一、概述

　　在瓦斯隧道的施工過程中，由于存在著瓦斯突出和爆炸的隱患，一些先進的隧道施工技術(shù)和成熟的施工方法的應(yīng)用，受到一定的限制。據(jù)不完全統(tǒng)計，建國以來我國修建了13座鐵路瓦斯隧道，總延長40km左右，積累了許多寶貴的經(jīng)驗。隧道選線時即應(yīng)盡量避免不良地質(zhì)和煤與瓦斯突出地帶，只有在萬不得已時才出現(xiàn)穿越煤層瓦斯的情況。因此，一般來說隧道勘測選線階段的瓦斯預測比煤田礦井的瓦斯預測要難得多，預測精度也低得多。鐵路隧道的開挖斷面通常為50~120m?，而煤巷掘進斷面通常為7~12m?，因此，總結(jié)瓦斯隧道施工技術(shù)已成為當務(wù)之急。

　　二、瓦斯災(zāi)害的特征

　　    1．瓦斯的形成

　　瓦斯是無色、無味、無臭的一種混合氣體，甲烷(CH4）與乙烯（C2H2)，遇明火容易發(fā)生爆炸。但有時可以聞到類似蘋果的香味，以自由氣體狀態(tài)存在于煤層或圍巖的裂縫、孔隙之中，其量的大小主要決定于貯存空間的體積、壓力和溫度。當壓力、溫度變化時，游離瓦斯轉(zhuǎn)化為吸著瓦斯稱為吸附，吸附瓦斯轉(zhuǎn)化為游離瓦斯稱解吸。  

　　瓦斯極易燃燒，但不能自然，當與空氣混合到一定濃度時，遇火源能燃燒或爆炸。當坑道中的瓦斯?jié)舛刃∮?％或大于16％時，遇到火焰只是在火源附近燃燒而不會爆炸；瓦斯?jié)舛仍?％~6％到14％~16％時，遇到火源便會爆炸，9.5％左右時爆炸威力最大，但瓦斯?jié)舛却笥?3％時，一般遇火也不能燃燒，瓦斯?jié)舛缺ń缦抟姳?。

 

　　2．瓦斯的放出類型

　　瓦斯放出是地層中的瓦斯氣體在地應(yīng)力作用下沿巖體構(gòu)造裂隙外漏的表現(xiàn)。歸納起來，發(fā)生瓦斯放出有二個主要因素：地應(yīng)力、瓦斯和圍巖結(jié)構(gòu)，而地應(yīng)力和圍巖中瓦斯的存在是引起瓦斯放出的主要因素。從巖層中放出瓦斯，可分為幾種類型：

　　(1）瓦斯的滲出：它是緩慢的地、均勻地、不停地從煤層或巖層的暴露面的空隙中滲出，延續(xù)時間很久，有時帶有一種“嘶嘶”的聲音。

　　(2）瓦斯的噴出：比上述滲出強烈，從煤層或巖層裂隙或孔洞中放出，噴出的時間有長有短，通常由較大的響聲和壓力。

　　(3）瓦斯的突出：在短時間內(nèi)，從煤層或巖層中突然猛烈地噴出大量的瓦斯，噴出的時間，可能從幾分鐘到幾小時，噴出時常有巨大的轟響，并夾有煤塊或巖塊。

　　以上三種瓦斯放出形式，以第一種放出的瓦斯量為最大。

　　三、地質(zhì)因素對瓦斯賦存及分布的影響

　　煤與瓦斯突出是由瓦斯、地應(yīng)力和煤的物理力學性質(zhì)等多因素共同作用的結(jié)果，影響瓦斯賦存及分布的因素是多種多樣的。大量研究成果表明：地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存具有控制作用，褶皺、斷層等不同的構(gòu)造是控制瓦斯賦存及分布的重要因素。

　　1．聚煤古環(huán)境對瓦斯賦存及分布的影響

　　適宜的成煤建造特征總體上控制煤與瓦斯形成條件，我國絕大多數(shù)聚煤古環(huán)境為二疊系煤層，少數(shù)為侏羅系，極少數(shù)為石炭系煤層。煤與瓦斯是地質(zhì)作用的產(chǎn)物，它們的產(chǎn)生、賦存、富集均受地質(zhì)條件的控制。而瓦斯主要賦存于煤層中而煤層賦存在含煤系中，因此，含煤系的建造特征是瓦斯形成和保存的基礎(chǔ)條件。一般來講，在三角洲、濱海平原等環(huán)境中形成的瓦斯涌出量趨勢較大，突出較嚴重。

　　2．地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存及分布的影響

　　(l）煤層埋藏深度對瓦斯賦存的影響

　　煤層的埋藏深度越深煤層中的瓦斯向地表運移的距離就越長，散失就越困難。同時，深度的增加也使煤層在壓力的作用下降低了透氣性，有利于保存瓦斯。在近代開采深度范圍內(nèi)，煤層的瓦斯含量隨深度的增加而呈線性增加。

　　(2）構(gòu)造體系與瓦斯賦存及分布的關(guān)系

　　巨型緯向構(gòu)造帶的活動對內(nèi)生礦床的生成，不同地質(zhì)時期建造都有控制作用。天山-陰山帶和昆侖山-秦嶺帶明顯控制了各含煤建造的形成與發(fā)育，構(gòu)成了聚煤期的邊界，壓性褶皺斷層發(fā)育，不利于瓦斯逸散的條件，使附近的煤田有高瓦斯賦存，有突出的危險。弧形構(gòu)造的凹側(cè)、帚狀構(gòu)造的收斂端遭受擠壓而成為應(yīng)力集中帶也有利于瓦斯的保存。而”多”字形構(gòu)造中，與平行斜列壓性結(jié)構(gòu)面垂直的弧形斷裂起著釋放應(yīng)力和有利于瓦斯逸散的作用。

　　(3）構(gòu)造形跡對瓦斯賦存的影響

　　構(gòu)造形跡對瓦斯賦存的影響是一方面造成了瓦斯分布的不均衡，另一方面是形成了有利于瓦斯賦存或有利于瓦斯排放的條件。由于地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的作用和應(yīng)力場的復雜性，在同一構(gòu)造形跡內(nèi)出現(xiàn)有應(yīng)力集中程度不同的塊段，造成了相對的高壓和相對的低壓地區(qū)，驅(qū)動瓦斯的運移，形成了瓦斯的相對富集，這也是瓦斯分布不均衡的重要原因。

　　(4）斷層對瓦斯賦存的影響

　　地質(zhì)構(gòu)造中的斷層破壞了煤層的連續(xù)完整性，使煤層瓦斯條件發(fā)生了變化。不同性質(zhì)的斷層構(gòu)造對煤層瓦斯的保存與釋放是絕然不同的。壓扭性斷裂與裂隙一般閉合程度高，有利于瓦斯保存。而張性的裂隙和斷層，有利于煤層瓦斯的釋放。

　　斷層的開放性和封閉性決定下列條件：

　?、贁鄬拥男再|(zhì)：一般的張性正斷層屬于開放型斷層，而壓性或壓扭性斷層封閉條件較好。

　　②斷層與地面或沖積連通：規(guī)模大且與地表相通或與松散沖積層相連的斷層一般為開放型。

　?、蹟鄬訉⒚簩訑嚅_后，煤層與斷層另一盤接觸的巖層性質(zhì)。

　?、軘鄬訋У奶卣鳎喝鐢鄬拥某涮?、裂隙發(fā)育情況。

　　此外斷層的空間方位對斷層的保存、遺散也有影響。一般走向斷裂阻隔了瓦斯沿煤層傾斜方向的遺散。而傾斜和斜交斷層則把煤層切割成互不聯(lián)系的塊段。

　　(5）褶皺構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

　　由于褶皺運動，使得褶皺產(chǎn)狀發(fā)生了較大變化。而煤層是沉積巖中最軟弱的成分之一，在構(gòu)造應(yīng)力作用下或重力作用下極易形成復雜的褶皺和厚煤包。對于褶皺，易突出部位主要在褶皺強烈地帶或緊密結(jié)合褶皺部位；不協(xié)調(diào)褶皺、層間滑動或?qū)娱g褶皺發(fā)育地帶；向斜的軸部附近、背斜的傾伏端、背斜中性面以下部位；以及牽引褶皺部位等易于賦存瓦斯。

　　3．圍巖特征對瓦斯賦存的控制作用

　　隧道施工中如果處于中間巖土層時，如果該巖層的上下巖層結(jié)構(gòu)比較致密，這種地質(zhì)情況有利于瓦斯的賦存。

　　 一般情況下，瓦斯含量和埋藏深度具有線性關(guān)系，隨著埋深的增加而增加；瓦斯的形成和賦存受地質(zhì)條件控制，封閉型地質(zhì)構(gòu)造有利于封存瓦斯，開放型地質(zhì)構(gòu)造有利于排放瓦斯，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制著瓦斯含量的區(qū)域性分布。

　　四、瓦斯的地質(zhì)超前預報

　　隧道施工的主要工程地質(zhì)問題是巖體破碎、崩塌、煤層瓦斯及采空區(qū)危害的防治，尤其是對瓦斯的超前預報，是施工地質(zhì)預報的重點和難點。

　　瓦斯預報方法

　　現(xiàn)有超前預報方法中，可供選擇的主要有兩種：地質(zhì)法和物探法。

　　(l）地質(zhì)法是最基本、最簡單、最直接的預報方法，主要包括地表及洞內(nèi)地質(zhì)調(diào)查、隧道開挖掌子面地質(zhì)素描和鉆孔。

　?、俪般@探法：超前鉆探法（Advance Boreholes）是運用鉆孔臺車從隧道掌子面向前打孔時鉆進速度的變化，并結(jié)合巖粉和泥漿顏色來預測打孔深度范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。該方法能最直接地揭示隧道掌子面前方的地質(zhì)特征，所以準確率很高。

　?、诔捌綄Хǎ撼捌綄Хㄒ卜Q超前導坑法(Advanced Tunnels）。它是在隧道中線附近利用平行導坑先期貫通一個綜合性地質(zhì)探洞，以便對主洞作出直觀、精確的地質(zhì)超前預報。同時還可為主洞施工提供輸水、排水、施工通風、施工運輸?shù)姆奖銞l件。

　　(2）物探方法，如地震法、TSP系統(tǒng)、HSP聲波反射法、電磁波反射法、電法等，它們各有其適用條件和優(yōu)、缺點，需根據(jù)實際情況，組合采用，以期達到最佳預報效果。

　　五、隧道瓦斯災(zāi)害的防治

　　(l）隧道穿過瓦斯溢出地段時，應(yīng)預先確定瓦斯探測方法，并制定瓦斯稀釋措施、防爆措施和緊急救援措施等

　　(2）隧道通過瓦斯地區(qū)時，已采用全斷而開挖，因其工序簡單、面積大、通風好，隨掘進隨襯砌，能夠縮短煤層于瓦斯的釋放時間和縮小圍巖暴露面，有利于排除瓦斯。

　　(3）加強通風是防止瓦斯爆炸最有效的方法。把空氣中的瓦斯吹淡到爆炸濃度以下，并將其排除洞外。有瓦斯的坑道，決不允許用自然通風，必須采取機械通風。通風設(shè)備必須防止其漏風，并配備備用的通風機，一旦工作中的通風機發(fā)生故障時，備用機械能立即供風。保證工作面空氣內(nèi)的瓦斯?jié)舛仍谠试S限度內(nèi)。當通風機發(fā)生故障或停止運算時，洞內(nèi)工作人員應(yīng)立即撤離到新鮮空氣地區(qū)，直至通風恢復正常，才允許進入工作面繼續(xù)工作。

　　(4）洞內(nèi)的空氣中允許的瓦斯?jié)舛葢?yīng)控制在下述規(guī)定值以內(nèi)：

　?、俣磧?nèi)總回風風流中的瓦斯?jié)舛刃∮?.75%;

　　②從其他工作面進來的風流中的瓦斯?jié)舛刃∮?.5%;

　?、劬蜻M工作面的瓦斯?jié)舛仍?％以下；

　?、芄ぷ髅嫜b藥爆破前空氣中的瓦斯?jié)舛仍?％以下。

　　如瓦斯?jié)舛瘸^上述規(guī)定，工作人員必須立即撤到符合規(guī)定的地段，并切斷電源。

　　(5）開挖工作面風流中和電動機附近20m以內(nèi)風流中瓦斯?jié)舛冗_到1.5％時，必須停工、停機，撤出人員，切斷電源，進行處理。

　　開挖工作面內(nèi)，局部積聚的瓦斯?jié)舛冗_到2％時，附近20m內(nèi)必須停止工作，切斷電源，進行處理。

　　因瓦斯?jié)舛瘸^規(guī)定切斷電源的電器設(shè)備，都必須在瓦斯?jié)舛冉档偷?％以下時，方可重新開動機器。

　　(6）瓦斯隧道必須加強通風，防止瓦斯積聚。由于停電或檢修，是主要通風機停止運轉(zhuǎn)，必須有恢復通風、排除瓦斯和送電的安全措施。恢復正常通風后，所有受到停風影響的地段，必須經(jīng)過檢測人員檢測，確認無危險后方可恢復工作。所有安裝電動機和開關(guān)地點的20m范圍內(nèi)，必須檢查瓦斯，符合規(guī)定后才可啟動機器。局部通風機停止運轉(zhuǎn)，在恢復通風前，亦必須檢查瓦斯，符合規(guī)定方可開動局部風機，恢復正常通風。

　　(7）如開挖進入煤層，瓦斯排放量較大，使用一般的通風手段難以稀釋到安全標準時，可使用超前周邊全封閉預注漿。在開挖前沿掌子面拱部、邊墻、底部輪廓線軸向輻射狀布孔注漿，形成一個全封閉截堵瓦斯的帷幕。特別對煤層垂直方向和斷層地帶進行阻截注漿，其效果會更加。

　　開挖后要及時進行噴錨支護，并保證其厚度，以免漏氣和防止圍巖失穩(wěn)。

　　(8）采用防爆措施：

　?、僮袷仉娖髟O(shè)備及其他設(shè)備的保安規(guī)則，避免發(fā)生電火，瓦斯散發(fā)區(qū)段，使用防爆安全型的電器設(shè)備，洞內(nèi)運轉(zhuǎn)機械需具有防爆性能，避免運轉(zhuǎn)時發(fā)生高溫火花。

　?、阼弾r時用濕式鉆巖，防止鉆頭發(fā)生火花，洞內(nèi)操作時，防止金屬與堅石撞擊，摩擦發(fā)生火花。

　?、郾谱鳂I(yè)，使用安全炸藥及毫秒電雷管，采用毫秒電雷管時，最后一段的延期時間不得超過130ms。爆破電閘應(yīng)安裝在新鮮風流中，并與開挖面保持200m左右距離。

　　④洞內(nèi)只準用電纜，不準使用皮線，使用防暴燈或蓄電池燈照明。

　　⑤鏟裝石渣前必須將石渣澆濕，防止金屬器械摩擦和撞擊發(fā)生火花。

　　⑥洞內(nèi)嚴禁使用明火，嚴禁將火柴、打火機、手電筒及其它易燃品帶入洞內(nèi)。

　　六、瓦斯隧道施工案例

　　肖家營隧道是滬蓉西高速公路的重點工程，位于重慶市黔江區(qū)境內(nèi)，是一座上下行分離的四車道隧道，最大埋深約90m。左線長533m(ZK37+180~＋713)，右線長528m(YK37+177~＋705）。進口為弧型端墻式洞門，出口是臺階式洞門。隧道區(qū)域為構(gòu)造剝蝕中低山地貌，隧道垂直穿越南北脊向山嶺，相對高差約159.60m，山體東面較陡（28°），西面較緩（15°）。隧道處于永寧背斜核部，背斜軸線走向NW，兩翼呈較舒緩圓弧狀。背斜核部為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤系地層，受構(gòu)造破壞，產(chǎn)狀變化大，傾向NE一NNW，傾角15°~25°，局部陡傾。巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、泥巖夾煤互層，風化程度不均。地下水主要為孔隙潛水和基巖裂隙水。

　　1．預報方法選擇

　　根據(jù)隧道的地質(zhì)條件，確定“以地質(zhì)法為基礎(chǔ)、以HSP聲波反射法為主要手段，結(jié)合超前鉆探和瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測相結(jié)合的綜合方法”實施該隧道瓦斯地質(zhì)預報，其措施：

　?、俨捎玫刭|(zhì)素描和超前鉆孔實施掌子面瓦斯觀測；

　?、诓捎肏SP聲波反射實施掌子面前方的斷層、破碎帶預報；

　?、圻x用專用的瓦斯檢測儀監(jiān)測瓦斯?jié)舛取?/p>

　　2．現(xiàn)場測試

　　掌子面為灰-灰黑色薄-中層砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及煤線，巖層產(chǎn)狀182°<28°。掌子面正中發(fā)育一201°<89°小斷層，斷層泥及斷層角礫發(fā)育，厚20~40cm。掌子面巖體呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，主要發(fā)育三組節(jié)理。掌子面潮濕，拱頂巖體較破碎，易塌掉塊。

　　根據(jù)探測結(jié)果，建議：

　?、偈┕ぶ凶⒁舛磧?nèi)對地下水的監(jiān)測排導；

　?、谇胺綆资追秶鷥?nèi)巖體較破碎-破碎，自穩(wěn)能力差，應(yīng)加強初期支護力度；

　?、墼趲r體破碎帶施工應(yīng)加強超前支護措施，打超前錨桿，防止拱部坍塌；

　?、芗訌娡咚贡O(jiān)測，加強洞內(nèi)通風。

　　3．隧道施工情況及瓦斯防治建議

　　(l）根據(jù)設(shè)計顯示，隧道左洞ZK37+590、ZK37+390和右洞YK37+370、YK37+550共4處出現(xiàn)煤層，厚度在5m左右。隧道施工于2006年3月開始，左洞施工至ZK37+660，右洞施工至YK37+650時出現(xiàn)煤層，在掘進過程中出現(xiàn)泥巖夾煤互層，厚度不均，瓦斯?jié)舛龋ㄐ∮?.5%）未超標，隧道按新奧法施工。2006年12月，左洞施工至ZK37+600，右洞施工至YK37+580，掌子面圍巖為泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、泥巖夾煤互層，瓦斯?jié)舛却笥?％。2006年5月，左洞施工至ZK37+340，右洞施工至YK37+525，掌子面圍巖為泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、泥巖夾煤互層并出現(xiàn)滲水，瓦斯含量進一步增大，濃度大于1.5％。

　　(2）瓦斯防治建議：

　?、倜合档貙覼K37+217~＋340(123m）、YK37+234~+525(291m）按瓦斯隧道施工。

　　②加強超前支護，對隧道結(jié)構(gòu)及防水措施進行相應(yīng)調(diào)整。

　?、鄄扇а龉暗娜忾]襯砌，沿襯砌外周包括底部鋪設(shè)防水板，邊墻、仰拱襯砌混凝土添加硅灰氣密劑及防水劑。

　　④煤系地段采用礦用3號炸藥、礦用電雷管、起爆器等爆破器材。

　　⑤完善瓦斯隧道施工應(yīng)急預案和安全管理措施，確保施工安全。

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