摘要：高瓦斯隧道施工安全风险极高，易发生瓦斯爆炸事故，施工技术复杂，施工过程中存在诸多安全隐患及技术难题，其中隧道穿越煤层进行揭煤施工是其中最复杂的课题之一，依托织毕铁路杨家坡高瓦斯隧道揭煤施工的工程实例，对施工过程中采用的一系列施工技术措施进行归纳总结，为后续同条件高瓦斯隧道施工提供参考。
关键词：高瓦斯隧道；揭煤技术；瓦斯排放
引言
在国家扶贫开发大战略的背景下，为了尽快改变贵州黔西北地区贫困落后的面貌，织毕铁路应运而生，是贵州毕节地区的第一条铁路，建成通车后将改变毕节地区不通火车的落后面貌，极大的促进了地方经济的发展。织毕铁路位处云贵高原，喀斯特地貌，高山深沟纵横，桥隧相连，隧道占比大，隧道施工风险高，难度大，其中岩溶、瓦斯是贵州地区隧道施工的两大难题，给施工带来了极大的困扰。本文以织毕铁路杨家坡高瓦斯隧道揭煤施工的工程实例为依托，对施工过程中采用的一系列工程技术进行归纳总结，特别在超前地质预报、煤层厚度预测、瓦斯监控、瓦斯探测、瓦斯排放、瓦斯防突防爆、揭煤施工等方面，取得了一定列的成果，即安全又经济高效。
一、工程概况
新建织毕铁路杨家坡隧道，全长1737m，单线客货两用铁路隧道，隧道DK327+850～DK328+985段1135米属于煤系地层，多次穿越煤层，隧道洞身含煤层21～36层，煤层厚0.1～12米不等，平均厚度6.5米，含煤系数12.71%。瓦斯涌出量为7.87～11.37m3/min，是《铁路瓦斯隧道技术规范》瓦斯涌出量0.5m3/min的15.74～22.74倍，确定为高瓦斯隧道。
二、高瓦斯隧道超前地质预报技术
超前地质预报已纳入隧道施工常态化管理中，对前方地质情况进行预判，针对不同的地质情况，采取不同的施工工艺及支护方式，不盲目掘进施工。特别是高瓦斯隧道，超前地质预报更为关键，是施工人员的 “眼睛”，进入煤系地层后，隧道揭煤施工前，开展以地质素描（现场专业地质工程师进行地层判定）、物探法（弹性波TSP、地质雷达、红外探水）、钻探法（超前地质钻孔、加深炮孔）等手段的综合地质预报，钻探法中的超前地质钻孔最具有直观性、准确性，也是施工过程中最长用的一种方法，每循环布设5个钻探孔，孔深30米，20米一个循环，搭接10米，钻孔布置如下图1所示。以上预报方法相互验证，以预测煤层的位置、产状（走向、倾向、倾角）、煤层厚度等，为瓦斯排放、瓦斯防突、揭煤施工、围岩支护等提供依据，同时探测前方是否存在采空区、大量水体等不良地质情况存在 。
图1 超前地质钻孔布置图
三、隧道瓦斯监控技术
针对隧道高瓦斯的特点，采用自动监控与人工监控相结合。
人工监控采用在掌子面、模板台车顶部的上隅角设置便携式甲烷检测报警仪，在检测到瓦斯浓度＞0.5%时报警，瓦斯浓度＞1%时命令切断作业区电源，工人停止作业，并撤出作业人员。并设风速传感仪，对于回风处风速小于1m/s时停止作业并检查原因。对需人工检测的部位，保证每120分钟检测一次，遇瓦斯突出或异常情况需随时监测。在洞口测风站配备手动式测风仪，定期测定回风巷的风流速度。当风流速度变化时，及时找出原因，采取措施。
自动监控系统采用KJ90瓦斯自动监控系统，组成如下图2所示，分监控主机、系统分站、洞内感应探头，感应探头延洞轴线每20米布设一道，每道布设3个探头，拱顶及左右侧拱腰各一处。
图2 KJ90瓦斯自动监控系统
四、隧道内瓦斯检测技术
成立专门瓦斯检测班组，经过瓦检专业培训合格且取得证件人员组成，每班3人，3个班组，24小时洞内瓦斯检测，每人配备便携式手持瓦检仪。对瓦斯易于聚集的掌子面拱部、风筒拱腰、衬砌台车死角等部位进行重点检测，发现异常，立即报警，具体瓦斯浓度超限处理措施如下表1所示。制定相关管理制度，定期不定期对瓦斯检测人员进行考核，杜绝“漏检”、“假检”和“少检”，确保瓦斯浓度记录真实、准确。
表1 隧道内瓦斯检测浓度超限处理措施
五、煤与瓦斯突出危险性预测
正洞上台阶（Ⅰ部）掌子面距煤层5m垂距，施作3孔Φ108穿透煤层的预测孔，如下图3所示，通过钻孔测定煤层瓦斯浓度、压力、煤的瓦斯放散初速度与坚固性系数、钻屑瓦斯解吸指标等。预测方法不得少于两种，相互验证。预测方法及要求详见《防治煤与瓦斯突出规定》、《铁路瓦斯隧道技术规范》。正洞下台阶（Ⅱ部）原则上采用正洞上台阶预测结果，不再进行突出危险性预测。
图3 距煤层5m垂距瓦斯预测孔布置图
六、瓦斯排放技术
当预测孔中检测出前方煤层有可能发生瓦斯突出危险时，进行瓦斯排放施工，采用超前钻孔排放，排放孔布置如下图5所示。根据预测煤层厚度采用石门分步法排放，距煤层5米、3米、1米石门处分步钻孔进行瓦斯排放，石门分步法瓦斯排放如下图4所示。
图5瓦斯排放孔布置图
七、瓦斯排放管控及防突防爆技术
（1）加强通风
高瓦斯隧道施工，预防瓦斯燃烧与爆炸的主要措施是加强通风以降低瓦斯浓度，使其在瓦斯限值范围内。通风装置设两套独立的通风机和各自独立的电机，备用发电机，洞内设专用防爆变压器、专用防爆开关、专用防爆线路，一闭锁（风，电）设施，局部采用扇风机加速空气流动。瓦斯含量较低时，可考虑一套通风机，其中一台备用。局部扇风机的掘进工作面，无论工作或交接班时，都不准停风。因检修、停电等原因停风时，必须撤出人员，切断电源。再次作业时，先进行通风30小时后，检测瓦斯浓度不超过0.5%时，方可继续作业。
（2）防止瓦斯喷出、突出措施
瓦斯排放：瓦斯含量不大时，通过排放孔自然排放或向煤层中通风加压加速瓦斯排出。当瓦斯含量高、喷出强度大、持续时间长时，则利用排放孔插管引流至回风口处加速排放；
水力冲孔：在进行开挖之前，使用高压水射流，在突出危险煤层中，冲出若干较大的孔洞，使瓦斯解吸和排放，降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力。
深孔松动爆破：在开挖工作面向煤体深部的应力集中带内布置几个长炮眼进行爆破，其目的在于利用炸药的能量破坏煤体前方的应力集中带，在工作面前方造成较长的卸压带，使得瓦斯能够顺利延钻孔排出，从而预防突出的发生。
煤层注水：通过钻孔将压力水注入煤层，使煤体湿润以改变煤的物理机械性质，减小或消除突出的危险性。
（3）防治瓦斯爆炸措施
降低洞内瓦斯浓度措施：措施主要是加强通风，确保洞内风速保持在0.25m/s以上。
防火措施：使用毫秒雷管和煤矿安全炸药，雷管总延期不得超过130ms；深度小于0.6m的炮眼严禁放炮。洞内机械设备均采用防爆型。洞内禁止进行电焊、气焊作业，钢架、钢筋均采用绑扎及机械连接。施工人员严禁穿戴化纤衣物进洞，预防静电。为防治产生撞击火花，装碴前要将石碴洒水湿润，拆卸钢模板时使用木锤。
（4）隧道中电器照明设备选用
根据煤矿安全规程井下电气设备选用的规定，高瓦斯隧道所有巷道内电器设备均应采用矿用防爆型，照明设施也采用安全低压矿用照明灯具，开关电缆均采用矿用防爆型。
（5）隧道施工中设备选用
运输出渣车辆、设备等，出碴采用防爆挖掘机辅助防爆装载机挖、装，防爆自卸汽车运输，二次衬砌采用防爆模板台车衬砌，砼在洞外集中拌和，防爆砼灌车运输，泵送入模。
（6）施工降尘
为杜绝煤尘燃爆事故，洞内防尘降尘采用拱顶及拱脚安设φ40高压水管，水管上每5m安设高压水雾喷头，进行水雾喷洒湿式降尘。成洞段采用水车洒水进行防尘降尘。
八、隧道内揭煤施工技术
瓦斯排放完成后，通过排放孔测定瓦斯浓度、压力值，达到正常允许范围后，进行揭煤施工。开挖采用台阶钻爆法施工，石门内钻爆采用湿式钻孔，进入煤层后采用煤矿许用电钻钻眼，3#煤矿炸药、煤矿延时电雷管起爆，不同厂家生产的或不同品种的电雷管不得掺混使用。光面爆破，出碴采用防爆挖掘机辅助防爆装载机挖、装，防爆自卸汽车运输，二次衬砌采用防爆模板台车衬砌，砼在洞外集中拌和，防爆砼灌车运输，泵送入模，混凝土采用气密性防腐混凝土。隧道仰拱、二次衬砌在开挖、初期支护完成并满足有关要求后尽快封闭，减少瓦斯溢出量。初期支护紧跟掌子面。当石门揭穿后，在半岩半煤中掘进，工作面应始终保持瓦斯浓度在安全范围内，瓦检员时时检测，局部扇风机24小时不停，加快作业面空气流动，无论工作或交接班时，都不准停风。根据各煤层厚度及编号，进行分层分段揭煤，工作面前方瓦斯排放完成安全区不得小于10m。穿过煤层后，进入下一煤层前，相同工序施工。煤层段落施工要做好超前支护（管棚或小导管），施工过程中严格遵循 “探超前、短进尺、弱爆破、管超前、强支护、早封闭、勤测量、勤检测”的原则。
九、总结
高瓦斯隧道，易发生瓦斯爆炸事故，在揭煤施工过程中，采用TSP、超前钻孔、地质素描、加强通风、湿式降尘、人工手持瓦检仪和自动瓦斯监测仪相结合（KJ90瓦斯监控系统）等手段，准确对前方煤层做出预判，确定煤层位置、厚度、产状、走向及与隧道的关系，并分析煤层顶、底板岩性，掌握并收集瓦斯的浓度、压力及动力现象；距煤层垂距5m时施作一组预测孔（每组3孔），进行煤与瓦斯突出危险性预测，再进行瓦斯排放，瓦斯排放完成后测定瓦斯浓度及压力达到正常范围后，加强通风和防爆、防燃措施，安全经济有效的穿越了煤层，使得安全风险降到最低，防止了瓦斯爆炸事故的发生。
参考文献：
[1] 经批准的施工图和设计技术交底资料；
[2] 《防治煤与瓦斯突出规定》国家安全生产监督管理总局令第19号；
[3] 《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120-2002）；
[4] 《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB10304-2009）；
论文作者:李星旭
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/9/18
标签：瓦斯论文; 煤层论文; 隧道论文; 地质论文; 钻孔论文; 浓度论文; 超前论文; 《基层建设》2018年第27期论文;