隧道工程的穿煤層安全技術

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摘要：隧道施工過程中經常遇到含瓦斯煤層。瓦斯是煤的伴生氣體，瓦斯含量與瓦斯壓力共同決定了煤層瓦斯的賦存狀態。在施工過程中，必須采取合理、有效的安全技術降低前方煤體瓦斯含量，抑制瓦斯涌出強度，確保巷道瓦斯濃度符合規定要求。本文從煤層瓦斯突出機理、瓦斯治理安全技術措施、施工工藝等方面進行了研究，保障隧道工程穿越煤層時人員安全。

關鍵詞：隧道；含瓦斯煤層；安全技術

0引言

近些年，在云貴等地區，大量修建的隧道經常遇到含瓦斯煤層。在施工過程中，由于技術、管理等原因經常出現災害事故，造成嚴重的人員傷亡和經濟損失。由于云貴地區地質情況復雜，隧道施工過程中預測、預報制度不完備，針對性的技術措施不夠完善，使得現場安全工作難度較大。為降低隧道穿煤層風險，有效控制瓦斯事故。本文針對隧道穿煤層安全技術進行研究。

1煤層瓦斯成因與主要危害

古代植物在成煤過程及碳化變質過程中，產生大量瓦斯。在長期的地質變化過程中，大部分瓦斯都已逸散、分解到地面上，只有一小部分還被保存在煤巖體內[1]。掘進過程穿煤層釋放的瓦斯主要危害是巷道中瓦斯濃度較高時，容易產生爆炸，瓦斯爆炸界限為5～16%。當瓦斯濃度為9.5%時，其爆炸威力最大，同時過高的瓦斯濃度容易造成人缺氧窒息死亡。因此必須控制好受限空間內瓦斯濃度，保證人員的安全作業。

2煤與瓦斯突出機理與預測

在地應力作用下，煤體瓦斯釋放的引力作用下，軟弱煤層容易突破抵抗線，瞬間釋放大量瓦斯和煤，對作業的人群產生瞬間沖擊，造成人員傷亡。這種事故稱為突出事故。目前對突出機理的認識有代表性的是前蘇聯霍多特等人于1976年提出的綜合作用假說。突出是地應力，瓦斯壓力和煤的物理力學性能綜合作用的結果，從能量學的角度可以認為煤體吸附的高壓力瓦斯提供了煤與瓦斯突出的能量，煤的堅固性系數越低，煤壁抵抗力越差，越容易產生突出，煤堅固性系數也是形成突出的一個極為重要的因素。考慮到隧道工程前方地質構造復雜，誤揭煤層很容易誘發瓦斯突出事故，在隧道掘進過程中開展煤層探測過程是非常必要的。根據《防治煤與瓦斯突出細則》規定，需施工前探鉆孔以探明煤層產狀及釋放煤層中的瓦斯深度情況，保證巷道安全揭露煤層。超前鉆孔前探10m，兩幫控制5m，無異常狀態下可掘進8m，繼續下一步循環作業。探明煤層賦存狀態和產狀后，巷道繼續掘進至巷道頂板與煤層底板垂距5m處。施工瓦斯壓力測定鉆孔，進行瓦斯壓力的測定。直接測壓法首要問題是把測點選好，避開采動影響區與地質破碎帶，才能測到煤層真實的瓦斯壓力。成孔之后，需要及時清理、封孔，若出現渣、水等，可用壓風管進行吹排。封孔后24h后就可觀察瓦斯壓力，根據測定的瓦斯壓力大小，在巷道全斷面布置防突瓦斯釋放鉆孔和瓦斯抽放鉆孔。

3防止瓦斯事故安全技術措施

在施工前探鉆孔，探測前方煤體瓦斯賦存狀態后，必須采取針對、有效性的措施。煤層瓦斯含量小于3m3/t，可以考慮施工排放鉆孔，待瓦斯含量降低，繼續掘進，在排放瓦斯過程中，若出現巷道中瓦斯濃度超限，必須接入抽放系統，保證瓦斯排放安全.若煤層瓦斯含量3~8m3/t，必須施工抽放鉆孔，待工作面前方煤體瓦斯含量降低至安全值后，繼續作業。對于瓦斯壓力超過0.74MPa，煤的堅固性系數、瓦斯放散初速度、煤的破壞類型等三個單項指標全部或單一超過臨界值，必須引起足夠的重視，嚴格按照防突措施執行。在煤層掘進過程中，受掘進作業影響，破壞了煤巖體原始應力狀態，在前方出現了二次應力集中，巖體爆破后有利于煤體彈性能的釋放。在掘進揭煤過程中，必須將瓦斯壓力降低到安全允許值范圍內，防止揭煤后出現瓦斯突出的次生事故。在進入煤體掘進的過程中，需要開展煤與瓦斯突出局部預測工作，預測的方法可以采用綜合指標法、鉆屑瓦斯解吸指標法（見表1）等，同時結合瓦斯含量、瓦斯涌出強度、煤體溫度等多個指標進行綜合判定。在綜合了多項指標后，若各項指標均符合規定，方可安全掘進。煤層原始瓦斯含量是指單位質量原始煤體所含有的瓦斯體積，在施工過程中，可以采用鉆屑法直接測定煤層瓦斯含量，利用φ42麻花鉆桿進入煤體12m，采集新鮮煤樣快速封裝進煤樣罐，FH-2解吸儀現場直接測定解吸瓦斯，利用解吸規律推算裝罐前損失量，隨后煤樣罐送實驗室分析殘存量，最終得出煤體瓦斯含量，根據煤體瓦斯含量、煤壁暴露面積推算出巷道瓦斯涌出量。據此為通風配風量與風機選型提供計算依據。在施工期間，派專人看管通風設施、設備，及時測定通風參數，保證通風設備的連續、穩定、安全運行。

4隧道穿煤層施工工藝

在隧道穿越煤層過程中，容易出現瓦斯積聚現象，必須革新施工工藝和方法，加強現場瓦斯監測與管理。

4.1超前支護

遇到松軟易突出煤層，支撐強度低，必須采取超前支護措施。采用φ32長錨桿（6~8m）支護，深入煤層老頂，產生足夠的抵抗力，若出現破碎帶過大或支撐力不夠，可以采用錨索+錨桿混合支護形式。在施工完錨桿后，采用管棚+注漿加固。既要考慮足夠的支護強度，同時需要及時觀察圍巖應力變化。

4.2隧道開挖爆破

隧道開挖建議采用臺階法，因為此法的優點在于開挖面積小，瓦斯涌出強度低，有利于集中應力的釋放。臺階法使用光面爆破的方式，有利于減少對圍巖的擾動，爆破使用2-3號的煤礦專用炸藥，煤礦炸藥能量受到限制，起爆敏感度高，不容易引燃、引爆瓦斯。

4.3瓦斯監測措施

建立自動監測與人工監測相結合的瓦斯監測系統。自動監測系統由地面中心站、分站、工作面瓦斯傳感器，自動報警器，遠程斷電儀等組成，信號通過總線傳輸方式。所有設備必須采用具有煤礦安全標志的產品，具備防爆能力，瓦斯監測監控系統.瓦斯傳感器須離開作業面一定的距離，吊掛位置合理，自動監測系統需能夠實時監測現場作業各地點瓦斯濃度，若出現瓦斯超限現象，能夠及時斷電，組織撤人，及時采取有效安全措施。各工作面設置專人專崗檢查瓦斯，配置光學瓦斯檢查儀與便攜瓦斯檢查儀，提高對事故的應變能力，特別是揭煤放炮期間，嚴格執行一炮三檢制度。

5結論

在隧道施工過程中，遇到突出煤層的情況比較常見，在施工過程中，必須做好預測、預報工作，從而采取提前措施，防止突發情況發生，確保人員安全與施工的正常進行。對于特殊的地段和地層，需要設置專門的手段和方法，從通風和瓦斯抽放的角度合理的解決瓦斯問題。

參考文獻：

[1]聶百勝，張力，馬文芳.煤層甲烷在煤孔隙中擴散的微觀機理[J].煤田地質與勘探，2000，28（6）：20-22.

[2]田榮.瓦斯隧道施工的關鍵因素及其對策[J].鐵道建筑技術，2002（6）：41-43.

[3]葉飛，霍三勝，常文偉.公路隧道穿越軟弱破碎煤系地層及采空區施工安全控制技術[M].公路交通技術，2011（06）．

作者:孫巖 單位:沈陽城市建設學院安全教研室