低瓦斯隧道安全施工技术

1“铁路客运专线隧道施工安全技术培训”讲义低瓦斯隧道安全施工技术铁道第二勘察设计院张祉道二○○六年二月2低瓦斯隧道安全施工技术根据瓦斯逸出量的多少和瓦斯压力的高低，可把瓦斯隧道分为高瓦斯隧道、低瓦斯隧道和瓦斯突出隧道三个类型，无论哪种类型，都要搞好安全生产。既使是低瓦斯隧道，也存在安全陷患，搞得不好就会出大事故甚至特大事故。因此掌握瓦斯隧道安全施工技术非常重要。一、有关瓦斯知识1.定义广义——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。2.瓦斯生成、成分及性质瓦斯生成植物及其它生物在高温缺氧条件下，有机物化学分解生成瓦斯。在植物变成煤的过程中，随着煤的变质，生成的瓦斯越来越多。其过程是：泥炭→褐煤→无烟煤化学反应式：纤维素甲烷二氧化碳水烟煤4C6H10O5-----微生物7CH4↑+8CO2↑+3H2O+C9H6O烟煤无烟煤甲烷水3C9H6O---2C13H4+CH4↑+3H2O广义瓦斯主要成分四部分组成：3（1）沼气（CH4）及同系物，H2，H2S等可燃气体；（2）CO、NO、H2S、NH3含硫气体、乙醛等有毒气体；（3）CO2、N2、Ar（氩气）等，基本上为化学不活泼的惰性气体；（4）Rn（氡）、Tn（钍）、Ac（锕）等放射性气体；上述四部分中沼气（CH4）是最主要成分，其它气体含量极少。沼气物理性质无色、无味、无臭、无毒；密度0.716kg/m3(空气为1.2kg/m3);微溶于水(20℃时,100m3能溶解于3.5m3);比空气轻,渗透能力比空气强,能很容易透过裂隙岩体;特殊场合:混有乙烷、丙烷时有麻醉性，产生头昏现象；混有H2S时有臭鸡蛋味；混有芳香族气体时有苹果味。3.瓦斯爆炸与燃烧（1）瓦斯爆炸及燃烧先决条件：适当的浓度；火源；氧浓度。瓦斯爆炸化学反应式：CH4+2O2→CO2+H2O+198.4千卡/克分子1份瓦斯+2份氧时反应最充分，但在空气中含氧仅20%,所以1份瓦斯+10份空气反应最充分所以,最猛烈的瓦斯爆炸发生在瓦斯浓度1∶11时,即9.1%(说明:瓦斯燃烧点、爆炸点与空气中氧浓度,火源温度有关,上图只是一般的通常值)4.煤尘爆炸4煤是可燃的,煤的粉尘(极小颗粒)由于与空气接触面积大,更易燃烧,燃烧的速度快、温度高，空气急速膨胀，就形成爆炸，煤尘爆炸判别式：Va=%10MA100Vadddaf时，有爆炸危险式中：Vdaf——煤的挥发分，%；Ad——灰分，%；Mad——水分，%。（均为煤样化验测定值）当巷道空气中煤尘含量小于30~40g/m3时，不会发生爆炸。二、铁路和公路瓦斯隧道与煤矿巷道的不同特点相同点（1）都是地下工程；（2）都进行钻爆作业；（3）巷道中有煤或瓦斯存在，都有危险性。不同点（1）工程目的不同。铁路和公路隧道的修建是形成通道，而煤矿建设的目的是进入煤体采煤。（2）工程范围内煤与瓦斯的数量不同煤与瓦斯是不良地质现象，所以交通隧道定线时都是尽量避绕煤层，避不开一定要穿过煤层时，尽量使隧道轴线垂直于煤层，以最短长度穿越。所以，很多瓦斯隧道洞身只有极小长度有煤，有时只是很薄的煤层（煤线或鸡窝煤），隧道长度的绝大部分是岩石，煤层只占极小比例，而且有时煤质低劣，无开采价值，含瓦斯也不多；而煤矿则不同，不是避绕而是哪儿有煤往哪开巷道；很多巷道直接在煤层中，而且煤质一般较好，所以煤矿的瓦斯含量一般都比较大。比如：低瓦斯矿的标准是瓦斯涌出量小于40m3/min，而低瓦斯隧道的标准是0.5m3/min,同样都是属于低瓦斯等级，煤矿的瓦斯涌出量是交通隧道的80倍。（3）煤层巷道灵活性大，而交通隧道一旦线路位置确定之后，隧道的平面位置和标高都基于固定，不能随便移动。煤矿的运输大巷多在岩石中，但它的位置灵活，可以选择最有利的位置和方5向；而交通隧道不同，有时位置很不利，如南昆线家竹箐隧道，隧道与煤层夹角只14°，既使不厚的煤层，隧道穿煤长度也很大，如17#煤层真厚度10.7m,但隧道穿煤长度84.8m,增加了施工难度。（4）交通隧道断面大，煤矿巷道断面小。公路隧道可达100多m2，则煤矿巷道大多数很小，只几个m2，既使通过架线机车的运输大巷道也只有20多m2。（5）交通隧道有支护，有衬砌，能封闭瓦斯，而煤矿巷道大多数不支护，允许长期放出瓦斯。（6）交通隧道施工时严防坍塌，一旦坍方处理代价高、时间长；煤矿巷道施工时也避免坍方，但一旦坍方，断面小，处理的代价也小。煤矿有时还人工制造小坍方，比如揭露瓦斯压力大的煤层时，采用震动放炮，加大药量，人工诱导小型突出。（7）通风系统不同煤矿通风系统很复杂，煤矿巷道多，而且不在一个平面上，煤矿的通风是网路通风，而交通隧道只是一根管道，通风较为简单。（8）瓦斯防灾经验和施工装备不同煤炭部门有多年的防止瓦斯灾害经验，规章制度比较健全，正规的煤矿施工设备都是防爆的。在组织机构上，配备通风专业人员和机电专业人员、有矿山救护队，这些都有利于防灾救灾。而铁路和公路施工单位大多是多数临时组建综合性的建筑单位，关于瓦斯的经验不多、设备不完善，组织机构不固定（项目经理部人员变化大）。这些，不利于瓦斯防灾。小结交通隧道有利之处是大多数隧道通过煤层少、瓦斯涌出量小，而且衬砌及时，可以封闭瓦斯减少逸出，通风巷道管路也比较简单。但不利之处也不少，如开挖断面大，隧道与煤层的相对关系不允许随意改变，施工装备防爆性能差，施工队伍不是专门化，技术管理和技术教育不够等等。我们交通隧道的施工要发扬优势、纠正劣势，以最小的代价保证生产安全。三、瓦斯隧道几种灾害瓦斯隧道施工时，可能发生7种灾害：（1）煤与瓦斯突出——在地应力和瓦斯压力的共同作用下，很短的时间中破碎的煤、岩和瓦斯从洞壁突然抛出，伴有猛烈的声响和巨大的动能，同时释放6出大量的瓦斯。有时伴随瓦斯爆炸，造成二次破坏。“突出”事故的伤亡和损失一般都是很渗重的。（2）煤突然倾出——在重力作用下松软的煤层突然坍下，同时有大量瓦斯释放，坍下的煤以煤块形式堆积。（3）煤突然压出——一部分煤在构造应力或放炮振动影响下，整体抛出，但位移距离不大，压出的煤或呈小块状，或呈有大量裂隙的大块状。（4）岩石与瓦斯突出——原因与煤与瓦斯突出相似，有时还加上掘进放炮的的振动作用。大多数发生在破碎的砂岩中，放炮时，发生岩石破坏，抛出的现象，在抛出的砂岩岩块中含有大量的砂粒和粉尘，洞壁上形成空洞（不一定与爆破洞穴同一位置），与此同时，洞内瓦斯大量增加。（5）瓦斯爆炸——达到爆炸浓度的瓦斯（一般在5%~16%之间）与火源接触（一般需要512℃以上），并且坑道内有氧气存在（含量12%以上），就会发生猛烈爆炸，有时会造成大量伤亡。（6）煤尘爆炸——当煤质中挥发物占总可燃物（固定炭加挥发物）10%以上，且形成的小颗粒煤尘悬浮在空气中，当空气中煤尘含量较多（30g/m3以上），遇700℃以上的火源，即会发生煤尘爆炸，煤尘爆炸的后果比瓦斯爆炸更严重，因为煤层爆炸会产生大量一氧化碳（CO）使人中毒，很多人不是炸死而是被毒死。（7）巷道坍塌——煤系地层除少数外，大多数强度很低，尤其是煤中的软分层，用手即可捻成粉碎，所以巷道稳定性差，容易产生坍塌事故。名词瓦斯涌出：掘进放炮以后，瓦斯从洞壁暴露面，从爆下的岩块和煤块中均匀释放的现象。(在邻近煤层的掌子面附近经常有瓦斯涌出。)瓦斯喷出：在20m长的巷道范围内，从洞壁裂隙、孔洞或炮眼中涌出大量瓦斯，当喷出强度达到1m3/min，喷出时间8h以上时，称之谓瓦斯喷出。我国瓦斯灾害的发生是频繁的，尤其是近几年在采煤行业，经常发生瓦斯爆炸。去年一年煤矿各种事故死亡人数5986人，其中由瓦斯爆炸和突出死亡2157人。在铁路和公路隧道方面，安全形势好得多。其主要原因，除了施工单位比较正规，管理也比较正规之外（煤矿是私人小煤窑多），铁路和公路隧道通过煤层少，而且大多数是薄煤层、煤层，瓦斯不严重是主要原因。建国以来，交通隧道（主要是铁路隧道）的瓦斯事故不多，较大的有：①贵昆线岩脚寨铁路隧道。7隧道长2714m，铁道兵六师施工，穿过7层煤，薄者0.1m,厚者8.92m,瓦斯涌出强度150m3/h,压力0.4MPa。1959年1月27日下导坑掘进距洞口242m处,火雷管点火及电灯接线引起二次瓦斯爆炸,并形成坍方,共死34人,伤65人；同年6月26日，电闸拉火又引起瓦斯爆炸,坑道坍方7处。从1月27日~6月26日半年中，共发生瓦斯爆炸6次，由于处置不当，死伤惨重（总计死伤220人）。②达成铁路炮台山隧道。全长3078m，位于成都郊区的金堂县境内，铁15局施工，全隧道不通过煤层，但隧道下方2000~3000m处有煤，瓦斯沿地层裂隙上升到地表浅层，形成储气构造。1994年4月3日平导掘进到距洞口808m处，灯炮爆裂引发瓦斯燃烧，死1人，伤3人。次日，汽车进洞运风管，由于汽车打火，又引起瓦斯爆炸，死12人。事故后实测，隧道瓦斯逸出强度为3.54m3/h。③都汶高速公路董家山隧道。双洞,长4111m+4081m,中铁一局施工进口，中铁二局施工出口。该隧道多次通过煤层，但煤层都很薄，瓦斯压力0.172~0.67MPa,勘测资料认定为低瓦斯隧道，施工中又委托煤炭专业单位鉴定，仍定为低瓦斯隧道，因此施工中允许使用非防爆设备，采用汽车进洞出碴、进料。2005年12月上旬，隧道右洞进口掌子面发生坍方（如下图）。由于该处位于背斜核部、裂隙发育、裂隙中含有煤层瓦斯，坍方又促使瓦斯大量涌出。12月22日，衬砌台车上的不防爆插座打火，引起瓦斯爆炸，当场死44人，伤11人。爆炸气流充满1500巷道并冲出洞口，并将洞外几十吨重台车推动几十米。四、瓦斯隧道设计、施工的有关规范及参考资料1.《铁路瓦斯隧道技术规范》TB10120-20022.《铁路隧道施工规范》TB10204-20023.《公路隧道施工技术规范》JTJ024-944.《煤矿安全规程》（国家安全生产监督管理局、国家煤矿安全监察局20058年）5.《防治煤与瓦斯突出细则》（煤炭工业出版社1995年）6.《煤矿安全规程》读本（煤炭工业出版社2005年）施工铁路隧道时，当然以铁路规范为准。施工公路隧道时，以设计文件和公路规范为准。其它的只是参考。前面已说明，由于交通隧道与煤矿巷道和条件有很大的不同，所以煤矿部门的规定只能作为参考。五、瓦斯隧道及工区分类瓦斯隧道：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）。工区分类：说明：低瓦斯工区与低瓦斯煤矿不同，低瓦斯煤矿瓦斯涌出量的上限是40m3/min，而铁路隧道低瓦斯工区瓦斯上限是0.5m3/min，仅是前者1/40。所以，判断是否属于低瓦斯隧道的标准是很严格的，只有隧道通过煤很少、煤不厚、瓦斯含量也低的隧道才能列入低瓦斯隧道，在公路和铁路隧道中，这种情况很多。过去对瓦斯隧道不分高瓦斯还是低瓦斯，一律要求采用防爆设备，如一个3000m的隧道，只通过一次煤线而且瓦斯不严重，也要求采用全套防爆设备。2002年以后，铁道部新颁布的瓦斯隧道规范把低瓦斯隧道分出来，允许在一定安全措施的前提下，使用不防爆机具设备，这对于降低造价、提高修建速度是很有意义的。六、低瓦斯隧道安全施工技术1.搞好低瓦斯隧道安全施工的重要性（1）低瓦斯隧道在铁路和公路的瓦斯隧道中，数量最多、比例最大；非瓦斯工区(工区内不出现瓦斯)低瓦斯工区(预计或实测全工区瓦斯涌出强度瓦斯隧道小于或等于0.5m3/min)瓦斯工区高瓦斯工区（预计或实测全工区瓦斯涌出强度大于0.5m3/min）瓦斯突出工区(预计可能或实际已发生煤与瓦斯或岩石与瓦斯突出)9（2）低瓦斯隧道中瓦斯涌出量小，洞内瓦斯浓度低，有时甚至量不出来。不论设计方还是施工方，容易忽视；（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；（4）低瓦斯隧道一般不会出事故、在南昆