隧道工程的穿煤層安全技術(shù)

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摘要：隧道施工過程中經(jīng)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(tài)。在施工過程中，必須采取合理、有效的安全技術(shù)降低前方煤體瓦斯含量，抑制瓦斯涌出強(qiáng)度，確保巷道瓦斯?jié)舛确弦?guī)定要求。本文從煤層瓦斯突出機(jī)理、瓦斯治理安全技術(shù)措施、施工工藝等方面進(jìn)行了研究，保障隧道工程穿越煤層時(shí)人員安全。

關(guān)鍵詞：隧道；含瓦斯煤層；安全技術(shù)

0引言

近些年，在云貴等地區(qū)，大量修建的隧道經(jīng)常遇到含瓦斯煤層。在施工過程中，由于技術(shù)、管理等原因經(jīng)常出現(xiàn)災(zāi)害事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。由于云貴地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，隧道施工過程中預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)制度不完備，針對(duì)性的技術(shù)措施不夠完善，使得現(xiàn)場(chǎng)安全工作難度較大。為降低隧道穿煤層風(fēng)險(xiǎn)，有效控制瓦斯事故。本文針對(duì)隧道穿煤層安全技術(shù)進(jìn)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(zhì)過程中，產(chǎn)生大量瓦斯。在長(zhǎng)期的地質(zhì)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(nèi)[1]。掘進(jìn)過程穿煤層釋放的瓦斯主要危害是巷道中瓦斯?jié)舛容^高時(shí)，容易產(chǎn)生爆炸，瓦斯爆炸界限為5～16%。當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，其爆炸威力最大，同時(shí)過高的瓦斯?jié)舛热菀自斐扇巳毖踔舷⑺劳?。因此必須控制好受限空間內(nèi)瓦斯?jié)舛?，保證人員的安全作業(yè)。

2煤與瓦斯突出機(jī)理與預(yù)測(cè)

在地應(yīng)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(duì)作業(yè)的人群產(chǎn)生瞬間沖擊，造成人員傷亡。這種事故稱為突出事故。目前對(duì)突出機(jī)理的認(rèn)識(shí)有代表性的是前蘇聯(lián)霍多特等人于1976年提出的綜合作用假說。突出是地應(yīng)力，瓦斯壓力和煤的物理力學(xué)性能綜合作用的結(jié)果，從能量學(xué)的角度可以認(rèn)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(jiān)固性系數(shù)越低，煤壁抵抗力越差，越容易產(chǎn)生突出，煤堅(jiān)固性系數(shù)也是形成突出的一個(gè)極為重要的因素。考慮到隧道工程前方地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，誤揭煤層很容易誘發(fā)瓦斯突出事故，在隧道掘進(jìn)過程中開展煤層探測(cè)過程是非常必要的。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定，需施工前探鉆孔以探明煤層產(chǎn)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(tài)下可掘進(jìn)8m，繼續(xù)下一步循環(huán)作業(yè)。探明煤層賦存狀態(tài)和產(chǎn)狀后，巷道繼續(xù)掘進(jìn)至巷道頂板與煤層底板垂距5m處。施工瓦斯壓力測(cè)定鉆孔，進(jìn)行瓦斯壓力的測(cè)定。直接測(cè)壓法首要問題是把測(cè)點(diǎn)選好，避開采動(dòng)影響區(qū)與地質(zhì)破碎帶，才能測(cè)到煤層真實(shí)的瓦斯壓力。成孔之后，需要及時(shí)清理、封孔，若出現(xiàn)渣、水等，可用壓風(fēng)管進(jìn)行吹排。封孔后24h后就可觀察瓦斯壓力，根據(jù)測(cè)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(shù)措施

在施工前探鉆孔，探測(cè)前方煤體瓦斯賦存狀態(tài)后，必須采取針對(duì)、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(xù)掘進(jìn)，在排放瓦斯過程中，若出現(xiàn)巷道中瓦斯?jié)舛瘸?，必須接入抽放系統(tǒng)，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(xù)作業(yè)。對(duì)于瓦斯壓力超過0.74MPa，煤的堅(jiān)固性系數(shù)、瓦斯放散初速度、煤的破壞類型等三個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)全部或單一超過臨界值，必須引起足夠的重視，嚴(yán)格按照防突措施執(zhí)行。在煤層掘進(jìn)過程中，受掘進(jìn)作業(yè)影響，破壞了煤巖體原始應(yīng)力狀態(tài)，在前方出現(xiàn)了二次應(yīng)力集中，巖體爆破后有利于煤體彈性能的釋放。在掘進(jìn)揭煤過程中，必須將瓦斯壓力降低到安全允許值范圍內(nèi)，防止揭煤后出現(xiàn)瓦斯突出的次生事故。在進(jìn)入煤體掘進(jìn)的過程中，需要開展煤與瓦斯突出局部預(yù)測(cè)工作，預(yù)測(cè)的方法可以采用綜合指標(biāo)法、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法（見表1）等，同時(shí)結(jié)合瓦斯含量、瓦斯涌出強(qiáng)度、煤體溫度等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合判定。在綜合了多項(xiàng)指標(biāo)后，若各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)定，方可安全掘進(jìn)。煤層原始瓦斯含量是指單位質(zhì)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(cè)定煤層瓦斯含量，利用φ42麻花鉆桿進(jìn)入煤體12m，采集新鮮煤樣快速封裝進(jìn)煤樣罐，F(xiàn)H-2解吸儀現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)定解吸瓦斯，利用解吸規(guī)律推算裝罐前損失量，隨后煤樣罐送實(shí)驗(yàn)室分析殘存量，最終得出煤體瓦斯含量，根據(jù)煤體瓦斯含量、煤壁暴露面積推算出巷道瓦斯涌出量。據(jù)此為通風(fēng)配風(fēng)量與風(fēng)機(jī)選型提供計(jì)算依據(jù)。在施工期間，派專人看管通風(fēng)設(shè)施、設(shè)備，及時(shí)測(cè)定通風(fēng)參數(shù)，保證通風(fēng)設(shè)備的連續(xù)、穩(wěn)定、安全運(yùn)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(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象，必須革新施工工藝和方法，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯監(jiān)測(cè)與管理。

4.1超前支護(hù)

遇到松軟易突出煤層，支撐強(qiáng)度低，必須采取超前支護(hù)措施。采用φ32長(zhǎng)錨桿（6~8m）支護(hù)，深入煤層老頂，產(chǎn)生足夠的抵抗力，若出現(xiàn)破碎帶過大或支撐力不夠，可以采用錨索+錨桿混合支護(hù)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(hù)強(qiáng)度，同時(shí)需要及時(shí)觀察圍巖應(yīng)力變化。

4.2隧道開挖爆破

隧道開挖建議采用臺(tái)階法，因?yàn)榇朔ǖ膬?yōu)點(diǎn)在于開挖面積小，瓦斯涌出強(qiáng)度低，有利于集中應(yīng)力的釋放。臺(tái)階法使用光面爆破的方式，有利于減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，爆破使用2-3號(hào)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(jiān)測(cè)措施

建立自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)相結(jié)合的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地面中心站、分站、工作面瓦斯傳感器，自動(dòng)報(bào)警器，遠(yuǎn)程斷電儀等組成，信號(hào)通過總線傳輸方式。所有設(shè)備必須采用具有煤礦安全標(biāo)志的產(chǎn)品，具備防爆能力，瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng).瓦斯傳感器須離開作業(yè)面一定的距離，吊掛位置合理，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)各地點(diǎn)瓦斯?jié)舛龋舫霈F(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，能夠及時(shí)斷電，組織撤人，及時(shí)采取有效安全措施。各工作面設(shè)置專人專崗檢查瓦斯，配置光學(xué)瓦斯檢查儀與便攜瓦斯檢查儀，提高對(duì)事故的應(yīng)變能力，特別是揭煤放炮期間，嚴(yán)格執(zhí)行一炮三檢制度。

5結(jié)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(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)工作，從而采取提前措施，防止突發(fā)情況發(fā)生，確保人員安全與施工的正常進(jìn)行。對(duì)于特殊的地段和地層，需要設(shè)置專門的手段和方法，從通風(fēng)和瓦斯抽放的角度合理的解決瓦斯問題。

參考文獻(xiàn)：

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作者:孫巖 單位:沈陽城市建設(shè)學(xué)院安全教研室