有害氣體和巖石突出條件下的隧洞開(kāi)挖安全措施

黃敏富, 沈文權(quán), 劉 文

(木里縣木里河大沙灣水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,四川木里 615800)

1 木里河沙灣電站“3.27事故”概況

木里河又名理塘河,是雅礱江中游右岸的最大支流。沙灣水電站是木里河干流“一庫(kù)六級(jí)”規(guī)劃中的第三級(jí)電站,采用引水式開(kāi)發(fā),設(shè)計(jì)引用流量 125m3/s,設(shè)計(jì)水頭 235m,裝機(jī)容量 280 MW。樞紐建筑物主要由首部樞紐、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、廠區(qū)樞紐等幾大部分組成。引水隧洞為總長(zhǎng) 18.77km、襯砌后內(nèi)徑 7.2m的圓形斷面有壓隧洞。

2008年 3月 27日凌晨 2∶40左右,沙灣電站引水隧洞 1#施工支洞下游掌子面在完成鉆孔、裝藥后,該作業(yè)面 10名工人撤離到安全距離實(shí)施爆破。爆炸發(fā)生后,瞬間從掌子面涌出大量有毒和窒息性的氣體并向洞外高速擴(kuò)散,造成了這 10人相繼中毒窒息死亡的重大中毒事故。此類(lèi)事故極為罕見(jiàn),據(jù)筆者了解,除煤礦外,在國(guó)內(nèi)水電工程中未見(jiàn)先例。

圖1為事故救援中找到 10名遇難者的分布位置。對(duì)圖 1進(jìn)行分析,判斷第一次發(fā)現(xiàn)的 9名遇難者是先行撤離的工人,最后找到的第 10名遇難者是執(zhí)行點(diǎn)炮任務(wù)的工人。

隧洞開(kāi)挖斷面面積約 44m2,下游主洞和施工支洞空間體積合計(jì)達(dá) 4萬(wàn)余 m3,說(shuō)明爆炸發(fā)生后涌出的有害氣體量巨大、毒性強(qiáng),導(dǎo)致距支洞僅200m、已快走出洞外的工人迅速失去知覺(jué)且來(lái)不及自救。

事發(fā)時(shí)上游另有 6人在作業(yè),但這 6人未受到毒氣傷害,說(shuō)明因上游是封閉巷道,其內(nèi)壓阻滯了毒氣向上游大量擴(kuò)散,而是沿著施工支洞這個(gè)開(kāi)放通道擴(kuò)散。

圖1 事故遇難者分布位置示意圖

2 事故現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件和突出現(xiàn)象

事故調(diào)查時(shí),在掌子面處發(fā)現(xiàn)本次爆破造成了大量巖石突出,爆堆總長(zhǎng)度達(dá) 69m,其中前 45 m堆渣面較平緩,距洞頂高度僅 0.6～1.2m,后24m呈斜坡?tīng)疃逊e(圖 2)。經(jīng)測(cè)算,總計(jì)松方約2031m3(總重量約 3200多 t)。

通常隧洞開(kāi)挖一個(gè)循環(huán)的正常進(jìn)尺為 3m,爆破產(chǎn)生巖渣約 176m3,而本次事故爆出的堆渣體積是正常情況下的 11.5倍。此外,堆積物及巷道還具有以下特征:

(1)堆積物分選現(xiàn)象明顯:里面是大塊,外面是小塊,再往外是細(xì)渣,然后是面粉狀,在水中成漿糊狀,深度達(dá) 0.3m。

(2)掌子面往外 200m和更遠(yuǎn)的地方巷幫迎掌子面?zhèn)扔蟹蹓m堆積,由里向外逐漸變薄,厚者達(dá)5mm。

(3)目測(cè)巷道幫、頂完好,未受破壞。

圖2 洞內(nèi)巖石突出的堆渣情況示意圖

引水隧洞 1#洞段以石英砂巖為主,夾有鈣、硅質(zhì)板巖,局部地段裂隙發(fā)育,部分洞段地下水以滴水、滲水形式出露,圍巖穩(wěn)定性總體較好。事故調(diào)查組在爆出的砂巖中發(fā)現(xiàn)夾雜有硫和硫化物,在支洞口附近部位開(kāi)挖后的巖石表面暴露有硫磺物質(zhì)。

爆堆清理完畢,上方暴露出高度約 25m、直徑 7～12m、口小腔大的梨形空腔(圖 3)。該段地質(zhì)條件:巖性為奧陶系下統(tǒng)人工組(O1r)灰 ～深灰色淺變質(zhì)石英砂巖夾少量砂質(zhì)板巖,以堅(jiān)硬巖石和中等硬質(zhì)為主,中 ～薄層狀結(jié)構(gòu),巖石新鮮,層面裂隙上見(jiàn)有黃色銹染,巖層為緩傾角,巖層走向與隧洞走向呈 74°大交角,隧洞在此處埋深 450m。裂隙主要有三組,其中第 2組與第 3組裂隙在頂拱構(gòu)成不利組合,塌腔洞壁干燥,無(wú)地下水出露,為緩傾角水平巖層順層坍塌。

圖3 3.27事故塌腔段現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)素描圖

參考《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》,該段地質(zhì)條件和爆出的堆積物符合巖石與二氧化碳(瓦斯)突出、煤與瓦斯突出的大部分特征,可判斷為“混合氣體及巖石突出”。

3 事故原因分析

1#支洞下游主洞內(nèi)最早于 2007年 11月開(kāi)始可嗅出不明臭味氣體,且在 2008年 1月發(fā)生過(guò)一名工人在放炮后進(jìn)洞查炮時(shí)在掌子面被熏傷的事故。當(dāng)時(shí)對(duì)該事故的認(rèn)識(shí)是放炮后通風(fēng)時(shí)間不足,工人過(guò)早返回掌子面,因炮煙、粉塵、巖石裂隙中緩慢逸出的有害氣體等未稀釋而造成工人中毒受傷。此后,采取了 24h加大通風(fēng)量、放炮后通風(fēng) 40min以上方可進(jìn)洞等措施,并使用多種氣體檢測(cè)儀對(duì)《水工建筑物地下開(kāi)挖工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的八種氣體進(jìn)行跟蹤檢測(cè),由于認(rèn)知水平所限,各方對(duì)巖石和氣體突出均無(wú)所知,否則“3.27事故”應(yīng)可避免。

2008年 4月 26日,專(zhuān)家組在現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí),從1#支洞口到下游掌子面沿程檢測(cè)到:CO2:1.7%～2.9%,SO2:1.5～7.6ppm。使用進(jìn)口氣體檢測(cè)儀檢測(cè)到 H2S最高達(dá) 19.4ppm,SO2最高達(dá) 17.6 ppm。

根據(jù)多次氣體檢測(cè)結(jié)果和調(diào)查現(xiàn)象,對(duì)混合氣體的主要成分(即突出的動(dòng)力源)分析如下:

(1)排除氣體爆炸的可能性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)距掌子面 140m處吊掛的風(fēng)筒完好及掌子面到洞口未發(fā)現(xiàn)爆炸痕跡判別未發(fā)生爆炸。

(2)排除瓦斯突出。電站工程區(qū)范圍內(nèi)無(wú)煤系地層和油頁(yè)巖地層,不可能產(chǎn)生高壓瓦斯,事故發(fā)生前后均未曾檢測(cè)到 CH4的存在。整個(gè)巷道為白熾燈照明,不防爆,如為瓦斯突出則氣流到達(dá)洞內(nèi)某段范圍時(shí),CH4濃度在爆炸范圍內(nèi)將發(fā)生爆炸或燃燒,而現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)瓦斯爆燃現(xiàn)象。因此,可排除突出動(dòng)力源為瓦斯。

(3)H2S和 SO2為突出動(dòng)力源的可能性小。H2S和 SO2均是有劇毒、對(duì)眼及呼吸道粘膜有刺激作用的氣體,二者在濃度達(dá) 500ppm時(shí)即可在短時(shí)間內(nèi)使人致命,H2S濃度超過(guò) 600ppm時(shí)可在數(shù)秒鐘內(nèi)致人呼吸麻痹死亡。

假如 H2S和 SO2為突出主動(dòng)力源,則混合氣體中二者的濃度已不在 ppm這個(gè)數(shù)量級(jí)上。要發(fā)動(dòng) 3200多 t巖石突出,至少需 5萬(wàn) m3的氣體,如此大量高濃度的有毒氣體到達(dá)支洞外,洞口周?chē)闹参飳⒋罅克劳?并且毒氣在向上游隧洞擴(kuò)散時(shí),雖受內(nèi)壓阻滯,但因濃度太高仍會(huì)造成在上游作業(yè)的工人受傷。而在現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí),這些現(xiàn)象均未發(fā)現(xiàn)。因此推斷,H2S和 SO2不是突出的主動(dòng)力源。但突出的混合氣體的確含有高濃度的H2S和 SO2,主要來(lái)源于:①該段含硫礦物水解、氧化、釋放的 H2S或 SO2積聚在空腔、裂隙中;②突出巖石的含硫量比正常多十倍以上,在炸藥爆炸時(shí)參與反應(yīng),急速生成大量的 H2S和 SO2。

(4)CO2為突出主動(dòng)力源的可能性最大。CO2是窒息性氣體,當(dāng)空氣中 CO2含量過(guò)高時(shí),會(huì)使人嚴(yán)重缺氧而窒息?？諝庵?CO2含量達(dá)到9%～11%時(shí),可導(dǎo)致人幾分鐘內(nèi)死亡。

在現(xiàn)場(chǎng)勘查中,檢測(cè)到 CO2遠(yuǎn)比其它氣體濃度高。該段地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,火成巖、碳酸巖中含有硫化物等,在地下裂隙水豐富的條件下,火成巖中的硫化物呈酸性,可逐步與碳酸巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成 CO2,聚積在已分解的碳酸巖的巖隙中而無(wú)法釋放,長(zhǎng)期聚積則形成充滿(mǎn) CO2高壓氣體的蜂窩狀氣囊。這種推理能夠較好的解釋事故現(xiàn)場(chǎng)的各種現(xiàn)象,因此判斷:高壓的 CO2是突出的主動(dòng)力源。

(5)地應(yīng)力增加了巖石突出的動(dòng)力。發(fā)生巖石突出的洞段距地表垂直深度達(dá) 400～460m,地應(yīng)力較大,巖層裂隙較發(fā)育。雖然尚不足以產(chǎn)生巖爆,但地應(yīng)力的存在使巖石突出更容易。

(6)炸藥爆炸時(shí),炮眼孔壁和爆出的砂巖塊中夾雜的大量硫和硫化物、高壓氣囊中存在的硫化氣體在局部高溫高壓下參與爆炸,從而增大了炸藥爆炸的能量,其結(jié)果爆出了更多的巖石。在現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí),發(fā)現(xiàn)突出的渣體溫度較高,有烘熱感,說(shuō)明渣體內(nèi)部發(fā)生過(guò)或正在進(jìn)行放熱化學(xué)反應(yīng),進(jìn)一步證明了硫和硫化物參與爆炸的可能性。

綜上所述,“3.27事故”巖石和有害氣體突出產(chǎn)生的機(jī)理是:

當(dāng)隧洞掘進(jìn)到高壓氣囊附近時(shí),由于炸藥爆破誘發(fā)的動(dòng)力效應(yīng),使原先約束高壓氣囊的巖體受到破壞而無(wú)法抵抗氣體高壓,或者氣囊被直接打開(kāi),此時(shí)氣體高壓、炸藥爆炸、硫和硫化物參與爆炸、地應(yīng)力等多種力量疊加,形成巖石和混合氣體突出,瞬間涌出大量以 CO2為主并含有高濃度H2S和 SO2的窒息性、劇毒性混合氣體,沿掌子面→主支洞三岔口→支洞口方向高速?zèng)_出,導(dǎo)致 10名工人在很短的時(shí)間內(nèi)相繼發(fā)生中毒和窒息而死亡。炸藥爆炸產(chǎn)生的炮煙(一氧化碳、氮氧化物、氨等)也增加了混合氣體的毒性。

突出規(guī)模:巖石 2031m3,混合氣體量 5萬(wàn)m3。根據(jù)突出的堆積形態(tài)及其運(yùn)動(dòng)特征,估計(jì)突出層混合氣體聚藏壓力約為 10～15MPa。

4 防治巖石和有害氣體突出的措施

“3.27”事故發(fā)生后,引水隧洞 1#支洞與 2#支洞之間尚有 167m主洞未開(kāi)挖,該洞段屬突出危險(xiǎn)區(qū)。為防止再次發(fā)生事故,在該洞段后續(xù)開(kāi)挖中采取了一系列安全施工措施。

4.1 采用預(yù)兆法預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)

混合氣體與巖石突出是一種復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象,到目前為止,對(duì)各種地質(zhì)、開(kāi)挖條件下突出發(fā)生的規(guī)律還沒(méi)有完全掌握。根據(jù)現(xiàn)已掌握的一些規(guī)律,在開(kāi)挖掌子面具有以下一部分特征和預(yù)兆時(shí),應(yīng)預(yù)測(cè)為突出危險(xiǎn)工作面:

(1)隨著掘進(jìn)深度(埋深)的增加,突出危險(xiǎn)也增加。突出可發(fā)生在不同地點(diǎn)且多數(shù)突出發(fā)生在爆破時(shí)。

(2)突出多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶,如斷層、褶曲、層滑、扭轉(zhuǎn)區(qū)、火成巖的侵入?yún)^(qū)、巖層產(chǎn)狀與厚度急劇變化或異常變化帶、封閉的向斜軸部、帚狀構(gòu)造的收斂端、巖層變軟、層理紊亂、傾角變陡、波狀隆起、巖石呈薄片狀或松軟碎屑狀的地帶等。

(3)突出前地壓:表現(xiàn)為壓力增大,使支架變形、發(fā)出嘎嘎聲或折裂聲,巖壁外鼓、片幫掉渣,用手摸巖壁時(shí)有沖擊和震動(dòng)感,炮眼變形,裝不進(jìn)藥,打鉆時(shí)頂鉆、夾矸、垮孔、噴孔、響炮等。工作面爆破后,進(jìn)尺超過(guò)炮眼深度。

(4)工作面 CO2、瓦斯等氣體涌出異常,涌出量增大或忽大忽小,粉塵濃度增大,空氣氣味異常、悶人。

(5)氣溫變化:一般為巷道氣溫下降,巖壁發(fā)冷。

(6)有聲預(yù)兆:響禮炮、劈裂聲、機(jī)槍聲、鞭炮聲、悶雷聲。聲音由遠(yuǎn)到近,由小到大,有短暫的,也有連續(xù)的,間隔時(shí)間長(zhǎng)短也不一致。

4.2 采用巖芯法和測(cè)壓法預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)

在掌子面前方巖體內(nèi),沿巷道軸線方向打 2個(gè)直徑為 50～70mm、孔深 50～60m的測(cè)壓孔(其中一個(gè)孔取出全部巖芯),測(cè)定孔內(nèi)氣體壓力,然后采用下列方法預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn):

(1)參照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》,測(cè)壓孔內(nèi)壓力達(dá) 0.74MPa以上的部位為突出危險(xiǎn)區(qū)。

(2)從取芯孔深 2m處起記錄巖芯中的圓片數(shù),按 10m一段預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn):①當(dāng)取出的巖芯大部分在 150mm以上且有裂縫環(huán)繞,個(gè)別為小圓柱體或圓片時(shí),應(yīng)預(yù)測(cè)為一般突出危險(xiǎn)地帶。②在取出的1m長(zhǎng)的巖芯內(nèi),部分巖芯呈現(xiàn)出 20～30個(gè)圓片,其余巖芯為長(zhǎng) 50～100mm的圓柱體并有環(huán)狀裂隙時(shí),應(yīng)預(yù)測(cè)為中等突出危險(xiǎn)地帶。③當(dāng) 1m長(zhǎng)的巖芯內(nèi)有 20～40個(gè)凹凸?fàn)顖A片時(shí),應(yīng)預(yù)測(cè)為嚴(yán)重突出危險(xiǎn)地帶。④巖芯中沒(méi)有圓片、巖芯表面沒(méi)有環(huán)狀裂縫時(shí),可預(yù)測(cè)為無(wú)突出危險(xiǎn)地帶。

4.3 防治突出的卸壓和爆破措施

(1)深孔卸壓。如采用上述方法預(yù)測(cè)到掌子面前方為突出危險(xiǎn)區(qū),則應(yīng)在隧洞周邊 10m范圍布置 3～4排超前探鉆孔(或抽排鉆孔),孔徑、孔深同測(cè)壓孔,排距、孔距為 2～3m。利用深孔卸壓原理,對(duì)巷道周邊 10m范圍內(nèi)進(jìn)行卸壓和排放有害氣體,使測(cè)壓孔壓力降到 0.74MPa以下。措施有效后開(kāi)始掘進(jìn),掘進(jìn)到測(cè)壓孔還剩 5m時(shí),重新打測(cè)壓孔和卸壓排放孔直至該段隧洞貫通。

(2)爆破措施。①在一般或中等突出危險(xiǎn)地帶,可采用淺孔爆破或遠(yuǎn)距離多段爆破法,以減少對(duì)巖體的震動(dòng)強(qiáng)度,降低突出頻率和強(qiáng)度。②在嚴(yán)重突出危險(xiǎn)地帶,可采用超前鉆孔和深孔松動(dòng)爆破措施。超前鉆孔直徑不小于 75mm,孔數(shù)不少于 3個(gè),孔深應(yīng)大于 40m,鉆孔超前工作面的安全距離不得小于 5m。深孔松動(dòng)爆破孔徑為60～75mm,孔深 15～25m,封孔深度不小于 5 m,孔數(shù) 4～5個(gè),其中爆破孔 1～2個(gè),其它孔不裝藥,以提高松動(dòng)效果。

(3)簡(jiǎn)化的探孔卸壓方案。2008年 11月,業(yè)主委托地質(zhì)隊(duì)對(duì)該 167m洞段實(shí)施鉆孔卸壓工作,但因巖石硬度系數(shù)≥8,所用 150型煤礦用鉆機(jī)鉆進(jìn)困難,且又無(wú)法及時(shí)更換配金剛石鉆頭的高功率鉆機(jī),因此而無(wú)法繼續(xù)實(shí)施鉆深孔的方案。經(jīng)與咨詢(xún)單位共同研究,決定對(duì)方案進(jìn)行簡(jiǎn)化,改長(zhǎng)孔(50～60m)卸壓為短孔卸壓(6～7m)。具體方法:開(kāi)挖掘進(jìn)時(shí),每個(gè)循環(huán)鉆孔深 6～7m作為超前鉆探,但爆破不超過(guò) 2m,留 4m以上巖壁。如手風(fēng)鉆能穿入前方高壓氣囊,則可使其釋放卸壓;如未穿入高壓氣囊,則留4m以上巖壁具有一定的抵抗力,可限制或減輕巖石和氣體突出。

4.4 加強(qiáng)通風(fēng),以風(fēng)定產(chǎn),保證通風(fēng)質(zhì)量

施工中保持 24h不間斷通風(fēng)。開(kāi)工前對(duì)風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒等進(jìn)行系統(tǒng)檢查,由專(zhuān)職測(cè)風(fēng)員測(cè)定風(fēng)量、風(fēng)速,確保主洞單工作面供風(fēng)量在 500～600 m3/min以上,工作面附近的最小風(fēng)速不低于0.15m/s,風(fēng)筒末端距掘進(jìn)掌子面不超過(guò) 20m。

4.5 采用隔絕式安全防護(hù)措施

鉆孔時(shí),鉆桿有可能打到有害氣體聚集的高壓氣囊,為防止有害氣體通過(guò)炮孔噴出傷人,要求鉆孔作業(yè)人員必須佩戴長(zhǎng)管呼吸器(或供氧時(shí)間4h以上的氧氣呼吸器)作業(yè),以保證作業(yè)期間不會(huì)吸入有害氣體。所有進(jìn)洞人員還要隨身佩帶化學(xué)氧自救器,發(fā)生緊急情況時(shí)(如氣體檢測(cè)儀報(bào)警、突然停電等),迅速戴上自救器進(jìn)行呼吸,20 min內(nèi)撤離。

4.6 嚴(yán)格執(zhí)行洞外放炮制度

裝藥后、放炮前,洞內(nèi)所有人員撤離洞外,凡與危險(xiǎn)掌子面相連通的所有洞段均不得留人(否則應(yīng)砌筑墻體隔離)。關(guān)閉全部電源,使用電雷管在洞外引爆。這樣操作,即使發(fā)生突出,也可避免人員傷亡事故的發(fā)生。

4.7 加強(qiáng)氣體監(jiān)測(cè)

(1)放炮后必須通風(fēng) 40min以上,先由佩戴防護(hù)用具(氧氣呼吸器、化學(xué)氧自救器、氣體檢測(cè)儀)的救護(hù)隊(duì)員、專(zhuān)業(yè)氣體檢測(cè)人員入洞檢查,待各種有害氣體不超標(biāo)、沒(méi)有突出時(shí),其它人員方可入洞,否則應(yīng)繼續(xù)通風(fēng),直至洞內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)為止。

(2)鉆孔作業(yè)時(shí),專(zhuān)職人員進(jìn)行旁站氣體監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)異常,立即組織所有人員撤離洞外。

(3)有害氣體的巡回檢查。專(zhuān)職檢測(cè)人員對(duì)隧洞各段每班巡回檢查三次,特別應(yīng)注意爆破后清矸點(diǎn)有害氣體濃度的檢查,最長(zhǎng)為半小時(shí)檢查一次,以確保各種有害氣體濃度在規(guī)定范圍之內(nèi)方可作業(yè)。為防止清渣時(shí)有害氣體從渣體、水中或先前堵塞的孔隙中逸出傷人,裝載機(jī)和汽車(chē)駕駛員均須備有防護(hù)用具。

4.8 其 它

(1)每班作業(yè)前必須檢查長(zhǎng)管呼吸器、氧氣/空氣呼吸器、氣體檢測(cè)儀表、通風(fēng)系統(tǒng)(風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、風(fēng)管、風(fēng)筒)等工作是否正常。

(2)加強(qiáng)頂板支護(hù)檢查及敲幫問(wèn)頂工作。進(jìn)班前,首先檢查工作面是否安全,檢查頂板和兩幫是否穩(wěn)定,如有松動(dòng)的石、土塊或裂縫應(yīng)先予以清除或支護(hù)。

(3)做好氣體檢測(cè)、風(fēng)量、出渣量、施工日志等各項(xiàng)記錄。

(4)其他安全操作要求,參照《隧道鉆爆法掘進(jìn)安全操作規(guī)程》等規(guī)程規(guī)范。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于在施工各環(huán)節(jié)上針對(duì)突出問(wèn)題采取了有針對(duì)性的施工方案,并制定了嚴(yán)密的安全保證措施和制度,從而保證了沙灣電站 1#支洞下游剩余167m突出危險(xiǎn)洞段的安全貫通,其經(jīng)驗(yàn)可供類(lèi)似情況的工程借鑒,并建議參建單位要建立完善的安全管理制度,加強(qiáng)安全檢查和隱患整改,加強(qiáng)安全教育培訓(xùn),增強(qiáng)職工安全意識(shí),這是防止安全事故發(fā)生的基礎(chǔ)。