CN113153414B - 瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，包括以下步骤：a、隧道施工迫近下伏煤层采空区地段时，采用超前地质预报方法进行探测，预测采空区范围及围岩条件；b、在隧道底部钻孔探测，确定煤层采空区的采空范围、瓦斯浓度及压力；c、在钻孔内插入外端封口且与其密封的导气管，通过洞外设置的瓦斯抽放站，将采空区内瓦斯气体向洞外抽排；d、隧道施工至采空区上方，开挖竖井揭穿采空区顶板，在下伏采空区内施作封闭砼挡墙，并对封闭段进行注浆回填；e、隧道掘进离开采空区后，对采空区进行钻孔注浆形成注浆层。本发明可对煤层采空区中的瓦斯进行快速排放，极大降低施工风险，提高隧道施工的安全可靠性。

Description

瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法。

背景技术

随着我国交通建设的不断发展，铁路和公路的建设范围越来越广，隧道在线路中的占比越来越高，遇到的地质条件也越来越复杂，使得隧道在修建时会遇到穿越下伏煤层采空区的情况。煤层采空区是地下煤炭或煤矸石等开采完成后留下的空洞或空腔，一般富含大量瓦斯气体，瓦斯无色无味，达到一定浓度时会发生燃烧或爆炸。在隧道穿越下伏煤层采空区施工过程中，瓦斯会涌入施工区域，如果管理和防治不当，很容易造成重大安全事故。采空区本身的空洞或空腔容易冒顶坍塌，稳定性差。隧道下方的采空区如果处理不当，尤其是铁路和高速公路，荷载大、运行速度快，隧道建成运行后可能出现衬砌结构破坏，路面、路基下沉，隧道轮廓侵入界等问题，严重危害行车安全，影响正常的交通运行。

中国发明专利CN103498697A公开了一种隧道下方采空区充填施工工法，在隧道底部向采空区钻孔，先灌注细沙再注浆填充采空区，这种方法没有在采空区设置砼挡墙，灌注的细沙和浆液会在采空区内扩散，需要大量注浆材料才能将采空区填充密实，施工时间长，成本高。然而煤层采空区普遍同时存在空洞和瓦斯现象，目前针对采空区进行治理的研究，对煤层采空区瓦斯气体的排放与控制关注程度不够，容易由此引发施工安全事故或运营风险。

本发明公开涉及一种瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，主要应用于隧道穿越下伏煤层采空区遇到高瓦斯和下伏空洞的施工方法。可快速有效排出地层中瓦斯气体，防止瓦斯大量涌入隧道，同时对下伏采空区空洞进行填充加固处理，能有效控制空洞对隧道结构造成的不良影响。该方法施工效率高，可操作性强，能满足工程建设快速、安全、优质的各项指标要求。

发明内容

本发明旨在提供一种瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，可对煤层采空区中的瓦斯进行快速快速排放，对采煤空洞进行有效封堵回填，极大降低施工风险，提高隧道施工的安全可靠性。

本发明采用如下技术方案：

瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，包括如下步骤：

a、隧道施工迫近下伏煤层采空区地段时，采用超前地质预报方法进行探测，预测采空区范围及围岩条件；

b、在隧道底部钻孔探测，确定煤层采空区的采空范围、瓦斯浓度及压力；

c、在钻孔内插入外端封口且与其密封的导气管，通过洞外设置的瓦斯抽放站，将采空区内瓦斯气体向洞外抽排；

d、隧道施工至采空区上方，开挖竖井揭穿采空区顶板，在下伏采空区内施作封闭砼挡墙，并对封闭段进行注浆回填；

e、隧道掘进离开采空区后，对采空区进行钻孔注浆形成注浆层。

优选的，步骤b、c、d在监控量测条件下进行，所述监控量测包括对隧道内瓦斯浓度、周边位移、拱顶下沉和隧道底部结构进行动态监测，并通过信息反馈指导现场施工。

优选的，所述超前地质预报方法采用探地雷达系统，探测隧道掌子面下方深度40m范围内的围岩，结合其他探测资料分析掌子面下方围岩状况，确定采空区的位置、大小、形态、充填情况和采空区边界。

优选的，在步骤b中，根据超前地质预报预测情况，在隧道底部设置钻场向采空区方向钻孔，钻孔区域位于隧道左右边墙附近及隧道中线处，每处钻孔区域钻孔不少于6孔，钻孔直径100mm，钻孔至采空区底板以下不少于2m，整个采空区均布置钻孔区域；并通过钻孔使用光纤瓦斯传感器检测采空区瓦斯浓度。

优选的，在步骤c中，将导气管通过抽放场与瓦斯抽放管道连接，并设置瓦斯浓度及气压监测仪对瓦斯浓度监测；抽放管道采用直径300mm的无缝钢管，接头采用法兰盘加橡胶密封圈连接，装于管架上，管架高度不低于30cm，抽放管道从抽放场铺设至洞外抽放站。

优选的，步骤c中，所述洞外抽放站设置于洞外地质条件可靠地带，周围50m范围内禁止明火；洞外抽放站包括2台瓦斯抽放泵、配电室、监控室和瓦斯自动报警仪，其中一台瓦斯抽放泵作为备用，当瓦斯压力小于0.6MPa且趋于平稳后，停止抽排，用混凝土封堵钻孔。

优选的，步骤d中，当隧道底板至采空区顶板的间距在6～20m范围时，根据煤层采空区具体位置，向前掘进至采空区上方，根据钻孔探明的采空区详细位置，在隧道中线附近，开挖断面1.5m×1.5m的竖井，通过竖井揭穿采空区顶板；做好相应的安全措施后，于隧道衬砌外轮廓线左右侧1～2倍隧道洞径处，施作厚度不小于1m的C20砼挡墙；待砼达到设计强度后，对封闭段的采空区采用C15砼回填密实，然后回填竖井。

进一步的，步骤d中，在竖井施工时及揭穿采空区后，加强施工通风及及施工照明，并进行瓦斯检测。

优选的，步骤e中，所述对采空区进行钻孔注浆包括：在采空区上方隧道底部左右墙脚，分两排每间隔0.3m向采空区封闭段边界钻孔，钻孔直径100mm，钻孔至砼挡墙顶部，形成采空区封闭段左右边界注浆孔；在隧道底部中间每间隔0.6m向采空区钻隧底注浆孔，钻孔直径100mm，钻孔深度为2m；沿隧道开挖方向，于采空区封闭段边界外侧，每间隔0.3m竖直向下钻孔，钻孔直径100mm，钻孔至采空区底板高度，形成采空区封闭段前后边界注浆孔。

优选的，所述监控量测包括：隧道每掘进6m布设一处监测断面，监控量测频率为每天4～6次。

本发明的有益效果：

一、本发明先对施工迫近下伏煤层采空区地段进行地质预报，进而通过钻孔确定煤层采空区的采空范围、瓦斯浓度及压力，再通过钻孔利用瓦斯抽放泵抽排瓦斯气体，能够快速减少煤层采空区瓦斯含量，之后通过开挖竖井对下伏煤层采空区进行回填加固，最后通过注浆形成注浆层防止采空区外围瓦斯涌入，有效降低了煤层采空区对隧道施工及建成运营的危害；

二、本发明的钻孔探测结束后，可利用钻孔对采空区瓦斯进行抽排，避免再次进行钻孔施工，充分发挥钻孔的功能，能快速降低瓦斯含量，加快施工进程；

三、本发明在隧道底部中线附近开挖竖井揭穿煤层采空区顶板，可以利用竖井进入采空区，对采空区进行详细的调查核实，在采空区内施作砼挡墙，可以确定砼回填范围，准确的计算出回填砼的用量，提高充填密实性。竖井也便于砼回填的施工，可操作性强，提高工作效率；

四、本发明利用钻孔注浆形成注浆保护层，隔离煤层采空区外围瓦斯向隧道的扩散，避免了瓦斯对后续施工的影响；

五、本发明针对隧道下伏煤层采空区，同时利用抽排瓦斯气体和填充采空区的方法，有效降低了隧道下伏煤层采空区的施工风险，能满足工程快速、安全、优质的建设。

附图说明

图1是瓦斯抽排示意图；

图2是采空区填充及瓦斯封堵横断面示意图；

图3是采空区治理纵断面示意图；

图4是注浆孔平面布置图。

图中：1-采空区、2-探孔、3-抽放场、4-瓦斯浓度及气压监测仪、5-抽放管道、6-瓦斯抽放泵、7-竖井、8-砼挡墙、9-封闭段、10-左右边界注浆孔、11-隧底注浆孔、12-前后边界注浆孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明了，以下将结合本发明的附图，对本发明进行进一步详细说明。

一种瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，包括如下步骤：

a、隧道施工迫近下伏煤层采空区1地段时，采用超前地质预报方法进行探测，预测采空区及围岩条件等基本情况；

b、利用钻机在隧道底部钻孔2探测，确定煤层采空区1的采空范围、瓦斯浓度及压力；

c、在隧道底部钻孔2内插入外端封口且与其密封的导气管，通过洞外设置的瓦斯抽放站，将采空区1内瓦斯气体向洞外抽排；

d、隧道施工至采空区1上方，开挖竖井7揭穿采空区顶板，在下伏采空区内施作封闭砼挡墙8，并对封闭段进行注浆回填；

e、隧道掘进离开采空区后，通过钻孔注浆形成注浆层，防止采空区外围瓦斯从隧道底部涌入，注浆完成后，进行后续施工；

f、处置措施及施工方案的全过程需要进行监控量测，对隧道内瓦斯浓度、周边位移、拱顶下沉和隧道底部结构进行动态监测，通过信息反馈指导现场施工。

请参阅图1，根据探地雷达预测情况，在隧道底部设置钻场向采空区1方向钻孔，钻孔2位于隧道左右边墙附近及隧道中线处，每处钻孔不少于6孔，直径100mm，钻孔至采空区1底板以下不少于2m，钻孔范围覆盖整个采空区1，以准确掌握采空区1轮廓距隧道的位置。并使用光纤瓦斯传感器，通过钻孔检测采空区瓦斯浓度。在隧道底部钻孔2内插入外端封口且与其密封的导气管，将导气管通过抽放场3与瓦斯抽放管道5连接，并设置瓦斯浓度及气压监测仪4对瓦斯浓度监测。抽放管道5采用直径300mm的无缝钢管，接头采用法兰盘加橡胶密封圈连接，装于管架上，管架高度不低于30cm，抽放管道5从抽放场3铺设至洞外抽放站。洞外抽放站设置于洞外地质条件可靠地带，周围50m范围内禁止明火。洞外抽排站由2台瓦斯抽放泵6(1台备用)、配电室、监控室和瓦斯自动报警仪组成，对瓦斯抽放进行控制以及监测瓦斯的抽放量、浓度、压差、温度、气压。当瓦斯压力小于0.6MPa且趋于平稳后，停止抽排，并用混凝土封堵钻孔。

请参阅图2、图3和图4，当隧道底板至采空区1顶板的间距在6～20m范围时，根据煤层采空区1具体位置，向前掘进至采空区1上方，根据钻孔探明的采空区1详细位置，在隧道中线附近，开挖断面1.5m×1.5m的竖井7，通过竖井7揭穿采空区1顶板。在竖井7施工时及揭穿采空区1后，应加强施工通风及及施工照明，并进行瓦斯检测，以确保安全。在做好相应的安全措施后，利用竖井7对采空区1进一步调查核实，并于隧道衬砌外轮廓线左右侧1～2倍D(D为隧道洞径)处，施作厚度不小于1m的C20砼挡墙8。待砼达到设计强度后，对封闭段9的采空区1采用C15砼回填密实，最后回填竖井7。

请参阅图4，隧道掘进离开采空区1后，在采空区1上方隧道底部左右墙脚，分两排每间隔0.3m向采空区1封闭段9边界钻孔，直径100mm，钻孔至砼挡墙8顶部，形成采空区1封闭段9左右边界注浆孔10；在隧道底部中间每间隔0.6m向采空区1钻隧底注浆孔11，直径100mm，钻孔深度为2m；沿隧道开挖方向，于采空区封闭段9边界外侧，每间隔0.3m竖直向下钻孔，直径100mm，钻孔至采空区1底板高度，形成采空区1封闭段9前后边界注浆孔12。通过钻孔注浆形成注浆层，防止采空区1外围瓦斯从隧道底部涌入，注浆完成后，进行后续施工。

本发明不局限于以上实施方式，同时还可有诸多其它实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、隧道施工迫近下伏煤层采空区地段时，采用超前地质预报方法进行探测，预测采空区范围及围岩条件；

b、在隧道底部钻孔探测，确定煤层采空区的采空范围、瓦斯浓度及压力；

c、在钻孔内插入外端封口且与其密封的导气管，通过洞外设置的瓦斯抽放站，将采空区内瓦斯气体向洞外抽排；

d、隧道施工至采空区上方，开挖竖井揭穿采空区顶板，在下伏采空区内施作封闭砼挡墙，并对封闭段进行注浆回填；

e、隧道掘进离开采空区后，对采空区进行钻孔注浆形成注浆层。

2.根据权利要求1所述的瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，其特征在于，步骤b、c、d在监控量测条件下进行，所述监控量测包括对隧道内瓦斯浓度、周边位移、拱顶下沉和隧道底部结构进行动态监测，并通过信息反馈指导现场施工。

3.根据权利要求1所述的瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，其特征在于，所述超前地质预报方法采用探地雷达系统，探测隧道掌子面下方深度40m范围内的围岩，结合其他探测资料分析掌子面下方围岩状况，确定采空区的位置、大小、形态、充填情况和采空区边界。

4.根据权利要求3所述的瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，其特征在于，在步骤b中，根据超前地质预报预测情况，在隧道底部设置钻场向采空区方向钻孔，钻孔区域位于隧道左右边墙附近及隧道中线处，每处钻孔区域钻孔不少于6孔，钻孔直径100mm，钻孔至采空区底板以下不少于2m，整个采空区均布置钻孔区域；并通过钻孔使用光纤瓦斯传感器检测采空区瓦斯浓度。

5.根据权利要求1所述的瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，其特征在于，在步骤c中，将导气管通过抽放场与瓦斯抽放管道连接，并设置瓦斯浓度及气压监测仪对瓦斯浓度监测；抽放管道采用直径300mm的无缝钢管，接头采用法兰盘加橡胶密封圈连接，装于管架上，管架高度不低于30cm，抽放管道从抽放场铺设至洞外抽放站。

6.根据权利要求5所述的瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，其特征在于，步骤c中，所述洞外抽放站设置于洞外地质条件可靠地带，周围50m范围内禁止明火；洞外抽放站包括2台瓦斯抽放泵、配电室、监控室和瓦斯自动报警仪，其中一台瓦斯抽放泵作为备用，当瓦斯压力小于0.6MPa且趋于平稳后，停止抽排，用混凝土封堵钻孔。

7.根据权利要求1所述的瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，其特征在于，步骤d中，当隧道底板至采空区顶板的间距在6～20m范围时，根据煤层采空区具体位置，向前掘进至采空区上方，根据钻孔探明的采空区详细位置，在隧道中线附近，开挖断面1.5m×1.5m的竖井，通过竖井揭穿采空区顶板；做好相应的安全措施后，于隧道衬砌外轮廓线左右侧1～2倍隧道洞径处，施作厚度不小于1m的C20砼挡墙；待砼达到设计强度后，对封闭段的采空区采用C15砼回填密实，然后回填竖井。

8.根据权利要求7所述的瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，其特征在于，步骤d中，在竖井施工时及揭穿采空区后，加强施工通风及及施工照明，并进行瓦斯检测。

9.根据权利要求1所述的瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，其特征在于，步骤e中，所述对采空区进行钻孔注浆包括：在采空区上方隧道底部左右墙脚，分两排每间隔0.3m向采空区封闭段边界钻孔，钻孔直径100mm，钻孔至砼挡墙顶部，形成采空区封闭段左右边界注浆孔；在隧道底部中间每间隔0.6m向采空区钻隧底注浆孔，钻孔直径100mm，钻孔深度为2m；沿隧道开挖方向，于采空区封闭段边界外侧，每间隔0.3m竖直向下钻孔，钻孔直径100mm，钻孔至采空区底板高度，形成采空区封闭段前后边界注浆孔。

10.根据权利要求2所述的瓦斯隧道穿越下伏煤层采空区的处置措施及其施工方法，其特征在于，所述监控量测包括：隧道每掘进6m布设一处监测断面，监控量测频率为每天4～6次。

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