煤層瓦斯地段隧道施工中存在的問題及對策

郭奉波

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550001）

在特殊圍巖中，要達(dá)到隧道施工中煤層瓦斯地段的安全可靠目標(biāo)，需要同時解決兩方面的問題：一方面要摸清特殊圍巖在隧道周邊的分布及其水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件，對可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重程度、災(zāi)害類型及性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測；另一方面要進(jìn)行有針對性的結(jié)構(gòu)與施工設(shè)計，制訂切實有效的施工方案與技術(shù)措施，對建設(shè)過程加以控制，使其向有利于建設(shè)目標(biāo)的方向發(fā)展，兩者缺一不可。然而，要做到以上兩點，還有許多需要研究與解決的問題，如超深埋隧道圍巖變形破壞機理的研究，特殊圍巖分級方法與標(biāo)準(zhǔn)研究，高壓富水地層防排水設(shè)計的研究，圍巖與支護(hù)間時空力學(xué)效應(yīng)與監(jiān)測技術(shù)的研究，特殊圍巖加固與改良技術(shù)的研究，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報評價技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究，瓦斯回收利用技術(shù)研究等。以下將結(jié)合草堤I號隧道施工工程具體闡述在煤層瓦斯地段隧道施工存在的問題及對策。

1 工程概況

草堤I號隧道地處貴州高原西北部高原地帶，位于畢節(jié)市十八村，有省道通往場區(qū)，交通方便。隧址區(qū)地勢起伏大，附件海拔1472.3～1618.5m，相對高差146.2m，地表植被較發(fā)育，隧道進(jìn)口位于斜坡地段，坡度較緩，自然坡度5°～20°，地表植被較發(fā)育，為旱地及居民住地；出口位于坡谷交叉?zhèn)刃逼绿?，縱坡較陡，自然坡度30°～45°，地表植被較發(fā)育。隧道場區(qū)地貌類型屬侵蝕－剝蝕型低中山地貌型。場區(qū)屬長江水系的烏江水系中的六沖河支流流域，區(qū)內(nèi)地表水發(fā)育，隧道出口有一小河，河流流向為西北向，常年徑流，通常水位1462.5m。場區(qū)屬亞熱帶至溫帶云貴高原濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，因此，嚴(yán)寒酷暑時間比較短，雨量充沛，根據(jù)畢節(jié)市氣象站1961～1990年氣象資料，年無霜期250d，年均氣溫13℃，極端最高30℃，極端最低－9℃。年均降水量為1086.70mm，多集中在5～9月，平均相對濕度82%，災(zāi)害性天氣有春早、冰雹、倒春寒等。25年一遇最大風(fēng)速19m／s，年平均風(fēng)速8m／s。隧道區(qū)位于揚子準(zhǔn)地臺黔北臺隆遵義斷拱畢節(jié)北，東向構(gòu)造變形區(qū)畢節(jié)向斜北西翼，巖層傾向南東，呈單斜產(chǎn)出；巖層綜合產(chǎn)狀135°，∠42°、巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306－2001），測區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s，隧道區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度。

右幅隧道進(jìn)口段巖土主要成分為泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)泥巖及煤層，粒徑20～80mm，含量約52%～68%，稍濕、土層厚約1～9m，分布在煤系的地層范圍內(nèi)，施工中預(yù)防煤層瓦斯影響。

2 瓦斯地層及瓦斯釋放的方式

2.1 瓦斯的性質(zhì)

1）瓦斯（沼氣）為無色、無臭、無味的氣體，與碳化氫或硫化氫混合在一起，發(fā)出類似蘋果的香味，由于空氣中瓦斯?jié)舛仍黾?，氧氣相?yīng)減少，很容易使人窒息或發(fā)生死亡事故。

2）瓦斯比重為0.544，僅為空氣的一半，所以，瓦斯容易積聚在隧道頂部，其擴(kuò)散速度比空氣大1.6倍，很容易透過裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)松散的巖層。

3）瓦斯不能自燃，但極易燃燒，其燃燒的火焰顏色隨瓦斯?jié)舛鹊脑龃蠖兊?，空氣中含有少量瓦斯時火焰呈藍(lán)色，濃度達(dá)5%左右時，火焰呈淡青色。

4）瓦斯的燃燒和爆炸性。當(dāng)隧道中的瓦斯?jié)舛刃∮?%遇到火源時，瓦斯只是在火源附近燃燒而不會爆炸。瓦斯?jié)舛仍?%～6%到14%～16%時，遇到火源具有爆炸性。瓦斯?jié)舛却笥?4%～16%時，一般不爆炸，但遇火能平靜地燃燒。瓦斯燃燒時，一旦遇到障礙而受壓縮，就會形成爆炸。瓦斯爆炸時，爆轟波運動造成暴風(fēng)在前，火焰在后，暴風(fēng)遇到積存瓦斯，使它先受到壓力，然后火焰點燃發(fā)生爆炸。

2.2 瓦斯釋放的方式

1）施工階段。瓦斯的滲出：它是緩慢地、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，有時帶有一種嘶音。瓦斯的噴出：比上述滲出強烈，從煤層或巖層裂縫或孔洞中放出，噴出的時間有長有短，通常有較大的響聲和壓力。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瓦斯，噴出的時間能從幾分鐘到幾小時，噴出時常有巨大轟響，并夾有煤塊或巖石。以上3種瓦斯釋放形式，往往以第1種放出的瓦斯量為最大，但其最不易被人所發(fā)覺。

2）運營階段。地層中的瓦斯主要通過襯砌本體的細(xì)微裂隙和施工縫等通道滲入隧道內(nèi)。瓦斯?jié)B入量不僅與煤層（或地層）中瓦斯含量、壓差（即瓦斯壓力和隧道內(nèi)空氣壓力之差）有關(guān)，而且與襯砌材料、接縫材料的滲透性質(zhì)有關(guān)，同時，也與隧道內(nèi)空氣的流動速度等因素有關(guān)。

3 煤層瓦斯地段隧道施工中存在的問題

特殊圍巖是指在隧道修建過程中在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、輔助施工措施、安全保護(hù)措施以及自然環(huán)境保護(hù)等方面需進(jìn)行特別處理的V、VI級圍巖。我國地域遼闊，2／3的國土由山脈、高原組成。國內(nèi)分布有多條大江大河、湖泊、沼澤、濕地等水體，在約為3.2萬km的海岸線分布著多條海峽、港灣及5000多個島嶼。南、北、東、西地區(qū)氣候差異很大，施工自然環(huán)境極不相同。另外，我國地處地球兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震活動頻繁，斷裂帶十分發(fā)育。從已建隧道的地質(zhì)情況看，隧道穿越的特殊圍巖主要有瓦斯、高地應(yīng)力、巖溶及高水壓圍巖、濕陷性黃土、膨脹巖、斷層破碎帶及松散巖堆體、流沙、高原凍土等多種圍巖，在隧道工程建設(shè)過程中需要采取特殊的設(shè)計與施工措施。在鉆爆法施工中，安全、優(yōu)質(zhì)、快速、不留后患地修建地下工程是隧道與地下工程建設(shè)追求的目標(biāo)。特殊地質(zhì)的隧道施工，必須重點在災(zāi)害性地質(zhì)問題的超前預(yù)報以及施工防治技術(shù)上加大措施。鑒于目前對隧道掌子面前方進(jìn)行地質(zhì)條件探測的手段存在一定的局限性，以及施工過程與地質(zhì)災(zāi)害事件密切相關(guān)的特點，在總結(jié)以往工程實踐經(jīng)驗與理論研究成果基礎(chǔ)上認(rèn)為，隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報應(yīng)采用多手段、多因素的綜合預(yù)報方法，進(jìn)行短距離（30～50m）、洞周1～2倍洞徑范圍內(nèi)的預(yù)報。

4 煤層瓦斯地段隧道施工對策

1）隧道穿過瓦斯溢出地段，應(yīng)預(yù)先確定瓦斯探測方法，并制訂瓦斯稀釋措施、防爆措施和緊急救援等措施。

2）在選擇瓦斯地區(qū)的施工方法時，要求各工序間距盡量短，盡快對瓦斯地段進(jìn)行襯砌封閉，并保證混凝土的密實性，以防瓦斯溢出。當(dāng)開挖部分較多時，巖層暴露的總面積多，成洞時間長，洞內(nèi)各工序交錯分散，易使瓦斯各處積滯濃度不勻，這對施工是很不利的。因此，應(yīng)盡量選擇分部少的施工方法，只要條件許可，就應(yīng)盡可能采用全斷面開挖，因其工序簡單、面積大、通風(fēng)好，隨挖隨護(hù)，能夠很快縮短煤層中瓦斯放出的時間并縮小圍巖暴露面，有利于防止瓦斯。

3）加強通風(fēng)是防止瓦斯爆炸最有效的辦法。把空氣中的瓦斯?jié)舛却档奖舛纫韵碌?／5～1／10，并將其排出洞外。有瓦斯的隧道，必須采用機械通風(fēng)。通風(fēng)設(shè)備必須防止漏風(fēng)，并配置備用的通風(fēng)機，一旦原有通風(fēng)機發(fā)生故障時，備用風(fēng)機能立即供風(fēng)，始終保證工作面空氣內(nèi)的瓦斯?jié)舛仍谠试S限度以內(nèi)。當(dāng)通風(fēng)機發(fā)生故障或停止運轉(zhuǎn)時，洞內(nèi)工作人員應(yīng)馬上撤離到新鮮空氣地區(qū)，直至通風(fēng)恢復(fù)正常，才能進(jìn)入工作面繼續(xù)工作。

4）采取防爆設(shè)施：①在瓦斯散發(fā)區(qū)段，使用防爆安全型的電器設(shè)備。洞內(nèi)運轉(zhuǎn)機械須具有防爆性能，避免運轉(zhuǎn)時發(fā)生高溫火花。機械施工時，要防止金屬與堅石撞擊、摩擦而發(fā)生火花。②采用非電毫秒爆破，并使用安全炸藥，采用毫秒雷管時，最后一段的延遲時間不得超過130ms。③洞內(nèi)使用防爆燈或蓄電池?zé)粽彰?，只?zhǔn)用電纜，不準(zhǔn)使用皮線。

5）嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)制度。①嚴(yán)格執(zhí)行瓦斯防爆的技術(shù)安全規(guī)則與有關(guān)制度。指定專人定時或隨時測量洞內(nèi)風(fēng)流和瓦斯含量。瓦斯檢查可采用瓦斯遙測裝置、定點報警儀和手持式光波干涉儀。②洞內(nèi)嚴(yán)禁使用明火，嚴(yán)禁將火柴、打火機、手電筒以及其他易燃品帶入洞內(nèi)。③進(jìn)洞人員必須經(jīng)過瓦斯知識和防止瓦斯爆炸的安全教育培訓(xùn)。搶救人員未經(jīng)過專門培訓(xùn)不準(zhǔn)在瓦斯爆炸后進(jìn)入洞內(nèi)進(jìn)行搶救。位于畢節(jié)市十八村隧道，全長4980m，其中有1084m是典型的瓦斯隧道，現(xiàn)場實測瓦斯壓力為0.2～1.34MPa。采用上述相關(guān)措施，位于揚子準(zhǔn)地臺黔北臺隆遵義斷拱，畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)，畢節(jié)向斜北西翼，巖層傾向南東，呈單斜產(chǎn)出，隧道成功地完成了施工任務(wù)。該隧道的瓦斯段支護(hù)體系采用全封閉（帶仰拱）復(fù)合式襯砌，在瓦斯隧道施工中，鉆眼采用濕鉆，嚴(yán)禁采用沖擊鉆或干鉆。炮孔的堵塞質(zhì)量對提高爆破效率，減少有害氣體，防止炸藥爆炸時火花包泄漏起到很大作用，因此，裝藥完畢必須充填符合安全要求長度的炮泥，并搗實。實際用1∶3的泥沙混合炮泥，濕度為18%～20%。這種炮泥既有良好的可塑性，又具有較大的摩擦系數(shù)，炮孔深度超過1m時，要求堵塞長度不小于0.3m。對起爆母線、支線、端線和腳線的使用按煤礦爆破的要求進(jìn)行控制。

5 結(jié)束語

瓦斯是地下隧道內(nèi)有害氣體的總稱，其成分以沼氣（甲烷CH4）為主，一般沼氣為瓦斯。當(dāng)隧道穿過煤層、油頁巖或含瀝青等巖層時，從其附近圍巖破碎、節(jié)理發(fā)育的地層中穿過時，可能會遇到瓦斯。如果隧道內(nèi)的空氣瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸限度，一旦與火源接觸，就會引起爆炸，給隧道施工安全帶來很大的危害，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在瓦斯地層中修建隧道，必須采取相應(yīng)措施，才能安全順利施工。

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