隧道瓦斯综述

瓦斯隧道分级综述瓦斯隧道分级综述瓦斯的基本知识国内瓦斯隧道的分级方法及探讨对国内10条瓦斯隧道的分级的研究瓦斯是一种混合气体，主要成分是甲烷，占到80%-90%。通常在隧道开挖过程中，遇到有煤层的地方通常会有瓦斯的出现。所以在煤炭资源丰富的地方，也就是主要的瓦斯分布区。主要分布在华北和西北地区。其中，华北地区，西北地区，南方地区和东北地区煤层气（瓦斯）资源量分别占全国总量的56.3%、28.1%、14.3、1.3%。埋深100米以内、1000~1500米和1500~2000米的煤层气地质资源量，分别占全国总量的38.8%、28.8%和32.4%。并且全国大雨5000亿m³有14个，其中5000~10000之间的有川南黔北，豫西，川渝，三塘湖，徐淮等盆地，大于10000的有鄂尔多斯盆地东缘，沁水盆地，准噶尔盆地，滇东黔西盆地群，二连盆地，吐哈盆地，塔里木盆地，天山盆地群，海拉尔盆地。主要大致分布见图。瓦斯爆炸的条件主要有4点：1、浓度。甲烷浓度5%-16%氧气浓度12%-20%。当二者浓度在区间外时则不会爆炸，会安静燃烧。2、接触高温热源。点燃温度一般650-750°C。3、瓦斯与氧气的混合气体有足够时间接触高温热源。瓦斯与高温热源接触时，并不会立即燃烧爆炸，而是经过一个很短的时间间隔，称为引火延迟，间隔的这段时间称为感应器，时间长短取决于甲烷和氧气的浓度，初压，点燃温度，几毫秒到十几秒不等。高温热源存在时间小于感应时间时，CH4不会燃烧或爆炸。瓦斯隧道和施工时，可能发生的危害1、煤与瓦斯突出。在地应力和瓦斯压力共同作用下，很短时间破碎的的煤、岩和瓦斯从洞壁突然抛出，伴有猛烈的声响和巨大的动能，同时释放出大量的瓦斯。2、岩石与瓦斯突出。原因与煤与瓦斯突出相似，还加上掘进放炮作用。放炮时，发生岩体破坏抛出的现象。3、瓦斯爆炸。达到爆炸浓度界限范围，并与高温热源接触超过感应时间，就会发生爆炸。4、煤尘爆炸。当煤质中挥发物占总可燃物１０％以上时，且形成小颗粒煤尘悬浮在空气中，当空气中小颗粒煤尘较多（３０ｇ／ｍ³）遇７００℃以上热源时就会发生爆炸。5、导致人员缺氧窒息。瓦斯含量在１６％以上时，空气中的氧含量就会相对的减少，有严重的窒息作用，但瓦斯含量达到40%以上时，人会立即窒息6、引起中毒。随着瓦斯聚集，瓦斯中硫化氢，一氧化碳等有毒有害气体浓度不断升高，当这些气体浓度超过最高允许界限是，就会引起场内人员中毒。瓦斯检测仪介绍及原理：目前使用最为广泛的是光学甲烷检测仪（便携式甲烷检测仪），按其测量甲烷的浓度范围，分为0-10%（精度0.01%）和0-100%（精度0.1%）两种。原理，由于光的折射与空气密度有直接关系，以空气室和甲烷室（仪器内的两个气体储存室）都充入新鲜空气产生的条纹为基准，当含有甲烷的空气进入甲烷室时，由于空气室中新鲜空气与甲烷室中含有甲烷的空气的密度不同，他们的折射率也不同，从而通过它们产生的不同的干涉条纹来判断空气中瓦斯的浓度。隧道瓦斯工区段的设计1、通过瓦斯底层的隧道，衬砌断面宜采用带仰拱的封闭式衬砌或加厚铺底，并视地质情况向不含瓦斯地段延伸10-20cm。2、含瓦斯的地层隧道应采用单层或多层的全封闭结构，并提高混凝土的抗渗性。3、含瓦斯地层的喷射混凝土厚度不应小于15cm,模筑混凝土二次衬砌厚度不应小于40cm。4、瓦斯地层宜采用超前导坑法开挖，探查瓦斯种类和含量，并加强通风，以稀释瓦斯浓度。5、隧道竣工后，应继续对瓦斯渗入及含量进行检测，当封堵等措施仍无法隔绝瓦斯渗漏时，应考虑增设运营期间机械通风。国内目前瓦斯隧道分级方法铁道部2002年颁布的《铁路瓦斯隧道技术规范》对瓦斯等级进行了定量的划分，即当全工区绝对瓦斯涌出量小于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。在隧道通风时，若风速过低会使甲烷反流或在洞顶集聚形成甲烷带，所以《铁路瓦斯隧道技术规范》规定，瓦斯隧道施工中为防止瓦斯局部积聚，其回风流风速不宜小于1m/s,以单线铁路隧道全断面开挖为例，其隧洞的截面面积约5m*8m=40m2,每分钟通过隧道断面回风流的风量为1*40*60=2400m3/min,回风流中的瓦斯浓度为0.5÷2400=0.02%.远比规范中规定的洞内各处瓦斯浓度稀释到0.5%，故测出瓦斯浓度测出为0.5%时，判断为高瓦斯隧道，但其实洞内各处瓦斯浓度远小于0.5%，不必按照高瓦斯隧道施工处理。以上讨论可知，国内目前使用的瓦斯隧道分级方法过于简单，探讨出一种有效安全的瓦斯隧道分级方法十分有必要。而且瓦斯隧道分级时应该综合评价瓦斯隧道所处的地层岩性、地质构造、煤层厚度、隧道埋深、水文地质条件五个主要因素，不应该只是在开挖过程中完全凭借测出的瓦斯浓度作为瓦斯隧道分级方法。对国内数十条瓦斯隧道分级方法的研究成都简阳快速路龙泉山2号天然气判断标准及处理流程隧道成简快速路龙泉山2号隧道设计为高瓦斯隧道，最大埋深322米，根据地质勘察资料反映，瓦斯来自隧道下伏侏罗纪中统遂宁组和沙溪庙组泥质砂岩、砂岩和泥岩中的天然气。该岩层属于洛带气田的主要油气层，而隧道洞身所穿越的地层主体为侏罗纪上统蓬莱镇组的砂岩和泥岩。该岩体受区域构造的影响，岩体中密布的节理和小型断层成为天然气良好的通道。因此采用TSP超前地质探测来探测节理和断层，实现对可能泄漏瓦斯的裂隙密集区，断层破碎带，和岩层产状突变进行宏观预报在施工过程中对隧道采取的对策主要有，TSP超前地质预报，地质编录，和水平钻探三种方法，对掌子面前方围岩和瓦斯情况进行精确预报TSP地质预报主要采用TSP-200型地址探测仪，其采用回声测量的原理，通过地震波在不同的地质体中和不同的地质界面产生的反射波特征来预报前方可能出现的断层岩石破碎带。来预测瓦斯的出现。地址素描法，由专业地质人员对隧道的工程地质，水文地质特征进行详细的编录并绘制地质素描图，每个循环根据掌子面的地质特征，结合勘察地质资料，对掌子面前方的地质情况进行预测，绘制地质纵断面图并提出工程措施。超前水平钻探，最简单最有效的预报方法。采用水平地质钻机在开挖面钻1-3个孔，分别位于拱顶和拱腰部位，直径89mm,但此法只适用于短距离，一般孔深小于50m,钻孔过程中同时对溢出的瓦斯浓度进行检测.浓度监测方法：1检测天然气压力及集聚位置①小于015MPa正常开挖②0.15-0.74加强通风自然排放③大于0.74，或者单孔涌出速度大于4L/min.掌子面掘进至天然气聚集位置5m处，停下施作排放孔，若经过24小时压力仍大于0.74MPa,则应封闭泄漏孔，另作专门处理。2检测天燃气浓度：①天然气或二氧化碳浓度小于0.5%正常通风②开挖工作面回风流中天然气或二氧化碳浓度达到1.5%，停止工作撤出人员，切断电源进行处理。西成铁路XCZQ-3标段瓦斯隧道施工方案根据设计图工程地质说明显示，线路位于川北油气田产区，根据临近工点天燃气测试结果和相关调查表示，油气资源一般都分布在侏罗系下统自流井中，埋深2000-2800米，天然气等有害气体可能顺着岩层构造裂隙上逸，并在洞身范围基岩裂隙或缝隙中局部游散富集，形成气囊，并具有随机性和不均匀性，危机隧道施工安全。施工方案1.瓦斯超前预报和预处理方法⑴超前探孔，每个断面6个超前探孔，孔径89mm,单孔长度30m搭接长度不小于5m。探孔处设置监测点，以检测是否有瓦斯涌出。若探测有有害气体，应详细记录有害气体涌出位置，压力，浓度，有害气体的成分等，根据浓度及涌出量决定是否进行压力测定。当探测孔使用完毕后应及时用封泥或水泥浆封孔，以防止放炮时引爆孔内瓦斯导致隧道瓦斯爆炸。⑵钻孔过程中异常现象及处理（当发现以下异常现象时应，立即报告，停止工作，撤出人员，切断电源）①当检测孔瓦斯涌出量大于5L/min,瓦斯压力大于1MPa时，必须停止掘进，在涌出孔附近施作排放空进行排放，若24小时不能使其降低，应封孔另作处理。②钻孔时有夹钻、顶钻、顶水、喷孔等动力现象。③瓦斯浓度突然增大或忽高忽低。（3）瓦斯探测后的预处理利用已有的超前探孔进行注浆预处理，把有害气体可能顺着岩层构造裂隙逸出的通道最大限度的封闭。2.钻爆作业（1）瓦斯工区钻孔作业必须采用湿式钻孔，且要先开水后开气：当作业地点20m以内风流中瓦斯浓度大于1%，应停止作业。（2）瓦斯工区装药与爆破应符合下列规定。①爆破地点20米内，瓦斯浓度小于1%②爆破地点20米内，矿车、碎石，煤渣、等物阻塞开挖断面不能大于1/3③通风应风量足，风向稳④炮眼内煤，岩粉清除干净⑤炮眼封泥不足或不严不能进行爆破3，施工通风非瓦斯工区通风宜采用压入式或混合式，低瓦斯隧道施工通风采用压入式，也可以采用巷道式。高瓦斯工区和瓦斯突出工区应采用巷道式。低瓦斯隧道，斯浓度应稀释到0.5%以下。高瓦斯工区和瓦斯突出工区，其长度较大的独立坑道，应将开挖工作面风流中的瓦斯浓度稀释到0.5%以下。平行坑道仅作巷道式通风的回风道时，其浓度小于0.75%。4.电气设备与作业机械当瓦斯浓度超过0.5%时，机械应立即熄火停止作业，进行瓦斯处理后在进行作业。曹家庄瓦斯隧道玉蒙—蒙自铁路曹家庄隧道全长3882m,起止里程DK71+160～DK75+042。全隧根据设计要求共分三个工区施作。主要瓦斯施工区段为二工区斜井工区DK72+472～DK73+712段内,三工区出口工区DK73+712～DK75+042段内炭质页岩地段为疑似瓦斯地段。根据区域地质资料,三叠系上统火把冲组下段中含煤层,煤厚约0.8m。在云龙山附近见许多小煤窑,现已封闭,但见开采痕迹。据访问煤质较好,为无烟煤,开采规模小,煤洞长度20m～40m,用明挖开采。隧道DK72+690～DK73+576段,在穿越该地层时最大埋深约150m,应防瓦斯。另下远古界昆阳群美党组板岩中见炭质页岩及受构造挤压形成的板岩页岩炭化层可能会聚集有害气体。2)隧道DK72+690～DK73+576段通过含煤地层,属溶蚀、剥蚀低中山地貌,地势左低右高,岩性为Fbr断层角砾,Th13砂岩夹泥岩及煤层,Tg2灰岩、白云岩中厚层。风化层厚度较大,岩石极为破碎,岩溶强烈发育,可能会揭示隐伏的溶洞和溶管道水、涌泥等问题,最大涌水量12900m3/d。李浩寨断层为活动断层中可能有瓦斯。DK74+200～DK75+042段岩性为Pt1m板岩夹炭质页岩,中薄层状。风化厚度大,岩质软,岩体破碎,局部有瓦斯聚集的可能。瓦斯检测预报超前地质预报及超前探孔含煤地层应采用TSP203地震波进行前方岩层界面预报定位。为详细掌握掌子面前方地质状况,探明前方是否过煤层、采空区及其大致位置,过煤系地层段增设超前探孔75mm,长30m,每断面3孔,每25m一循环,以判断前方是否遇煤层。瓦斯探孔瓦斯探孔直径为75,钻孔与煤层顶板交点应控制在衬砌开挖轮廓线外5.0m范围内。瓦斯预测孔根据设计拟采用钻屑指标法进行预测,当掘进工作面距煤层顶板垂距5m远时,打穿透煤层全厚的预测钻孔,见煤后改用电煤钻(钻头直径42)打穿煤层,每打1m煤孔,收集全部钻屑,按照《防治煤与瓦斯突出细则》规定,检测有关指标,判定其突出危险性。部至少打2个预测孔,预测煤层突出危险;部至少打1个预测孔,为检测性预测孔,以确定上部排放瓦斯时对本部煤体的影响,判定是否需要排放瓦斯。3.1.4瓦斯检测采用便携式AZJ291B型甲烷检测报警仪进行洞内瓦斯浓度监测,每一工作面配备三名专职瓦斯检查员(24h),对于关键工序的关键时刻(如钻眼放炮前、出碴过程中)和重点部位(如工作面顶部、电气开关附近)认真检测,若瓦斯浓度超限(进风侧为1%,回风侧为0.75%),立即停止工作,及时采取治理措施。瓦斯的防治1)保证洞内有足够的风量和风速。洞内设双机双管路通风,供电采用双回路电源。施工期间连续通风,瓦斯地段的风速最小不低于1m/s,最大不超过6.0m/s。2)机电配置。在瓦斯施工地段,所有机电设备配备防爆型。洞内各种机电设备严禁接零,严禁带电检修。3)爆破使用毫秒雷管和煤矿安全炸药。毫秒电雷管最后一段的延期时间不超过130ms,施工爆破另做特殊设计。工作面