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1、低（微）非煤系地层瓦斯隧道安全施工技术1. 瓦斯组成与瓦斯隧道及工区划分1.1.瓦斯组成广义凡从围岩或煤层渗入隧道的有害气体，均称为瓦斯。其主要成分为甲烷（沼气CH4）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2），还有少量的硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、氢气（H2）、二氧化硫（SO2）及其它碳氢化物和稀有气体。狭义单指甲烷（CH4），包括煤层甲烷和石油甲烷。甲烷及其他气体的爆炸限值及相对密度如表1 所示。表1 甲烷及其他气体的爆炸限值及相对密度项目甲烷CH4二氧化碳CO2一氧化碳CO硫化氢H2S乙烷C2H6丙烷C3H8爆炸下限%512.54.332.1爆炸上限%1574.245.512.59.35
2、对空气的相对密度0.5541.530.971.171.051.55气体主要积聚于隧道断面的位置拱顶下断面全断面全断面全断面下断面1.2.瓦斯隧道分类瓦斯隧道：凡隧道通过的地层中预计含有瓦斯或检出瓦斯、即属于瓦斯隧道（与瓦斯地段长度占全隧道比例大小无关）1.2.1.按照隧道瓦斯含量划分铁路瓦斯隧道技术规范( TB 101202002) 明确了瓦斯隧道、瓦斯隧道工区概念，瓦斯隧道工区的性质及等级决定着整个隧道的瓦斯性质及等级。（1）瓦斯隧道分为低瓦斯隧道、高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道三种，瓦斯隧道的类型按隧道内瓦斯工区的最高级确定。（2）瓦斯隧道工区分为非瓦斯工区、低瓦斯工区、高瓦斯工区、瓦斯突出工区
3、共四类。（3）低瓦斯工区和高瓦斯工区可按绝对瓦斯涌出量进行判定。当全工区的瓦斯涌出量小于0.5m3/min时，为低瓦斯工区；大于或等于0.5m3/min时，为高瓦斯工区。（4）贵州省高速公路瓦斯隧道施工技术指南（2014）瓦斯隧道分为微瓦斯隧道、低瓦斯隧道、高瓦斯隧道及煤（岩）与瓦斯突出隧道四种，瓦斯隧道的类型按隧道内瓦斯工区的最高级确定。1.2.2.按瓦斯来源划分依据有害气体成因和运移、成藏的特征以及含气岩系组成和分布，结合隧道等地下工程揭露遇到的天然气地质情况分析，隧道等地下工程有害气体的成分、浓度及涌出方式等与所处的地层岩性、岩石的矿物成分及地质构造等密切相关。总结铁路、公路隧道等地下工
4、程遇到的瓦斯隧道主要可分为两大类，即煤系地层和非煤系瓦斯隧道。（1）典型的煤层瓦斯隧道中铁十八局集团在建的渝黔铁路新凉风垭隧道，为铁路单洞双线隧道，全长7618m。隧道出口穿越含煤地层，穿越二叠系龙潭组页岩、砂岩夹煤层，共9层煤，总长度175m。其中，可采煤层5层，分别为K2、K4、K5、K8、K9，主采K2、K4、K5，厚度1.52.0m，层位稳定。K2、K3、K4、K5煤层具有煤与瓦斯突出危险性，瓦斯绝对涌出量为0.133.02m/min，压力为0.451.5MPa。图1 渝黔铁路新凉风垭隧道煤层赋存示意图该隧严格按照煤与瓦斯突出隧道组织施工和管理，是目前在建瓦斯隧道管理规范的典范。在工程
5、领域隧道穿越煤层首次采用瓦斯抽放技术。（2）典型的非煤系瓦斯隧道典型工程案例有达成铁路炮台山隧道、成简公路龙泉山、兰渝铁路梅岭关和肖家梁等系列天然气隧道。隧道等地下工程基本处于近地表，隧道穿越地层不是气源岩沉积地层，也不是天然气运移聚集成藏地层。当隧道下部为油气层，但较大规模的褶皱运动使深层天然气向隆起幅度更高的部位运移，区域的断裂活动极大提高天然气的垂向输通性能，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，在该地层形成次生天然气储层。因此，该隧穿越地层围岩体内存在瓦斯，大量以游离态赋存岩体孔隙中，少量在泥岩体内以吸附态存在，因隧道开挖引起围岩体变形的影响而大量释放。1
6、.2.3.瓦斯工区施工期间，应由委托具有相关资质的机构进一步评定瓦斯工区等级，并编制瓦斯工区评定文件，当瓦斯工区等级发生变化或与勘察、设计不符时，应按施工变更流程上报建设、监理单位，适时调整设计及施工方案。图2 天然气运移模式泥岩盖层砂岩次生储层泥岩盖层烃原岩和油气储层隧道2.低（微）瓦斯危害通过煤系地层的隧道， 因其煤层的位置是固定的，可通过勘测手段预测其对隧道施工的危害性，因而采取的工程措施针对性较强， 便于组织施工和采取防治对策。而非煤系地层区瓦斯涌出具有随机性、分布不均匀性的特点， 修建隧道时对瓦斯没有充分的认识和准备，使得非煤系地层区瓦斯隧道的瓦斯灾害危害性更大。较为典型的案例有19
7、94年（老）达成线炮台山隧道瓦斯燃烧和爆炸事故、2015年洛带1号隧道气体爆炸事故。2.1.瓦斯隧道施工风险瓦斯隧道建设面临瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、煤尘爆炸（煤系地层）、煤与瓦斯突出、煤体自燃、人员窒息等施工风险。非煤瓦斯隧道还有人员窒息、有害气体中毒等。 2008年3月27日凌晨2：40左右，沙湾电站引水隧洞1#施工支洞下游掌子面在完成钻孔、装药后，该作业面10名工人撤离到安全距离实施爆破。爆炸发生后，瞬间从掌子面涌出大量有毒和窒息性的气体并向洞外高速扩散，造成了这1O人相继中毒窒息死亡的重大中毒事故。2008年4月26日，专家组在现场勘查时，从1#支洞口到下游掌子面沿程检测到：CO2：1.7
8、2.9，SO2：1.57.6 ppm。使用进口气体检测仪检测到H2S最高达l9.4 ppm，SO2最高达17.6ppm。2.2.瓦斯燃烧与爆炸案例1、炮台山隧道位于四川省金堂县内，穿越龙泉山脉，全长3 078 m，是我国在砂岩、页岩地层中遇到的第一座无煤层的铁路瓦斯隧道。该隧道原设计为无瓦斯隧道，1993 年7 月正式进洞施工，为加快施工进度和满足施工通风要求，隧道进出口均设有平导，其中进口平导长1 078.49 m，出口平导长1 037.69 m， 在无天然气逸出前工程进展顺利。然而1994 年4 月3 日，在隧道出口端平行导洞掘进到810 m 的掌子面处，突然涌出了大量瓦斯气体，因照明灯泡
9、爆裂引发瓦斯燃烧，死1 人，伤3 人。4 月4 日汽车进洞又引起瓦斯爆炸事故，死12人。隧道施工被迫停工达7 个月之久，损失惨重。现场采样分析， 由平导掌子面炮眼涌出的天然气含甲烷95.42%， 有轻微重烃和惰性气体，不含硫化氢。2、2015年2月24日中午13时20分左右，成都洛带古镇附近一在建隧道发生爆炸。由中国水电建设集团路桥工程有限公司承建的五洛路1号隧道，发生疑似瓦斯爆炸事故。此次爆炸导致2人死亡，22人受伤。其中2人重伤、20人轻伤，伤者主要为留守人员。图3 四川洛带隧道疑是瓦斯爆炸现场照片3.低（微）瓦斯安全施工技术3.1.搞好非煤系地层低瓦斯隧道安全施工的重要性1、限于目前隧道
10、地质勘察技术水平，对于油气对隧道穿越地层影响以及油气运移和在浅层存储情况认识不足，难易在勘察阶段发现低压力、低浓度瓦斯，无法定性定量预测预报隧道洞身穿越地层瓦斯的分布、含量和涌出情况。因此，此类隧道施工存在较大的安全隐患。2、低瓦斯隧道中瓦斯涌出量小，洞内瓦斯浓度低，有时甚至测量不出来，容易忽视。施工过程中，瓦斯检测和通风管理流于形式，未得到施工各方重视。3、铁路规范规定，低瓦斯隧道不要求使用防爆的机具和电气设备，很多人以为与普通隧道没有区别，疏于防范。低（微）瓦斯隧道一般不会出事故，在施工易产生麻痹思想，但低瓦斯隧道搞不好一样会爆炸，一样会出事故，有必要强调它的安全生产重要性，有必要针对低（
11、微）瓦斯隧道的特点采取一定的防范措施。 3.2.针对非煤系地层瓦斯地质超前预报针对非煤系地层瓦斯地质预报采取超前钻探法。（设计情况？）兰渝铁路梅岭关隧道为高瓦斯隧道（油气瓦斯），在高瓦斯地段，每25m一循环设6个直径89mm超前探孔，每循环搭接5m,其余段拱部每25m设1个30m长超前探孔，循环搭接5m,并辅以加深炮眼超前探测，每段面加深炮眼个数不少于5个，炮眼加深深度不小于3m。1、天然气超前钻探测工艺流程图3 瓦斯、天然气工区作业流程图施工准备超前探测孔检测孔内是否有瓦斯天然气等有害气体钻孔瓦斯动力现象观察检测孔内瓦斯天然气涌出量孔口瓦斯浓度小于0.3%钻孔过程无异常现象孔口瓦斯浓度小于0
12、.3%，钻孔过程有夹钻、顶钻、顶水、喷孔等动力现象加强通风自然排放掌子面掘进至距离瓦斯5m处,停止掘进,在涌出孔附近施作排放孔,进行瓦斯天然气自然排放,若24h内单孔瓦斯涌出量、瓦斯压力不能使其降低,则应立即封闭,另做专门处理单孔瓦斯涌出量是否大于4Lmin正常开挖有无是否 2、施工要点（1）铁路隧道超前地质预报技术指南要求，瓦斯隧道超前探孔必须采用水循环钻或湿式钻孔。（2）油气地质钻孔天然气参数检测项目目前还没有规范可参考。在钻孔过程中，采用“多气体复合检测仪器”测钻孔孔口可能涌出的有害有毒气体成分、浓度。根据检测到的气体成分和浓度以及钻孔动力现象，确定钻孔有害气体涌出量和排放措施。（3）施
13、工过程要加强瓦斯检测和施工通风管理。（4）瓦斯地质钻探工艺的实施安全是一个系统，这个系统包括：钻场人员安全的要求、设备安全的要求、瓦斯地质钻探工艺安全的要求、钻场环境安全的要求等。 梅岭关隧道瓦斯超前探孔施工钻孔所有作业人员必须进行“三级”教育培训，考核合格后方可上岗作业。所有作业人员必须持证上岗，并佩戴自救器和矿灯。所有作业人员必须熟悉钻机的操作方法、维护保养等知识，严格按照钻机操作规程进行作业。钻探作业过程中，安全员、瓦检员，地质技术管理人员必须现场跟班，详细记录打钻情况，核实钻探技术参数，防止出现误打和误报情况。跟班队干、班组长、电钳工必须携带便携式瓦斯检查仪。3.3.瓦斯隧道通风加强通
14、风是防止瓦斯积聚、避免瓦斯浓度超限、预防瓦斯事故发生的主要技术措施。瓦斯工区必须实施连续通风，并将测风作为瓦斯防治的关键工序。 施工通风的好坏，直接关系到作业人员的人身安全，是避免瓦斯燃烧、瓦斯爆炸的主要防治措施。因此，施工中必须重视通风管理工作。微瓦斯工区可按常规隧道安全施工要求进行施工，但应加强通风管理和瓦斯检测。1、瓦斯隧道通风要求（1）对瓦斯易于积聚处，应实施局部通风，风速不宜小于1m/s。全隧道最低风速不小于0.25m/s。瓦斯密度比空气小，如有瓦斯涌出源，且风速较低时，易积聚于拱顶部位，并形成瓦斯积聚层。此外，瓦斯的扩散速度比空气大1.6倍，易透过裂隙、结构松散的煤（岩）层溢（涌出
15、）出。研究表明，风速在0.3m/s时，甲烷会从发生点反流形成甲烷带。当风速为0.5m/s时，甲烷几乎不会发生反流，但也会形成甲烷带。当风速大于1m/s时，甲烷散乱，则不会形成甲烷带，不会在拱顶上部聚积。（2）对瓦斯易积聚的空间和衬砌模板台车附近区域，应采用空气引射器、局部通风机等设备，实施局部通风的方法，消除瓦斯积聚。（3）微瓦斯工区和低瓦斯工区放炮后应至少通风15min，高瓦斯工区和瓦斯突出工区放炮后应至少通风30min，再由瓦检员、放炮员、安全员进洞巡视检测。当按规定时间不能将瓦斯浓度稀释到0.5%以下时，应提高风速、增大风量、延长通风时间或采取钻孔排放等措施，经检测有效后，方可恢复施工。（4）瓦斯工区施工期间，因检修、停电等原因停风时，必须撤出人员，切断工区电源，并制定恢复通风、排除瓦斯和送电的安全措施。恢复供电和恢复洞内通风机通风前，应检测瓦斯浓度，并按下列程序执行： 分级启动主风机通风1530min后，由瓦检员、通风管理员、安全员进洞检测瓦斯浓度，当停风区瓦斯浓度超过1%时，继续加强通风，稀释瓦斯。经检测证实停风区瓦斯浓度不超过1%时，通知专
