一、概述

　　在瓦斯隧道的施工過(guò)程中，由于存在著瓦斯突出和爆炸的隱患，一些先進(jìn)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(jì)，建國(guó)以來(lái)我國(guó)修建了13座鐵路瓦斯隧道，總延長(zhǎng)40km左右，積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。隧道選線時(shí)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(wàn)不得已時(shí)才出現(xiàn)穿越煤層瓦斯的情況。因此，一般來(lái)說(shuō)隧道勘測(cè)選線階段的瓦斯預(yù)測(cè)比煤田礦井的瓦斯預(yù)測(cè)要難得多，預(yù)測(cè)精度也低得多。鐵路隧道的開(kāi)挖斷面通常為50~120m?，而煤巷掘進(jìn)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(dāng)務(wù)之急。

　　二、瓦斯災(zāi)害的特征

　　    1．瓦斯的形成

　　瓦斯是無(wú)色、無(wú)味、無(wú)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(shí)可以聞到類(lèi)似蘋(píng)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(dāng)壓力、溫度變化時(shí)，游離瓦斯轉(zhuǎn)化為吸著瓦斯稱(chēng)為吸附，吸附瓦斯轉(zhuǎn)化為游離瓦斯稱(chēng)解吸。  

　　瓦斯極易燃燒，但不能自然，當(dāng)與空氣混合到一定濃度時(shí)，遇火源能燃燒或爆炸。當(dāng)坑道中的瓦斯?jié)舛刃∮?％或大于16％時(shí)，遇到火焰只是在火源附近燃燒而不會(huì)爆炸；瓦斯?jié)舛仍?％~6％到14％~16％時(shí)，遇到火源便會(huì)爆炸，9.5％左右時(shí)爆炸威力最大，但瓦斯?jié)舛却笥?3％時(shí)，一般遇火也不能燃燒，瓦斯?jié)舛缺ń缦抟?jiàn)表1。

 

　　2．瓦斯的放出類(lèi)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(lái)，發(fā)生瓦斯放出有二個(gè)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(lèi)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(shí)間很久，有時(shí)帶有一種“嘶嘶”的聲音。

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

　　(3）瓦斯的突出：在短時(shí)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(shí)間，可能從幾分鐘到幾小時(shí)，噴出時(shí)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(duì)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(xué)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(duì)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(duì)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(guó)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(lái)講，在三角洲、濱海平原等環(huán)境中形成的瓦斯涌出量趨勢(shì)較大，突出較嚴(yán)重。

　　2．地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存及分布的影響

　　(l）煤層埋藏深度對(duì)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(yùn)移的距離就越長(zhǎng)，散失就越困難。同時(shí)，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(kāi)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(dòng)對(duì)內(nèi)生礦床的生成，不同地質(zhì)時(shí)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(xiǎn)?；⌒螛?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(duì)瓦斯賦存的影響

　　構(gòu)造形跡對(duì)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(chǎng)的復(fù)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(duì)的高壓和相對(duì)的低壓地區(qū)，驅(qū)動(dòng)瓦斯的運(yùn)移，形成了瓦斯的相對(duì)富集，這也是瓦斯分布不均衡的重要原因。

　　(4）斷層對(duì)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(duì)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(kāi)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(kāi)放型斷層，而壓性或壓扭性斷層封閉條件較好。

　?、跀鄬优c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(kāi)放型。

　?、蹟鄬訉⒚簩訑嚅_(kāi)后，煤層與斷層另一盤(pán)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(duì)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(duì)瓦斯賦存的影響

　　由于褶皺運(yùn)動(dòng)，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(fù)雜的褶皺和厚煤包。對(duì)于褶皺，易突出部位主要在褶皺強(qiáng)烈地帶或緊密結(jié)合褶皺部位；不協(xié)調(diào)褶皺、層間滑動(dòng)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(duì)瓦斯賦存的控制作用

　　隧道施工中如果處于中間巖土層時(shí)，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(kāi)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(yù)報(bào)

　　隧道施工的主要工程地質(zhì)問(wèn)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(duì)瓦斯的超前預(yù)報(bào)，是施工地質(zhì)預(yù)報(bào)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　瓦斯預(yù)報(bào)方法

　　現(xiàn)有超前預(yù)報(bào)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(jiǎn)單、最直接的預(yù)報(bào)方法，主要包括地表及洞內(nèi)地質(zhì)調(diào)查、隧道開(kāi)挖掌子面地質(zhì)素描和鉆孔。

　　①超前鉆探法：超前鉆探法（Advance Boreholes）是運(yùn)用鉆孔臺(tái)車(chē)從隧道掌子面向前打孔時(shí)鉆進(jìn)速度的變化，并結(jié)合巖粉和泥漿顏色來(lái)預(yù)測(cè)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(zhǔn)確率很高。

　　②超前平導(dǎo)法：超前平導(dǎo)法也稱(chēng)超前導(dǎo)坑法(Advanced Tunnels）。它是在隧道中線附近利用平行導(dǎo)坑先期貫通一個(gè)綜合性地質(zhì)探洞，以便對(duì)主洞作出直觀、精確的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。同時(shí)還可為主洞施工提供輸水、排水、施工通風(fēng)、施工運(yùn)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(diǎn)，需根據(jù)實(shí)際情況，組合采用，以期達(dá)到最佳預(yù)報(bào)效果。

　　五、隧道瓦斯災(zāi)害的防治

　　(l）隧道穿過(guò)瓦斯溢出地段時(shí)，應(yīng)預(yù)先確定瓦斯探測(cè)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(guò)瓦斯地區(qū)時(shí)，已采用全斷而開(kāi)挖，因其工序簡(jiǎn)單、面積大、通風(fēng)好，隨掘進(jìn)隨襯砌，能夠縮短煤層于瓦斯的釋放時(shí)間和縮小圍巖暴露面，有利于排除瓦斯。

　　(3）加強(qiáng)通風(fēng)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(fēng)，必須采取機(jī)械通風(fēng)。通風(fēng)設(shè)備必須防止其漏風(fēng)，并配備備用的通風(fēng)機(jī)，一旦工作中的通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，備用機(jī)械能立即供風(fēng)。保證工作面空氣內(nèi)的瓦斯?jié)舛仍谠试S限度內(nèi)。當(dāng)通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障或停止運(yùn)算時(shí)，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(fēng)恢復(fù)正常，才允許進(jìn)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?xún)?nèi)：

　?、俣磧?nèi)總回風(fēng)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛刃∮?.75%;

　?、趶钠渌ぷ髅孢M(jìn)來(lái)的風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛刃∮?.5%;

　?、劬蜻M(jìn)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^(guò)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(kāi)挖工作面風(fēng)流中和電動(dòng)機(jī)附近20m以?xún)?nèi)風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.5％時(shí)，必須停工、停機(jī)，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理。

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

　　因瓦斯?jié)舛瘸^(guò)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(shí)，方可重新開(kāi)動(dòng)機(jī)器。

　　(6）瓦斯隧道必須加強(qiáng)通風(fēng)，防止瓦斯積聚。由于停電或檢修，是主要通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，必須有恢復(fù)通風(fēng)、排除瓦斯和送電的安全措施?；謴?fù)正常通風(fēng)后，所有受到停風(fēng)影響的地段，必須經(jīng)過(guò)檢測(cè)人員檢測(cè)，確認(rèn)無(wú)危險(xiǎn)后方可恢復(fù)工作。所有安裝電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)地點(diǎn)的20m范圍內(nèi)，必須檢查瓦斯，符合規(guī)定后才可啟動(dòng)機(jī)器。局部通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，在恢復(fù)通風(fēng)前，亦必須檢查瓦斯，符合規(guī)定方可開(kāi)動(dòng)局部風(fēng)機(jī)，恢復(fù)正常通風(fēng)。

　　(7）如開(kāi)挖進(jìn)入煤層，瓦斯排放量較大，使用一般的通風(fēng)手段難以稀釋到安全標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可使用超前周邊全封閉預(yù)注漿。在開(kāi)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(gè)全封閉截堵瓦斯的帷幕。特別對(duì)煤層垂直方向和斷層地帶進(jìn)行阻截注漿，其效果會(huì)更加。

　　開(kāi)挖后要及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)，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(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械需具有防爆性能，避免運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生高溫火花。

　?、阼弾r時(shí)用濕式鉆巖，防止鉆頭發(fā)生火花，洞內(nèi)操作時(shí)，防止金屬與堅(jiān)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(shí)，最后一段的延期時(shí)間不得超過(guò)130ms。爆破電閘應(yīng)安裝在新鮮風(fēng)流中，并與開(kāi)挖面保持200m左右距離。

　　④洞內(nèi)只準(zhǔn)用電纜，不準(zhǔn)使用皮線，使用防暴燈或蓄電池?zé)粽彰鳌?/p>

　?、葭P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(yán)禁使用明火，嚴(yán)禁將火柴、打火機(jī)、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(yíng)隧道是滬蓉西高速公路的重點(diǎn)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(chē)道隧道，最大埋深約90m。左線長(zhǎng)533m(ZK37+180~＋713)，右線長(zhǎng)528m(YK37+177~＋705）。進(jìn)口為弧型端墻式洞門(mén)，出口是臺(tái)階式洞門(mén)。隧道區(qū)域?yàn)闃?gòu)造剝蝕中低山地貌，隧道垂直穿越南北脊向山嶺，相對(duì)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(fēng)化程度不均。地下水主要為孔隙潛水和基巖裂隙水。

　　1．預(yù)報(bào)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(cè)相結(jié)合的綜合方法”實(shí)施該隧道瓦斯地質(zhì)預(yù)報(bào)，其措施：

　?、俨捎玫刭|(zhì)素描和超前鉆孔實(shí)施掌子面瓦斯觀測(cè)；

　?、诓捎肏SP聲波反射實(shí)施掌子面前方的斷層、破碎帶預(yù)報(bào)；

　?、圻x用專(zhuān)用的瓦斯檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛取?/p>

　　2．現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)結(jié)果，建議：

　?、偈┕ぶ凶⒁舛磧?nèi)對(duì)地下水的監(jiān)測(cè)排導(dǎo)；

　?、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(qiáng)初期支護(hù)力度；

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

　?、芗訌?qiáng)瓦斯監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng)。

　　3．隧道施工情況及瓦斯防治建議

　　(l）根據(jù)設(shè)計(jì)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(kāi)始，左洞施工至ZK37+660，右洞施工至YK37+650時(shí)出現(xiàn)煤層，在掘進(jìn)過(guò)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(biāo)，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(jìn)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(qiáng)超前支護(hù)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及防水措施進(jìn)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(hào)炸藥、礦用電雷管、起爆器等爆破器材。

　?、萃晟仆咚顾淼朗┕?yīng)急預(yù)案和安全管理措施，確保施工安全。

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