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1、高瓦斯隧道施工技术研究1.工程概况隧道是线扩能改造工程的重点控制项目，由施工经验丰富的中铁局负责施工。隧道的不良地质及特殊岩土有瓦斯、涌水、突泥、断层、石膏等。隧道围岩级别为：级围岩 2346m、占全长 78.04%，级围岩 330m、占全长 10.98%，级围岩 330m、占全长 10.98%；隧道在进口段穿越红花塘（F 1）断层，大梁子（F 2）断层，断层及破碎带岩体破碎，呈碎石角砾状；预计隧道正常涌水量为 2200m3/d，最大涌水量为 4300m3/d；地下水对混凝土具有中等硫酸盐腐蚀性。根据区域地质勘察和设计资料分析，经专家论证本隧道为高瓦斯隧道，深层天然气有上逸从隧道中涌出的可能性
2、，其随机性很强，但瓦斯突出的可能性很小；由于该隧道为高瓦斯隧道，为满足施工期间的通风和瓦斯防治需求，于线路前进方向右侧设置平行导坑，形成巷道式通风，平行导坑全长 2206m，平行导坑与左线线路中线间距 34.6m。根据铁路瓦斯隧道施工技术规范 ，瓦斯隧道可根据施工期间瓦斯涌出量分为低瓦斯工区和高瓦斯工区，即瓦斯涌出量0.5m 3/min 为低瓦斯工区，瓦斯涌出量0.5m 3/min 为高瓦斯工区。2.瓦斯防治2.1 瓦斯概念瓦斯的概念：广义上瓦斯是指矿井或隧道中由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，由此可见，瓦斯指的是一种混合气体，其组分包括井下或隧道煤层中含有的所有的有毒有害气体，瓦斯由于其各
3、组分成分不同，性质也有较大差别，从安全角度可以将这些组分划分为四类：可燃性气体：甲烷及其同系烷烃、环烷烃、H 2、CO、H 2S 等等； 有毒性气体： CO、H 2S、SO 2、NH 3、NO、NO 2 等等； 窒息性气体：N 2、CH 4、CO 2、H 2等等；放射性气体：氡气等。由于瓦斯的各组分中甲烷往往占含量的 90%以上，在狭义上，瓦斯单独指甲烷。2.2 瓦斯性质瓦斯(甲烷)是一种无色、无味、无臭的气体。在标准状态下，瓦斯密度为0.7168kg/m3，相对密度为 0.554。瓦斯微溶于水，在 20、101.3kPa 条件下，溶解度为 3.5L/100L 水。瓦斯的扩散性很强，扩散速度是
4、空气的 1.34 倍，在井下巷道或隧道中风流流动一般处于紊流状态，由煤壁或围岩中涌出的瓦斯很容易与空气均匀混合，所以在风量充足的巷道或隧道中，瓦斯的分布通常是均匀的；在无风或风量不足的情况下，瓦斯只能依靠扩散作用与空气混合，由于瓦斯较轻，故常积聚在隧道的拱顶部及顶板冒落空洞中。瓦斯本身无毒，但不能供人呼吸。瓦斯不助燃，但与空气混合达到一定浓度后，遇到高温火焰时能够燃烧或爆炸。2.3 瓦斯燃烧和爆炸在高温作用下，一定浓度的瓦斯与空气中的氧气会发生激烈复杂的氧化反应，生成二氧化碳和水，并放出大量的热，而这些热量又能够使生成的二氧化碳和水蒸汽迅速膨胀，从而形成高温、高压并以极高的速度(每秒可达数百米
5、)向外冲击的冲击波，并伴有声响，这就形成了瓦斯爆炸。当瓦斯与氧气的化学反应进行得比较缓慢，没有明显的动力效应时，就是燃烧；如果化学反应进行得十分剧烈并且有显著的动力效应，就是瓦斯爆炸。瓦斯爆炸是有一定浓度范围的，只有在 5%16%这个浓度范围内，瓦斯才能爆炸，这个范围称为瓦斯爆炸界限。5%是最低爆炸浓度，叫爆炸下限；16%是最高爆炸浓度，叫爆炸上限。如图 2-1 所示。2.4 瓦斯爆炸的条件及影响因素瓦斯爆炸必须具备三个基本条件，缺一不可。一是空气中瓦斯浓度达到5%16%；二是要有温度为 650750的引爆火源；三是空气中氧含量不低于12%。影响瓦斯爆炸的因素很多、很复杂，其主要因素有：(1)
6、可燃性气体的混入。当瓦斯和空气的混合气体中混入可燃性气体时，由于这些气体(如氢、硫化氢、乙烷、一氧化碳等)本身具有爆炸性，不仅增加了爆炸气体的总浓度，而且会使瓦斯爆炸下限降低，从而扩大了瓦斯爆炸的界限。因此，井下发生火灾或产生有其他可燃性气体时，即使平时瓦斯涌出量不大的矿井，也可能发生瓦斯爆炸，应特别引起注意。(2)爆炸性煤尘的混入。在瓦斯和空气的混合气体中，如果混入有爆炸性煤尘时，由于煤尘本身遇到火源能够放出可燃性气体，因此能使瓦斯爆炸下限降低。因此，作好防尘工作对防止瓦斯爆炸有着十分重要的意义。(3)惰性气体的混入。在瓦斯和空气的混合气体中，混入惰性气体(如二氧化碳、氮气、卤族元素等)将使
7、氧气浓度减少，可以缩小瓦斯爆炸界限，降低瓦斯爆炸危险性。(4)混合气体的初始温度(即爆炸发生前混合气体的温度)。试验表明，初始温度越高，瓦斯爆炸界限就越大。当初始温度为 20时，瓦斯爆炸界限为6.0%13.4%；初始温度为 700时，爆炸界限为 3.25%18.75%。因此，井下发生火灾或爆炸时，高温会使原来并未达到爆炸浓度的瓦斯发生爆炸，这一点在救灾时应特别注意。 (5)瓦斯浓度与引火温度。不同的瓦斯浓度，所需的引火温度(引起爆炸的最低温度)也不同。一般说来，当瓦斯浓度为 7%8%时，其引火温度最低，就是说，瓦斯最容易引爆的浓度是 7%8%；高于或低于这个浓度，所需引火温度都较高。(6)混合
8、气体的压力。压力越大，所需引火温度越低。当混合气体瞬间被压缩到原来体积的 1/20 时，由于混合气体被压缩而自身产生的热量就能使其自行爆炸。煤矿生产中的放炮作业，能造成很大的气体压力，从而大大降低了引火温度，就比较容易发生瓦斯爆炸事故。 3隧道瓦斯异常涌出预测3.1 预测依据天然气源为距隧道垂深约 3000m 的须家河组含煤地层。洞身段存在天然气聚集的可能。 天然气涌出的可能性分析。浅层气源为下伏约 3000m 的须家河组含煤地层，形成裂缝型游离瓦斯为主的天然气，其特点是压力低，流量低而稳定，分布不均匀，涌出的随机性很强。主要受与储气层相通而圈闭条件好的张裂隙和裂隙发育的砂岩透镜体的分布控制。
9、当隧道开挖遇到这种裂隙时，就有天然气涌出的可能性。 天然气涌出的压力。据炮台山隧道既有测试资料，在平导钻孔和已有炮眼测得天然气涌出段瓦斯压力为 0.120.20Mpa，瓦斯绝对涌出量平均值为3.03m3/min。 发生瓦斯与岩石突出的可能性分析。据炮台山隧道既有测试资料，瓦斯放散初速度P 为 0，岩石坚固性系数为 f4，岩层的突出危险性综合指标K=P/f=0，吸附常数 a、b 为 0，瓦斯流量低、压力小，通过岩石与瓦斯突出矿井类比分析出：隧道不具备岩石与瓦斯突出的危险性，一般不会发生瓦斯突出，岩石与瓦斯突出的可能性很小。 发生瓦斯喷出的可能性分析。根据隧道地质构造特征和天然气地质条件分析，在隧
10、道掘进中，当有孔隙率大的巨厚层砂岩，裂隙网络系统发育，储集大量天然气，封盖圈闭条件好的地段，又有延伸长远的大型可见裂缝与储气层连通时，就有可能发生瓦斯（天然气）喷出，造成隧道风流中瓦斯短时超限。 隧道天然气涌出危险性分析隧道区域侏罗系上统蓬莱镇组浅层天然气分布比较广泛，但无固定的层段和特定的显示层岩性，砂岩、泥岩、粉砂岩均可能有浅层天然气，天然气涌出主要受裂隙发育程度控制。3.2 瓦斯异常涌出预测目前通风及瓦斯涌出情况：进、出口施工均采用压入式通风，且无瓦斯涌出，工作面空气中瓦斯浓度为 0，二氧化碳浓度也为 0；钻孔内也未发现瓦斯及二氧化碳。根据上述分析，预测在以后隧道施工过程中瓦斯异常涌出主
11、要有以下几种情况：3.2.1 出现冒顶时的瓦斯异常涌出隧道施工过程中出现大面积冒顶往往是在遇地质构造时发生，超前支护未做好、爆破参数不合适、初支强度不够都可能导致冒顶。在无瓦斯区或低瓦斯区发生冒顶不一定导致瓦斯异常涌出，但在高瓦斯区，由于冒落岩体中瓦斯含量较大，冒落时，瓦斯随之涌出。在高瓦斯区的地质构造带内，并不是一定会赋存大量瓦斯。地质构造带内的瓦斯赋存量与构造类型及封闭条件有关。如背斜顶部岩层为泥岩、灰岩、油页岩时，背斜构造内则可能富集瓦斯；断层构造带上方封闭条件较好，断层构造带内也可能富集瓦斯。多年来煤矿的统计资料表明，出现冒顶时的瓦斯涌出很大，且异常涌出持续较长时间，只有当顶部岩层基本
12、稳定后瓦斯涌出才开始减小，另外由于冒顶带通风条件差，极易产生瓦斯积聚。因此，冒顶时瓦斯异常涌出的危险性最大。3.2.2 放炮后的瓦斯异常涌出在爆破体内无大的瓦斯涌出通道（如断层、裂隙等）时，放炮时的瓦斯涌出量一般较不放炮时大，但其增幅一般相对稳定。在风筒距离掌子面距离不超过规定时，掌子面瓦斯浓度会迅速上升，然后马上下降至正常状态，上升的幅度与爆破的方量有关，有时也会导致短时的局部的瓦斯浓度超限，但时间不会很长。放炮时出现异常瓦斯涌出是由于前方遇富集瓦斯的地质构造、大的裂隙通道等。遇前方岩体内瓦斯含量较大而导致放炮时瓦斯异常涌出时，瓦斯涌出量一般会在短时间较大，然后慢慢衰减，几分钟或几十分钟后恢
13、复正常，下一循环也会基本相似，只有穿过该富集瓦斯岩层带后才会恢复往常状态。放炮后遇大的裂隙构造时，瓦斯涌出量会明显增大，之后会慢慢衰减，但裂隙瓦斯涌可能会持续很长时间，甚至直到采取封堵措施或完成该段二衬。瓦斯在后巷通过裂隙涌出的量一般不大，但有可能造成局部瓦斯积聚。3.2.3 打钻过程中的瓦斯异常涌出爆破开挖离不开打钻。打钻过程中一般会通过钻孔有一定量的瓦斯涌出。但钻孔遇地质构造或开放型裂隙时可能会发生瓦斯喷出现象。发生钻孔喷出时往往会出现顶钻、夹钻现象，有明的气体喷出，有时还伴有岩粉喷出。钻孔瓦斯涌出量一般不大，但钻孔内瓦斯浓度会很高，孔外可能出现局部瓦斯超限。钻孔瓦斯涌出一般会衰减，若不是
14、遇大的瓦斯通道，衰减时间不会超过数小时。3.2.4 施工超前探孔时的瓦斯异常涌出在高瓦斯区施工超前钻孔，不仅可以判断隧道前方的地质情况，还可以判断前方的瓦斯涌出情况，并确定瓦斯涌出的地点。超前钻孔中的瓦斯异常涌出与打炮眼时相似，但涌出量大且持续时间长，有时在隧道开挖该段的全过程中超前钻始终都会有瓦斯涌出。在前方有大的地质构造时超前钻孔中的常出现瓦斯喷出现象。单孔喷出量有时会高达每分数立方米。喷出瓦斯时不仅造成钻孔内存在高浓度瓦斯，而且会造成孔外局部瓦斯积聚。4.隧道通风通风是排烟除尘和稀释瓦斯的主要手段，因此瓦斯隧道要求施工期间必需不间断通风，隧道进口通风在横洞连通前采用压入式通风，横洞连通后
15、采用巷道式通风方式，出口采用压入式通风；在隧道贯通后及时调整通风系统，防止瓦斯超限，待风流稳定后恢复洞内施工。4.1 瓦斯隧道通风标准岩石巷道消除瓦斯积聚风速最好不小于 1m/s。氧气含量：按体积不小于 20%。瓦斯浓度：小于 0.5%。CO 最高允许浓度 30mg/m3。CO 2浓度：按体积，小于 1.5%。氮氧化物：换算成 NO2 为 5mg/m3以下。粉尘最大允许浓度：每方空气中含有 10%以上游离二氧化物的粉尘为2mg。洞内气温小于 28 度。5.瓦斯防治措施5.1 瓦斯防治措施原则和管理流程隧道赋存瓦斯、天然气等有害气体，瓦斯防治措施的原则是“预防为主，防治结合” 。目前采用全巷道式
16、通风系统已经正常运行，具有通风量大，安全高效，经济实惠等特点，并建立了以人工专业检测（瓦检员）佩带光干涉瓦斯检测仪、普通作业班班长和特种工人佩带的便携式瓦斯自动报警仪和电脑自动监控相结合的三联瓦斯检测监控系统也正常运行，两者相互配合，相互制约，为安全生产做好了基础。按瓦斯隧道相关要求，建立健全了安检制度，制定各种应急预案。5.2 防治措施依据对以往瓦斯爆炸事故的统计，在引起瓦斯爆炸事故的原因中，除违章作业、违章指挥等现场管理因素外，安全生产技术措施不完善、不落实，安全技术水平不高是造成事故的主要原因。从瓦斯爆炸发生的地点看，绝大多数都发生在采煤工作面和掘进工作面，这类事故占事故总量的 90%以上。从引爆的火源看，以 1996 年的统计为例，以爆破火焰引燃居多，其他依次为明灯、失爆、撞击、吸烟和摩擦火花等。由瓦斯爆炸的三个条件看，氧气浓度条件在隧道中总能满足，而造成另外两个条件同时存在的原因多种多样，通过对事故原因的统计分析
