隧道工程中臺階式瓦斯排放的應用

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摘要：煤層瓦斯是隧道建設中的極高風險源之一，易引發瓦斯燃燒、瓦斯爆炸等事故。在穿越煤層揭煤時抽排瓦斯成為揭煤前的關鍵環節，基于此，結合某隧道工程項目，對瓦斯段煤層特點進行分析，提出了臺階式多孔排放方案，并總結了瓦斯隧道施工要點，可供同類隧道施工參考。

關鍵詞：隧道；煤層；瓦斯排放

1工程概況

峨漢高速是四川省高速路網規劃的重要組成部分，建成后與雅西、樂雅、成樂、樂宜、樂自等高速融為一體形成完善的高速路網。金口河隧道全長8130m，隧道最大埋深為1317m，為峨漢高速的控制性工程之一，位于四川省西南部樂山市峨邊彝族自治縣和金口河區交界處，地處大渡河、官料河及多條斷層所包圍的地塊中，屬于深切高中山峽谷地貌。隧址區地質構造條件極其復雜，被多條斷層所包圍，隧道不良地質如斷層破碎帶、溶洞、溶蝕區、軟巖大變形、巖爆、煤層瓦斯、有害氣體等特殊地質突顯。

2煤層瓦斯狀況

隧道K63+720—K68+820段穿越前震旦系峨邊群第二段地層，該段地層以炭質板巖為主，且炭質板巖局部存在石墨化現象，具有生烴條件，根據“金隧SZK03”鉆孔揭露巖芯可見炭質板巖存在石墨化現象，局部可見含劣質煤。目前正開展相關測試工作，且出口端深孔亦正施鉆，因此對該隧道的瓦斯等級需待鉆探及相關測試完成后做準確判定，經過初步分析，隧道暫定為低瓦斯隧道，按高瓦斯隧道管理，具體的瓦斯等級和揭煤方案待相關試驗工作完成后進一步確定。根據專家地質資料推測，線路穿前震旦系峨邊群第二段地層，煤層厚薄不一，隧區附近有可采煤層，隧道施工需對瓦斯突涌防治、瓦斯抽排、揭煤等做相關預案。利用超前地質預報物探長距離探定煤層位置，再通過超前地質探鉆孔精確定位煤層，并采樣判定瓦斯，以煤礦石門揭煤的“四位一體”為基礎[1]，對煤層取樣進行瓦斯含量等參數測定。按相關規定煤層厚度≤0.3m，可直接采取遠距離放炮揭開煤層；否則煤層厚度＞0.3m必須采取本措施。對瓦斯涌量超過警戒值，設計了通過富含瓦斯地層過程中瓦斯排放施工方案和參數[2]。

3低瓦斯抽排方案

若瓦斯突出危險性預測結果為有突出危險，按揭煤方案流程進入下一步工作程序：工作面瓦斯排放。

3.1煤層瓦斯排放孔設計

3.1.1設計參數選擇當工作面預測為突出危險工作面時，必須采取工作面的防突措施。結合揭煤方案，工作面防突措施為鉆孔瓦斯排放方式。

3.1.2排放孔設計排放孔采用臺階式設置，控制范圍為隧道拱墻輪廓線外5m、仰拱下2m，排放孔φ75mm，孔底間距為2m、行距2m，孔深為穿越煤層≥0.5m。為加快排放孔施工進度，掌子面上臺階開挖至距煤層5m法線位置后，上下臺階同時打孔排放。

3.1.3排放孔施工采用ZY1250鉆機進行施工，施鉆時鉆孔采用梅花形布置，分兩批間隔施鉆，第一批排放孔施工后觀測排放效果，進而優化第二批鉆孔參數。

3.2揭煤掌子面防突措施效果檢驗

3.2.1檢驗方法采用鉆孔鉆屑瓦斯解析指標法進行效果檢驗。檢測K1值，當檢測值小于臨界值0.4ml/g•min1/2時，且施鉆時無噴孔、頂鉆或其他突出異常現象，即為無突出危險掌子面，否則仍為突出危險掌子面，必須采取補充排放措施，并再次對措施效果進行檢驗直到措施有效。

3.2.2施工當掌子面距離煤層法線最小5m時，施工掌子面煤層防突出措施進行效果檢驗，檢驗孔5個、φ75mm，分別位于掌子面上部、下部、中部及兩側。采用ZY-1250鉆機施工，進入煤層每鉆進1m采集一次孔口排出的粒徑1~3mm煤層鉆屑，測試K1。

3.2.3最后驗證掌子面開挖至煤層2m法線位置時，進行揭煤掌子面防挖至煤層最小法線距離1.5m時開始掌子面揭煤流程。

4瓦斯隧道施工控制要點

瓦斯爆炸需要同時具備3個條件，限制了其中的一個必要條件，就避免了瓦斯爆炸的產生，而加強通風是最有效的途徑。瓦斯隧道采取以強化通風系統配置和管理為主導的施工組織方案，既可保證高瓦斯隧道的安全施工[3]，又能達到節省投資的目的。

4.1科學通風設計

為保證瓦斯隧道施工安全，建立可靠的通風系統，通過風速風量沖淡高瓦斯，降低稀釋瓦斯濃度，并做到無通風死角。對坍塌的空腔應防止瓦斯聚集，設置專用風筒將瓦斯稀釋，并盡快填堵，不得在其下方進行帶電作業。在含瓦斯工區段施工時，通風扇應安裝三專（即變壓器、開關、線路）兩閉鎖（風電、瓦電閉鎖）設施。隧道內電氣設備實行風、瓦、電閉鎖，當隧道內瓦斯濃度超限時，能立即自動切斷設備電源。建立配置科學、經濟合理，高效穩定的通風系統。

4.2通風系統的配置

（1）通風方式選擇：通風方式受制于隧道獨頭掘進長度，故不再區分非瓦斯工區、低瓦斯工區、高瓦斯工區和瓦斯突出工區，而根據瓦斯地段距離洞口的長度以及通風系統的有效通風長度確定采用壓入式、混合式、巷道式或聯合采用不同的通風方式。通風方案根據施工進度動態調整，各階段銜接有序納入工序管理。（2）通風機必須設兩路電源和風管以及風電閉鎖裝置。當常用電源故障時，備用電源應在15min內接通，保證風機正常工作。當建立雙電源有困難時，必須設置備用發電機，其發電量滿足通風機的需要。（3）瓦斯隧道需配置一套同等性能的備用通風機，并保持良好的使用狀態。（4）對瓦斯易于積聚的坍腔、模板臺車附近、斷面變化處空間、襯砌模板臺車附近區域，應配置防爆型氣動風機或局扇風機等設備，實施局部通風的方法，消除瓦斯積聚。

4.3強化通風管理

強化通風管理在預防瓦斯事故中有重要作用，通過規范通風檢測和管理工作，以通風風速、瓦斯濃度兩個指標進行雙控管理，使掌子面有足夠的供風量，盡快稀釋溢出瓦斯，降低瓦斯濃度，保證施工安全。（1）風管口到開挖工作面的距離應＜5m，風管及時安裝，保證平直和接頭密封，被損壞的風管及時拆換、補修，風管百米漏風率≤2%。（2）全斷面開挖時風速≥0.15m/s，分部開挖風速≥0.25m/s；采用提高風速法消除瓦斯積聚時，風速需保證≥0.5m/s。（3）瓦斯隧道應保證連續通風。無特殊理由，不得停風，瓦斯濃度在規定限值以內時，方可恢復正常作業。

4.4瓦斯檢測與監測

加強瓦斯檢測、防火工作。在隧道開挖過程中，設立專職瓦斯檢測人員（需持證上崗），并配備專業的瓦斯檢測儀器，如便攜式瓦斯報警儀、微型瓦斯檢測報警儀，不定時不定期隨時檢測隧道中各隱患點以及風流中的瓦斯濃度，當瓦斯濃度超過1%時或瓦電閉鎖系統斷電時，必須立即停止隧道施工，作業人員立即撤離隧道，待查明原因后采取措施，瓦斯濃度降低達標后才能恢復通電施工。隧道內所有作業人員嚴禁吸煙飲酒，禁止攜帶一切明火及火花，爆破器材必須采用安全炸藥與電雷管，若用毫秒雷管時總延時不得超過130ms，且不準跳段使用。

4.5機電防爆配置

關于防爆設備問題，雖然《鐵路瓦斯隧道技術規范》（TB10120—2019）中低瓦斯隧道可以用非防爆電氣設備，實際上只要是瓦斯隧道，就有可能存在瓦斯局部涌出和集聚問題，也常因非防爆設備而引起燃燒、爆炸。（1）對于低瓦斯隧道，采用非防爆機電設備配置方案，加強通風檢測與管理，避免瓦斯積聚，將洞內各處瓦斯濃度控制在0.5%以下。（2）對于高瓦斯隧道，采用半防爆機電設備配置方案，洞內固定敷設的電纜、照明、通信、信號、變壓器、局部通風機、局扇、電機、配電箱、開關等采用防爆型；加強通風，將洞內各處瓦斯濃度降至0.5%以下，移動機械和電氣設備可采用非防爆型。

5結語

煤層瓦斯隧道揭煤的關鍵是降低煤層瓦斯濃度，而隧道受空間制約布設排放孔時掌子面鉆孔間距很近，容易導致掌子面附近孔堵塞；或者受煤層與隧道夾角的影響鉆孔很長，增加施工成本，采用分臺階排放有利于瓦斯溢出，確保安全、節約施工成本。

參考文獻：

[1]曹傳文.新涼風埡鐵路瓦斯突出隧道快速揭煤方案分析[J].鐵道建筑技術，2016（6）：43-47.

[2]姚四海.縉云山隧道穿越含瓦斯和采空區煤層施工技術研究[J].鐵道建筑技術，2017（7）：78-80，100.

[3]張忠義.復雜隧道煤層瓦斯探測與施工技術[J].鐵道建筑技術，2014（5）：105-109.

作者：洪成義 單位：四川公路橋梁建設集團有限公司