一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构及方法与流程

本发明属于输水隧洞瓦斯治理，尤其涉及一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构及方法。

背景技术：

1、在输水隧洞长期通水运营穿越含瓦斯突煤地层期间，其内部充满高压水流，衬砌需要承受巨大的内水胀裂压力，外部的高地应力及水压交变载荷还会导致围岩煤层中的原生裂隙缓慢扩展，促使瓦斯向开挖面解吸、运移。瓦斯通过衬砌裂缝或施工接缝等通道渗透进入输水隧洞内部，极易在隧洞拱顶等局部高点大量聚集形成高压气囊。当水流波动时，气囊受压破裂将诱发破坏力极强的水锤效应，直接撕裂衬砌混凝土；同时，瓦斯在高压下会大量溶解于输送水中，伴随水流到达下游低压泵站或水厂时瞬间释放，极易引发不可控的次生爆炸灾害。

2、当输水隧洞进行定期的停水放空检修时，隧洞内部的水压支撑力瞬间降为零，此时，衬砌外部因长期死堵而积聚的高压瓦斯得不到释放，巨大的逆向气压差极易击穿衬砌防渗体系，甚至在空荡的隧洞内部诱发迟发型的煤与瓦斯突出动力灾害，严重威胁检修人员生命安全。

3、因此，需要一种适配高瓦斯突煤地层工况、兼具主动导排与自封闭防护能力的输水隧洞衬砌方案，来解决现有技术存在的缺陷。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构及方法。

2、本发明通过以下技术方案得以实现。

3、本发明提供的一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构，包括含瓦斯煤层向输水隧洞中心依次设置有外层初支衬砌结构，环向集气夹层以及内层二次衬砌结构，所述环向集气夹层内设置瓦斯导排总管。

4、优选地，所述外层初支衬砌结构紧贴含瓦斯煤层开挖轮廓面设置；

5、所述环向集气夹层设置在外层初支衬砌结构与内层二次衬砌结构之间；

6、所述内层二次衬砌结构内具有毛细孔隙；

7、所述瓦斯导排总管上设置若干径向布置的瓦斯导排管及纵向布置的瓦斯排气直管。

8、优选地，所述瓦斯导排管穿过外层初支衬砌结构设置，其前端插入至含瓦斯煤层内部，其尾端伸入环向集气夹层并汇集连通至瓦斯排气直管；

9、所述瓦斯排气直管布设于输水隧洞拱顶处的环向集气夹层内，且瓦斯排气直管的排气端连通至内层二次衬砌结构内壁设置的隧洞通风设备的下风口。

10、优选地，所述瓦斯导排管插入含瓦斯煤层的管段外部包裹有防堵过滤网；

11、所述瓦斯导排总管沿输水隧洞的内壁向上呈拱形设置，瓦斯导排总管的下端口封闭，其排气口连接顺输水隧洞轴线走向设置的瓦斯排气直管，使瓦斯排气直管的轴线顺隧洞通风设备的风向设置。

12、优选地，多根所述瓦斯导排管呈扇形非全断面布置，分别布设在输水隧洞拱顶、拱腰及两侧边墙区域。

13、优选地，相邻所述瓦斯导排管连接在瓦斯排气直管上的尾端之间的中心距不大于0.5m，所述瓦斯导排管上设有高压反冲洗接口，所述高压反冲洗接口沿径向穿透内层二次衬砌结构。

14、优选地，所述内层二次衬砌结构采用透水混凝土制备，以毛细孔隙计算，内层二次衬砌结构的孔隙率为10%~20%。

15、优选地，所述外层初支衬砌结构与内层二次衬砌结构之间铺设有隔离板；

16、所述隔离板位于环向集气层内，隔离板包括基板以及基板上设置的凸台，基板布设有透气孔。

17、优选地，所述环向集气层内设置多场耦合监测预警系统，所述多场耦合监测预警系统包括贴附于外层初支衬砌结构内表面的应变传感器、布设于隔离板的基板外侧的气压浓度传感器、贴附于内层二次衬砌结构外表面的湿度传感器以及设置在瓦斯排气直管内的瓦斯流量传感器。

18、一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构的施工及运行方法，包括以下步骤：

19、s1：输水隧洞的掌子面开挖后，向含瓦斯煤层打设卸压孔并打入瓦斯导排管，并在卸压孔的孔口段密闭封孔；

20、s2：对输水隧洞的开挖轮廓面进行初支封闭，使用套管保护瓦斯导排管的尾端，使其穿透贴于输水隧洞内壁的初支混凝土并向输水隧洞内侧预留出外露接头段，向初支混凝土上初喷渗混凝土，形成外层初支衬砌结构；

21、s3：沿外层初支衬砌结构内表面铺设隔离板，在外层初支衬砌结构内表面设置应变传感器，在隔离板的基板外侧设置气压浓度传感器，并将应变传感器、气压浓度传感器的线缆引出；

22、s4：绑扎用于制备内层二次衬砌结构的骨架，并将湿度传感器绑扎在骨架上靠近隔离板一侧，并将湿度传感器的线缆引出，在骨架上浇筑混凝土，形成环向集气层和内层二次衬砌结构，完成施工；

23、s5：输水隧洞投入运营时，用阶梯式缓慢充水工艺提升输水隧洞的内水压力，使水填满毛细孔隙，在内层二次衬砌结构外壁形成连续液态水膜，完成水力封闭屏障的激活。

24、本发明的有益效果在于：

25、1、本发明适用作为高瓦斯突煤地层输水隧洞的衬砌结构，具备水力自封闭功能，实现了对含瓦斯煤层段输水隧洞在运营期瓦斯风险的主动与长效防控，利用输水隧洞自身的高内水压力迫使水流充满毛细孔隙，凭借水的表面张力形成连续液态水膜，阻断了瓦斯渗透至输送水中的途径，消除了输水隧洞运营期间拱顶气囊诱发的水锤撕裂破坏及下游水厂次生爆炸。

26、2、本发明通过深插含瓦斯煤层内部的瓦斯导排管进行主动卸压抽排，同时利用环向集气夹层为逸出瓦斯提供缓冲空间，高压瓦斯顺应负压进入由瓦斯导排总管、瓦斯导排管及瓦斯排气直管形成的管网系统，从根本上消除了长期高压瓦斯积聚导致的结构劈裂风险。

27、3、本发明利用输水隧洞的内水压力，使水毛细孔隙流向内层二次衬砌结构的外侧实现渗透，在水压力作用下，水分子优先占据瓦斯渗流通道，形成水封屏障，阻止瓦斯向输水隧洞内溢出。

28、4、本发明构建了输水隧洞全寿命周期多场耦合智能监测系统，能够在施工期间监测开挖卸荷引起的突发性灾害，在输水隧洞运营期通过应变传感器捕捉高压水长期作用下的断层活化情况，通过气压-水压双向对比监测水封屏障的健康度。

29、5、本发明针对深部卸荷与煤粉淤堵痛点，设置环向集气夹层，提供了瓦斯的绕流冗余通道，结合预留的高压反冲洗接口，实现了管网系统的自修复效果。瓦斯的封堵依赖自然势能与现有通风流场，实现了安全性、可靠性与经济性的高度统一。

1.一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构，其特征在于：以输水隧洞的径向为基准，包括含瓦斯煤层（1）向输水隧洞中心依次设置有外层初支衬砌结构（2），环向集气夹层（3）以及内层二次衬砌结构（5），所述环向集气夹层（3）内设置瓦斯导排总管（4）。

2.如权利要求1所述的一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构，其特征在于：所述外层初支衬砌结构（2）紧贴含瓦斯煤层（1）开挖轮廓面设置；

3.如权利要求2所述的一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构，其特征在于：所述瓦斯导排管（7）穿过外层初支衬砌结构（2）设置，其前端插入至含瓦斯煤层（1）内部，其尾端伸入环向集气夹层（3）并汇集连通至瓦斯排气直管（8）；

4.如权利要求3所述的一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构，其特征在于：所述瓦斯导排管（7）插入含瓦斯煤层（1）的管段外部包裹有防堵过滤网；

5.如权利要求3所述的一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构，其特征在于：多根所述瓦斯导排管（7）呈扇形非全断面布置，分别布设在输水隧洞拱顶、拱腰及两侧边墙区域。

6.如权利要求2所述的一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构，其特征在于：相邻所述瓦斯导排管（7）连接在瓦斯排气直管（8）上的尾端之间的中心距不大于0.5m；所述瓦斯导排管（4）上设有高压反冲洗接口（15），所述高压反冲洗接口（15）沿径向穿透内层二次衬砌结构（5）。

7.如权利要求2所述的一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构，其特征在于：所述内层二次衬砌结构（5）采用透水混凝土制备，以毛细孔隙（6）计算，内层二次衬砌结构（5）的孔隙率为10%~20%。

8.如权利要求2所述的一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构，其特征在于：所述外层初支衬砌结构（2）与内层二次衬砌结构（5）之间铺设有隔离板（10）；

9.如权利要求8所述的一种具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构，其特征在于：所述环向集气层（3）内设置多场耦合监测预警系统，所述多场耦合监测预警系统包括贴附于外层初支衬砌结构（2）内表面的应变传感器（11）、布设于隔离板（10）的基板外侧的气压浓度传感器（12）、贴附于内层二次衬砌结构（5）外表面的湿度传感器（13）以及设置在瓦斯排气直管（8）内的瓦斯流量传感器（14）。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的具备水力自封闭功能的高瓦斯突煤地层输水隧洞衬砌结构的施工及运行方法，其特征在于，包括以下步骤：