黄广卫
（中铁七局集团郑州工程有限公司，河南，郑州，450000）
【摘 要】本文介绍了瓦斯隧道的基本知识，以在建高瓦斯隧道施工为依托，对高瓦斯隧道瓦斯灾害防治对策进行探讨。
【关键词】高瓦斯隧道；瓦斯灾害；防治对策
1．瓦斯及瓦斯隧道分类
1.1瓦斯及其赋存
瓦斯是从煤（岩）层内逸出的各种有害气体的总称，其主要成分是甲烷（CH4），伴有少量二氧化碳（CO2）)、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）等气体。因其比重小（对空气相对密度约0.554），常存在于隧道拱顶、横洞顶、空腔等自由空间的顶部，当空气中瓦斯浓度增加时，氧气浓度相应减小，瓦斯浓度达到40%以上时，会让人窒息死亡。
1.2瓦斯燃烧与爆炸
瓦斯是一种无色无味气体，有很强的扩散性、渗透性，其主要性质是燃烧和爆炸，瓦斯爆炸威力极大，往往带来灾难性后果。瓦斯爆炸的化学反应方程式为：
瓦斯爆炸必须具备三个条件：瓦斯浓度，氧气浓度，高温火源。
（1）瓦斯浓度
当空气中瓦斯浓度为5%~16%时，遇火后能引起爆炸。当瓦斯浓度为9.5%时，氧气与瓦斯能充分反应，爆炸威力最大。
（2）氧气浓度
空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12%以下时，瓦斯失去爆炸性。
（3）高温火源
高温火源是引起瓦斯爆炸的必要条件之一，瓦斯的引火温度为650℃~750℃，并随瓦斯浓度、火源性质及混合气体压力等因素影响而变化，抽烟、电气、火花、违章爆破、煤炭自燃、明火作业等都易引起瓦斯爆炸。
1.3瓦斯隧道的分类
（1）瓦斯隧道分为低瓦斯隧道、高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道三种，瓦斯隧道的类型按隧道内瓦斯工区的最高级确定。
（2）瓦斯隧道工区分为非瓦斯工区、低瓦斯工区、高瓦斯工区、瓦斯突出工区共四类。
（3）低瓦斯工区和高瓦斯工区可按绝对瓦斯涌出量进行判定。当全工区的瓦斯涌出量小于0.5m3/min时，为低瓦斯工区；大于或等于0.5m3/min时，为高瓦斯工区。
（4）瓦斯隧道只要有一处有突出危险，该处所在的工区即为瓦斯突出工区。判定瓦斯突出必须同时满足下列指标：
2．瓦斯隧道可能发生的灾害
2.1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。
2.2煤突然压出
一部分煤在构造应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。
2.3岩石与瓦斯突出
原因与煤与瓦斯突出相似，加上掘进放炮振动作用，放炮时，发生岩石破坏、瓦斯抛出的现象。
2.4瓦斯爆炸
达到爆炸浓度的瓦斯与高温火源接触，并且有充足的氧气存在，就会发生猛烈爆炸，往往会造成极大破坏。
2.5煤尘爆炸
当煤质中挥发物占总可燃物10%以上，且形成小颗粒煤尘悬浮在空气中，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，其爆炸威力往往比瓦斯爆炸更大。
2.6隧道坍塌
多数情况下，煤系地层强度很低，尤其是煤中软分层，用手即可捻碎，所以隧道稳定性差，易发生坍塌事故。
3．瓦斯隧道瓦斯灾害防治措施
从瓦斯爆炸必须满足的三个条件可以看出，氧气作为生命的源泉无法切断，故防止瓦斯爆炸的措施只能从另外两个条件中寻找，即防止瓦斯浓度超限和杜绝高温火源。
3.1瓦斯灾害防治技术措施
3.1.1通风
通风，是稀释瓦斯浓度和防止瓦斯积聚最直接和有效的途径。瓦斯隧道应建立通风监控、检测组织系统，根据瓦斯绝对涌出量、同时工作的最多人数等计算需要的风量，并配备满足要求的通风机。据测算，隧道工作面必须保证不小于800m3/min的风量才能使风速保持在0.25m/s以上，而0.25m/s是瓦斯隧道施工的最低风速要求。
高瓦斯工区必须24h不间断通风，以防瓦斯积聚。因检修、停电等原因停机时，必须撤出人员，切断电源；恢复通风前，必须检查瓦斯浓度，局部通风机及其开关地点附近10m以内风流中的瓦斯浓度都不超过0.5%，方可人工开动局部通风机。
通风机设两路电源，并装设风电闭锁装置，当一路电源停止供电时，另一路能在15min内接通，保证风机正常运转。通风管道采用抗静电、阻燃的风管，风管口到开挖面的距离不大于5m，风管百米漏风率不大于1%。同时，必须有一套同等性能的备用通风机，并经常保持良好的使用状态。在洞内风流不畅易积聚瓦斯处，如大型固定设备下风侧、台阶处、洞顶塌方等部位，布置局部小型吹风机，确保通风无盲区。
表3.1.1瓦斯浓度控制标准和瓦斯超限处理措施表
3.1.2瓦斯检测与监测
瓦斯隧道须建立遥控自动化监测系统与人工现场检测相结合的“双保险”监测措施。遥控自动化监控系统（如KJ770型自动监控系统配置主控计算机）由洞口监测中心和在洞内各工作面、塌方空腔、巷道转角等处设置的监测探头、自动报警器、远程断电仪组成。通过洞口监测中心自动监控系统随时了解洞内瓦斯浓度变化情况，各工作面瓦斯情况可及时地被监控人员掌握，如有超标立即报警并通过断电器关闭洞内电源。特别是揭煤放炮期间，监测人员能即时观察到炮后瓦斯浓度变化曲线和涌出量，提高应对处置能力。
因设置自动监测系统的探头须与开挖面有一定距离，故还要用检测仪器（如光干涉甲烷检测仪CJG102、便携式甲烷检测报警仪）人工配合检测，实行“装药前、爆破前、爆破后”分别进行瓦斯检测（即一炮三检查）和各工序瓦斯检测，使得开挖过程中对瓦斯浓度监测做到不间断。必要时还应钻孔埋管实测瓦斯压力，根据检测结果核对施工区和煤系底层的瓦斯等级，及时调整检测频率，采取处治措施。
3.1.3电气与作业机械防爆
瓦斯隧道供电配置两套电源，隧道内采用双电源线路，其电源线上不得分接隧道以外的任何负载，额定电压等级须满足：(l)高压不大于10000v；(2)低压不应大于1140v；(3)照明、手持式电器设备的额定电压和电话、信号装置的额定供电电压不大于127v；(4)远距离控制线路的额定电压不大于36v。电缆采用优质铜芯电缆，连接或分路、与电气设备的连接，均采用防爆接线盒，布设须满足：（1）照明线和动力线安装在同一侧时，分层架设。（2）电线悬挂高度：110V以下电线离地面不小于2m，400V大于2.5m，6~10KV不大于3.5m。（3）供电线路架设遵循“高压在上、低压在下，干线在上、支线在下，动力线在上、照明线在下”的原则。
瓦斯隧道内照明灯具的选用：（1）已衬砌地段，采用Exd II型防爆照明灯；（2）开挖工作面附近，采用Exd I型矿用防爆照明灯；（3）移动照明，必须使用防爆型矿灯。供电线路须满足：（1）经由地面架空线路引入隧道内的供电线路，必须在隧道口处装设避雷装置；（2）必须在隧道口处装设熔断器和避雷装置。
瓦斯隧道内所有与作业有关的机械、车辆、设备等必须为矿用防爆型或采取防爆措施、或进行防爆改造，包括对运输设备、衬砌设备等机械设备的动力系统和电气系统的改装，改装后设备技术指标如下表：
表3.1.3 防爆改装机械设备技术指标
3.1.4超前地质钻探
超前地质钻探具有技术简单、周期短、成本低等优点，目的在于掌握前方围岩结构、裂隙、瓦斯浓度与分布等情况，为指导现场施工提供及时、准确、可靠的地质信息。同时，如遇小范围煤层瓦斯，有利于瓦斯的及时排放，是一种既简单又经济的瓦斯排放手段。
超前钻孔探排孔设计为3个一组，孔深设计为60m、孔径75mm较宜，允掘超前距离10m。以分离式双洞布置60m钻孔为例：左洞掌子面左上部、左下部以及右下部各布置一组超前钻探孔，右洞掌子面右上部、右下部以及左下部也布置一组超前钻探孔。钻孔钻进的同时向外侧倾斜，以了解掌子面前方轮廓线外10m范围内岩层状况，见下图。
图3.1 超前地质钻孔孔位、孔深布置示意图
超前地质钻探注意事项：
（1）超前地质钻孔钻机必须采用防爆型，只有当瓦斯浓度在0.5％以下，方可进行钻孔作业，严禁瓦斯超限作业。
（2）钻孔作业人员必须携带便携式瓦斯检测报警仪和压缩氧自救器。当瓦斯浓度达到0.5%以上时，必须立即停止作业，切断电源，待查明超限原因，待施钻地点瓦斯浓度降到0.5%以下，才准送电开钻。
3.2瓦斯灾害防治安全措施
3.2.1强化瓦检员（安全员）和爆破员安全教育培训
参与瓦斯隧道施工的瓦检员、安全员、爆破员、电工，须经有相关资质的机构组织的专业培训教育，考试合格并颁发有效证件；工班长在每班前进行安全讲话，强调严格遵循《瓦斯隧道施工技术规范》和《煤矿安全规程》相关规定进行作业。
3.2.2成立通风组织机构
成立以项目负责人为组长的通风组织机构，隧道施工负责人和项目技术负责人为副组长，瓦检员、安全员、技术员为机构成员。每天由组长或副组长负责对通风系统进行检查，如管道百米漏风率、风速、总通风量等，确保通风满足施工需要。
瓦斯隧道实施连续通风，如确需停风超过15min时，须上报通风机构组长或委托副组长批准。如果通风系统遭受破坏必须立即报告组长，由组长安排专业人员进行抢修，及时恢复供风系统。
3.2.3杜绝火源
瓦斯隧道必须杜绝一切能促成瓦斯爆炸的火源，如抽烟，带火种进洞，带手机、照相机等可产生电流和信号的设备进洞；严禁穿化学纤维服装进洞以避免产生静电火花；洞内严禁采用焊接、气焊和切割作业，钢筋连接可采用冷连接、绑扎等方式。爆破作业起爆器采用防爆型，且距爆破掌子面有不小于300m的安全距离。采用防爆开关、防爆电缆和防爆灯具，偶遇电缆起火，务必首先切断电源。此外，还要避免机械摩擦、岩石撞击等发热或产生火花。
3.2.4应急预案与演练
瓦斯隧道开工前，备齐必须的应急物资，如灭火器、自救器、医药箱、高温防护服、担架、防毒面具、应急防爆矿灯、洋镐、撬棍、消防铲、信号喇叭等。还要组建专门的应急团队，对瓦斯突出、瓦斯燃烧与爆炸编制应急预案并适时进行演练，以提高团队应急能力。
3.3施工工艺改进
3.3.1钻爆作业
瓦斯隧道钻爆采用防爆型机电设备，钻孔符合以下规定：(l)开挖工作面附近20m风流中瓦斯浓度不大于0.5%；(2)采用湿式钻孔；(3)炮眼深度不小于0.6m。装药与爆破作业须满足：(1)爆破点20m内，风流中瓦斯浓度不大于0.5%；(2)爆破点20m内，矿车、碎石、煤渣等阻塞开挖面不超过1/3；(3)通风量足，风向稳，局扇无循环风；(4)爆眼内煤、岩粉清除干净；(5)采用煤矿许用炸药和毫秒延期电雷管，最后一段的延期时间不大于130ms。
爆破15min后须巡视爆破地点，检查通风、瓦斯、煤尘、瞎炮、残爆等情况，如有危险立即处理。在瓦斯浓度小于0.5%、二氧化碳浓度小于1%并解除警戒后，才允许工作人员进入开挖工作面工作。
3.3.2洞身封闭
（1）开挖面封闭
采用气密性喷射混凝土尽快对开挖面进行封闭，以减少瓦斯溢出量。喷射混凝土的透气系数不大于10-10cm/s。
（2）防水板封闭
采用全环防水板对初期支护表层进行封闭，此为防止瓦斯溢出的第二道措施。施工时特别注意防水板的质量、搭接长度、熔接质量须符合设计及规范要求，保证不漏水、不透气。
（3）二次衬砌封闭
二次衬砌采用模筑气密性混凝土，其透气系数不大于10-11cm/s，气密剂的掺量根据现场试验确定。施工缝采用止水条、橡胶止水带等进行气密性封闭，防止瓦斯从缝隙中溢出。
4．结束语
高瓦斯隧道瓦斯灾害的防治是一项复杂的工作，建立健全高瓦斯隧道瓦斯灾害防治体系和制度是基础，对瓦斯防治各项措施的落实最为关键。只有在施工过程中真正做到“监控有度，管理到位”和“通风无盲区，瓦检无死角”，才能避免意外，确保隧道优质安全贯通。
参考文献：
[1]公路隧道施工技术规范 人民交通出版社 2009年
[2]张立坤等 隧道施工高瓦斯防治指南 人民交通出版社 2011年
[3]于红军等 高瓦斯隧道施工安全风险控制措施 现代隧道技术 2011年
[4]刘广飞 浅谈瓦斯隧道施工瓦斯防治对策 建筑工程 2011年
作者简介：
黄广卫 （出生年月 1980年2月），男 ，河南洛阳人，土木工程工学学士，中铁七局集团郑州工程有限公司工程师。研究方向：瓦斯隧道瓦斯灾害防治
论文作者:黄广卫
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年11月供稿
论文发表时间:2016/1/28
标签：瓦斯论文; 隧道论文; 浓度论文; 工区论文; 作业论文; 火源论文; 钻孔论文; 《工程建设标准化》2015年11月供稿论文;