隧道工程的穿煤层安全技术

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摘要：隧道施工过程中经常遇到含瓦斯煤层。瓦斯是煤的伴生气体，瓦斯含量与瓦斯压力共同决定了煤层瓦斯的赋存状态。在施工过程中，必须采取合理、有效的安全技术降低前方煤体瓦斯含量，抑制瓦斯涌出强度，确保巷道瓦斯浓度符合规定要求。本文从煤层瓦斯突出机理、瓦斯治理安全技术措施、施工工艺等方面进行了研究，保障隧道工程穿越煤层时人员安全。

关键词：隧道；含瓦斯煤层；安全技术

0引言

近些年，在云贵等地区，大量修建的隧道经常遇到含瓦斯煤层。在施工过程中，由于技术、管理等原因经常出现灾害事故，造成严重的人员伤亡和经济损失。由于云贵地区地质情况复杂，隧道施工过程中预测、预报制度不完备，针对性的技术措施不够完善，使得现场安全工作难度较大。为降低隧道穿煤层风险，有效控制瓦斯事故。本文针对隧道穿煤层安全技术进行研究。

1煤层瓦斯成因与主要危害

古代植物在成煤过程及碳化变质过程中，产生大量瓦斯。在长期的地质变化过程中，大部分瓦斯都已逸散、分解到地面上，只有一小部分还被保存在煤岩体内[1]。掘进过程穿煤层释放的瓦斯主要危害是巷道中瓦斯浓度较高时，容易产生爆炸，瓦斯爆炸界限为5～16%。当瓦斯浓度为9.5%时，其爆炸威力最大，同时过高的瓦斯浓度容易造成人缺氧窒息死亡。因此必须控制好受限空间内瓦斯浓度，保证人员的安全作业。

2煤与瓦斯突出机理与预测

在地应力作用下，煤体瓦斯释放的引力作用下，软弱煤层容易突破抵抗线，瞬间释放大量瓦斯和煤，对作业的人群产生瞬间冲击，造成人员伤亡。这种事故称为突出事故。目前对突出机理的认识有代表性的是前苏联霍多特等人于1976年提出的综合作用假说。突出是地应力，瓦斯压力和煤的物理力学性能综合作用的结果，从能量学的角度可以认为煤体吸附的高压力瓦斯提供了煤与瓦斯突出的能量，煤的坚固性系数越低，煤壁抵抗力越差，越容易产生突出，煤坚固性系数也是形成突出的一个极为重要的因素。考虑到隧道工程前方地质构造复杂，误揭煤层很容易诱发瓦斯突出事故，在隧道掘进过程中开展煤层探测过程是非常必要的。根据《防治煤与瓦斯突出细则》规定，需施工前探钻孔以探明煤层产状及释放煤层中的瓦斯深度情况，保证巷道安全揭露煤层。超前钻孔前探10m，两帮控制5m，无异常状态下可掘进8m，继续下一步循环作业。探明煤层赋存状态和产状后，巷道继续掘进至巷道顶板与煤层底板垂距5m处。施工瓦斯压力测定钻孔，进行瓦斯压力的测定。直接测压法首要问题是把测点选好，避开采动影响区与地质破碎带，才能测到煤层真实的瓦斯压力。成孔之后，需要及时清理、封孔，若出现渣、水等，可用压风管进行吹排。封孔后24h后就可观察瓦斯压力，根据测定的瓦斯压力大小，在巷道全断面布置防突瓦斯释放钻孔和瓦斯抽放钻孔。

3防止瓦斯事故安全技术措施

在施工前探钻孔，探测前方煤体瓦斯赋存状态后，必须采取针对、有效性的措施。煤层瓦斯含量小于3m3/t，可以考虑施工排放钻孔，待瓦斯含量降低，继续掘进，在排放瓦斯过程中，若出现巷道中瓦斯浓度超限，必须接入抽放系统，保证瓦斯排放安全.若煤层瓦斯含量3~8m3/t，必须施工抽放钻孔，待工作面前方煤体瓦斯含量降低至安全值后，继续作业。对于瓦斯压力超过0.74MPa，煤的坚固性系数、瓦斯放散初速度、煤的破坏类型等三个单项指标全部或单一超过临界值，必须引起足够的重视，严格按照防突措施执行。在煤层掘进过程中，受掘进作业影响，破坏了煤岩体原始应力状态，在前方出现了二次应力集中，岩体爆破后有利于煤体弹性能的释放。在掘进揭煤过程中，必须将瓦斯压力降低到安全允许值范围内，防止揭煤后出现瓦斯突出的次生事故。在进入煤体掘进的过程中，需要开展煤与瓦斯突出局部预测工作，预测的方法可以采用综合指标法、钻屑瓦斯解吸指标法（见表1）等，同时结合瓦斯含量、瓦斯涌出强度、煤体温度等多个指标进行综合判定。在综合了多项指标后，若各项指标均符合规定，方可安全掘进。煤层原始瓦斯含量是指单位质量原始煤体所含有的瓦斯体积，在施工过程中，可以采用钻屑法直接测定煤层瓦斯含量，利用φ42麻花钻杆进入煤体12m，采集新鲜煤样快速封装进煤样罐，FH-2解吸仪现场直接测定解吸瓦斯，利用解吸规律推算装罐前损失量，随后煤样罐送实验室分析残存量，最终得出煤体瓦斯含量，根据煤体瓦斯含量、煤壁暴露面积推算出巷道瓦斯涌出量。据此为通风配风量与风机选型提供计算依据。在施工期间，派专人看管通风设施、设备，及时测定通风参数，保证通风设备的连续、稳定、安全运行。

4隧道穿煤层施工工艺

在隧道穿越煤层过程中，容易出现瓦斯积聚现象，必须革新施工工艺和方法，加强现场瓦斯监测与管理。

4.1超前支护

遇到松软易突出煤层，支撑强度低，必须采取超前支护措施。采用φ32长锚杆（6~8m）支护，深入煤层老顶，产生足够的抵抗力，若出现破碎带过大或支撑力不够，可以采用锚索+锚杆混合支护形式。在施工完锚杆后，采用管棚+注浆加固。既要考虑足够的支护强度，同时需要及时观察围岩应力变化。

4.2隧道开挖爆破

隧道开挖建议采用台阶法，因为此法的优点在于开挖面积小，瓦斯涌出强度低，有利于集中应力的释放。台阶法使用光面爆破的方式，有利于减少对围岩的扰动，爆破使用2-3号的煤矿专用炸药，煤矿炸药能量受到限制，起爆敏感度高，不容易引燃、引爆瓦斯。

4.3瓦斯监测措施

建立自动监测与人工监测相结合的瓦斯监测系统。自动监测系统由地面中心站、分站、工作面瓦斯传感器，自动报警器，远程断电仪等组成，信号通过总线传输方式。所有设备必须采用具有煤矿安全标志的产品，具备防爆能力，瓦斯监测监控系统.瓦斯传感器须离开作业面一定的距离，吊挂位置合理，自动监测系统需能够实时监测现场作业各地点瓦斯浓度，若出现瓦斯超限现象，能够及时断电，组织撤人，及时采取有效安全措施。各工作面设置专人专岗检查瓦斯，配置光学瓦斯检查仪与便携瓦斯检查仪，提高对事故的应变能力，特别是揭煤放炮期间，严格执行一炮三检制度。

5结论

在隧道施工过程中，遇到突出煤层的情况比较常见，在施工过程中，必须做好预测、预报工作，从而采取提前措施，防止突发情况发生，确保人员安全与施工的正常进行。对于特殊的地段和地层，需要设置专门的手段和方法，从通风和瓦斯抽放的角度合理的解决瓦斯问题。

参考文献：

[1]聂百胜，张力，马文芳.煤层甲烷在煤孔隙中扩散的微观机理[J].煤田地质与勘探，2000，28（6）：20-22.

[2]田荣.瓦斯隧道施工的关键因素及其对策[J].铁道建筑技术，2002（6）：41-43.

[3]叶飞，霍三胜，常文伟.公路隧道穿越软弱破碎煤系地层及采空区施工安全控制技术[M].公路交通技术，2011（06）．

作者:孙岩 单位:沈阳城市建设学院安全教研室