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1、 低瓦斯隧道安全施工技术 Lele was written in 2021 低瓦斯隧道安全施工技术 主讲 张祉道 铁道第二勘察设计院 主 要 内容 1 有关瓦斯知识 2 铁路和公路瓦斯隧道与煤矿巷道的不同特点 3 瓦斯隧道几种灾害 4 瓦斯隧道设计、施工的有关规范及参考资料 5 瓦斯隧道及工区分类 6 低瓦斯隧道安全施工技术 概 述 一、有关瓦斯知识 1 定义 广义凡从围岩或煤层渗入隧道的有害气体，均称为瓦斯。其主要成分为甲烷（沼气 CH4）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2），还有少量的硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、氢气（H2）、二氧化硫（SO2）及其它碳氢化物和稀有气体。狭义单指甲烷（
2、CH4），包括煤层甲烷和石油甲烷。广义瓦斯主要成分 四部分组成：（1）沼气（CH4）及同系物，H2，H2S 等可燃气体；（2）CO、NO、H2S、NH3 含硫气体、乙醛等有毒气体；（3）CO2、N2、Ar（氩气）等，基本上为化学不活泼的惰性气体；（4）Rn（氡）、Tn（钍）、Ac（锕）等放射性气体；上述四部分中沼气（CH4）是最主要成分，其它气体含量极少。沼气物理性质 无色、无味、无臭、无毒；密度 0.716 kg/m3(空气为 1.2 kg/m3);微溶于水(20时,100 m3 能溶解于 3.5 m3);比空气轻,渗透能力比空气强,能很容易透过裂隙岩体;特殊场合:混有乙烷、丙烷时有麻醉性，
3、产生头昏现象；混有 H2S 时有臭鸡蛋味；混有芳香族气体时有苹果味。3.瓦斯爆炸与燃烧 瓦斯爆炸及燃烧先决条件：适当的浓度；火源；氧浓度。瓦斯爆炸化学反应式：CH4+2O2CO2+H2O+千卡/克分子 1 份瓦斯+2 份氧时反应最充分，但在空气中含氧仅 20%,所以 1 份瓦斯+10份空气反应最充分 所以,最猛烈的瓦斯爆炸发生在瓦斯浓度 111 时,即%(说明:瓦斯燃烧点、爆炸点与空气中氧浓度,火源温度有关,上图只是一般的通常值)4.煤尘爆炸 煤是可燃的,煤的粉尘(极小颗粒)由于与空气接触面积大,更易燃烧,燃烧的速度快、温度高，空气急速膨胀，就形成爆炸，煤尘爆炸判别式：Va=时，有爆炸危险 式
4、中：Vdaf煤的挥发分，%；Ad灰分，%；Mad水分，%。（均为煤样化验测定值）当巷道空气中煤尘含量小于 3040g/m3 时，不会发生爆炸。二、铁路和公路瓦斯隧道与煤矿巷道的不同特点 相同点（1）都是地下工程；（2）都进行钻爆作业；（3）巷道中有煤或瓦斯存在，都有危险性。不同点（1）工程目的不同。铁路和公路隧道的修建是形成通道，而煤矿建设的目的是进入煤体采煤。（2）工程范围内煤与瓦斯的数量不同 煤与瓦斯是不良地质现象，所以交通隧道定线时都是尽量避绕煤层，避不开一定要穿过煤层时，尽量使隧道轴线垂直于煤层，以最短长度穿越。所以，很多瓦斯隧道洞身只有极小长度有煤，有时只是很薄的煤层（煤线或鸡窝煤）
5、，隧道长度的绝大部分是岩石，煤层只占极小比例，而且有时煤质低劣，无开采价值，含瓦斯也不多；而煤矿则不同，不是避绕而是哪儿有煤往哪开巷道；很多巷道直接在煤层中，而且煤质一般较好，所以煤矿的瓦斯含量一般都比较大。比如：低瓦斯矿的标准是瓦斯涌出量小于 40 m3/min，而低瓦斯隧道的标准是 0.5 m3/min,同样都是属于低瓦斯等级，煤矿的瓦斯涌出量是交通隧道的 80 倍。（3）煤层巷道灵活性大，而交通隧道一旦线路位置确定之后，隧道的平面位置和标高都基于固定，不能随便移动。煤矿的运输大巷多在岩石中，但它的位置灵活，可以选择最有利的位置和方向；而交通隧道不同，有时位置很不利，如南昆线家竹箐隧道，隧
6、道与煤层夹角只 14，既使不厚的煤层，隧道穿煤长度也很大，如 17#煤层真厚度10.7 m,但隧道穿煤长度 84.8 m,增加了施工难度。（4）交通隧道断面大，煤矿巷道断面小。公路隧道可达 100 多 m2，则煤矿巷道大多数很小，只几个 m2，既使通过架线机车的运输大巷道也只有 20多 m2。（5）交通隧道有支护，有衬砌，能封闭瓦斯，而煤矿巷道大多数不支护，允许长期放出瓦斯。（6）交通隧道施工时严防坍塌，一旦坍方处理代价高、时间长；煤矿巷道施工时也避免坍方，但一旦坍方，断面小，处理的代价也小。煤矿有时还人工制造小坍方，比如揭露瓦斯压力大的煤层时，采用震动放炮，加大药量，人工诱导小型突出。（7）
7、通风系统不同 煤矿通风系统很复杂，煤矿巷道多，而且不在一个平面上，煤矿的通风是网路通风，而交通隧道只是一根管道，通风较为简单。（8）瓦斯防灾经验和施工装备不同 煤炭部门有多年的防止瓦斯灾害经验，规章制度比较健全，正规的煤矿施工设备都是防爆的。在组织机构上，配备通风专业人员和机电专业人员、有矿山救护队，这些都有利于防灾救灾。而铁路和公路施工单位大多是多数临时组建综合性的建筑单位，关于瓦斯的经验不多、设备不完善，组织机构不固定（项目经理部人员变化大）。这些，不利于瓦斯防灾。小结 交通隧道有利之处是大多数隧道通过煤层少、瓦斯涌出量小，而且衬砌及时，可以封闭瓦斯减少逸出，通风巷道管路也比较简单。但不利
8、之处也不少，如开挖断面大，隧道与煤层的相对关系不允许随意改变，施工装备防爆性能差，施工队伍不是专门化，技术管理和技术教育不够等等。我们交通隧道的施工要发扬优势、纠正劣势，以最小的代价保证生产安全。三、瓦斯隧道几种灾害 瓦斯隧道施工时，可能发生 7 种灾害：（1）煤与瓦斯突出在地应力和瓦斯压力的共同作用下，很短的时间中破碎的煤、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。有时伴随瓦斯爆炸，造成二次破坏。“突出”事故的伤亡和损失一般都是很渗重的。（2）煤突然倾出在重力作用下松软的煤层突然坍下，同时有大量瓦斯释放，坍下的煤以煤块形式堆积。（3）煤突然压出一部分煤在构造应
9、力或放炮振动影响下，整体抛出，但位移距离不大，压出的煤或呈小块状，或呈有大量裂隙的大块状。（4）岩石与瓦斯突出原因与煤与瓦斯突出相似，有时还加上掘进放炮的的振动作用。大多数发生在破碎的砂岩中，放炮时，发生岩石破坏，抛出的现象，在抛出的砂岩岩块中含有大量的砂粒和粉尘，洞壁上形成空洞（不一定与爆破洞穴同一位置），与此同时，洞内瓦斯大量增加。（5）瓦斯爆炸达到爆炸浓度的瓦斯（一般在 5%16%之间）与火源接触（一般需要 512以上），并且坑道内有氧气存在（含量 12%以上），就会发生猛烈爆炸，有时会造成大量伤亡。（6）煤尘爆炸当煤质中挥发物占总可燃物（固定炭加挥发物）10%以上，且形成的小颗粒煤尘悬
10、浮在空气中，当空气中煤尘含量较多（30g/m3以上），遇 700以上的火源，即会发生煤尘爆炸，煤尘爆炸的后果比瓦斯爆炸更严重，因为煤层爆炸会产生大量一氧化碳（CO）使人中毒，很多人不是炸死而是被毒死。（7）巷道坍塌煤系地层除少数外，大多数强度很低，尤其是煤中的软分层，用手即可捻成粉碎，所以巷道稳定性差，容易产生坍塌事故。名词 瓦斯涌出：掘进放炮以后，瓦斯从洞壁暴露面，从爆下的岩块和煤块中均匀释放的现象。(在邻近煤层的掌子面附近经常有瓦斯涌出。)瓦斯喷出：在 20 m 长的巷道范围内，从洞壁裂隙、孔洞或炮眼中涌出大量瓦斯，当喷出强度达到 1 m3/min，喷出时间 8 h 以上时，称之谓瓦斯喷出
11、。瓦斯事故教训 贵昆线岩脚寨铁路隧道。隧道长 2 714 m，铁道兵六师施工，穿过 7 层煤，薄者 0.1 m,厚者 8.92 m,瓦斯涌出强度 150 m3/h,压力 MPa。1959 年 1月 27 日下导坑掘进距洞口 242 m 处,火雷管点火及电灯接线引起二次瓦斯爆炸,并形成坍方,共死 34 人,伤 65 人；同年 6 月 26 日，电闸拉火又引起瓦斯爆炸,坑道坍方 7 处。从 1 月 27 日6 月 26 日半年中，共发生瓦斯爆炸 6次，由于处置不当，死伤惨重（总计死伤 220 人）。达成铁路炮台山隧道。全长 3 078 m，位于成都郊区的金堂县境内，铁15 局施工，全隧道不通过煤层
12、，但隧道下方 2 0003 000 m 处有煤，瓦斯沿地层裂隙上升到地表浅层，形成储气构造。1994 年 4 月 3 日平导掘进到距洞口 808 m 处，灯炮爆裂引发瓦斯燃烧，死 1 人，伤 3 人。次日，汽车进洞运风管，由于汽车打火，又引起瓦斯爆炸，死 12 人。事故后实测，隧道瓦斯逸出强度为 3.54 m3/h。都汶高速公路董家山隧道。双洞,长 4 111 m+4 081 m,中铁一局施工进口，中铁二局施工出口。该隧道多次通过煤层，但煤层都很薄，瓦斯压力 MPa,勘测资料认定为低瓦斯隧道，施工中又委托煤炭专业单位鉴定，仍定为低瓦斯隧道，因此施工中允许使用非防爆设备，采用汽车进洞出碴、进料。
13、2005 年 12 月上旬，隧道右洞进口掌子面发生坍方（如下图）。由于该处位于背斜核部、裂隙发育、裂隙中含有煤层瓦斯，坍方又促使瓦斯大量涌出。12 月 22 日，衬砌台车上的不防爆插座打火，引起瓦斯爆炸，当场死 44人，伤 11 人。爆炸气流充满 1500 巷道并冲出洞口，并将洞外几十吨重台车推动几十米。四、瓦斯隧道设计、施工的有关规范及参考资料 1.铁路瓦斯隧道技术规范TB10120-2002 2.铁路隧道施工规范TB10204-2002 3.公路隧道施工技术规范JTJ024-94 4.煤矿安全规程（国家安全生产监督管理局、国家煤矿安全监察局2005 年）5.防治煤与瓦斯突出细则（煤炭工业出
14、版社 1995 年）6.煤矿安全规程读本（煤炭工业出版社 2005 年）五、瓦斯隧道及工区分类 瓦斯隧道：凡隧道通过的地层中预计含有瓦斯或检出瓦斯、即属于瓦斯隧道（与瓦斯地段长度占全隧道比例大小无关）。工区分类 非瓦斯工区(工区内不出现瓦斯)瓦斯工区 低瓦斯工区(预计或实测全工区瓦斯涌出小于或等于 0.5 m3/min)高瓦斯工区（预计或实测全工区瓦斯涌出强度大于 0.5 m3/min）瓦斯突出工区(预计可能或实际已发生煤与瓦斯或岩石与瓦斯突出)说明：低瓦斯工区与低瓦斯煤矿不同，低瓦斯煤矿瓦斯涌出量的上限是40 m3/min，而铁路隧道低瓦斯工区瓦斯上限是 0.5 m3/min，仅是前者1/4
15、0。所以，判断是否属于低瓦斯隧道的标准是很严格的，只有隧道通过煤很少、煤不厚、瓦斯含量也低的隧道才能列入低瓦斯隧道，在公路和铁路隧道中，这种情况很多。过去对瓦斯隧道不分高瓦斯还是低瓦斯，一律要求采用防爆设备，如一个 3 000 m 的隧道，只通过一次煤线而且瓦斯不严重，也要求采用全套防爆设备。2002 年以后，铁道部新颁布的瓦斯隧道规范把低瓦斯隧道分出来，允许在一定安全措施的前提下，使用不防爆机具设备，这对于降低造价、提高修建速度是很有意义的。六、低瓦斯隧道安全施工技术 1.搞好低瓦斯隧道安全施工的重要性 （1）低瓦斯隧道在铁路和公路的瓦斯隧道中，数量最多、比例最大；（2）低瓦斯隧道中瓦斯涌出
16、量小，洞内瓦斯浓度低，有时甚至量不出来。不论设计方还是施工方，容易忽视；（3）铁路规范规定，低瓦斯隧道不要求使用防爆的机具和电气设备，很多人以为与普通隧道没有区别；（4）低瓦斯隧道一般不会出事故、在南昆线以后，内昆、水柏、渝怀等很多铁路的低瓦斯隧道都正常施工，没有出事故，已经产生了麻痹思想，但低瓦斯隧道搞不好一样会爆炸，一样会出事故，有必要强调它的安全生产重要性，有必要针对低瓦斯隧道的特点研究其安全生产技术。2.低瓦斯隧道灾害事故种类 低瓦斯隧道在通过煤系地层（即含煤地层，包括煤线、鸡窝煤、薄层煤以及煤层前后的含瓦斯岩层一般为砂岩、泥岩、页岩等沉积岩）时，易发生的事故只有三种：（1）瓦斯爆炸；
17、（2）瓦斯燃烧；（3）巷道坍方。3.瓦斯浓度管理标准（1）工区内任何地点、任何时刻的瓦斯浓度不大于%；（2）任何地点瓦斯浓度达到%时，应即刻报警，找出原因，及时处理；（3）任何地点瓦斯浓度超过%，应在前后 20 m 范围内立即停工，切断电气设备电源，查找原因并加强通风，观测浓度变化；（4）开挖面瓦斯涌出，且浓度超过%时，掌子面至二次模筑衬砌起点之间立即断电、停工撤人，如加强通风后浓度仍降不下来，则全工区停电撤人立即研究处理办法。（两个方案：a、如瓦斯涌出强度超过 0.5 m3/min，改按高瓦斯工区处理、设备换装；b、增加通风设备，加强通风，等待瓦斯涌出衰减）。低瓦斯隧道的瓦斯浓度正常值是%，
18、上限值是%，与瓦斯爆炸下限浓度5%相比，小得很多，这是因为：（1）5%是理想条件下的数据，由于隧道中条件复杂，瓦斯爆炸下限有时会有所降低，比如：空气中煤尘浓度达到 5 g/m3 时，瓦斯爆炸下限可降为3%；有电火花发生时，因其温度较一般火焰高，700可引爆浓度%瓦斯；（2）测定人员有读数误差，仪表本身也有一定误差；（3）隧道中的瓦斯泄漏点及浓度千变万化无一定规律，而且泄漏的速度也不均匀，检测浓度不一定是最高浓度；（4）一般规定，凡事故严重，可能产生人员伤亡时，安全系数应大一些（比如：竖井人员提升钢绳安全系数规定为 9），5%的爆炸浓度取安全系数为 10，即得到低瓦斯隧道施工的上限浓度%；（5）
19、上限浓度%适合低瓦斯工区的非防爆装备（%浓度瓦斯遇火源不会燃烧和爆炸），同时一般的通风设备也很容易使低瓦斯工区的瓦斯降到安全浓度（如风机供风量 500 m3/min 时，瓦斯稀释后的浓度为 500=%,小于%）4.洞内易引起瓦斯爆炸的危险地点 （1）煤层附近的掌子面 （2）拱顶坍穴（3）拱顶以下 3040 cm 范围（4）巷道转角 （5）避人洞、避车洞、横通道 （6）停留的大型设备背风处 5.瓦斯检测（1）瓦斯检测设备 瓦斯自动断电报警器（如：AWJ-6 型）；便携式瓦检仪（光干涉如：SWJ-A 型、催化型如 AZJ-91 型）；凡重要地点（如开挖面、煤层附近、衬砌台车前方等），人员难于攀登地
20、点（如坍穴顶部），均应设置自动断电报警器的探头。（2）检测地点 开挖工作面风流中；未成洞段及已成洞段的拱顶下沿；衬砌台车前方；塌方、凹陷、裂隙、风流死角；地质破碎、地层变化、溶洞；进洞汽车、装碴机车头上(机头上固定设置瓦测仪)；停放的大型设备后方风流死角；洞内电焊地点；洞电通风机、电机及开关附近；避人车洞、横通道内；其它通风不良处 （3）检测频率 开挖面在打眼后，放炮前、放炮后各检测一次（即“一炮三检测”）；其余时间及地点每班至少 2 次；有异常现象时每小时 1 次；特殊情况时应旁站不间断量测。（4）检测设备标定及检修 每 5 天校正便携式报警器或瓦斯传感器（探头）一次；每 7 天校正瓦斯自动
21、断电报警器一次；每 15 天校正光干涉瓦斯测定仪一次；每天应对照各种不同类型瓦检仪表读数，其误差不应超过允许值。每次通过煤层，应测量总回风风速及瓦斯浓度，计算出洞内瓦斯涌出总量（其它时间每月至少测量一次），并重新判定工区的瓦斯等级。6.关于瓦电闭锁和风电闭锁 在设计时判定隧道是否属于低瓦斯隧道的依据是地质勘察资料，但由于技术水平和设备限制，地质工作往往存在或大或小的误差。为了确保隧道开挖时即使突然出现大量瓦斯，仍不会发生爆炸事故。在隧道中安装“两闭频”是非常必要的，所谓“两闭频”即“瓦电闭锁”和“风电闭锁”。“瓦电闭锁”前已述，洞内重要位置均应布置探头，长期不间断监测瓦斯。当探头测得风流中瓦斯
22、浓度超标时，可立即自动启动断电报警器，切断规定范围的电器设备电源，并产生声光报警。“风电闭锁”当隧道内通风机由于某种原因不能运转供风时，自动切断停风区全部电气设备电源。7.隧道内过煤层前的超前探测 定义：20 m 范围内瓦斯涌出强度大于 0.5 m3/min 的地段为高瓦斯区 为防止隧道掘进时误穿高瓦斯区，在距煤层设计位置 20 m（垂距）时，打超前钻孔三个，并取岩芯，钻孔直径不小于76。通过开挖面的超前钻孔，可以了解：煤层位置、煤样的吨煤含瓦斯量、瓦斯溢出速度、瓦斯压力，瓦斯动力现象（顶钻、夹钻、喷孔等），判断将要揭露的煤层是否与设计资料一致。如一致，可正常掘进；如不一致，应向设计、监理、业
23、主方提出研究处理办法 8.过煤层钻爆作业 按照规范，低瓦斯工区有以下特殊要求：（1）全工区采用煤矿许用炸药；（2）全工区采用煤矿许用瞬发或毫秒电雷管；最后一段延时不大于 130 ms。9.灯具及电缆 根据铁路瓦斯隧道技术规范8.1.1 条，低瓦斯工区的电气设备和作业机械可使用非防爆型，但对于照明灯具，又规定采用防爆型（条），似乎有些矛盾。据我在一些隧道实地观察，觉得可以这样处理：（1）靠近掌子面的未成洞地段，是洞内瓦斯浓度最高段落，应采用 EXDI型矿用防爆照明灯，防止掌子面掘进时突然涌出大量瓦斯，发生事故。（2）已成洞地段，瓦斯已封闭，衬砌中溢出瓦斯量甚少，可采用一段非防爆灯具，但在成洞地段
24、地点的起点（模板台车前方），应设置瓦电闭锁探头，一旦瓦斯浓度超标，应立即切断灯具电源。（3）洞内高压和低压电缆规格，应按规范办理，电缆芯线与电气设备连接必须使用齿形压板或线鼻子；（4）工地移动照明，应采用矿灯，或防爆应急灯。10.施工通风 低瓦斯工区可以用独头巷道风管压入式通风，也可以用巷道式通风。当采用巷道式通风时，开挖面附近还应布置局扇（压入式）。目前射流风机常常作为隧道通风的辅助风机，比如：布置在掌子面附近防止瓦斯停留（因压入式通风管端部常常距开挖面太远），布置在横通道内作为主风机形成巷道全风压风流。洞内风机及开关应使用防爆型。11.电源 低瓦斯工区不要求设置两套互为独立的供电系统，但主
25、通风机应有二路电源，直接由变电所馈出并来自不同变压器，当一路停电时，另一路在 15 min 内接通供电。12.支护施工 巷道开挖暴露煤层后，应尽快施作锚喷初期支护，用掺气密剂的喷砼覆盖煤层和有瓦斯涌出的岩面、喷砼厚度不小于 15 cm。当巷道变形喷砼表面出现开裂，还应进行补喷、补喷厚度至少 5 cm。当洞壁喷砼不能有效减小瓦斯溢出时，可采用：（1）对洞壁径向注浆，封堵瓦斯渗漏通道（用 C-S 浆，注浆厚度 3 m）（2）提前施做瓦斯隔离层和二次衬砌（气密性砼），厚度不小于 40 cm，衬砌接缝应进行气密处 13.其它 （1）施工通风应 24 h 不间断，通风机应有备用；（2）低瓦斯工区也应进行火源管理，严禁火源进洞，洞内及洞口 20 m 范围禁烟，洞口设检查岗，洞内不得储存易燃品（油类等），进洞人员不得穿易产生静电服装，进出洞人员应登记；（3）所有施工人员均需岗前培训，合格后发给上岗证才能进洞；（4）各工区应建立必要的安全生产制度，如瓦斯检测登记制度，瓦斯检测工作细则、瓦斯仪表校正检修制度、电气设备检查和修理保养制度、煤层采样试验规程、超前探孔施工作业细则等；（5）关于瓦斯隧道安全施工内容很多，有的也很细，这里不能一一介绍，不详之处，请参看前面列举的一些参考资料和规范，但以铁路瓦斯隧道技术规范为主。