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1、,瓦斯隧道安全施工技术,陶伟明,第一章,瓦斯特性及其危害,瓦斯的基本概念,瓦斯特性,瓦斯危害,瓦斯隧道典型事故,1,瓦斯的基本概念,广义：从煤（岩）层内逸出的各种有害气体的总称，其主要成分为甲烷（CH4），另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。 狭义：甲烷(CH4),瓦斯的定义,古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。在高温、高压的环境中，在碳化变质成煤的同时，由于物理和化学作用，煤中挥发分减少，固定碳增加，继续生成瓦斯。瓦斯在煤体或围岩中是以游离状态和吸着状态存在的。,1,瓦斯的基本概念,瓦斯的形成,瓦斯
2、从煤、岩层涌出的形式： 缓慢、均匀、持久地从煤、岩暴露面和采落的煤炭中涌出，是矿内瓦斯的经常来源。 在压力状态下的瓦斯，大量、迅速地从裂隙中喷出，即瓦斯喷出。 短时间内煤、岩与瓦斯一起突然由煤层或岩层内喷出，即煤、岩和瓦斯突出。,1,瓦斯的基本概念,瓦斯出现形式,瓦斯隧道：隧道内存在瓦斯逸（涌、突）出的隧道，其 与瓦斯涌出量瓦斯压力无关。 瓦斯工区：隧道内存在瓦斯逸（涌、突）出的工区，其 与瓦斯涌出量瓦斯压力无关。 吨煤瓦斯含量：每吨煤含有的瓦斯数量，系游离瓦斯 与吸附瓦斯量的总称（m3/t）。,1,瓦斯的基本概念,相关术语,绝对瓦斯涌出量：单位时间内从煤（岩）层以及采落的 煤（岩）涌出的瓦斯
3、量（m3/min） 相对瓦斯涌出量（煤矿）：平均每产一吨煤涌出的瓦 斯量 (m3/t) 瓦斯浓度：空气中瓦斯含量与空气体积的比值，以百分数 表示 瓦斯压力：隧道开挖前煤（岩）中瓦斯的原始压力,相关术语,1,瓦斯的基本概念,绝对瓦斯涌出量包括以下部分： 掌子面瓦斯涌出量。 未支护段隧道周边壁面瓦斯涌出量。 已支护段（分初期支护和二次衬砌）隧道周边壁面瓦斯涌出量 爆破散落煤（岩）体瓦斯涌出量。 出渣运输途中（隧道内）煤（岩）体瓦斯涌出量。 绝对瓦斯涌出量与隧道开挖进尺和施工组织安排有关。,绝对瓦斯涌出量计算,1,瓦斯的基本概念,2,瓦斯特性,甲 烷,硫化氢,二氧化硫,一氧化碳,二氧化碳,瓦 斯,
4、是一种无色、无味的气体。既看不到，尝不出，也闻不出，所以是很危险的。要检查空气中是否含有瓦斯极其浓度，必须使用瓦斯检测仪器。 甲烷比空气轻，其相对密度为0.554。（在标准状态下，1m3甲烷的质量为0.7168kg，而空气的质量为1.293。）在风速低的情况下，常积聚在隧道拱部、冒落区顶部等处。 甲烷的扩散性很强，扩散速率是空气的1.34倍。如果从一处涌出甲烷，随着隧道内空气的流动，就能扩散到隧道内任何瓦斯容易积聚的位置。,2,瓦斯特性,甲烷, 甲烷不易溶于水，有很强的渗透性，能穿过煤层或岩层的微小孔隙。 甲烷无毒，但空气中甲烷浓度的增高会导致氧气浓度的降低。 当空气中甲烷浓度为43%时，氧气
5、浓度将降至12%，人会感 到呼吸困难； 当空中甲烷浓度为57%时，氧气浓度将降至9%，人会处于昏 迷状态。 甲烷具有燃烧性和爆炸性。甲烷在空气中达到一定浓度后遇到高温热源能燃烧和爆炸。,2,瓦斯特性,甲烷,硫化氢是一种无色、有臭鸡蛋味的有毒气体，易溶于水。隧道内的H2S主要是由硫化矿物水化和有机物腐烂所产生的，有些岩石中也能释放硫化氢。 硫化氢的毒性，即使吸入微量时也会引起头疼、目眩，中毒的进一步扩展会诱发支气管炎。此气体对眼睛剌激强烈，会引起结膜炎和角膜炎。此外，即使微量时，也会立即感觉到臭味，在空气中停留一会就会使嗅觉麻痹，即使达到危险浓度也不会感觉出来，这一点要特别注意。 隧道内空气中硫
6、化氢最高允许浓度0.00066%(6.6ppm)。 广（安）邻（水）高速公路华蓥山隧道、成兰铁路龙门山隧道等,2,瓦斯特性,硫化氢,二氧化硫为无色气体，具有强烈的硫磺气味及酸味，比空气的相对密度大，易积聚在隧道底部，易溶于水。隧道内含硫矿物氧化、燃烧及在含硫矿物中爆破都会产生SO2，含硫岩层也会涌出SO2。 SO2能被眼结膜和上呼吸道粘膜的富水粘液吸收，刺激眼粘膜和鼻咽等粘膜；在潮湿的矿内，能与空气中水分结合缓慢地形成硫酸H2SO4，使其刺激作用更强。当空气中浓度为0.31ppm时，健康人可由嗅觉感知，使呼吸道轻度收缩。 隧道内空气中二氧化硫最高允许浓度为0.0005%(5ppm),2,瓦斯特
7、性,二氧化硫,CO是一种对血液、神经有害的气体。CO随空气吸入体后，通过肺泡进入血液，并与血液中的血红蛋白结合。CO与血红蛋白的结合力比氧与血红蛋白的结合力大200300倍。一氧化碳与血红蛋白结合成碳氧血红蛋白，不仅减少了血球携氧能力，而且抑制、减缓氧和血红蛋白的解析与氧的释放。CO对人的危害主要取决空气中CO的浓度和与人的接触时间（见表1 空气中CO浓度与人体反应的关系）。CO还可导致心肌损伤，对中枢神经系统特别是锥体外系统也有损害。 隧道内空气中，一氧化碳最高允许浓度0.0024%(24ppm)。,2,瓦斯特性,一氧化碳,表1 空气中C0浓度与人体反应的关系,2,瓦斯特性,二氧化碳对人的呼
8、吸道有刺激作用。当肺泡中二氧化碳增多时，能刺激人的呼吸神经中枢，引起呼吸频繁，呼吸量增加。但空气中二氧化碳浓度过高时，会相对地减少氧的浓度，使人中毒或窒息。二氧化碳对人体的影响与其浓度有关。 浓度为1时，呼吸感到急促； 浓度增加到5时，呼吸感到困难，同时有耳鸣和血液流动很快的感觉； 浓度达1020时，呼吸将处于停顿状态和失去知觉； 当浓度高达2025时，人将中毒死亡。 隧道内空气中二氧化碳最高允许浓度为0.5%。,2,瓦斯特性,二氧化碳,瓦斯燃烧：浓度小于5或大于16 瓦斯爆炸：浓度516 瓦斯窒息：大于50 瓦斯突出：高压瓦斯从煤层发动、参与煤与瓦斯突出 瓦斯喷出：高压瓦斯瓦斯从煤、岩裂隙或
9、裂缝中喷出,3,瓦斯危害,3,瓦斯危害,瓦斯爆炸,煤与瓦斯突出,渝怀线圆梁山隧道瓦斯燃烧造成3人烧伤。 成都龙泉五洛路1号隧道瓦斯爆炸死亡3人。 达成线炮台山隧道瓦斯爆炸死亡13人。 都汶高速董家山隧道特大瓦斯爆炸事故死亡44人，11人受伤，直接经济损失2035万元。,4,瓦斯隧道典型事故,3,瓦斯隧道典型事故,4,瓦斯隧道典型事故,本次瓦斯爆炸为压力大于0.4MPa的强瓦斯爆炸。 本次爆炸共造成洞口外人员死亡10人、伤11人，死亡人员中有1人被冲击波抛至160m远。洞口外距洞口约20m远处一重约70t的模板台车被爆炸冲击波移位47m，且严重变形。爆炸冲击波传播1400m后出洞口仍有如此大的威
10、力，说明此次爆炸能量大，参与瓦斯量多。 现场勘察情况及实验研究经验，经估算爆炸最低瓦斯参与量为143.9m3，约合1105 kgTNT当量。,爆炸强度,4,瓦斯隧道典型事故,事故原因分析,直接原因 由于掌子面处塌方，瓦斯异常涌出，致使模板台车附近瓦斯浓度达到爆炸界限，模板台车的配电箱附近悬挂的三芯插头短路产生火花引起瓦斯爆炸。,4,瓦斯隧道典型事故,间接原因 右线隧道风机(对旋)型号：SBDY-CANO12.5A，功率2115kw，风压1500Pa，利用直径1.5m的风筒供风，风筒出风口距掌子面30m左右，通风距离超过1400m。据调查，风机2台电机夏天都在高档运行，冬季一般是一中一低运行，事
11、故前一班只有一台电机在中档运行，喷射混凝土时只有一台电机在低档运行，无法完全稀释掌子面有害气体，易造成瓦斯聚集。 经调查取证，右线隧道在打右矮边墙、移动模板台车及修补、延长风筒时，均要停风。除此之外，施工队带班人员杨兴生为节约电费也擅自停风机，11月份以来已停风3次。,4,瓦斯隧道典型事故,间接原因 2.瓦斯检查员全部使用便携式瓦斯报警仪检查瓦斯，检查高处时一般将便携瓦检仪绑在一根长2-3m的竹杆上举起进行检查，未达到规定检查高度，且存在检查次数不符规定等情况。 3 .右线隧道仅有一台甲烷传感器，事故当天安装于距跨塌处5m隧道左侧、离隧道底板2m高的地方，安装位置不符合要求，不能有效监控瓦斯，
12、安装以来从未报过警 。 4.2005年10月19日至12月5日，右洞隧道掌子面拱顶瓦斯浓度经常超过0.5，最大达2.47(11月5日k14+872处)。 5.经查阅资料，四川省康泰煤矿劳动安全评价咨询有限责任公司指出了该隧道的高瓦斯区段，但该隧道未明确按高瓦斯区段设防。,4,瓦斯隧道典型事故,事故性质,经过现场勘察、查阅相关资料、询问有关当事人，并对事故原因进行技术分析和论证，事故调查技术组认定： 四川都江堰-汶川高速公路董家山隧道工程右线隧道特大瓦斯爆炸事故为一起责任事故。 6名事故直接责任人移交司法机关处理，给予其他17名责任人相应的党纪、政纪处分。,第二章,瓦斯隧道分类,隧道通过地层分类
13、,瓦斯涌出量分类,瓦斯隧道分类原则,1,隧道通过地层分类,煤层瓦斯：隧道在煤系（含炭质）地层出现瓦斯，其出现瓦斯的位置相对确定，涌出量和瓦斯压力相对稳定。 非煤瓦斯：隧道在非煤系（含炭质）地层出现瓦斯，其具有位置不确定、涌出量和瓦斯压力差异大等特点。如：达成线炮台山隧道、达成线云顶隧道、云桂线老石山隧道、兰渝线苍溪段隧道等。,2,按瓦斯涌出量及突出危险性分类（铁路瓦斯隧道技术规范）,瓦斯隧道：隧道在勘探、施工过程中，通过地质勘查及施工过程中检测表明隧道内存在瓦斯，该隧道确定为瓦斯隧道。 低瓦斯工区：全工区瓦斯涌出量小于0.5m3/min。 高瓦斯工区：全工区瓦斯涌出量大于或等于0.5m3/mi
14、n。 突出工区：判定瓦斯突出必须同时满足下列4各指标,瓦斯压力P0.74MPa 瓦斯放散初速度P10 煤的坚固性系数f0.5 煤的破坏类型为类及以上,3,瓦斯隧道分类原则,瓦斯分类遵循就高不就低的原则，即瓦斯隧道的类型按隧道内瓦斯工区的最高级确定。 按工区分类的原则，即非瓦斯工区、低瓦斯工区、高瓦斯工区、突出工区。 只要有一处有突出危险，该处所在工区即为瓦斯突出工区。,第三章,隧道瓦斯燃（爆） 防治措施,瓦斯燃（爆）条件 及防治总则,杜绝火源,设备防爆,钻爆作业要求,控制浓度,管理措施,1,瓦斯燃（爆）条件及防治总则,瓦斯（甲烷）燃烧的放热反应，化学方程式为 CH4+2O2=点燃=CO2+2H
15、2O 当空气中氧气浓度达到10%时，若瓦斯浓度在5%-16%之间，就会发生爆炸； 浓度在30%左右时，就能安静的燃烧。 当瓦斯浓度低于5%时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层；当瓦斯浓度为9.5%时，其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反应)；瓦斯浓度在16%以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。 瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及煤尘、其它可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响。,1,瓦斯燃（爆）条件及防治总则,瓦斯爆炸是一种热一链式反应(也叫链锁反应)。 当爆炸混合物吸收一定能量(通常是引火源给予的热瓦斯爆炸能)后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基(也
16、叫自由基)。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。 在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。 所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。,1,瓦斯燃（爆）条件及防治总则,瓦斯燃爆 基本条件,瓦斯浓度,516%,氧含量,不低于12%,引爆火源,650750,1,瓦斯燃（爆）条件及防治总则,瓦斯燃爆 原因,引爆火源,电火花、放炮火花、撞击、摩擦火花、明火,瓦斯积聚,管理不善人员失职,1,瓦斯燃（爆）条件及防治总则,全员重视，杜绝火源，控制（瓦斯）浓度，强化管理，依法合规。,铁路瓦
