CN105756700B - 超大断面隧道穿煤系地层段的施工方法及封孔结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超大断面隧道穿煤系地层段的施工方法及封孔结构，该方法包括水力压裂和瓦斯抽采的步骤，水力压裂采用布设在同一区域的压裂机组依次对多个压裂孔进行集中压裂，在压裂前确定煤系地层段集中压裂的集中次数和一次集中压裂的至少两个待穿越煤层，以及瓦斯突出煤层和一次集中的钻孔位置及深度；瓦斯抽采包括两个以上煤层的集中抽采，以及对即将采掘煤层的单独抽采。封孔结构通过封孔装置形成，封孔装置的压裂管里端形成有花管段，花管段分成花管里段和花管外段，花管外段的外壁上缠绕有至少一层纱布；封孔段由水泥浆固化段和聚氨酯密封段构成。本发明的有益效果是，掘进方法可确保隧道掘进快速、安全通过煤系地层段；封孔结构的封孔效果好、承压能力强。
Description
技术领域
本发明涉及一种超大端面隧道掘进技术，特别是一种超大断面隧道穿煤系地层段的施工方法以及用于该方法中的水力压裂钻孔封孔结构。
背景技术
随着我国交通事业的发展，穿越含瓦斯地层修筑隧道的情况越来越多，高瓦斯隧道数量也在不断增加。虽然目前国内施工的瓦斯隧道多以高瓦斯为主，但存在瓦斯突出、有瓦斯突出现象的较少，一般采用常规煤矿巷道掘进的办法，施工速率低，工期较长。据不完全统计，国内涉及有煤与瓦斯突危险的隧道有发耳公路隧道、乌蒙山铁路隧道等，但未完全形成一套关于煤与瓦斯突隧道施工的工艺方法，国外瓦斯隧道施工可借鉴的经验较少。为此，需要一种安全、快速通过煤系地层段的施工技术。
发明内容
本发明的第一目的是针对现有技术的不足，提供一种超大断面隧道穿煤系地层段的施工方法，通过在同一区域对多个煤层进行一次集中多次压裂的方式，减少压裂设备转移次数，显著减少压裂准备工作量，从而提高隧道掘进效率，为快速通过煤系地层段打下良好基础；并通过在距待掘煤层至少两个设定的距离处进行瓦斯抽采和安全掘进的判断，确保隧道掘进安全。本发明的第二目的是提供一种超大断面隧道穿越多煤层的集中水力压裂钻孔封孔结构，形成该封孔结构的压裂钻孔，其封孔速度快、封孔牢固、密封效果好，可方便、可靠的实现集中水力压裂，利于提高隧道掘进效率，为快速通过煤系地层段提供可靠保障。
为实现第一目的，本发明采用如下技术方案：
一种超大断面隧道穿煤系地层段的施工方法，包括水力压裂和瓦斯抽采的步骤，
所述水力压裂采用布设在隧道同一区域的压裂机组依次对多个压裂孔进行集中压裂，在压裂前，根据待穿越煤系地层段的地勘资料，确定煤系地层段集中压裂的集中次数一次集中压裂的至少两个待穿越煤层，并在一次集中水力压裂的待穿越首个煤层的第一设定距离处，对待穿越煤层进行精探，以获得各待揭煤层厚度和相邻煤层间距的准确参数，以及各待揭煤层的瓦斯放散速度和压力的瓦斯突出参数；根据瓦斯突出参数确定瓦斯突出煤层和一次集中水力压裂的压裂钻孔位置及深度，并对压裂钻孔进行施钻和封孔；
所述瓦斯抽采包括水力压裂后对两个以上煤层的集中抽采，以及在隧道掘进至任一煤层的第二设定距离处对即将采掘的待掘煤层的单独抽采。
采用上述技术方案的本发明，通过在同一区域对多个煤层进行一次集中多次压裂的方式，减少压裂设备转移次数，显著减少压裂准备工作量，从而提高隧道掘进效率，为快速通过煤系地层段打下良好基础；并通过在距待掘煤层至少两个设定的距离处进行瓦斯抽采和安全掘进的判断，确保隧道掘进安全。
优选的，所述单独抽采还包括在隧道掘进至距即将采掘的待掘煤层的第三设定距离处进行。进一步提高隧道掘进的安全性。
进一步优选的，所述第三设定距离为2.5～3.5m。进一步提高掘进安全性的可靠性。
优选的，所述瓦斯抽采后还包括瓦斯突出参数检测，以判断隧道是否可进行安全掘进；是，则继续掘进；否，则继续抽采，并通过瓦斯突出参数检测再次判断隧道是否可进行安全掘进。借鉴煤矿汗液中含瓦斯煤层开采的瓦斯突出判断标准和方法，确保掘进的安全性。
优选的，还包括在隧道掘进至煤层揭开时，在煤层内施工瓦斯突出参数预测用的顺层煤层预测钻孔，通过顺层煤层预测钻孔进行煤层瓦斯突出参数预测，并判断隧道是否可进行安全揭煤，是，则继续揭煤至穿越本煤层；否，则进行瓦斯抽采，并再次进行煤层瓦斯突出参数预测和是否可进行安全揭煤判断。以在揭开煤层后再次进行安全掘进判断，确保隧道在煤层掘进过程中的安全性。
优选的，所述第一设定距离为10～12m；所述第二设定距离处为5～6m。以获得煤层厚度和瓦斯突出的准确数据，并未隧道掘进安全提供保障。
优选的，所述的多个压裂孔中至少一个的封孔段具有穿过其中的一个煤层的部分。以在压裂时对目标煤层进行压裂，且确保一次集中至少对两个目标煤层进行分次压力，减少集中次数和压裂准备工作量，提高隧道掘进效率。
优选的，在所述隧道穿越煤系地层段的掘进过程中，还包括对煤系地层段的煤体和岩体分段进行超前支护处理，该超前支护包括在煤系地层段的煤岩体钻孔内置入钢管，采用水泥灌浆进行固结，多个钢管在隧道中上部和侧帮的开挖轮廓控制线外的设定区域内形成棚式超前支护结构。以防止掘进过程中岩体或煤岩体因松软而垮塌，进一步确保掘进安全。
为实现第二目的，本发明采用如下技术方案。
一种超大断面隧道穿越多煤层的集中水力压裂钻孔封孔结构，包括与一次集中压裂次数对应相等的多个压裂钻孔，各个压裂钻孔内对应设置一封孔装置，并通过对应的封孔装置形成封孔结构，封孔装置由煤层顶板方向伸入对应煤层，封孔装置包括压裂管、灌浆管，压裂管里端形成有设定长度的花管段，花管段通过马尾巴形阻浆结构的捆扎部分隔成花管里段和花管外段，花管里段用于水力压裂出水，花管外段的外壁上缠绕有至少一层纱布；马尾巴形阻浆结构通过捆扎在压裂管上的棉纱或纤维织物条形成，并位于煤层顶板内，封孔段由水泥浆固化段和聚氨酯密封段构成。
采用前述技术方案的封孔结构，可实现多个煤层的一次集中分次压裂，形成封孔结构的封孔装置结构简单，封孔方便，封孔段密封效果好，承压能力强。其中，花管里段用于压裂水出水，花管段外段用于水泥浆沥水；马尾巴及纱布具有透水和阻砂作用，利于阻止水泥浆流向钻孔里端的煤层和压裂管内，并有利于马尾巴及花管外段附近的水泥浆加速固化。封孔装置置入钻孔时，最好将压裂管和灌浆管通过管夹等固定件固定在一起，以提高操作的方便性。同时，利用纱布的软质特性，高压水泥浆可对花管里段花管孔部分填充形成孔塞，可提高压裂管与水泥浆密封段之间结合的牢固性。
优选的，所述马尾巴形阻浆结构长度至少1米，压裂管的捆扎部处焊接有马尾巴形阻浆结构捆扎用多个防滑钉或防滑齿；所述花管外段长度至少1米；所述聚氨酯封孔段长度至少1.5米。以确保封孔段具有不低于35MPa的承压能力。
本发明与现有技术相比的有益效果是，掘进方法可确保隧道掘进快速、安全通过煤系地层段；封孔结构的封孔效果好、承压能力强。
附图说明
图1是应用本发明方法进行隧道掘进中，隧道所穿越的煤系地层中由勘探资料确定的多个煤层真厚结构示意图。
图2是本发明方法中一次集中多个压裂孔的分布示意图。
图3是本发明方法中超前支护结构示意图。
图4是本发明封孔结构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施范围之中。
实施例1，一种超大断面隧道穿煤系地层段的施工方法，包括水力压裂和瓦斯抽采的步骤，该方法用于在某设计穿越K1～K9共9个煤层的隧道掘进，按地质勘测结果的K1～K9煤层真厚与间距，如图1所示，其中厚度和间距单位为m。
根据前述待穿越煤系地层段的地勘资料，确定煤系地层段的9个煤层采用两次集中压裂的方式对多个煤层进行分次压裂，其中，第一次集中压裂对K9～K4煤层，第二次集中压裂对K3～K1煤层进行。
在隧道开挖工作面至距K9和K3煤层顶板最小垂直距离10m时，分别通过钻孔取样分析获得K9～K1煤层平均煤层真厚分别为0.94m、0.82m、0.71m、0m、2.60m、1.65m、0.1m、1.21m、0.35m；K9与K8煤层间距为1.87m，K8与K7煤层间距为2.41m，K7与K5煤层间距为13.3m，K5与K4煤层间距为0.7m，K4与K3煤层间距为7.49m，K3与K2煤层间距为25.72m，K2与K1煤层间距为6.95m；其中，K6煤层厚度为0，即非煤层，K3煤层厚度为0.1米薄化为煤线可忽略不计，并通过对穿过的所有煤层进行取样，采用DGC瓦斯含量快速测定仪测定煤层原始瓦斯含量，反算瓦斯压力；采用WFC-2型瓦斯放散初速度自动测定仪、捣碎筒、计量筒、天平等仪器对ΔP、f值进行测定；且取芯过程中对煤层的破坏类型进行分析。以确定所在工区是否为瓦斯突出工区。具体根据《铁路瓦斯隧道技术规范》的相关要求，瓦斯隧道只要有一处有突出危险，该处所在的工区即为瓦斯突出工区。判定为瓦斯突出须同时满足下列4个指标：(1)瓦斯压力P≥0.74MPa；(2)瓦斯放散初速度△P≥10；(3)煤的坚固性系数f≤0.5；(4)煤的破坏类型为Ⅲ类及以上。判断过程中，由于瓦斯压力测定周期较长，根据《防治煤与瓦斯突出规定》的要求，采取实测瓦斯含量及工业性分析结果等资料来反算瓦斯压力。得到K9、K5、K4和K2为突出煤层，其余均为非突出煤层。继而，确定第一次集中压裂分别对K9、K8、K7、K5、K4煤层压裂，并钻进三个压裂孔分别为1#、2#和3#，如图2所示，1#压裂孔由K9煤层顶板方向穿过K9、K8、K7、K5煤层钻至K4煤层，2 #压裂孔由K9煤层顶板方向穿过K9、K8、K7煤层钻至K5煤层，3#压裂孔由K9煤层顶板方向穿过K9和K8煤层钻至K7煤层；由于K9与K8和K8与K7煤层间距较小，此时，将K9、K8和K7视为同一煤层。按确定的三个压裂孔由隧道掘进的掌子面进行钻进，钻孔完成后进行封孔，其中，1#压裂孔封孔至K4煤层顶板，2#压裂孔封孔至K5煤层顶板，3#压裂孔封孔至K9煤层顶板，且确保封孔段的承压不小于35MPa。
瓦斯抽采包括水力压裂后对K9、K8、K7、K5和K4四个煤层的集中抽采，以及在隧道掘进至距K9、K5和K4中任一煤层的5～6m处对即将采掘的待掘煤层的单独抽采，其中，单独抽采还包括在隧道掘进至距即将采掘的K9、K5和K4待掘煤层的2.5～3.5m处进行。瓦斯抽采后还包括瓦斯突出参数检测，以判断隧道是否可进行安全掘进；是，则继续掘进；否，则继续抽采，并通过瓦斯突出参数检测再次判断隧道是否可进行安全掘进。
在隧道掘进至K9、K5和K4煤层揭开时，在煤层内施工瓦斯突出参数预测用的顺层煤层预测钻孔，通过顺层煤层预测钻孔进行煤层瓦斯突出参数预测，并判断隧道是否可进行安全揭煤，是，则继续揭煤至穿越本煤层；否，则进行瓦斯抽采，并再次进行煤层瓦斯突出参数预测和是否可进行安全揭煤判断。
如图3所示，在所述隧道穿越煤系地层段的掘进过程中，还包括对煤系地层段的煤体和岩体分段进行超前支护处理，该超前支护包括在煤系地层段的煤岩体钻孔9内置入无缝钢管，采用水泥灌浆进行固结，多个无缝钢管在隧道中上部和侧帮的开挖轮廓控制线外的设定区域内按内外两排交错分布，并形成棚式超前支护结构。且在该超前支护中，无缝钢管在遇煤层时具有穿出煤层至少1.0m的部分；钻孔9直径为89mm，无缝钢管的通径为50mm，同一排的相邻钻孔9间距为0.6～0.8m，两排钻孔9的排间距为0.25～0.40m。
由于K3薄化为煤线，K1为非突出煤层，因此，第二次集中压裂仅需对K2煤层进行压裂增透，因此，在隧道掘进至距K2设定10m时，施工压裂钻孔，并封孔后压裂增透，并对K2和K1层进行集中抽采，在隧道掘进至距K2煤层的5～6m处和2.5～3.5m处进行，分别进行两次瓦斯抽采，瓦斯抽采后还包括瓦斯突出参数检测，以判断隧道是否可进行安全掘进；是，则继续掘进；否，则继续抽采，并通过瓦斯突出参数检测再次判断隧道是否可进行安全掘进。
在隧道掘进至K2煤层揭开时，在煤层内施工瓦斯突出参数预测用的顺层煤层预测钻孔，通过顺层煤层预测钻孔进行煤层瓦斯突出参数预测，并判断隧道是否可进行安全揭煤，是，则继续揭煤至穿越本煤层；否，则进行瓦斯抽采，并再次进行煤层瓦斯突出参数预测和是否可进行安全揭煤判断。
实施例2，参见图4，一种超大断面隧道穿越多煤层的集中水力压裂钻孔封孔结构，包括与一次集中压裂次数对应相等的多个压裂钻孔1，各个压裂钻孔1内对应设置一封孔装置，并通过对应的封孔装置形成封孔结构，封孔装置由煤层顶板2方向伸入对应煤层3，封孔装置包括压裂管4、灌浆管5，压裂管4里端形成有设定长度的花管段4a，花管段4a通过马尾巴6用捆扎部分隔成花管里段和花管外段，花管里段用于水力压裂出水，花管外段的外壁上缠绕有至少一层纱布；马尾巴6通过捆扎在压裂管4上的棉纱或纤维织物条形成，并位于煤层顶板2内，封孔段由水泥浆固化段7和聚氨酯密封段8构成。
其中，马尾巴6长度至少1米，压裂管4的捆扎部处焊接有马尾巴6捆扎丝紧固用挂钉；花管外段长度至少1米；聚氨酯封孔段8长度至少1.5米。
以上虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员也可以意识到对所附权利要求的范围内作出各种变化或修改，这些修改和变化应理解为是在本发明的范围和意图之内的。
Claims (5)
1.一种超大断面隧道穿越煤系地层段的施工方法，包括水力压裂和瓦斯抽采的步骤，其特征在于，
所述水力压裂采用布设在隧道同一区域的压裂机组依次对多个压裂孔进行集中压裂，在压裂前，根据待穿越煤系地层段的地勘资料，确定煤系地层段集中压裂的集中次数一次集中压裂的至少两个待穿越煤层，并在一次集中水力压裂的待穿越首个煤层10m～12m的第一设定距离处，对待穿越煤层进行精探，以获得各待揭煤层厚度和相邻煤层间距的准确参数，以及各待揭煤层的瓦斯放散速度和压力的瓦斯突出参数；根据瓦斯突出参数确定瓦斯突出煤层和一次集中水力压裂的压裂钻孔位置及深度，并对压裂钻孔进行施钻和封孔；
所述瓦斯抽采包括水力压裂后对两个以上煤层的集中抽采，以及在隧道掘进至任一煤层5m～6m的第二设定距离处对即将采掘的待掘煤层的单独抽采；
所述单独抽采还包括在隧道掘进至即将采掘的待掘煤层2.5m～3.5m的第三设定距离处进行。
2.根据权利要求1所述的超大断面隧道穿越煤系地层段的施工方法，其特征在于，所述瓦斯抽采后还包括瓦斯突出参数检测，以判断隧道是否可进行安全掘进；是，则继续掘进；否，则继续抽采，并通过瓦斯突出参数检测再次判断隧道是否可进行安全掘进。
3.根据权利要求1所述的超大断面隧道穿越煤系地层段的施工方法，其特征在于，还包括在隧道掘进至煤层揭开时，在煤层内施工瓦斯突出参数预测用的顺层煤层预测钻孔，通过顺层煤层预测钻孔进行煤层瓦斯突出参数预测，并判断隧道是否可进行安全揭煤，是，则继续揭煤至穿越本煤层；否，则进行瓦斯抽采，并再次进行煤层瓦斯突出参数预测和是否可进行安全揭煤判断。
4.根据权利要求1～3中任意一项权利要求所述的超大断面隧道穿越煤系地层段的施工方法，其特征在于，所述的多个压裂孔中至少一个的封孔段具有穿过其中的一个煤层的部分。
5.根据权利要求1～3中任意一项权利要求所述的超大断面隧道穿越煤系地层段的施工方法，其特征在于，在所述隧道穿越煤系地层段的掘进过程中，还包括对煤系地层段的煤体和岩体分段进行超前支护处理，该超前支护包括在煤系地层段的煤岩体钻孔内置入钢管，采用水泥灌浆进行固结，多个钢管在隧道中上部和侧帮的开挖轮廓控制线外的设定区域内形成棚式超前支护结构。
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