩爆段3岩体内布置若干个超前中心孔4、定向孔6及锲形槽7；其中，在掌子面2前方与隧道1中心轴线平行钻取超前中心孔4，孔深为h；其中，超前中心孔4和多个定向孔6的钻取深度相同，也为h；其中，超前中心孔4和多个定向孔6的位置呈椭圆形分布；其中，椭圆中心在隧道1中心线上，长轴方向与最大主应力方向一致，短轴方向与最小主应力方向一致，长轴m和短轴n的比值等于最大主应力与最小主应力的比值；m、n的大小根据现场水力压裂岩爆段3的范围；在超前中心孔4、定向孔6压裂位置布置有与对称锲形槽7，超前中心孔4布置有朝向每个定向孔的锲形槽7，并呈对称分布，定向孔6也布置有朝向超前中心孔4的锲形槽7。

超前中心孔4及定向孔6的位置和个数设置如下：

一、若隧道1断面的尺寸不大于6m，或隧道1围岩存在裂缝、强度较小或者岩爆烈度性越低、规模越小，则在隧道1中心轴线上钻取1个超前中心孔4，在椭圆个顶点位置钻取4个定向孔6；

二、若隧道1断面的尺寸大于6m，或隧道1围岩完整、强度较高，或者岩爆烈度性越高、规模越大，则在隧道1中心轴线上及椭圆4个顶点位置钻取5个超前中心孔4，在椭圆个顶点同一平面位置钻取4个对应定向孔6，椭圆顶点处超前中心孔4与对应定向钻孔6距离一般取0.5～3m；

步骤三：连接多孔割缝定向水力压裂设备12和进行多孔割缝定向水力压裂作业

在超前中心孔4及定向孔6钻至设计位置后，启动高压泵10、钻机11，升高泵压25～50MPa，此时利用钻杆13上预先安设的多孔割缝定向水力压裂设备12对定向孔6实施多孔割缝定向水力压裂，钻杆13每后退1.5～2m实施一次多孔割缝定向水力压裂，直至退出岩爆段3，循环以上步骤完成对所有定向孔6的多孔割缝定向水力压裂。

步骤四：连接水力压裂系统和进行水力压裂作业

多孔割缝定向水力压裂完毕后，在超前中心孔4内安设压裂用输水无缝钢管14，在输水无缝钢管14上对应钻孔多孔割缝定向水力压裂的位置预留出水孔眼，再对定向孔6进行封孔处理，升高泵压25～50MPa，向超前中心孔4注入高压水，直至定向孔6有水流出或注水压力持续上升至出现3～5MPa的压力降后停止注水；

然后，当进入下一个压裂循环时，利用上一步在掌子面2前方已经形成的破碎缓冲带，可减少工程量。

其中，岩爆段3主应力大小及方向根据地质勘测及数值模拟反演确定；

其中，超前中心孔4直径为90mm～150mm，定向孔6直径为60mm～90mm；

其中，超前中心孔4的终孔深度为20～100m。

其中，多孔割缝定向水力压裂水压保持在25～50MPa，多孔割缝定向水力压裂时间10～15min；

其中，对于强度高、完整性好的岩爆段3岩体，要在高压水中添加磨料后进行多孔割缝定向水力压裂；

其中，在掘进过程中仍具有岩爆倾向，则在隧道1中向岩壁四周进一步进行水力压裂卸压；

如图4～图6所示，对于揭煤段9具有以下步骤：

步骤一：确定揭煤段9及进行揭露煤层突出危险性预测

在掌子面2距揭煤段9约10m垂距处，进行超前地质综合预报，确定隧道1穿过揭煤段9的位置、产状、厚度、透气性系数、瓦斯放散初速度、瓦斯含量、瓦斯压力及坚固性系数，并分析煤的破坏类型，对煤层突出危险性进行初步预测；同时，在钻进过程中观察是否有卡钻、顶钻、喷孔等动力现象，在以上基础上综合评定煤层突出危险性。

步骤二：布置超前压裂孔5、定向孔6及锲形槽7

若为煤层，在隧道掌子面前方的煤层内纵向布置有若干个倾斜的超前压裂孔5、定向孔6及锲形槽7；最优钻孔布置间距d即为割缝裂缝形成的塑性区16相互交接。最优超前压裂孔5和定向孔6的布置间距d按照如下公式计算：

其中，k为塑性区重叠系数，一般取0.8～0.9；a为水压裂缝最大椭圆塑性区长轴半径；b为水压裂缝最大椭圆塑性区短轴半径；ρL为对应角度弹塑性交界线相应坐标极径；θ为极角；

步骤三：连接多孔割缝定向水力压裂设备12和进行多孔割缝定向水力压裂作业

在超前压裂孔5及定向孔6钻至设计位置后，启动高压泵10、钻机11，升高泵压15～40MPa，此时利用钻杆13上预先安设的多孔割缝定向水力压裂设备12对定向孔6实施径向多孔割缝定向水力压裂，钻杆退出，循环以上步骤，实施下一个定向孔6的多孔割缝定向水力压裂，直至达到设计要求。其中，割缝完成后在定向孔6周围依次形成破碎区15、塑性区16，两孔的塑性区交界处为塑性重叠区17。

步骤四：连接水力压裂系统和进行水力压裂作业

定向孔6的多孔割缝定向水力压裂完毕后，在超前压裂孔5内安设压裂用输水无缝钢管14，在输水无缝钢管14上对应钻孔多孔割缝定向水力压裂的位置预留出水孔眼，再对定向孔6进行封孔处理。在封孔段固结一段时间满足强度要求后，利用高压泵10向超前压裂孔5中注入高压水，保持水压在15～20MPa，试压3～5min后，升高压力进行正式水力压裂，正式水利压裂的泵压一般为20～50MPa，注入高压水，直至定向孔有水流出或注水压力持续上升至出现3～5MPa的压力降后停止注水。其中，压裂完成后在超前压力孔5周围依次形成破碎区15、塑性区16，超前压力孔与定向孔的塑性区交界处为塑性重叠区17。

步骤五：瓦斯抽采及消突评估

水力压裂增透措施完成后，施工瓦斯抽放孔8，预抽煤层瓦斯，瓦斯抽放孔8施工完成后及时接入抽采系统，并测定抽采浓度和流量，计算瓦斯抽采率，进行消突评估。瓦斯抽放孔8采用大直径钻孔，直径在108mm以上，瓦斯抽放孔8孔间距为4～6m；瓦斯抽放孔8布置与掘进轮廓线外顶底部8～12m、两帮10～14m范围，终孔至煤层底板0.5m～1m处。

其中，对于揭煤段9的超前压裂孔5、定向孔6及锲形槽7布置在同一平面内。

其中，超前中心孔4直径为90mm～150mm，定向孔6直径为60mm～90mm；

其中，对于揭煤段9的超前压裂孔5内施工至少一个朝向定向孔6的径向槽7。

其中，对于揭煤段9的所有定向孔5进行了多孔割缝定向水力压裂施工后，封孔至待压煤层顶板。

综上，本发明利用隧道超前地质预报，确定隧道围岩岩爆段及揭煤段的位置及范围。针对岩爆段，首先预测其岩爆烈度及规模，并确定岩爆段岩体的最大水平应力和最小水平应力大小及方向；其次布置超前中心孔、定向孔及锲形槽；再次，连接多孔割缝定向水力压裂设备和进行多孔割缝定向水力压裂作业；然后，连接水力压裂系统和进行水力压裂作业。针对揭煤段，首先确定揭露煤层及其瓦斯基本参数，评定煤层突出危险性；其次，布置超前压裂孔、定向孔及锲形槽；再次，连接多孔割缝定向水力压裂设备和进行多孔割缝定向水力压裂作业；然后，连接水力压裂系统和进行水力压裂作业；最后，进行瓦斯抽采及消突评估。结合水力压裂煤岩体所形成的塑性区范围，增加水压裂缝长度及控制延伸方向，改变煤岩体力学特性，减小目标岩体整体强度，超前释放集中应力，增加煤体透气性，扩大瓦斯抽采范围，从而确保工作人员及设备的安全，维护围岩稳定性，达到防治岩爆及瓦斯动力灾害的目的，最大限度的提高瓦斯隧道的施工效率。本发明解决了高地应力条件下掘进活动引起的瓦斯隧道高应力区岩爆、瓦斯动力灾害等问题，效果明显，具有广泛的实用性。。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用隧道超前地质预报，确定隧道(1)围岩岩爆段(3)及揭煤段(9)的位置及范围；

2)针对岩爆段(3)，首先预测其岩爆烈度及规模，并确定岩爆段(3)岩体的最大水平应力和最小水平应力大小及方向；其次布置超前中心孔(4)、定向孔(6)及锲形槽(7)；再次，连接多孔割缝定向水力压裂设备和进行多孔割缝定向水力压裂作业；然后，连接水力压裂系统和进行水力压裂作业；

3)针对揭煤段，首先确定揭露煤层及其瓦斯基本参数，评定煤层突出危险性；其次，布置超前压裂孔(5)、定向孔(6)及锲形槽(7)；再次，连接多孔割缝定向水力压裂设备和进行多孔割缝定向水力压裂作业；然后，连接水力压裂系统和进行水力压裂作业；最后，进行瓦斯抽采及消突评估。

2.根据权利要求1所述的高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用隧道超前地质预报，确定隧道(1)的岩爆段(3)及揭煤段(9)的位置及范围；

2)对于岩爆段(3)具有以下步骤：

步骤一：确定岩爆段(3)

开挖前预测岩爆段(3)位置、岩爆烈度及规模，确定岩爆段(3)岩体的最大水平应力和最小水平应力大小及方向；

步骤二：布置超前中心孔(4)、定向孔(6)及锲形槽(7)

若为岩爆段(3)，在掌子面(2)掘进至距离岩爆段(3)为8～12m时，在岩爆段(3)岩体内纵向布置若干个超前中心孔(4)、定向孔(6)及锲形槽(7)；

超前中心孔(4)、定向孔(6)及锲形槽(7)的位置和个数设置如下：

一、若隧道(1)断面的尺寸不大于6m，或隧道(1)围岩存在裂缝，则在隧道(1)中心轴线上钻取1个超前中心孔(4)，在椭圆各顶点位置钻取4个定向孔(6)；

二、若隧道(1)断面的尺寸大于6m，或隧道(1)围岩完整，则在隧道(1)中心轴线上及椭圆4个顶点位置钻取5个超前中心孔(4)，在椭圆各顶点同一平面位置钻取4个对应定向孔(6)，椭圆顶点处超前中心孔(4)与对应定向孔(6)距离为0.6～3m；

步骤三：连接多孔割缝定向水力压裂设备和进行多孔割缝定向水力压裂作业

在超前中心孔(4)及定向孔(6)钻至设计位置后，启动高压泵(10)、钻机(11)，升高泵压25～50MPa，此时利用钻杆上预先安设的多孔割缝定向水力压裂设备对定向孔(6)实施多孔割缝定向水力压裂，钻杆每后退1.5～2m实施一次多孔割缝定向水力压裂，直至退出岩爆段(3)，循环以上步骤完成对所有定向孔(6)的多孔割缝定向水力压裂；

步骤四：连接水力压裂系统和进行水力压裂作业

多孔割缝定向水力压裂完毕后，在超前中心孔(4)内安设压裂用输水无缝钢管(14)，在钢管上对应钻孔多孔割缝定向水力压裂的位置预留出水孔眼，再对定向孔(6)进行封孔处理，升高泵压25～50MPa，向超前中心孔(4)注入高压水，直至定向孔(6)有水流出或注水压力持续上升至出现3～5MPa的压力降后停止注水；

3)对于揭煤段(9)具有以下步骤：

步骤一：确定揭煤段(9)及进行揭露煤层突出危险性预测

在掌子面(2)距煤层9.5～10.5m垂距处，进行超前地质综合预报，确定隧穿过煤层的位置、产状、厚度、透气性系数、瓦斯放散初速度、瓦斯含量、瓦斯压力及坚固性系数，并分析煤的破坏类型，对煤层突出危险性进行初步预测；同时，在钻进过程中观察是否有卡钻、顶钻、喷孔等动力现象，在以上基础上综合评定煤层突出危险性；

步骤二：布置超前压裂孔(5)、定向孔(6)及锲形槽(7)

若为煤层，在隧道掌子面(2)前方的煤层内纵向布置有若干个倾斜的超前压裂孔(5)、定向孔(6)及锲形槽(7)；最优钻孔布置间距d即为水压裂缝形成的塑性区相互交接；

最优超前压裂孔(5)和定向孔(6)的布置间距d按照如下公式计算：

其中，k为塑性区重叠系数，取0.8～0.9；a为水压裂缝最大椭圆塑性区长轴半径；b为水压裂缝最大椭圆塑性区短轴半径；ρL为对应角度弹塑性交界线相应坐标极径；θ为极角；

步骤三：连接多孔割缝定向水力压裂设备和进行多孔割缝定向水力压裂作业

在超前压裂孔(5)及定向孔(6)钻至设计位置后，启动高压泵(10)、钻机(11)，升高泵压15～40MPa，此时利用钻杆(13)上预先安设的多孔割缝定向水力压裂设备对定向孔(6)实施径向多孔割缝定向水力压裂，钻杆后退，循环以上步骤，实施下一个定向孔(6)的多孔割缝定向水力压裂，直至达到设计要求；

步骤四：连接水力压裂系统和进行水力压裂作业

多孔割缝定向水力压裂完毕后，在超前压裂孔(5)内安设压裂用输水无缝钢管(14)，在钢管上对应钻孔多孔割缝定向水力压裂的位置预留出水孔眼，再对定向孔(6)进行封孔处理；在封孔段固结满足强度要求后，利用高压泵(10)向超前压裂孔(5)中注入高压水，保持水压在15～20MPa，试压3～5min后，升高压力进行正式水力压裂，正式水利压裂的泵压为20～50MPa，注入高压水，直至定向孔(6)有水流出或注水压力持续上升至出现3～5MPa的压力降后停止注水；

步骤五：瓦斯抽采及消突评估

水力压裂增透措施完成后，施工瓦斯抽放孔(8)，预抽煤层瓦斯，钻孔施工完成后及时接入抽采系统，并测定抽采浓度和流量，计算瓦斯抽采率，进行消突评估。

3.根据权利要求2所述的高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法，其特征在于，超前中心孔(4)和超前压裂孔(5)的直径均为90mm～150mm，定向孔(6)直径为60mm～90mm。

4.根据权利要求2所述的高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法，其特征在于，超前中心孔(4)的终孔深度为20～100m。

5.根据权利要求2所述的高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法，其特征在于，在掌子面(2)前方与隧道(1)中心轴线平行钻取超前中心孔(4)，孔深为h；其中，超前中心孔(4)和多个定向孔(6)的钻取深度相同，也为h。

6.根据权利要求2所述的高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法，其特征在于，超前中心孔(4)和多个定向孔(6)的位置呈椭圆形分布，椭圆中心在隧道(1)中心线上，长轴方向与最大主应力方向一致，短轴方向与最小主应力方向一致，长轴m和短轴n的比值等于最大主应力与最小主应力的比值。

7.根据权利要求2所述的高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法，其特征在于，超前中心孔(4)布置有朝向每个定向孔(6)的锲形槽(7)，并呈对称分布，定向孔(6)也布置有朝向超前中心孔(4)的锲形槽(7)，并呈对称分布。

8.根据权利要求2所述的高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法，其特征在于，对于揭煤段(9)的超前压裂孔(5)、定向孔(6)及锲形槽(7)布置在同一平面内。

9.根据权利要求2所述的高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法，其特征在于，对于揭煤段(9)的超前压裂孔(5)内施工至少一个朝向定向孔(6)的径向槽。

10.根据权利要求2所述的高地应力下瓦斯隧道岩爆的主动防治方法，其特征在于，瓦斯抽放孔(8)采用大直径钻孔，直径在108-120mm，抽放钻孔孔间距为4～6m；瓦斯抽放孔(8)布置于掘进轮廓线外顶压裂位置8～12m、两帮10～14m范围，终孔至煤层底板0.5m～1m处。