低瓦斯隧道安全施工技術

低瓦斯隧道安全施工技術

主講 張祉道

鐵道第二勘察設計院

主 要 內容

1 有關瓦斯知識

2 鐵路和公路瓦斯隧道與煤礦巷道的不同特點

3 瓦斯隧道幾種災害

4 瓦斯隧道設計、施工的有關規範及參考資料

5 瓦斯隧道及工區分類

6 低瓦斯隧道安全施工技術

概 述

一、有關瓦斯知識

1 定義

廣義——凡從圍岩或煤層滲入隧道的有害氣體，均稱為瓦斯。其主要成分為甲烷（沼氣CH4）、二氧化碳（CO2）、氮氣（N2），還有少量的硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）、氫氣（H2）、二氧化硫（SO2）及其它碳氫化物和稀有氣體。

狹義——單指甲烷（CH4），包括煤層甲烷和石油甲烷。

廣義瓦斯主要成分

四部分組成：

（1） 沼氣（CH4）及同係物，H2，H2S等可燃氣體；

（2） CO、NO、H2S、NH3含硫氣體、乙醛等有毒氣體；

（3） CO2、N2、Ar（氬氣）等，基本上為化學不活潑的惰性氣體；

（4） Rn（氡）、Tn（釷）、Ac（錒）等放射性氣體；

上述四部分中沼氣（CH4）是最主要成分，其它氣體含量極少。

沼氣物理性質

無色、無味、無臭、無毒；

密度0.716 kg/m3(空氣為1.2 kg/m3);

微溶於水(20℃時,100 m3能溶解於3.5 m3);

比空氣輕,滲透能力比空氣強,能很容易透過裂隙岩體;

特殊場合:混有乙烷、丙烷時有麻醉性，產生頭昏現象；

混有H2S時有臭雞蛋味；

混有芳香族氣體時有蘋果味。

3.瓦斯爆炸與燃燒

瓦斯爆炸及燃燒先決條件：

適當的濃度；

火源；

氧濃度。

瓦斯爆炸化學反應式：

CH4+2O2→CO2+H2O+198.4千卡/克分子

1份瓦斯+2份氧時反應最充分，但在空氣中含氧僅20%,所以1份瓦斯+10份空氣反應最充分

所以,最猛烈的瓦斯爆炸發生在瓦斯濃度1∶11時 ,即9.1%

(說明:瓦斯燃燒點、爆炸點與空氣中氧濃度,火源溫度有關,上圖隻是一般的通常值)

4. 煤塵爆炸

煤是可燃的,煤的粉塵(極小顆粒)由於與空氣接觸麵積大,更易燃燒,燃燒的速度快、溫度高，空氣急速膨脹，就形成爆炸，煤塵爆炸判別式：

Va=時，有爆炸危險

式中：Vdaf——煤的揮發分，%；

Ad——灰分，%；

Mad——水分，%。

（均為煤樣化驗測定值）

當巷道空氣中煤塵含量小於30~40g/m3時，不會發生爆炸。

二、鐵路和公路瓦斯隧道與煤礦巷道的不同特點

相同點

（1） 都是地下工程；

（2） 都進行鑽爆作業；

（3） 巷道中有煤或瓦斯存在，都有危險性。

不同點

（1） 工程目的不同。

鐵路和公路隧道的修建是形成通道，而煤礦建設的目的是進入煤體采煤。

（2） 工程範圍內煤與瓦斯的數量不同

煤與瓦斯是不良地質現象，所以交通隧道定線時都是盡量避繞煤層，避不開一定要穿過煤層時，盡量使隧道軸線垂直於煤層，以最短長度穿越。所以，很多瓦斯隧道洞身隻有極小長度有煤，有時隻是很薄的煤層（煤線或雞窩煤），隧道長度的絕大部分是岩石，煤層隻占極小比例，而且有時煤質低劣，無開采價值，含瓦斯也不多；而煤礦則不同，不是避繞而是哪兒有煤往哪開巷道；很多巷道直接在煤層中，而且煤質一般較好，所以煤礦的瓦斯含量一般都比較大。比如：低瓦斯礦的標準是瓦斯湧出量小於40 m3/min，而低瓦斯隧道的標準是0.5 m3/min,同樣都是屬於低瓦斯等級，煤礦的瓦斯湧出量是交通隧道的80倍。

（3） 煤層巷道靈活性大，而交通隧道一旦線路位置確定之後，隧道的平麵位置和標高都基於固定，不能隨便移動。

煤礦的運輸大巷多在岩石中，但它的位置靈活，可以選擇最有利的位置和方向；而交通隧道不同，有時位置很不利，如南昆線家竹箐隧道，隧道與煤層夾角隻14°，既使不厚的煤層，隧道穿煤長度也很大，如17#煤層真厚度10.7 m,但隧道穿煤長度84.8 m,增加了施工難度。

（4） 交通隧道斷麵大，煤礦巷道斷麵小。公路隧道可達100多m2，則煤礦巷道大多數很小，隻幾個m2，既使通過架線機車的運輸大巷道也隻有20多m2。

（5） 交通隧道有支護，有襯砌，能封閉瓦斯，而煤礦巷道大多數不支護，允許長期放出瓦斯。

（6） 交通隧道施工時嚴防坍塌，一旦坍方處理代價高、時間長；煤礦巷道施工時也避免坍方，但一旦坍方，斷麵小，處理的代價也小。煤礦有時還人工製造小坍方，比如揭露瓦斯壓力大的煤層時，采用震動放炮，加大藥量，人工誘導小型突出。

（7） 通風係統不同

煤礦通風係統很複雜，煤礦巷道多，而且不在一個平麵上，煤礦的通風是網路通風，而交通隧道隻是一根管道，通風較為簡單。

（8） 瓦斯防災經驗和施工裝備不同

煤炭部門有多年的防止瓦斯災害經驗，規章製度比較健全，正規的煤礦施工設備都是防爆的。在組織機構上，配備通風專業人員和機電專業人員、有礦山救護隊，這些都有利於防災救災。而鐵路和公路施工單位大多是多數臨時組建綜合性的建築單位，關於瓦斯的經驗不多、設備不完善，組織機構不固定（項目經理部人員變化大）。這些，不利於瓦斯防災。

小結

交通隧道有利之處是大多數隧道通過煤層少、瓦斯湧出量小，而且襯砌及時，可以封閉瓦斯減少逸出，通風巷道管路也比較簡單。但不利之處也不少，如開挖斷麵大，隧道與煤層的相對關係不允許隨意改變，施工裝備防爆性能差，施工隊伍不是專門化，技術管理和技術教育不夠等等。我們交通隧道的施工要發揚優勢、糾正劣勢，以最小的代價保證生產安全。

三、瓦斯隧道幾種災害

瓦斯隧道施工時，可能發生7種災害：

（1） 煤與瓦斯突出——在地應力和瓦斯壓力的共同作用下，很短的時間中破碎的煤、岩和瓦斯從洞壁突然拋出，伴有猛烈的聲響和巨大的動能，同時釋放出大量的瓦斯。有時伴隨瓦斯爆炸，造成二次破壞。“突出”事故的傷亡和損失一般都是很滲重的。

（2） 煤突然傾出——在重力作用下鬆軟的煤層突然坍下，同時有大量瓦斯釋放，坍下的煤以煤塊形式堆積。

（3） 煤突然壓出——一部分煤在構造應力或放炮振動影響下，整體拋出，但位移距離不大，壓出的煤或呈小塊狀，或呈有大量裂隙的大塊狀。

（4） 岩石與瓦斯突出——原因與煤與瓦斯突出相似，有時還加上掘進放炮的的振動作用。大多數發生在破碎的砂岩中，放炮時，發生岩石破壞，拋出的現象，在拋出的砂岩岩塊中含有大量的砂粒和粉塵，洞壁上形成空洞（不一定與爆破洞穴同一位置），與此同時，洞內瓦斯大量增加。

（5） 瓦斯爆炸——達到爆炸濃度的瓦斯（一般在5%~16%之間）與火源接觸（一般需要512℃以上），並且坑道內有氧氣存在（含量12%以上），就會發生猛烈爆炸，有時會造成大量傷亡。

（6） 煤塵爆炸——當煤質中揮發物占總可燃物（固定炭加揮發物）10%以上，且形成的小顆粒煤塵懸浮在空氣中，當空氣中煤塵含量較多（30g/m3以上），遇700℃以上的火源，即會發生煤塵爆炸，煤塵爆炸的後果比瓦斯爆炸更嚴重，因為煤層爆炸會產生大量一氧化碳（CO）使人中毒，很多人不是炸死而是被毒死。

（7） 巷道坍塌——煤係地層除少數外，大多數強度很低，尤其是煤中的軟分層，用手即可撚成粉碎，所以巷道穩定性差，容易產生坍塌事故。

名詞

瓦斯湧出：掘進放炮以後，瓦斯從洞壁暴露麵，從爆下的岩塊和煤塊中均勻釋放的現象。(在鄰近煤層的掌子麵附近經常有瓦斯湧出。)

瓦斯噴出：在20 m長的巷道範圍內，從洞壁裂隙、孔洞或炮眼中湧出大量瓦斯，當噴出強度達到1 m3/min，噴出時間8 h以上時，稱之謂瓦斯噴出。

瓦斯事故教訓

①貴昆線岩腳寨鐵路隧道。隧道長2 714 m，鐵道兵六師施工，穿過7層煤，薄者0.1 m,厚者8.92 m,瓦斯湧出強度150 m3/h,壓力0.4 MPa。1959年1月27日下導坑掘進距洞口242 m處,火雷管點火及電燈接線引起二次瓦斯爆炸,並形成坍方,共死34人,傷65人；同年6月26日，電閘拉火又引起瓦斯爆炸,坑道坍方7處。從1月27日~6月26日半年中，共發生瓦斯爆炸6次，由於處置不當，死傷慘重（總計死傷220人）。

②達成鐵路炮台山隧道。全長3 078 m，位於成都郊區的金堂縣境內，鐵15局施工，全隧道不通過煤層，但隧道下方2 000~3 000 m處有煤，瓦斯沿地層裂隙上升到地表淺層，形成儲氣構造。1994年4月3日平導掘進到距洞口808 m處，燈炮爆裂引發瓦斯燃燒，死1人，傷3人。次日，汽車進洞運風管，由於汽車打火，又引起瓦斯爆炸，死12人。事故後實測，隧道瓦斯逸出強度為3.54 m3/h。

③都汶高速公路董家山隧道。雙洞,長4 111 m+4 081 m,中鐵一局施工進口，中鐵二局施工出口。該隧道多次通過煤層，但煤層都很薄，瓦斯壓力0.172~0.67 MPa,勘測資料認定為低瓦斯隧道，施工中又委托煤炭專業單位鑒定，仍定為低瓦斯隧道，因此施工中允許使用非防爆設備，采用汽車進洞出碴、進料。2005年12月上旬，隧道右洞進口掌子麵發生坍方（如下圖）。由於該處位於背斜核部、裂隙發育、裂隙中含有煤層瓦斯，坍方又促使瓦斯大量湧出。12月22日，襯砌台車上的不防爆插座打火，引起瓦斯爆炸，當場死44人，傷11人。爆炸氣流充滿1500巷道並衝出洞口，並將洞外幾十噸重台車推動幾十米。

四、瓦斯隧道設計、施工的有關規範及參考資料

1.《鐵路瓦斯隧道技術規範》TB10120-2002

2.《鐵路隧道施工規範》TB10204-2002

3.《公路隧道施工技術規範》JTJ024-94

4.《煤礦安全規程》（國家安全生產監督管理局、國家煤礦安全監察局2005年）

5.《防治煤與瓦斯突出細則》（煤炭工業出版社1995年）

6.《煤礦安全規程》讀本（煤炭工業出版社2005年）

五、瓦斯隧道及工區分類

瓦斯隧道：

凡隧道通過的地層中預計含有瓦斯或檢出瓦斯、即屬於瓦斯隧道（與瓦斯地段長度占全隧道比例大小無關）。

工區分類

非瓦斯工區(工區內不出現瓦斯)

瓦斯工區

低瓦斯工區(預計或實測全工區瓦斯湧出小於或等於0.5 m3/min)

高瓦斯工區（預計或實測全工區瓦斯湧出強度大於0.5 m3/min）

瓦斯突出工區(預計可能或實際已發生煤與瓦斯或岩石與瓦斯突出)

說明：低瓦斯工區與低瓦斯煤礦不同，低瓦斯煤礦瓦斯湧出量的上限是40 m3/min，而鐵路隧道低瓦斯工區瓦斯上限是0.5 m3/min，僅是前者1/40。所以，判斷是否屬於低瓦斯隧道的標準是很嚴格的，隻有隧道通過煤很少、煤不厚、瓦斯含量也低的隧道才能列入低瓦斯隧道，在公路和鐵路隧道中，這種情況很多。過去對瓦斯隧道不分高瓦斯還是低瓦斯，一律要求采用防爆設備，如一個3 000 m的隧道，隻通過一次煤線而且瓦斯不嚴重，也要求采用全套防爆設備。2002年以後，鐵道部新頒布的瓦斯隧道規範把低瓦斯隧道分出來，允許在一定安全措施的前提下，使用不防爆機具設備，這對於降低造價、提高修建速度是很有意義的。

六、低瓦斯隧道安全施工技術

1. 搞好低瓦斯隧道安全施工的重要性

（1） 低瓦斯隧道在鐵路和公路的瓦斯隧道中，數量最多、比例最大；

（2） 低瓦斯隧道中瓦斯湧出量小，洞內瓦斯濃度低，有時甚至量不出來。不論設計方還是施工方，容易忽視；

（3） 鐵路規範規定，低瓦斯隧道不要求使用防爆的機具和電氣設備，很多人以為與普通隧道沒有區別；

（4） 低瓦斯隧道一般不會出事故、在南昆線以後，內昆、水柏、渝懷等很多鐵路的低瓦斯隧道都正常施工，沒有出事故，已經產生了麻痹思想，但低瓦斯隧道搞不好一樣會爆炸，一樣會出事故，有必要強調它的安全生產重要性，有必要針對低瓦斯隧道的特點研究其安全生產技術。

2. 低瓦斯隧道災害事故種類

低瓦斯隧道在通過煤係地層（即含煤地層，包括煤線、雞窩煤、薄層煤以及煤層前後的含瓦斯岩層——一般為砂岩、泥岩、頁岩等沉積岩）時，易發生的事故隻有三種：

（1） 瓦斯爆炸；

（2） 瓦斯燃燒；

（3） 巷道坍方。

3. 瓦斯濃度管理標準

（1） 工區內任何地點、任何時刻的瓦斯濃度不大於0.3%；

（2） 任何地點瓦斯濃度達到0.4%時，應即刻報警，找出原因，及時處理；

（3） 任何地點瓦斯濃度超過0.5%，應在前後20 m範圍內立即停工，切斷電氣設備電源，查找原因並加強通風，觀測濃度變化；

（4） 開挖麵瓦斯湧出，且濃度超過0.5%時，掌子麵至二次模築襯砌起點之間立即斷電、停工撤人，如加強通風後濃度仍降不下來，則全工區停電撤人立即研究處理辦法。（兩個方案：a、如瓦斯湧出強度超過0.5 m3/min，改按高瓦斯工區處理、設備換裝；b、增加通風設備，加強通風，等待瓦斯湧出衰減）。

低瓦斯隧道的瓦斯濃度正常值是0.3%，上限值是0.5%，與瓦斯爆炸下限濃度5%相比，小得很多，這是因為：

（1） 5%是理想條件下的數據，由於隧道中條件複雜，瓦斯爆炸下限有時會有所降低，比如：空氣中煤塵濃度達到5 g/m3時，瓦斯爆炸下限可降為3%；有電火花發生時，因其溫度較一般火焰高，700℃可引爆濃度3.25%瓦斯；

（2） 測定人員有讀數誤差，儀表本身也有一定誤差；

（3） 隧道中的瓦斯泄漏點及濃度千變萬化無一定規律，而且泄漏的速度也不均勻，檢測濃度不一定是最高濃度；

（4） 一般規定，凡事故嚴重，可能產生人員傷亡時，安全係數應大一些（比如：豎井人員提升鋼繩安全係數規定為9），5%的爆炸濃度取安全係數為10，即得到低瓦斯隧道施工的上限濃度0.5%；

（5） 上限濃度0.5%適合低瓦斯工區的非防爆裝備（0.5%濃度瓦斯遇火源不會燃燒和爆炸），同時一般的通風設備也很容易使低瓦斯工區的瓦斯降到安全濃度（如風機供風量500 m3/min時，瓦斯稀釋後的濃度為0.5/500=0.1%,小於0.5%）

4. 洞內易引起瓦斯爆炸的危險地點

（1） 煤層附近的掌子麵

（2） 拱頂坍穴

（3） 拱頂以下30~40 cm範圍

（4） 巷道轉角

（5） 避人洞、避車洞、橫通道

（6） 停留的大型設備背風處

5. 瓦斯檢測

（1） 瓦斯檢測設備

瓦斯自動斷電報警器（如：AWJ-6型）；

便攜式瓦檢儀（光幹涉如：SWJ-A型、催化型如AZJ-91型）；

凡重要地點（如開挖麵、煤層附近、襯砌台車前方等），人員難於攀登地點（如坍穴頂部），均應設置自動斷電報警器的探頭。

（2） 檢測地點

開挖工作麵風流中；

未成洞段及已成洞段的拱頂下沿；

襯砌台車前方；

塌方、凹陷、裂隙、風流死角；

地質破碎、地層變化、溶洞；

進洞汽車、裝碴機車頭上(機頭上固定設置瓦測儀)；

停放的大型設備後方風流死角；

洞內電焊地點；

洞電通風機、電機及開關附近；

避人車洞、橫通道內；

其它通風不良處

（3） 檢測頻率

開挖麵在打眼後，放炮前、放炮後各檢測一次（即“一炮三檢測”）；

其餘時間及地點每班至少2次；

有異常現象時每小時1次；

特殊情況時應旁站不間斷量測。

（4） 檢測設備標定及檢修

每5天校正便攜式報警器或瓦斯傳感器（探頭）一次；

每7天校正瓦斯自動斷電報警器一次；

每15天校正光幹涉瓦斯測定儀一次；

每天應對照各種不同類型瓦檢儀表讀數，其誤差不應超過允許值。

每次通過煤層，應測量總回風風速及瓦斯濃度，計算出洞內瓦斯湧出總量（其它時間每月至少測量一次），並重新判定工區的瓦斯等級。

6. 關於瓦電閉鎖和風電閉鎖

在設計時判定隧道是否屬於低瓦斯隧道的依據是地質勘察資料，但由於技術水平和設備限製，地質工作往往存在或大或小的誤差。為了確保隧道開挖時即使突然出現大量瓦斯，仍不會發生爆炸事故。在隧道中安裝“兩閉頻”是非常必要的，所謂“兩閉頻”即“瓦電閉鎖”和“風電閉鎖”。

“瓦電閉鎖”——前已述，洞內重要位置均應布置探頭，長期不間斷監測瓦斯。當探頭測得風流中瓦斯濃度超標時，可立即自動啟動斷電報警器，切斷規定範圍的電器設備電源，並產生聲光報警。

“風電閉鎖”——當隧道內通風機由於某種原因不能運轉供風時，自動切斷停風區全部電氣設備電源。

7. 隧道內過煤層前的超前探測

定義：20 m範圍內瓦斯湧出強度大於0.5 m3/min的地段為高瓦斯區

為防止隧道掘進時誤穿高瓦斯區，在距煤層設計位置20 m（垂距）時，打超前鑽孔三個，並取岩芯，鑽孔直徑不小於Ф76。

通過開挖麵的超前鑽孔，可以了解：煤層位置、煤樣的噸煤含瓦斯量、瓦斯溢出速度、瓦斯壓力，瓦斯動力現象（頂鑽、夾鑽、噴孔等），判斷將要揭露的煤層是否與設計資料一致。如一致，可正常掘進；如不一致，應向設計、監理、業主方提出研究處理辦法

8. 過煤層鑽爆作業

按照規範，低瓦斯工區有以下特殊要求：

（1） 全工區采用煤礦許用炸藥；

（2） 全工區采用煤礦許用瞬發或毫秒電雷管；最後一段延時不大於130 ms。

9. 燈具及電纜

根據《鐵路瓦斯隧道技術規範》8.1.1條，低瓦斯工區的電氣設備和作業機械可使用非防爆型，但對於照明燈具，又規定采用防爆型（8.3.3條），似乎有些矛盾。據我在一些隧道實地觀察，覺得可以這樣處理：

（1） 靠近掌子麵的未成洞地段，是洞內瓦斯濃度最高段落，應采用EXDI型礦用防爆照明燈，防止掌子麵掘進時突然湧出大量瓦斯，發生事故。

（2） 已成洞地段，瓦斯已封閉，襯砌中溢出瓦斯量甚少，可采用一段非防爆燈具，但在成洞地段地點的起點（模板台車前方），應設置瓦電閉鎖探頭，一旦瓦斯濃度超標，應立即切斷燈具電源。

（3） 洞內高壓和低壓電纜規格，應按規範辦理，電纜芯線與電氣設備連接必須使用齒形壓板或線鼻子；

（4） 工地移動照明，應采用礦燈，或防爆應急燈。

10. 施工通風

低瓦斯工區可以用獨頭巷道風管壓入式通風，也可以用巷道式通風。當采用巷道式通風時，開挖麵附近還應布置局扇（壓入式）。目前射流風機常常作為隧道通風的輔助風機，比如：布置在掌子麵附近防止瓦斯停留（因壓入式通風管端部常常距開挖麵太遠），布置在橫通道內作為主風機形成巷道全風壓風流。洞內風機及開關應使用防爆型。

11. 電源

低瓦斯工區不要求設置兩套互為獨立的供電係統，但主通風機應有二路電源，直接由變電所饋出並來自不同變壓器，當一路停電時，另一路在15 min內接通供電。

12. 支護施工

巷道開挖暴露煤層後，應盡快施作錨噴初期支護，用摻氣密劑的噴砼覆蓋煤層和有瓦斯湧出的岩麵、噴砼厚度不小於15 cm。當巷道變形噴砼表麵出現開裂，還應進行補噴、補噴厚度至少5 cm。

當洞壁噴砼不能有效減小瓦斯溢出時，可采用：

（1） 對洞壁徑向注漿，封堵瓦斯滲漏通道（用C-S漿，注漿厚度3 m）

（2） 提前施做瓦斯隔離層和二次襯砌（氣密性砼），厚度不小於40 cm，襯砌接縫應進行氣密處

13. 其它



（1） 施工通風應24 h不間斷，通風機應有備用；

（2） 低瓦斯工區也應進行火源管理，嚴禁火源進洞，洞內及洞口20 m範圍禁煙，洞口設檢查崗，洞內不得儲存易燃品（油類等），進洞人員不得穿易產生靜電服裝，進出洞人員應登記；

（3） 所有施工人員均需崗前培訓，合格後發給上崗證才能進洞；

（4） 各工區應建立必要的安全生產製度，如瓦斯檢測登記製度，瓦斯檢測工作細則、瓦斯儀表校正檢修製度、電氣設備檢查和修理保養製度、煤層采樣試驗規程、超前探孔施工作業細則等；

（5） 關於瓦斯隧道安全施工內容很多，有的也很細，這裏不能一一介紹，不詳之處，請參看前麵列舉的一些參考資料和規範，但以《鐵路瓦斯隧道技術規範》為主。