隧道工程中台阶式瓦斯排放的应用

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摘要：煤层瓦斯是隧道建设中的极高风险源之一，易引发瓦斯燃烧、瓦斯爆炸等事故。在穿越煤层揭煤时抽排瓦斯成为揭煤前的关键环节，基于此，结合某隧道工程项目，对瓦斯段煤层特点进行分析，提出了台阶式多孔排放方案，并总结了瓦斯隧道施工要点，可供同类隧道施工参考。

关键词：隧道；煤层；瓦斯排放

1工程概况

峨汉高速是四川省高速路网规划的重要组成部分，建成后与雅西、乐雅、成乐、乐宜、乐自等高速融为一体形成完善的高速路网。金口河隧道全长8130m，隧道最大埋深为1317m，为峨汉高速的控制性工程之一，位于四川省西南部乐山市峨边彝族自治县和金口河区交界处，地处大渡河、官料河及多条断层所包围的地块中，属于深切高中山峡谷地貌。隧址区地质构造条件极其复杂，被多条断层所包围，隧道不良地质如断层破碎带、溶洞、溶蚀区、软岩大变形、岩爆、煤层瓦斯、有害气体等特殊地质突显。

2煤层瓦斯状况

隧道K63+720—K68+820段穿越前震旦系峨边群第二段地层，该段地层以炭质板岩为主，且炭质板岩局部存在石墨化现象，具有生烃条件，根据“金隧SZK03”钻孔揭露岩芯可见炭质板岩存在石墨化现象，局部可见含劣质煤。目前正开展相关测试工作，且出口端深孔亦正施钻，因此对该隧道的瓦斯等级需待钻探及相关测试完成后做准确判定，经过初步分析，隧道暂定为低瓦斯隧道，按高瓦斯隧道管理，具体的瓦斯等级和揭煤方案待相关试验工作完成后进一步确定。根据专家地质资料推测，线路穿前震旦系峨边群第二段地层，煤层厚薄不一，隧区附近有可采煤层，隧道施工需对瓦斯突涌防治、瓦斯抽排、揭煤等做相关预案。利用超前地质预报物探长距离探定煤层位置，再通过超前地质探钻孔精确定位煤层，并采样判定瓦斯，以煤矿石门揭煤的“四位一体”为基础[1]，对煤层取样进行瓦斯含量等参数测定。按相关规定煤层厚度≤0.3m，可直接采取远距离放炮揭开煤层；否则煤层厚度＞0.3m必须采取本措施。对瓦斯涌量超过警戒值，设计了通过富含瓦斯地层过程中瓦斯排放施工方案和参数[2]。

3低瓦斯抽排方案

若瓦斯突出危险性预测结果为有突出危险，按揭煤方案流程进入下一步工作程序：工作面瓦斯排放。

3.1煤层瓦斯排放孔设计

3.1.1设计参数选择当工作面预测为突出危险工作面时，必须采取工作面的防突措施。结合揭煤方案，工作面防突措施为钻孔瓦斯排放方式。

3.1.2排放孔设计排放孔采用台阶式设置，控制范围为隧道拱墙轮廓线外5m、仰拱下2m，排放孔φ75mm，孔底间距为2m、行距2m，孔深为穿越煤层≥0.5m。为加快排放孔施工进度，掌子面上台阶开挖至距煤层5m法线位置后，上下台阶同时打孔排放。

3.1.3排放孔施工采用ZY1250钻机进行施工，施钻时钻孔采用梅花形布置，分两批间隔施钻，第一批排放孔施工后观测排放效果，进而优化第二批钻孔参数。

3.2揭煤掌子面防突措施效果检验

3.2.1检验方法采用钻孔钻屑瓦斯解析指标法进行效果检验。检测K1值，当检测值小于临界值0.4ml/g•min1/2时，且施钻时无喷孔、顶钻或其他突出异常现象，即为无突出危险掌子面，否则仍为突出危险掌子面，必须采取补充排放措施，并再次对措施效果进行检验直到措施有效。

3.2.2施工当掌子面距离煤层法线最小5m时，施工掌子面煤层防突出措施进行效果检验，检验孔5个、φ75mm，分别位于掌子面上部、下部、中部及两侧。采用ZY-1250钻机施工，进入煤层每钻进1m采集一次孔口排出的粒径1~3mm煤层钻屑，测试K1。

3.2.3最后验证掌子面开挖至煤层2m法线位置时，进行揭煤掌子面防挖至煤层最小法线距离1.5m时开始掌子面揭煤流程。

4瓦斯隧道施工控制要点

瓦斯爆炸需要同时具备3个条件，限制了其中的一个必要条件，就避免了瓦斯爆炸的产生，而加强通风是最有效的途径。瓦斯隧道采取以强化通风系统配置和管理为主导的施工组织方案，既可保证高瓦斯隧道的安全施工[3]，又能达到节省投资的目的。

4.1科学通风设计

为保证瓦斯隧道施工安全，建立可靠的通风系统，通过风速风量冲淡高瓦斯，降低稀释瓦斯浓度，并做到无通风死角。对坍塌的空腔应防止瓦斯聚集，设置专用风筒将瓦斯稀释，并尽快填堵，不得在其下方进行带电作业。在含瓦斯工区段施工时，通风扇应安装三专（即变压器、开关、线路）两闭锁（风电、瓦电闭锁）设施。隧道内电气设备实行风、瓦、电闭锁，当隧道内瓦斯浓度超限时，能立即自动切断设备电源。建立配置科学、经济合理，高效稳定的通风系统。

4.2通风系统的配置

（1）通风方式选择：通风方式受制于隧道独头掘进长度，故不再区分非瓦斯工区、低瓦斯工区、高瓦斯工区和瓦斯突出工区，而根据瓦斯地段距离洞口的长度以及通风系统的有效通风长度确定采用压入式、混合式、巷道式或联合采用不同的通风方式。通风方案根据施工进度动态调整，各阶段衔接有序纳入工序管理。（2）通风机必须设两路电源和风管以及风电闭锁装置。当常用电源故障时，备用电源应在15min内接通，保证风机正常工作。当建立双电源有困难时，必须设置备用发电机，其发电量满足通风机的需要。（3）瓦斯隧道需配置一套同等性能的备用通风机，并保持良好的使用状态。（4）对瓦斯易于积聚的坍腔、模板台车附近、断面变化处空间、衬砌模板台车附近区域，应配置防爆型气动风机或局扇风机等设备，实施局部通风的方法，消除瓦斯积聚。

4.3强化通风管理

强化通风管理在预防瓦斯事故中有重要作用，通过规范通风检测和管理工作，以通风风速、瓦斯浓度两个指标进行双控管理，使掌子面有足够的供风量，尽快稀释溢出瓦斯，降低瓦斯浓度，保证施工安全。（1）风管口到开挖工作面的距离应＜5m，风管及时安装，保证平直和接头密封，被损坏的风管及时拆换、补修，风管百米漏风率≤2%。（2）全断面开挖时风速≥0.15m/s，分部开挖风速≥0.25m/s；采用提高风速法消除瓦斯积聚时，风速需保证≥0.5m/s。（3）瓦斯隧道应保证连续通风。无特殊理由，不得停风，瓦斯浓度在规定限值以内时，方可恢复正常作业。

4.4瓦斯检测与监测

加强瓦斯检测、防火工作。在隧道开挖过程中，设立专职瓦斯检测人员（需持证上岗），并配备专业的瓦斯检测仪器，如便携式瓦斯报警仪、微型瓦斯检测报警仪，不定时不定期随时检测隧道中各隐患点以及风流中的瓦斯浓度，当瓦斯浓度超过1%时或瓦电闭锁系统断电时，必须立即停止隧道施工，作业人员立即撤离隧道，待查明原因后采取措施，瓦斯浓度降低达标后才能恢复通电施工。隧道内所有作业人员严禁吸烟饮酒，禁止携带一切明火及火花，爆破器材必须采用安全炸药与电雷管，若用毫秒雷管时总延时不得超过130ms，且不准跳段使用。

4.5机电防爆配置

关于防爆设备问题，虽然《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120—2019）中低瓦斯隧道可以用非防爆电气设备，实际上只要是瓦斯隧道，就有可能存在瓦斯局部涌出和集聚问题，也常因非防爆设备而引起燃烧、爆炸。（1）对于低瓦斯隧道，采用非防爆机电设备配置方案，加强通风检测与管理，避免瓦斯积聚，将洞内各处瓦斯浓度控制在0.5%以下。（2）对于高瓦斯隧道，采用半防爆机电设备配置方案，洞内固定敷设的电缆、照明、通信、信号、变压器、局部通风机、局扇、电机、配电箱、开关等采用防爆型；加强通风，将洞内各处瓦斯浓度降至0.5%以下，移动机械和电气设备可采用非防爆型。

5结语

煤层瓦斯隧道揭煤的关键是降低煤层瓦斯浓度，而隧道受空间制约布设排放孔时掌子面钻孔间距很近，容易导致掌子面附近孔堵塞；或者受煤层与隧道夹角的影响钻孔很长，增加施工成本，采用分台阶排放有利于瓦斯溢出，确保安全、节约施工成本。

参考文献：

[1]曹传文.新凉风垭铁路瓦斯突出隧道快速揭煤方案分析[J].铁道建筑技术，2016（6）：43-47.

[2]姚四海.缙云山隧道穿越含瓦斯和采空区煤层施工技术研究[J].铁道建筑技术，2017（7）：78-80，100.

[3]张忠义.复杂隧道煤层瓦斯探测与施工技术[J].铁道建筑技术，2014（5）：105-109.

作者：洪成义 单位：四川公路桥梁建设集团有限公司