CN111708079A - 基于tsp的隧道有害气体综合超前预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TSP的隧道有害气体综合超前预报方法，包括以下步骤：S1：检测隧道内的岩体，并记录隧道内岩体的完整性；S2：根据得到的隧道内岩体完整性进行地质素描；S3：进行隧道地震波法地质预报的数据采集，并得到采集数据；S4：对岩体中的有害气体进行检测，并得到有害气体检测结果；S5：根据S3中采集到的数据和S4中有害气体检测结果进行有害气体预报，并得到预报结果；S6：根据S5中的预报结果进行有害气体的防护；通过TSP技术的介入，有效的增强对非煤系隧道有害气体预测的准确度，能够更加有效的完成对有害气体的预测。

Description

基于TSP的隧道有害气体综合超前预报方法

技术领域

本发明涉及隧道有害气体预测领域，具体是基于TSP的隧道有害气体综合超前预报方法。

背景技术

进入21世纪以来，我国经济水平、综合国力及科技水平呈快速稳定的趋势不断提升，国 家政策和人民的需求不断增大，为了寻求更大的发展环境，地下工程的数量、规模都在与日 俱增。山区交通的发展少不了隧道工程的开展，随着隧道数量的增多，隧道所遭遇到的地质 问题和地质灾害也变得多样化、复杂化、防治困难化。其中非煤系隧道发生有毒有害气体事 故也越来越多。不仅是瓦斯气体威胁着隧道工程，越来越多的隧道工程也遭遇到H2S、CO2 威胁，如隧道施工中遇到高浓度的硫化氢气体，施工人员出现眼睛红肿、流涕、咽喉灼烧感 等症状。

非煤系隧道有害气体具有涌出地点、涌出压力、涌出量等不确定性，为保障隧道施工的 全性，合理的超前地质预报技术是第一保障措施。目前钻爆法施工隧道超前地质预报技术对 于非煤系隧道有害气体的预测效果均较差，体现出目前对非煤系隧道有害气体隧道的超前地 质预报技术的不成熟，相关的研究也处于起步阶段。所以如何利用对非煤系隧道中有毒有害 气体的超前地质预报技术，来对有害气体进行有效预测，便成为隧道有害气体预测领域亟待 解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术对非煤系隧道有害气体预测的技术不成熟导致预测结果 准确度不高的不足，提供了一种基于TSP的隧道有害气体综合超前预报方法，通过TSP技术 的介入，有效的增强对非煤系隧道有害气体预测的准确度，能够更加有效的完成对有害气体 的预测。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

基于TSP的隧道有害气体综合超前预报方法，包括以下步骤：

S1：检测隧道内的岩体，并记录隧道内岩体的完整性；

S2：若得到的隧道内岩体完整性为完整，则按照设计方案进行施工，并按照无有害气体 生储理论进行地质素描；若得到的隧道内岩体完整性为破碎，则准备进行隧道地震波法地质 预报的数据采集，并直接进行地质素描和按照有有害气体生储理论进行地质素描；

S3：在无有害气体生储理论进行地质素描后，按照原定设计进行施工；在直接进行地质 素描和按照有有害气体生储理论进行地质素描后，进行隧道地震波法地质预报的数据采集， 并得到采集数据；

S4：对岩体中的有害气体进行检测，并得到有害气体检测结果；

S5：根据S3中采集到的数据和S4中有害气体检测结果进行有害气体预报，并得到预报 结果；

S6：根据S5中的预报结果进行有害气体的防护。

在进行隧道工程施工时，由于需要保障施工安全，需要对隧道内的有害气体进行预测， 从而能够有效地应对隧道内的有害气体风险，隧道中普遍存在CO2、H2S、CO及H2有害气 体，二氧化碳最大浓度高于50000ppm，硫化氢最大浓度为430.3ppm，一氧化碳最大浓度为 362.5ppm，氢气最大浓度为2746ppm，这四种气体对隧道施工具有严重的危害性，危害性主 要表现为对隧道施工人员的致毒性，现有技术中通常并不采用TSP技术进行地质预报的隧道 有害气体预测，因为虽然TSP技术进行地质预报的隧道有害气体预测效果较好，但是目前对 于非煤系隧道有害气体的预测效果均较差，普遍并不会采用TSP技术对隧道内的有害气体进 行预测，体现出目前对非煤系隧道有害气体隧道的超前地质预报技术的不成熟，相关的研究 也处于起步阶段，所以如何能够利用TSP技术以达到更好地对隧道内的有害气体进行预测， 从而能够有效地应对隧道内的有害气体风险的目的便尤为重要，若不能有效准确的预测隧道 内有害气体的情况，对于施工人员与后与使用时都存在极大的安全隐患，而采用现有技术进 行预测，往往会造成预测结果的片面性并具备产生安全事故的隐患；本发明中先通过对岩体 的完整性的检测，明确有害气体泄露风险，从而判定是否进行进一步的操作，而若得到的隧 道内岩体完整性为完整，则按照设计方案进行施工，并按照无有害气体生储理论进行地质素 描，因为若岩体完整，在施工和使用时有害气体发生泄漏的可能性较低，危害性较小；若得 到的隧道内岩体完整性为破碎，则准备进行隧道地震波法地质预报的数据采集，并直接进行 地质素描和按照有有害气体生储理论进行地质素描，地质素描是以野外地质物象为对象，用 素描技法描绘出地质客观实体的空间形态及相互关系，从而能够清晰的表现出隧道内的地质 情况，根据地质素描的情况，有效的进行有害气体的检测和预报，并根据预报结果制定相应 的有害气体防护措施，因为若岩体破碎，发生泄漏的概率较大，需要探明有害气体具体的信 息，并根据信息做出相应的防护措施以保障隧道施工顺利，以及隧道使用顺利，本发明中采 集数据是通过隧道地震波法地质预报的方法进行采集的，所采集到的数据更加准确，得到的 有害气体预报更加精准，通过TSP技术的介入，有效的增强对非煤系隧道有害气体预测的准 确度，能够更加有效的完成对有害气体的预测。

进一步的，所述步骤S3中具体包括：

S3.1：野外工作布置：进行炮孔布置、检波孔布置、传感器钻孔布置、测试前准备和实 际探测过程中的设备安装和仪器测试操作，并对炮孔进行加深布置，设置超前钻孔；

S3.2：将瞬发雷管置于乳化炸药内，然后用胶带封装并推入炮孔底端，再用水或锚固剂 封堵；

S3.3：引爆炸药并接收地震波信号，获得采集数据。

本发明中根据该区间地质情况和隧道选线位置，在右线大里程方向的外侧洞壁上水平布 置若干个炮孔和检波孔，通过加深炮孔并设置超前钻孔的方式，有效的加强地震波信号的有 效性，超前钻孔是指在工作面前方一定距离煤体内保持有足够数量的大直径钻孔，用以预防 有害气体突出，在工作面前方通常有卸压带、集中应力带和正常压力带，通过野外工作布置， 能够有效的通过收集地震波信号而采集到相应的有害气体数据。

进一步的，所述步骤S3.1中的炮孔深1.5m，间距为1.5m，孔径42mm；检波孔距最近一个炮孔距离大约为20m，孔深2.0m，孔径50mm，孔内安置速度探头；所有钻孔距拱脚1.5m，检波孔和所有炮孔位于同一直线上，钻孔垂直洞壁、稍向下倾斜，倾角均小于10°。本发明中的炮孔深1.5m，间距为1.5m，孔径42mm，在此规格下的炮孔能够产生较好的地震波，并 且不会影响工作人员对地震波的收集，检波孔距最近一个炮孔距离大约为20m，孔深2.0m， 孔径50mm，孔内安置速度探头；所有钻孔距拱脚1.5m，检波孔和所有炮孔位于同一直线上， 钻孔垂直洞壁、稍向下倾斜，倾角均小于10°的设置，能够获得较好的收集数据。

进一步的，所述步骤S3.3中的采集数据包括掌子面P波深度偏移剖面图以及二维反射层 位及物理力学参数成果图。掌子面P波深度偏移剖面图主要反应记录隧道内围岩岩性、岩层 产状、节理裂隙和断层规模及产状，二维反射层位及物理力学参数成果图能够有效的反应隧 道内物理力学情况，方便对隧道内的力学变化进行预测。

进一步的，所述步骤S4中具体包括：

S4.1：持续检测有害气体成分，并记录各有害气体成分的变化；

S4.2：持续检测有害气体浓度，并记录各有害气体浓度的变化趋势；

S4.3：检测有害气体压力，并记录各有害气体压力的变化趋势；

S4.4：结合S4.1～4.3的检测记录，进行有害气体的预测分析。

隧道中普遍存在CO2、H2S、CO及H2有害气体，二氧化碳最大浓度高于50000ppm， 硫化氢最大浓度为430.3ppm，一氧化碳最大浓度为362.5ppm，氢气最大浓度为2746ppm，这 四种气体对隧道施工具有严重的危害性，危害性主要表现为对隧道施工人员的致毒性，本发明中进行持续监测，在有效明确有害气体成分的基础上，也能够通过有害气体浓度的变化和 有害气体压力的变化判断出有害气体具体的危害性。

进一步的，所述步骤S4.4中具体包括：

S4.1.1：根据S4.1～4.3的检测记录，分析围岩的完整性，并得到区段岩体节理裂隙数据， 判断是否存在软弱夹层、空腔、夹层等不良地质发育，判断局部是否有渗水；

S4.1.2：得到TSP预报成果并做出预测。

活动的断裂构造是地球深部物质与地表或浅层发生沟通的主要通道，它可以使地球深部 物质不断向上运移，并通过相互贯通的大断裂、次级断裂或岩层裂隙释放出地表，又可以使 地表水进入地下深部，加入到深部物质的变化过程中，从而促进地下与地表的对流循环。渗 入地下深部的地表水在地热高温的环境下，使地球内部不同岩层的化学物质相继加入其对流 循环中。所以断层、破碎带、节理裂隙等不良地质体是主要的有害气体赋存源，所以本发明 通过分析围岩的完整性，并得到区段岩体节理裂隙数据，判断是否存在软弱夹层、空腔、夹 层等不良地质发育，判断局部是否有渗水，有效的明确了隧道内的危险性，所做出的TSP预 报成果会更加准确有效。

进一步的，所述步骤S5中具体包括：

S5.1：根据S4中的检测结果，判定有害气体的危害类型；

S5.2：根据S4中的检测结果和S5.1的有害气体危害类型判定有害气体危害大小；

S5.3：根据S4中的检测结果分析有害气体分布并得到分布结果。

通过S4中的检测结果得到有害气体的危害类型、有害气体危害大小和有害气体的分布， 结合这三者便能够有效判断有害气体能够形成的伤害，并能够制定计划进行有效的规避，从 而保障施工的顺利和安全。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明根据地质素描的情况，有效的进行有害气体的检测和预报，并根据预报结果 制定相应的有害气体防护措施，通过TSP技术的介入，有效的增强对非煤系隧道有害气体预 测的准确度，能够更加有效的完成对有害气体的预测。

(2)本发明中根据该区间地质情况和隧道选线位置，通过加深炮孔并设置超前钻孔的方 式，有效的加强地震波信号的有效性，能够有效的通过收集地震波信号而采集到相应的有害 气体数据。

(3)本发明通过分析围岩的完整性，并得到区段岩体节理裂隙数据，判断是否存在软弱 夹层、空腔、夹层等不良地质发育，判断局部是否有渗水，有效的明确了隧道内的危险性， 所做出的TSP预报成果会更加准确有效。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明具体实施例中TSP地质预报观测系统布置图；

图3为本发明具体实施例中TSP隧道深度偏移图(接收器1)；

图4为本发明具体实施例中TSP隧道深度偏移图(接收器2)；

图5为本发明具体实施例中二维反射层位及物理力学参数成果图；

图6为本发明具体实施例中超前钻孔内H2S浓度变化趋势图；

图7为本发明具体实施例中超前钻孔内CO2浓度变化趋势图；

图8为本发明具体实施例中加深炮孔内H2S浓度变化趋势图；

图9为本发明具体实施例中加深炮孔内CO2浓度变化趋势图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明 作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本 发明的限定。

实施例：

如图1所示，本实施例以红豆山隧道为例进行测试实验，红豆山隧道为新建大临铁路线 全线控制性工程，红豆山隧道起讫里程DK114+497～DK125+113，全长10616m，红豆山隧道 属高中山侵蚀、剥蚀地貌，地形起伏大，红豆山呈北东向展布，沟谷发育。上覆第四系全新 人工填筑土、坡崩积碎石土、坡残积碎石土；下覆三叠系中上统变质砂岩、板岩、片岩，印 支期黑云母花岗岩等。澜沧江断裂与南汀河断裂挟持地段，风化存在差异，区内地质构造复 杂，褶皱较多，活动断裂及深大断裂发育，受构造运动的影响，基岩岩体节理、裂隙发育， 岩体较破碎。区内地表水主要为山间季节性溪流，流量随季节变化较大。地下水主要为基岩 裂隙水，富水性中等，具备较强的代表性，能够较好地反映本实施例的优点。

按照基于TSP的隧道有害气体综合超前预报方法，在红豆山隧道进行以下步骤：

S1：检测隧道内的岩体，并记录隧道内岩体的完整性；

S2：若得到的隧道内岩体完整性为完整，则按照设计方案进行施工，并按照无有害气体 生储理论进行地质素描；若得到的隧道内岩体完整性为破碎，则准备进行隧道地震波法地质 预报的数据采集，并直接进行地质素描和按照有有害气体生储理论进行地质素描；

S3：在无有害气体生储理论进行地质素描后，按照原定设计进行施工；在直接进行地质 素描和按照有有害气体生储理论进行地质素描后，进行隧道地震波法地质预报的数据采集， 并得到采集数据；

S3.1：野外工作布置：进行炮孔布置、检波孔布置、传感器钻孔布置、测试前准备和实 际探测过程中的设备安装和仪器测试操作，并对炮孔进行加深布置，设置超前钻孔；所述步 骤S3.1中的炮孔深1.5m，间距为1.5m，孔径42mm；检波孔距最近一个炮孔距离大约为20m， 孔深2.0m，孔径50mm，孔内安置速度探头；所有钻孔距拱脚1.5m，检波孔和所有炮孔位于 同一直线上，钻孔垂直洞壁、稍向下倾斜，倾角均小于10°；

由于TSP隧道地震波探测系统由主机、传感器、震源、数据分析软件和用户技术支持体 系组成。仪器主机采用先进的设计理念将计算机技术与现代电子技术结合，具有24个独立的 高精度采集通道(24位模数转换器)，可连接三分量加速度传感器或速度型地震检波器。TSP 的主要技术参数如下：

表1 TSP主要技术参数表

通道数	24
		频带范围	5Hz～50kHz
前置放大	16dB～48dB
		输入阻抗	20kΩ
A/D转换	ΔΣ24bit
		采样率	0.05ms
采用点数	4k～16k分档可选
		动态范围	144dB
道间抑制比	>80dB

同步方式采用自触发和外触发方式，记录格式采用CSP。

所以本实施例中根据该区间地质情况和隧道选线位置，在右线大里程方向的外侧洞壁上 水平布置24个炮孔和2个检波孔；如图2所示。

S3.2：将瞬发雷管置于乳化炸药内，然后用胶带封装并推入炮孔底端，再用水或锚固剂 封堵；所述乳化炸药采用100g，以保证激发效果。

S3.3：引爆炸药并接收地震波信号，获得采集数据；所述步骤S3.3中的采集数据包括掌 子面P波深度偏移剖面图以及二维反射层位及物理力学参数成果图。

震源点位于红豆山隧道1号斜井右侧洞壁，设计24炮，实际激发24炮。传感器布置里 程为X1DK1+318.0，掌子面里程为X1DK1+238.5。探测范围为X1DK1+238.5～X1DK1+138.5， 共100m；通过TPSwin软件对接收到的地震波信号进行处理，可以获得掌子面P波深度偏移 剖面图，如图3、图4，并通过TSPwin软件获得二维反射层位及物理力学参数成果图，如图 5。

S4：对岩体中的有害气体进行检测，并得到有害气体检测结果；

S4.1：持续检测有害气体成分，并记录各有害气体成分的变化；

经过长期的实时监测，红豆山隧道1号斜井主要有害气体为CO2、H2S，以及较低浓度 的CO、H2、NH3、SO2，未发现有甲烷气体和高压气体的存在，但不排除其可能性。红豆山隧道1号斜井中存在的有害气体具有多样性、危害性(毒性、可燃性及可爆性)、气体种类随机性、分布不均一性、逸出间歇性等特点。

S4.2：持续检测有害气体浓度，并记录各有害气体浓度的变化趋势；

S4.3：检测有害气体压力，并记录各有害气体压力的变化趋势；

S4.4：结合S4.1～4.3的检测记录，进行有害气体的预测分析；

S4.1.1：根据S4.1～4.3的检测记录，分析围岩的完整性，并得到区段岩体节理裂隙数据， 判断是否存在软弱夹层、空腔、夹层等不良地质发育，判断局部是否有渗水；

S4.1.2：得到TSP预报成果并做出预测。

由上述结果可以分析得到，可以将隧道分为四个区段：其中第一区段：即 X1DK1+238.5～X1DK1+218.5(20m)，该段岩体完整性较好，强度较高，自稳能力较好；局 部节理裂隙、夹层较发育；含水量少。第二区段：即X1DK1+218.5～X1DK1+190.5(28m)， 该段岩体较前段岩层，完整性、岩体强度略有下降，自稳能力一般；岩体较完整-局部破碎， 局部节理裂隙较发育，可能有岩脉、软弱夹层、空腔等发育；局部有裂隙水发育。第三区段： 即X1DK1+190.5～X1DK1+162.5(28m)，该段岩体较完整-较破碎，强度较高，自稳能力较好； 节理裂隙较发育，可能有软弱夹层、小空腔等不良地质发育；局部渗水。第四区段：即 X1DK1+162.5～X1DK1+138.5(20m)，该段岩体完整性较差，强度较低，自稳能力较差；裂 隙较多，局部可能有岩脉、软弱夹层、空腔等发育；渗水-含水。X1DK1+238.5～X1DK1+138.5 探测范围内围岩岩体较完整-较破碎，局部节理裂隙发育，岩体较破碎，岩石弱到强风化，岩 石强度较高，局部掉块或塌方可能性较大。

可以预测得到完整性较好的第一区段和第三区段岩体节理裂隙较少，不利于有害气体的 逸出，所以预测此两区段有害气体浓度可能较高；此外，若存在空腔或局部完整性较差的岩 体，还可能有高压气体的存在；完整性较差的第二区段和第四区段岩体内存在较多的节理裂 隙，为有害气体的运移提供了途径，有利于有害气体通过裂隙逸出地层，以及通过溶于裂隙 水中被稀释或被带走，所以预测此两区段内有害气体浓度不会太高；因为完整性好与差的岩 体交叉分布，可能造成有害气体分布不均一、逸出间歇性等特点。

S5：根据S3中采集到的数据和S4中有害气体检测结果进行有害气体预报，并得到预报 结果；

S5.1：根据S4中的检测结果，判定有害气体的危害类型；

S5.2：根据S4中的检测结果和S5.1的有害气体危害类型判定有害气体危害大小；

S5.3：根据S4中的检测结果分析有害气体分布并得到分布结果。

隧道施工过程中对超前钻孔和加深炮孔内有害气体进行持续监测，可以总结出，超前钻 孔和加深炮孔中主要有害气体为H2S、CO2。现以掌子面里程为维度对H2S、CO2浓度进行 汇总分析，其变化趋势见图6、图7、图8、图9；对超前钻孔进行封闭式气压监测，未发现有高压气体存在，有害气体均以相似的速度逸出。

实际检验验证后总结H2S和CO2气体浓度变化的具有以下特点：分布不均一性；逸出 间歇性；高浓度性。

S6：根据S5中的预报结果进行有害气体的防护。

通过TSP超前地质预报技术对掌子面前方岩体的完整性及节理裂隙发育程度进行预报， 结合隧道地质背景、有害气体成因机制、储存和运移特征，可以对有害气体分布特征进行预 测。施工中结合超前钻孔和加深炮孔有害气体检测成果，可以很好地预测隧道掌子面前方有 气体赋存特征，从而有利于制定相应的有害气体防护措施，降低隧道施工的安全风险。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护 范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于TSP的隧道有害气体综合超前预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：检测隧道内的岩体，并记录隧道内岩体的完整性；

S2：若得到的隧道内岩体完整性为完整，则按照设计方案进行施工，并按照无有害气体生储理论进行地质素描；若得到的隧道内岩体完整性为破碎，则准备进行隧道地震波法地质预报的数据采集，并直接进行地质素描和按照有有害气体生储理论进行地质素描；

S3：在无有害气体生储理论进行地质素描后，按照原定设计进行施工；在直接进行地质素描和按照有有害气体生储理论进行地质素描后，进行隧道地震波法地质预报的数据采集，并得到采集数据；

S4：对岩体中的有害气体进行检测，并得到有害气体检测结果；

S5：根据S3中采集到的数据和S4中有害气体检测结果进行有害气体预报，并得到预报结果；

S6：根据S5中的预报结果进行有害气体的防护。

2.根据权利要求1所述的基于TSP的隧道有害气体综合超前预报方法，其特征在于，所述步骤S3中具体包括：

S3.1：野外工作布置：进行炮孔布置、检波孔布置、传感器钻孔布置、测试前准备和实际探测过程中的设备安装和仪器测试操作，并对炮孔进行加深布置，设置超前钻孔；

S3.2：将瞬发雷管置于乳化炸药内，然后用胶带封装并推入炮孔底端，再用水或锚固剂封堵；

S3.3：引爆炸药并接收地震波信号，获得采集数据。

3.根据权利要求2所述的基于TSP的隧道有害气体综合超前预报方法，其特征在于，所述步骤S3.1中的炮孔深1.5m，间距为1.5m，孔径42mm；检波孔距最近一个炮孔距离大约为20m，孔深2.0m，孔径50mm，孔内安置速度探头；所有钻孔距拱脚1.5m，检波孔和所有炮孔位于同一直线上，钻孔垂直洞壁、稍向下倾斜，倾角均小于10°。

4.根据权利要求2所述的基于TSP的隧道有害气体综合超前预报方法，其特征在于，所述步骤S3.3中的采集数据包括掌子面P波深度偏移剖面图以及二维反射层位及物理力学参数成果图。

5.根据权利要求1所述的基于TSP的隧道有害气体综合超前预报方法，其特征在于，所述步骤S4中具体包括：

S4.1：持续检测有害气体成分，并记录各有害气体成分的变化；

S4.2：持续检测有害气体浓度，并记录各有害气体浓度的变化趋势；

S4.3：检测有害气体压力，并记录各有害气体压力的变化趋势；

S4.4：结合S4.1～4.3的检测记录，进行有害气体的预测分析。

6.根据权利要求5所述的基于TSP的隧道有害气体综合超前预报方法，其特征在于，所述步骤S4.4中具体包括：

S4.1.1：根据S4.1～4.3的检测记录，分析围岩的完整性，并得到区段岩体节理裂隙数据，判断是否存在软弱夹层、空腔、夹层等不良地质发育，判断局部是否有渗水；

S4.1.2：得到TSP预报成果并做出预测。

7.根据权利要求1所述的基于TSP的隧道有害气体综合超前预报方法，其特征在于，所述步骤S5中具体包括：

S5.1：根据S4中的检测结果，判定有害气体的危害类型；

S5.2：根据S4中的检测结果和S5.1的有害气体危害类型判定有害气体危害大小；

S5.3：根据S4中的检测结果分析有害气体分布并得到分布结果。

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