油气瓦斯隧道探测瓦斯溢出量技术研究

油气瓦斯隧道探测瓦斯溢出量技术研究

柏小明

中铁五局集团成都工程有限责任公司四川成都610000

摘要：在地下工程中，隧道通过含瓦斯的地层时施工风险极高。隧道内一旦发生瓦斯爆炸或者瓦斯突出事故，后果往往十分严重，将造成极大的生命财产损失和极恶劣的社会影响。所以，如何消除或者减小瓦斯对工程的影响，已成为瓦斯隧道施工中亟待解决的突出问题。基于此，本文主要对油气瓦斯隧道探测瓦斯溢出量技术进行了有效的分析，希望可以为相关工作人员提供一定的参考。

关键词：油气瓦斯；隧道探测；瓦斯溢出量；技术研究

引言

本文主要对油气瓦斯隧道的瓦斯防治综合施工技术与原油危害防治施工措施等方面进行深入的研究，以供参考。

1工程概况

西成客专黄家梁隧道全长11631.947m，进口里程DK431+660，出口里程DK443+292，隧道最大埋深约265m，洞身浅埋处仅约20m。隧道位于剑门关～江油北区间，双线隧道，线间距4.6m。全隧道除DK431+660～DK431+971.791位于半径R=12000m的右偏曲线上外，其余地段均为直线。隧道进口段石梯子中桥成都端桥台进入隧道，隧道出口紧邻何家坡大桥西安端桥台。

该隧道洞身主要岩性为侏罗系中统沙溪庙组下段（J2s1）泥岩夹砂岩，千佛岩组（J2q）泥岩夹砂岩；侏罗系下统白田坝组（J1b）泥岩夹砂岩、砾岩、煤线。存在的主要不良地质为油砂岩、有害气体及原油、顺层等。根据设计单位油气专题报告及评审结论，黄家梁隧道为高瓦斯（天然气）隧道，其中DK434+500～DK439+500段为高瓦斯段，其余为低瓦斯区段；同时该隧道为原油危害隧道。可见，黄家梁隧道属于油气瓦斯隧道。

由前期勘察报告可知，黄家梁隧道段内不良地质主要为：油沙岩、有害气体及滑坡、岩堆、危岩落石、顺层等，根据钻探揭示下属钻孔遇油沙岩及原油，DZ-HJL-07号天然气浓度最大为25220ppm，钻井过程中循环水中有大量气泡逸出，有4层油沙岩并有稠油流出；隧道最大埋深约265m，相对来说隧道长、埋深大，油气散失缓慢；隧道钻孔中最浅28.3m见油沙岩，最深119.8见油沙岩，原油主要赋存于局部节理裂隙内和层理裂隙内。为了提升技术管理力量，及时总结油气瓦斯铁路隧道施工技术，为以后类似地层隧道施工提供参考，并安全、如期、优质的完成黄家梁隧道施工任务。

图1油对砼抗压强度影响试验结果图

2原油溢出对隧道工程的影响分析

瓦斯的赋存情况、渗透或溢散规律对隧道施工发现瓦斯危害、评判危害的风险等级以及应采取的防治措施等都至关重要。对煤系地层或以煤层瓦斯为源的瓦斯隧道施工，煤矿部门做了大量的研究，并编写了对瓦斯隧道施工有重要指导意义的《煤矿安全规程》、《防治煤与瓦斯突出规定》等标准、规范；其他相关行业部门、单位或研究机构对煤层瓦斯隧道的施工及通风运营技术、揭煤防突技术、施工地质超前预报技术、瓦斯的动态监测与适时跟踪预报技术、瓦斯灾害危险性评价体系等方面也做了深入研究。黄家梁隧道施工过程中，会采用钢筋砼结构作为支撑保证隧道周围围岩的稳定。而砼会直接与地层接触，也就不可避免的会与围岩中的原油以及含油地下水接触，由于原油以及含油地下水中含有大量的化合物，会对砼造成腐蚀，影响钢筋砼的力学性能，从而影响隧道围岩的稳定。因此，本实验的目的主要是为了得到原油以及含油地下水的腐蚀性对砼的抗压强度的影响。同时由于隧道使用的长期性，还要得到腐蚀时间长短对砼的抗压强度的影响。

2.1原油对砼抗压强度影响试验

根据第一阶段试验结果（图1）可知，天然砼的抗压强度大小均值为38.52MPa，而受原油（油含量占90%）浸泡6个月后的砼抗压强度大小均值为38.25MPa，由此可以看出，受原油浸泡后的砼其抗压强度没有降低，说明砼在原油中没有受到腐蚀作用。受油包水浸泡6个月后的砼抗压强度大小均值为37.5MPa，由此可以看出，受油包水浸泡后的砼其抗压强度没有明显的降低，说明砼在油包水条件下没有受到明显的腐蚀作用。受水包油浸泡6个月后的砼抗压强度大小均值为28.58MPa，由此可以看出，受水包油浸泡后的砼其抗压强度有明显的降低，说明砼在水包油条件下受到了明显的腐蚀作用。受地下水浸泡6个月后的砼抗压强度大小均值为26.27MPa，由此可以看出，受地下水浸泡后的砼其抗压强度有明显的降低，说明砼在地下水条件下受到了明显的腐蚀作用。

对试验结果进行分析可知，由于纯净的原油中包含的均为化合物，几乎没有或者很少含有离子，因此，无法和砼中的物质发生离子交换，也就是说无法进行化学反应，便无法使砼发生腐蚀作用，因而，经原油浸泡过的砼，其抗压强度也就没有下降。

在油包水的条件下，尽管溶液中包含有大量的含有腐蚀性的各种离子，但是在油包水的条件下，当砼与溶液接触以后，首先是溶液中的原油会在砼的表面富集，形成油膜；尽管在这个过程中会有一定量的含腐蚀性离子的溶液率先与砼接触，并且保存在砼与油膜中间，但总体上还是以油膜保护砼免受腐蚀为主。而少量的溶液与砼接触后发生化学反应，不会造成砼的破坏，甚至有时还会增加砼的抗压强度。由此就可以得出，砼在油包水的条件下其抗压强度不会发生明显的降低。

图2试验结果图

在水包油的条件下，由于溶液中分散的油珠含量较小，难以在砼的表面大范围聚集，更难在砼的表面形成有效的油膜保护层，因此，溶液中的各种腐蚀性的离子就会持续不断的与砼中的物质发生化学反应。一方面，随着反应的进行，会消耗掉砼中的参与化学反应的物质，令砼的配合比发生变化，由此使砼发生破坏；另一方面，溶液中的离子会与砼中的物质反应，生成晶体沉淀物，在砼内部聚集，破坏砼内部的微观结构，进而使砼发生破裂以致破坏。由此可以得出，在水包油条件下，砼浸泡过后会发生破坏，其抗压强度自然也会降低。

在不含油地下水的条件下，砼与溶液接触后，其破坏原理与水包油的条件类似，都是无法在砼的表面形成有效保护膜，溶液中的各种腐蚀性离子与砼中的物质发生化学反应，使砼发生破坏，降低其抗压强度。

2.2原油对砼耐久性影响

根据原油对砼耐久性试验结果（图2）可知，随着时间的增加，砼的抗压强度首先会出现小幅度的增大，之后会出现急剧的下降，随着时间的进一步增加，下降的幅度又会逐渐减小并趋于平缓。

之所以会出现如图2所示的变化趋势，主要是由于砼中的水泥与含油地下水中的腐蚀性离子发生化学作用后产生的。首先，砼中的水化铝酸钙（砼制作过程中水泥水化后的产物）会与溶液中的离子反应形成新的化合物，初期会在砼内部孔隙中积存，比如水泥会与硫酸根反应形成钙矾石，而钙矾石形成时会结合大量的结晶水，它所占的体积比初始水化铝酸钙所占体积大2～3倍，因而在初期会填满砼内部孔隙，导致砼的抗压强度出现小幅度的增加。

其次，随着反应的不断进行，钙矾石的生成量不断增加，其在砼内部的内应力不断増大，导致砼内部结构发生膨胀，进而使砼产生裂缝，由此造成砼的抗压强度急剧降低。

最后，随着反应的不断进行，砼的部分地方会产生裂缝，但是新产生的钙矾石又会形成并充填在裂缝内部，如此往复；同时，随着反应物的减少，钙矾石产生的速度也会逐渐减少，因此，随着时间的增加，砼的抗压强度总的来说会呈减小的趋势，但减小的幅度会逐渐减缓。

3油气瓦斯隧道探测瓦斯溢出量技术研究

3.1非煤系油砂岩地层高瓦斯隧道瓦斯溢出预测预报技术

由于非煤系地层中瓦斯赋存的随机性，与煤系地层瓦斯隧道有着明显区别，要明确瓦斯设防位置是很困难的，因此需要对瓦斯溢出进行预测预报。本项目进行施工超前地质预报时，开展以瓦斯浓度的监测和瓦斯可能溢出部位的探测为主的两方面工作，同时结合施工现场监测管理体系，提出一套“以地质法为基础、以钻探法为主”并与物探法和瓦斯浓度监测相结合的综合预测方法。

3.2油气高瓦斯隧道瓦斯防治综合施工技术

在油砂岩地层中高瓦斯隧道施工时，防爆工作受开挖爆破、施工通风、钢材焊接等各方面的影响，因此，高瓦斯隧道施工应该采取包括相关各个方面的综合防治措施。本课题拟通过现场监控量测和数值计算，对隧道通风，施工爆破，钢材非焊接施工工艺，隧道防排水，气密性混凝土的性能要求、气密剂选择、配制和检测方法等综合施工技术进行系统研究，建立一套适合于非煤系油砂岩地层的综合施工技术和方法。

图3初期支护径向注浆

4施工中对原油溢出采取的防治措施

4.1开挖施工中原油处理方法

开挖前根据超前地质预报、超前地质钻孔、加深炮孔分析掌子面前方油气含量，来确定开挖支护措施。

开挖前采用超前小导管预支护注浆，对掌子面前方油气进行初步封堵，减小隧道开挖爆破施工作业中的油气流出，提高隧道施工安全。

如遇到高含油地段，在开挖之前，可以先让开挖部位及周围岩石中的原油流出，再进行正常开挖。具体施工过程如下：

首先，根据开挖面的大小合理布置超前钻孔的数量，包括钻孔的位置、大小和深度也要确定；

其次，选择合理的钻孔方式开始在掌子面上钻孔，钻孔过程中也会有原油流出，同时也有天然气的释放，注意好保护钻孔设备以及原油的收集，防止进入隧道造成污染，也要注意有毒有害气体和天然气的爆炸危害；

第三，孔位钻成以后，可以将热的蒸汽注入孔内，促进原油的渗流。经过一段时间以后，原油可从孔隙中流出大部，即可开始隧道的正常开挖，这样可减少原油溢出的危害。

爆破时采用采用煤矿安全允许炸药，保证爆破安全进行。

装药时采用PVC软管进行装药，可以防止孔内原油对装药的影响。

4.2支护施工中原油处理方法

开挖后针对液、气溢出段落先采用径向注浆封堵，在进行支护。

黄家梁隧道施工过程中，会采用钢筋钢架、喷射砼结构作为支撑保证隧道周围围岩的稳定。而喷射砼会直接与地层接触，也就不可避免的会与围岩中的原油以及含油地下水接触，由于原油以及含油地下水中含有大量的化合物，会对砼造成腐蚀，影响钢筋钢架、喷射砼的力学性能，从而影响隧道围岩的稳定。根据揭露隧道掌子面得有石油流出、有害气体逸出的具体情况，结合隧道围岩为岩体强度中等，围岩总体较好，可采用IV级围岩，喷射混凝土标号为C25，并采用气密性喷射混凝土。防止原油及含油地下水对筋钢架、喷射砼造成腐蚀。

4.3衬砌施工中原油处理方法

二次衬砌采用C35抗裂防水气密性混凝土，提高混凝土密实度合结构抗渗指标，使混凝土透气系数小于1×10-11cm/s。处于硫酸盐化学侵蚀性环境中的防水混凝土，混凝土应采用低C3A含量的水泥，且胶凝材料的抗蚀系数应＞0.8.

衬砌砼是隧道修建过程中使用量最大的材料，它不仅是用来维护围岩的稳定性，同时还起到美化外观的作用。含有油气的地区，地下水中会对砼造成腐蚀的气体和离子类型较多，具体的防腐措施如下：

（1）抗H2S腐蚀

主要是控制砼中孔隙，尤其是大孔隙的量。可以在水泥中加入一定量的粉煤灰和碱渣，根据硫化氢的含量以及地层压力适当增减。

（2）抗碳酸腐蚀

第一，在水泥中加入各种外加剂壳提高抗腐蚀性能。

第二，在砼表面可涂加一种环氟树脂溶液，可在砼表面形成薄而强度高的环氟树脂封闭层，能有效防止CO2对砼的腐蚀。

第三，在水泥中加入分散剂、降滤失剂对砼抗CO2腐蚀性能有改善。

第四，掺入C极粉煤灰以提高砼抗CO2腐蚀能力。

（3）抗镁腐蚀

以纯矿渣和减轻加重剂组合的矿渣水泥形成的砼抗镁腐蚀性能最好。

（4）抗硫酸盐腐蚀

第一，使用高碱低铝的水泥能使砼有更强的抗硫酸盐腐蚀能力。

第二，高温下生成的砼抗硫酸盐腐蚀性能较高。

第三，利用酸性胶凝材料吸收水泥水化作用析出的氢氧化钙，以降低溶液中氢氧化钙浓度达到安全水平，能够降低硫酸盐的腐蚀性能。

结束语

与煤矿瓦斯隧道不同，油气瓦斯隧道受瓦斯（天然气）和原油的双重影响，隧道施工过程中，除了对瓦斯溢出采取相关综合防治措施外，还需对原油溢出采取防治措施。由前述，黄家梁隧道就是属于油气瓦斯隧道。报告二主要以黄家梁隧道施工为例讲述隧道工程原油危害分析与防治措施研究。通过对本课题的研究，希望对存在和未彻底解决的技术难题，在以后类似的项目进行再研究、再分析，以进一步提高非煤系高瓦斯隧道施工的效率和安全。

参考文献

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作者简介：柏小明，男，出生于1967年02月，本科，高级工程师，中铁五局成都公司副总经理。