川西复杂隧道特殊瓦斯灾害成因及特征研究.pdf
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1、文章编号202307080029-06NO.8(Ser.299)JOURNALOFRAILWAY ENGINEERINGSOCIETY第8 期(总2 9 9)Aug2023程报学道铁2023年8 月川西复杂隧道特殊瓦斯灾窖害成因及特征研究袁传保张广泽米宋章(中铁二院工程集团有限责任公司,成都6 1 0 0 3 1摘要:研究目的:瓦斯是严重的隧道施工灾害,尤其在非常规煤系地层区修建隧道时,对瓦斯往往没有充分的认识和准备,瓦斯灾害危害性更大。在建成兰铁路位于川西复杂地质区域,构造运动强烈、地层岩性纷杂,多个不同构造单元的隧道在元古代中生代地层出现非常规瓦斯气体涌出事件,瓦斯成因复杂特殊,机理多样,
2、涌出时效特征不一。研究结论:(1)瓦斯涌出地层可归纳为非煤地层、类煤地层;(2)涌出机理可归纳为发震断裂平面补给型、地震诱发深部型、古地层构造变质型;(3 地震构造型瓦斯多为外生游离型,分布集中,压力低,流量小,涌出曲线呈无序波状,具时间衰减性及空间变异性;构造变质型瓦斯多为自生吸附型,分布同地层,压力较高,流量大,涌出曲线呈阶坡状,具有稳定性和局部喷涌特点;(4)本研究结论可为类似瓦斯隧道工程的瓦斯灾害研究提供借鉴关键词:瓦斯隧道;成因机制;非煤地层;活动构造中图分类号:P642;U453.1文献标识码:AStudy on the Causes and Characteristics of
3、Special Gas Disasters in ComplexTunnels in Western SichuanYUAN Chuanbao,ZHANG Guangze,SONG Zhang(China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd,Chengdu,Sichuan 610031,China)Abstract:Research purposes:Gas is a serious disaster in tunnel construction.Especially when constructing tunnels inunconventiona
4、l coal bearing strata,there is often insufficient understanding and preparation for gas,so the harm of gasdisasters is greater.The Chengdu-Lanzhou Railway is located in a complex geological area in western Sichuan,withstrong tectonic movement and diverse stratigraphic lithology.Multiple tunnels with
5、 different structural units haveexperienced unconventional gas emission events in the Proterozoic-Mesozoic strata.The gas genesis is complex andspecial,with diverse mechanisms and varying emission time characteristics.Research conclusions:(1)The gas emission formation can be divided into non-coal fo
6、rmation and coal-likeformation.(2)The emission mechanism can be summarized as the plane recharge type of seismogenic fault,the deeptype induced by earthquake,and the paleostratigraphic structural metamorphic type.(3)The seismic tectonic gas ismostly exogenous and free type,with concentrated distribu
7、tion,low pressure,small flow,disordered emission curve,time decay and spatial variability;The tectono-metamorphic gas is mostly autogenous adsorption type,distributed inthe same stratum,with high pressure,large flow,and sloping emission curve,with stability and local gushingcharacteristics.(4)The re
8、search conclusion can provide reference for the research of gas disaster in similar gas tunnelprojects.Key words:gas tunnel;genetic mechanism;non-coal strata;active structure米收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 3基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2 0 2 1 YLJ06);中铁二院工程集团有限责任公司科研项目(KDNQ202006,K D NQ 2 0 2 0 0 8)*作者简介:袁传保,1 98 0 年
9、出生,男,高级工程师。2023年8 月程报道铁学301研究背景我国大部分的瓦斯隧道都在典型的煤系地层,其成因机理、等级划分、预测方法等研究成果成熟丰富1-3 。四川盆地红层油气田区非煤瓦斯也有较多研究4.5,围岩变质瓦斯相关研究多为中古生代碳质地层且段落不长6 ,而更古老的元古代地层研究少,尤其是构造运动活跃的西部地震多发区。成兰铁路位于川西复杂地质区,其建设过程中在龙门山构造区的柿子园隧道、跃龙门隧道及松潘甘孜构造区的川主寺1 号隧道皆发现瓦斯涌出,经鉴定多为高瓦斯隧道,瓦斯地层涉及沉积岩、变质岩及岩浆岩三大岩类,研究表明瓦斯成因、分布及涌出特点明显受区域特殊地质所控制。2区域地质特征成兰铁
10、路位于青藏板块、扬子板块、华北板块所围限的川西北三角形断块区,区内地质运动活跃。龙门山构造区位于一级构造单元交汇段,发育典型的逆冲推覆构造,推覆体运动距离长,围岩具大变位深变质特征;松潘甘孜构造区分布广泛的三叠系复理岩,发育大量的全形复式褶皱及派生断裂,围岩具强变形浅变质特征。3发震断裂平面补给型3.1柿子园隧道概况该隧道在龙门山前区,全长1 40 6 9m,最大埋深680m,夹持于龙门山前山断裂带及中央断裂带之间,褶皱断裂极为发育;地层岩性以碳酸盐岩及砂泥岩为主,为非烃源岩地层3.2瓦斯涌出特征2015年8 月在D2K78+699施作超前水平钻孔时,钻至41 m孔内突发气体涌出,出现施钻瓦斯
11、动力现象,气压将孔内水喷出2 m。经取样,气体成分:氧气占1 7.2%,氮气占7 6.1%,瓦斯占6.4%,余为二氧化碳等。该孔瓦斯压力释放较快,3 d后已无压力,然瓦斯浓度较稳定,浓度在4%1 0%之间,阴雨天气略超1 0%;随着2 0 1 5年1 1 月掌子面恢复掘进,孔内瓦斯浓度逐渐降低为0.2%1.56%,检测瓦斯分布长228m,瓦斯绝对涌出量为0.3 0 3.0 1 m/min,属于高瓦斯工区。2021年修建平行泄水洞时监测该段未发现瓦斯,同时正洞水汽分离设置的排气管也未发现瓦斯。3.3瓦斯地质瓦斯涌出段埋深1 50 3 50 m,地层为三叠系下统飞仙关组和铜街子组(T,f+t)砂岩
12、夹泥岩,该段处于龙门山前山断裂的分支断裂F4断层构造带,开挖揭示该断层为束状分叉断层,瓦斯喷涌段为断层三角区。据研究,F4断层为非活动断层,然F4断层在平面上和“512”汶川发震断裂F,(龙门山前山断裂)有两次交叉,并合切线路右侧3 km二叠系含煤地层。而该含煤地层在线路左侧2 km的睢水井煤矿曾经发生瓦斯爆炸,为高瓦斯地层。隧区瓦斯与断裂构造关系如图1、图2 所示。雕D2K8552Tif+t水T2J29CT2T,f+tDtnCF6河F,砂泥岩大柏岩2327.6隧J2s12.Tf+tQ,oldP含煤地层道含煤地层PD2K80J21T2PFJ29F煤矿厂下瓦斯段T331T230进口J2sn75Q
13、oldT3xTf+注:Tf+t三叠系泥岩、砂岩T2三叠系灰岩、T3X三登系砂岩页岩Pi二叠系下统央白云质灰岩;白云岩;央煤线;石灰岩;二叠系上统P非活动断裂;发震断裂;舍煤地层;铁路线位图1瓦斯段和断裂构造关系平面图F4灰岩白云岩F4-1Tj+Tif+tTif+t泥岩、砂岩夹白云质灰岩瓦斯段图2瓦斯段和断裂构造关系剖面图3.4瓦斯特点第一,分布和岩性构造相关。瓦斯分布于断裂带及断裂带上盘,赋存在软质岩为主的砂泥岩地层,而相邻的灰岩地层未见。瓦斯分布长度短。第二,瓦斯浓度较高、涌出量中等。掌子面浓度为0.02%0.12%,钻孔内最高达1 0%。工区最大涌出量0.3 0 3.0 1 m/min,单
14、日涌出曲线为无序波状曲线。宋第8 期章:川西复杂隧道特殊瓦斯灾害成因及特征研究张广泽袁传保31第三,时空变异性。钻孔初始瓦斯压力能顶水2 m,而后迅速衰减至无;瓦斯涌出量随着远离断裂呈逐渐减小乃至消失;同断面涌出量随时间亦呈逐渐减小趋势。3.5瓦斯成因机理及特征第一,瓦斯地段为非烃源岩。瓦斯源于F4断层连通的二叠系含煤地层,因瓦斯远程补给及埋深较浅,气体成分具浅层瓦斯风化带特点。第二,瓦斯喷涌段为束状断层三角封闭区。封闭地段易于瓦斯富集,含量偏高,而过封闭区,瓦斯含量随之逐渐减小。第三,瓦斯分布于F4上盘。因上盘为主动盘,节理裂隙相对更为发育,瓦斯在构造裂隙中存储运移,具有囊状分布特征。第四,
15、瓦斯分布和“512”汶川地表破裂断裂相关。瓦斯分布于F4断层带区域,该断裂虽已固结,但因部分段落重合发震断裂,在强震后出现局部同震活化,导气性增加,地震后7 年内积累一定数量气体,在隧道开挖后突然释放。3.6泄水洞及Fs、F.断裂区瓦斯分析新增泄水洞是否同正洞一样,采用瓦斯衬砌设防是一个难点问题,分析认为正洞工后及泄水洞监测未发现瓦斯,表明震后断裂固结趋于稳定,远程补给能力下降,且后期同断裂再次强震概率极低,可不按瓦斯段永久设防。Fs、F断裂瓦斯危害性分析:连通隧道的Fs、F。断裂与发生瓦斯爆炸的煤区相连,其危害性是施工期间关注重点,分析该断裂未和“512”汶川发震地表破碎带连通,且煤区与隧址
16、间为大片透气性好的可溶岩,故断裂的导气性和围岩的储气性均不利于瓦斯向隧址富集,施工中监测未见瓦斯,验证预判准确。综上,柿子园隧道为非煤系地层,瓦斯为游离型,来源于线路右侧3 km含煤地层,其运移与发震断裂的地表破裂带密切相关,为发震断裂平面远程补给型4地震诱发深部型4.1川主寺1 号隧道概况该隧道位于松潘高原区,全长51 95.7 0 9m,最大埋深3 90 m。隧道主体为圆弧背斜,发育4条断层,各断层由数个挤压带组成。全隧为三叠系上统侏倭组(T,z h)板岩、砂岩夹炭质板岩,炭质板岩含碳量较低,轻微污手,具有低级烃源岩条件。隧区地质断面如图3 所示。瓦斯段IO-SZO-ZA川主寺背斜20-S
17、ZOF20660甜口用F43FbrT,zhFbrT,zhbrT3zhFbr板岩、砂岩夹炭质板岩-T,zh图3隧区地质断面示意图4.2瓦斯涌出特征2017年8 月,出口开挖至D1K260+185时突发瓦斯涌出,浓度达1%4%,检测瓦斯分布在D1K259+792D1K260+185段,长3 93 m,工区瓦斯绝对涌出量为0.3 6 0.6 1 8 m/min,为低瓦斯隧道工区。4.3瓦斯地质瓦斯段埋深2 3 0 3 50 m,为三叠系上统侏倭组(T,z h)板岩、砂岩夹炭质板岩,薄中层状,岩层陡倾,节理发育,地下水不发育。该段处于背斜西翼的F,断层构造带上,F,断裂带由多条束状分布的挤压带组成,各
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