馬朝武

摘要：非煤系地層區(qū)隧道瓦斯涌出具有隨機(jī)性、游離性、分布不均勻性的特點(diǎn)，該類(lèi)瓦斯隧道的瓦斯災(zāi)害危害性更大。文章通過(guò)對(duì)某高瓦斯隧道的研究，總結(jié)出非煤系地層瓦斯隧道主要成因，并提出了相應(yīng)的施工技術(shù)，為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

關(guān)鍵詞：高瓦斯隧道 非煤系地層 治理 施工技術(shù)

0 引言

隧道工程瓦斯災(zāi)害屬于極具危害性的突發(fā)事故，具有分散性特點(diǎn)。近幾年隧道工程中因瓦斯爆炸事故雖然不多，但其危害相當(dāng)嚴(yán)重，因而逐漸成為社會(huì)焦點(diǎn)。國(guó)內(nèi)曾發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的隧道瓦斯爆炸事故，造成巨大人員傷亡。非煤系地層區(qū)瓦斯涌出比較分散，且都是隨即發(fā)生，隧道施工過(guò)程中，若不提前做好防治瓦斯的設(shè)計(jì)規(guī)劃，施工中很可能引發(fā)瓦斯災(zāi)害。鑒于此，研究非煤系地層隧道瓦斯的形成機(jī)制以及施工對(duì)策具有重要的實(shí)際意義。

1 工程簡(jiǎn)介

某高瓦斯隧道最大埋深248m。隧道開(kāi)挖采用臺(tái)階法施工。全隧穿越巖性為砂巖、泥巖互層；構(gòu)造位于稅家槽背斜西翼，構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖層傾角4°～5°，節(jié)理、裂隙發(fā)育一般。

2 瓦斯形成機(jī)理分析

綜合分析設(shè)計(jì)提供地質(zhì)資料，某隧道是由于淺層天然氣沿地層的巖體裂隙上逸進(jìn)入隧道。天然氣源自隧道下方2800m三疊系上統(tǒng)須家河煤系地層，它在儲(chǔ)存過(guò)程中不斷隨著地質(zhì)構(gòu)造的衍變逐漸上移，在侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組地層局部?jī)?chǔ)存封閉或孤立殘留在巖石裂隙中，形成以裂隙型游離瓦斯為主的天然氣。這類(lèi)天然氣因流量小而相對(duì)穩(wěn)定，但是壓力低，分布不均，多數(shù)情況下隨機(jī)涌出，具有良好圈閉條件的與儲(chǔ)氣層相同且張裂隙或裂隙發(fā)育的砂巖透鏡體的分布情況對(duì)瓦斯儲(chǔ)量起著決定性的影響。施作隧道工程時(shí)，可能發(fā)生瓦斯泄漏的情況通常有三個(gè)特點(diǎn)，一是天然氣儲(chǔ)量大，二是砂巖層厚且孔隙率較大，三是裂隙呈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)育。部分地段的封蓋具有良好的圈閉條件，大裂隙發(fā)育過(guò)程中延伸到了儲(chǔ)氣層，如果直接挖開(kāi)封蓋，儲(chǔ)氣層內(nèi)的瓦斯就會(huì)順著裂隙發(fā)育噴涌而出，嚴(yán)重時(shí)造成爆炸事故。

3 施工技術(shù)

高瓦斯隧道施工管理的重點(diǎn)是防止瓦斯燃燒和爆炸的災(zāi)害性事故的發(fā)生。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)有充足氧氣、一定溫度的引火源和一定濃度的甲烷時(shí)，發(fā)生瓦斯爆炸事故的可能性最大。施工對(duì)策的制定就是從這3個(gè)條件出發(fā)，高瓦斯隧道的瓦斯防治手段主要從4個(gè)方面考慮，即：隧道瓦斯的超前預(yù)測(cè)、通風(fēng)設(shè)備的選定及管理、確定檢測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)、施工用機(jī)械和電氣設(shè)備的選用和管理。施工中采取超前鉆孔探測(cè)、預(yù)測(cè)隧道前方瓦斯的發(fā)育情況，通過(guò)加強(qiáng)通風(fēng)降低瓦斯的濃度，采用有效的瓦斯檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控瓦斯的濃度，控制隧道各個(gè)不同作業(yè)面內(nèi)的瓦斯?jié)舛仍诎踩鳂I(yè)許可條件內(nèi)，選用防爆的電氣設(shè)備控制火源等手段，確保了隧道的安全施工。

3.1 瓦斯的超前預(yù)測(cè)

隧道施工中瓦斯涌出量與所在工區(qū)的圍巖性質(zhì)、地質(zhì)情況有密切的聯(lián)系。通過(guò)超前水平鉆孔探測(cè)和預(yù)測(cè)隧道前方瓦斯的發(fā)育情況，為采用合理的施工措施提供依據(jù)，防止瓦斯突涌及爆炸事故的發(fā)生。瓦斯隧道安全控制的要點(diǎn)即是在隧道正洞開(kāi)挖前采用超前水平鉆孔對(duì)前方地質(zhì)進(jìn)行探測(cè)驗(yàn)證。

超前地質(zhì)鉆孔采用φ89mm多功能輕型鉆機(jī)水平鉆孔進(jìn)行探測(cè)驗(yàn)證，每25m一循環(huán)，孔身長(zhǎng)度為30m，搭接長(zhǎng)度不小于5m，隧道正洞每個(gè)斷面設(shè)置5個(gè)探測(cè)孔，分別在拱頂一孔，拱腰兩孔，拱底兩孔。

3.2 通風(fēng)設(shè)備選定及管理

3.2.1 通風(fēng)設(shè)備選定

通風(fēng)設(shè)備選定是結(jié)合隧道各工區(qū)任務(wù)量劃分，并根據(jù)瓦斯涌出量、爆破排煙、同時(shí)間洞內(nèi)工作的最多人數(shù)、洞內(nèi)施工機(jī)械排放廢氣量等分別計(jì)算通風(fēng)所需風(fēng)量，并按允許風(fēng)速進(jìn)行檢驗(yàn)，采用其中的最大值，以確保風(fēng)量和風(fēng)速滿(mǎn)足瓦斯防治要求。

全隧采用壓入式主導(dǎo)通風(fēng)方式。依據(jù)風(fēng)量計(jì)算要求正洞單口選用的型號(hào)為： 2臺(tái)SDF（c）-NO.13（2×132KW）型軸流風(fēng)機(jī)（1臺(tái)備用）通過(guò)2道管路同時(shí)供風(fēng)，可滿(mǎn)足隧道需求風(fēng)量要求，斜井采用一臺(tái)SDF-NO.11（2×110KW）軸流風(fēng)機(jī)。隧道掘進(jìn)超過(guò)1200m時(shí)，在正洞回風(fēng)區(qū)增設(shè)SDS-Ⅱ-NO.10射流風(fēng)機(jī)，并在瓦斯易聚集作業(yè)面增設(shè)局扇以降低瓦斯?jié)舛?。正洞通風(fēng)管選用抗靜電阻燃風(fēng)管，直徑為1.5m。風(fēng)管利用φ1500mm鋼筒通過(guò)襯砌模板臺(tái)車(chē)。

3.2.2 通風(fēng)管理

①在隧道開(kāi)挖階段，集合通風(fēng)系統(tǒng)管理的技術(shù)工人組成通風(fēng)班組，建立設(shè)備巡檢制度，督促技術(shù)人員每天堅(jiān)持檢查和記錄設(shè)備運(yùn)行情況，按要求進(jìn)行故障檢修，確保管路順直，無(wú)死彎、無(wú)漏洞；

②建立瓦斯通風(fēng)監(jiān)控機(jī)制，負(fù)責(zé)風(fēng)量、風(fēng)速等技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)工作。指派專(zhuān)人指揮風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的啟停和變速，全程跟蹤記錄并簽認(rèn)操控流程。移動(dòng)模板臺(tái)車(chē)時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)為低檔位連續(xù)供風(fēng)；

③隧道回風(fēng)風(fēng)速按0.25m/s設(shè)計(jì)，在避車(chē)洞、模板臺(tái)車(chē)、塌腔和加寬段加設(shè)局扇以避免瓦斯積聚。為解決風(fēng)速低時(shí)回風(fēng)流瓦斯的層流問(wèn)題，一般地段可用射流風(fēng)機(jī)卷吸升壓來(lái)提高風(fēng)速。

3.3 瓦斯檢測(cè)、監(jiān)控體系

應(yīng)用互補(bǔ)互驗(yàn)型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯監(jiān)測(cè)，一方面提高監(jiān)測(cè)精度，另一方面有效彌補(bǔ)單一檢測(cè)方式的缺陷，提高隧道施工安全系數(shù)。全套瓦斯檢測(cè)、監(jiān)控體系由KJ90自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、CJG10型光干涉瓦斯檢測(cè)儀兩種儀器相結(jié)合方法檢測(cè)，以保證瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，確保施工安全。

3.3.1 人工瓦斯檢測(cè)

人工瓦斯檢測(cè)采用光干涉式瓦斯檢測(cè)儀和便捷式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀。CJG10型光干涉瓦斯檢測(cè)儀精度高，測(cè)量瓦斯?jié)舛日`差為±0.1%。特點(diǎn)是攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)地點(diǎn)靈活，主要為瓦檢員配備。

3.3.2 瓦斯自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

瓦斯自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)使用KJ90聲、光連動(dòng)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，其探頭懸掛位置應(yīng)能反映隧道即時(shí)風(fēng)流中瓦斯的最高濃度。在檢測(cè)到瓦斯?jié)舛取?.4%時(shí)報(bào)警，瓦斯?jié)舛取?.5%時(shí)切斷電源實(shí)施瓦電閉鎖。瓦斯探測(cè)器主要設(shè)置在掌子面處（開(kāi)掘處）、襯砌處、加寬帶和回風(fēng)口四類(lèi)易引起瓦斯發(fā)生積聚、且位置相對(duì)固定、重要的地方。

3.4 施工機(jī)械和電氣設(shè)備的選用與管理

《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：隧道內(nèi)高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)的電氣設(shè)備和作業(yè)機(jī)械必須采用防爆型。瓦斯隧道作業(yè)設(shè)備選用防爆型不僅裝、運(yùn)機(jī)械成本太高，而且對(duì)施工工效有較大影響。瓦斯隧道施工設(shè)備配置方案是否要全部采用防爆型，不能僅取決于是否為高瓦斯類(lèi)或瓦斯突出類(lèi)來(lái)定性地決定，而應(yīng)取決于施工中實(shí)測(cè)的瓦斯?jié)舛却笮?lái)做出科學(xué)的選擇。

考慮到本隧道瓦斯屬于深地層天然氣溢出，產(chǎn)量低、而且突出幾率小，經(jīng)充分研究，在加強(qiáng)超前探測(cè)、瓦斯檢測(cè)，加強(qiáng)通風(fēng)，設(shè)立施工許可條件基礎(chǔ)上，采用普通的裝、運(yùn)機(jī)械完全可以保證作業(yè)安全。此外，為杜絕瓦斯燃燒爆炸的條件形成，洞內(nèi)其他所有電氣設(shè)備、線路均采用防爆型。

4 瓦斯治理效果

該隧道施工管理采取了上述治理措施，根據(jù)KJ90自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)顯示，爆破后掌子面的瓦斯?jié)舛群鸵谎趸肌⒌趸衔餄舛仍谕L(fēng)5min～8min就降到規(guī)范要求的限值以下。洞內(nèi)環(huán)境良好，檢測(cè)到的瓦斯和有害氣體均在允許濃度以下，連續(xù)作業(yè)8個(gè)月，未發(fā)生因瓦斯超限造成人身傷亡和設(shè)備損壞事故。平均單口月成洞進(jìn)尺達(dá)到了126m/月，說(shuō)明治理措施是有效的。

5 結(jié)語(yǔ)

非煤系瓦斯隧道瓦斯賦存的隨機(jī)性導(dǎo)致隧道開(kāi)挖面出現(xiàn)瓦斯沒(méi)有規(guī)律，隧道施工瓦斯的防治應(yīng)對(duì)隧址區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行全面認(rèn)識(shí)，盡可能掌握潛在的瓦斯來(lái)源及運(yùn)移通道，從而采取排放、稀釋、監(jiān)控等綜合措施進(jìn)行治理。本方法可以起到同類(lèi)隧道的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張子敏，張玉貴.瓦斯地質(zhì)規(guī)律與瓦斯預(yù)測(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

[2]鐵建設(shè)[2008]105號(hào)鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[3]TB 10121-2007，鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[4]丁睿.瓦斯隧道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010.

[5]TB10120-2002，鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.