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(shè)中的極高風險源之一，易引發(fā)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，基于此，結(jié)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(jié)了瓦斯隧道施工要點，可供同類隧道施工參考。
關(guān)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(wǎng)規(guī)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(wǎng)。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(qū)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(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件極其復雜，被多條斷層所包圍，隧道不良地質(zhì)如斷層破碎帶、溶洞、溶蝕區(qū)、軟巖大變形、巖爆、煤層瓦斯、有害氣體等特殊地質(zhì)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(zhì)板巖為主，且炭質(zhì)板巖局部存在石墨化現(xiàn)象，具有生烴條件，根據(jù)“金隧SZK03”鉆孔揭露巖芯可見炭質(zhì)板巖存在石墨化現(xiàn)象，局部可見含劣質(zhì)煤。目前正開展相關(guān)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(guān)測試完成后做準確判定，經(jīng)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(guān)試驗工作完成后進一步確定。根據(jù)專家地質(zhì)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(qū)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(guān)預案。利用超前地質(zhì)預報物探長距離探定煤層位置，再通過超前地質(zhì)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(chǔ)[1]，對煤層取樣進行瓦斯含量等參數(shù)測定。按相關(guān)規(guī)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(shè)計了通過富含瓦斯地層過程中瓦斯排放施工方案和參數(shù)[2]。
3低瓦斯抽排方案
若瓦斯突出危險性預測結(jié)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(shè)計
3.1.1設(shè)計參數(shù)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(jié)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(shè)計排放孔采用臺階式設(shè)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(yōu)化第二批鉆孔參數(shù)。
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?，F(xiàn)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(cè)。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(chǎn)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(tǒng)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(jié)省投資的目的。
4.1科學通風設(shè)計
為保證瓦斯隧道施工安全，建立可靠的通風系統(tǒng)，通過風速風量沖淡高瓦斯，降低稀釋瓦斯?jié)舛?，并做到無通風死角。對坍塌的空腔應防止瓦斯聚集，設(shè)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(yè)。在含瓦斯工區(qū)段施工時，通風扇應安裝三專（即變壓器、開關(guān)、線路）兩閉鎖（風電、瓦電閉鎖）設(shè)施。隧道內(nèi)電氣設(shè)備實行風、瓦、電閉鎖，當隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸迺r，能立即自動切斷設(shè)備電源。建立配置科學、經(jīng)濟合理，高效穩(wěn)定的通風系統(tǒng)。
4.2通風系統(tǒng)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(qū)分非瓦斯工區(qū)、低瓦斯工區(qū)、高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)，而根據(jù)瓦斯地段距離洞口的長度以及通風系統(tǒng)的有效通風長度確定采用壓入式、混合式、巷道式或聯(lián)合采用不同的通風方式。通風方案根據(jù)施工進度動態(tài)調(diào)整，各階段銜接有序納入工序管理。（2）通風機必須設(shè)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(nèi)接通，保證風機正常工作。當建立雙電源有困難時，必須設(shè)置備用發(fā)電機，其發(fā)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(tài)。（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(qū)域，應配置防爆型氣動風機或局扇風機等設(shè)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(guī)范通風檢測和管理工作，以通風風速、瓦斯?jié)舛葍蓚€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?jié)舛?，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(xù)通風。無特殊理由，不得停風，瓦斯?jié)舛仍谝?guī)定限值以內(nèi)時，方可恢復正常作業(yè)。
4.4瓦斯檢測與監(jiān)測
加強瓦斯檢測、防火工作。在隧道開挖過程中，設(shè)立專職瓦斯檢測人員（需持證上崗），并配備專業(yè)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?jié)舛?，當瓦斯?jié)舛瘸^1%時或瓦電閉鎖系統(tǒng)斷電時，必須立即停止隧道施工，作業(yè)人員立即撤離隧道，待查明原因后采取措施，瓦斯?jié)舛冉档瓦_標后才能恢復通電施工。隧道內(nèi)所有作業(yè)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(guān)于防爆設(shè)備問題，雖然《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》（TB10120—2019）中低瓦斯隧道可以用非防爆電氣設(shè)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(shè)備而引起燃燒、爆炸。（1）對于低瓦斯隧道，采用非防爆機電設(shè)備配置方案，加強通風檢測與管理，避免瓦斯積聚，將洞內(nèi)各處瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下。（2）對于高瓦斯隧道，采用半防爆機電設(shè)備配置方案，洞內(nèi)固定敷設(shè)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(guān)等采用防爆型；加強通風，將洞內(nèi)各處瓦斯?jié)舛冉抵?.5%以下，移動機械和電氣設(shè)備可采用非防爆型。
5結(jié)語
煤層瓦斯隧道揭煤的關(guān)鍵是降低煤層瓦斯?jié)舛?，而隧道受空間制約布設(shè)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(jié)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(shù)，2016（6）：43-47.
[2]姚四海.縉云山隧道穿越含瓦斯和采空區(qū)煤層施工技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2017（7）：78-80，100.
[3]張忠義.復雜隧道煤層瓦斯探測與施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2014（5）：105-109.
作者：洪成義 單位：四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司
