臺(tái)階式瓦斯排放技術(shù)在C1煤層中的應(yīng)用

姜 游

（中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司 山東青島 266555）

1 工程概況

歐家灣隧道全長1 895 m，最大埋深約326 m，為單線隧道，設(shè)計(jì)為11.1‰的單面上坡。隧區(qū)屬低、中山侵蝕地貌，地形連綿起伏，陡峻，溝壑、谷溪縱橫，洞身主要穿越三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)叮L興組（P2l＋c）、二疊系下統(tǒng)棲霞＋茅口組（P1q＋m）、二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）。巖性為泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥巖及灰?guī)r等。隧道施工時(shí)有遇巖溶暗河、涌水涌泥的可能性。不良地質(zhì)為煤層瓦斯、巖溶、仰坡順層。隧道施工有可能遇煤與瓦斯突出的問題，煤塵有爆炸性、煤自燃傾向性，為高瓦斯隧道，對隧道施工有較大影響。

2 C1煤層瓦斯?fàn)顩r

2.1 C1煤層賦存與瓦斯參數(shù)狀況

根據(jù)歐家灣隧道設(shè)計(jì)資料，線路穿越二疊系煤系地層，該地層約有7～10層煤，厚薄不一，其中可采煤層兩層，均位于龍?zhí)督M上部。隧道布置勘探地質(zhì)探孔3個(gè)，其中一號探孔揭示兩層煤：第一層在深度140.7～141.2 m范圍，厚度約為0.5 m（C1）；第二層在深度141.88～143.18 m范圍，厚度約為1.3 m（C1）。二號探孔揭示兩層煤：第一層在深度146.9～148.2 m范圍，厚度1.3 m（C1）；第二層在深度227～227.5 m范圍，厚度約為0.5 m（C2）。三號孔揭示三層煤：第一層在深度132.7～135 m范圍，厚度2.3 m（C1）；第二層在深度135.6～135.9 m范圍，厚度0.3 m（C1）；第三層在深度137.6～139 m范圍，厚度約為1.4 m（C1）。

該隧道施工至310 m時(shí)，超前地質(zhì)探孔發(fā)現(xiàn)煤層瓦斯，成功探測到C1煤層。以煤礦石門揭煤的“四位一體”為基礎(chǔ)［1］，對煤層取樣進(jìn)行瓦斯含量等參數(shù)測定。賦存狀況和瓦斯參數(shù)見表1。

表1 C1煤層賦存狀況

2.2 區(qū)域突出危險(xiǎn)性類型

根據(jù)《防突規(guī)定》和C1煤層區(qū)域取樣化驗(yàn)的結(jié)果分析，C1煤層瓦斯含量未超過臨界值，該區(qū)域劃為無突出危險(xiǎn)性區(qū)。分析比較見表2。

表2 取樣分析煤層瓦斯參數(shù)預(yù)測區(qū)域類型

根據(jù)《防突規(guī)定》和歐家灣揭煤施工安全專項(xiàng)方案，結(jié)合C1煤層區(qū)域預(yù)測結(jié)果為區(qū)域無突出危險(xiǎn)區(qū)，可不采取區(qū)域防突措施，直接進(jìn)行掌子面局部防突措施。

按《防突規(guī)定》煤層厚度≤0.3 m時(shí)，可直接采取遠(yuǎn)距離爆破揭開煤層；煤層厚度＞0.3 m時(shí)，必須采取本措施。對瓦斯涌量超過警戒值，設(shè)計(jì)了富含瓦斯地層瓦斯排放施工方案及參數(shù)［2］。

3 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測及排放孔設(shè)計(jì)

3.1 工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測

C1煤層區(qū)域預(yù)測為無突出危險(xiǎn)區(qū)后，按揭煤方案流程進(jìn)行開挖，掌子面施工至距離煤層法線5 m控制位置。按揭煤方案流程對C1煤層進(jìn)行了工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測。鉆探布設(shè)5個(gè)探孔，孔位布置見圖1。

圖1 孔位布置（單位：cm）

超前鉆探探孔參數(shù)見表3，探孔揭示煤層情況見表4，按揭煤方案流程對C1煤層危險(xiǎn)性預(yù)測結(jié)果見表5。

表3 超前鉆探探孔參數(shù)

表4 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性工作面預(yù)測結(jié)果

表5 C1煤層危險(xiǎn)性預(yù)測結(jié)果

工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測結(jié)果為有突出危險(xiǎn)，按揭煤方案流程進(jìn)入下一步工作程序，即工作面瓦斯排放。

3.2 C1煤層瓦斯排放孔設(shè)計(jì)

按《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》（2009-8-1），當(dāng)工作面預(yù)測為突出危險(xiǎn)工作面時(shí)，必須采取工作面的防突措施。結(jié)合歐家灣揭煤方案工作面防突措施為鉆孔瓦斯排放方式。

排放孔采用臺(tái)階式設(shè)置，控制范圍為隧道拱墻輪廓線外5 m、仰拱下2 m，排放孔直徑75 mm?？椎组g距為2 m、行距2 m，孔深為穿越煤層不小于0.5 m。為加快排放孔施工進(jìn)度，掌子面上臺(tái)階開挖至距煤層5 m法線位置后，上下臺(tái)階同時(shí)打孔排放。排放孔設(shè)計(jì)見圖2～圖5。

圖2 排放孔孔口立面布置（單位：cm）

圖3 排放孔孔口縱向布置（單位：cm）

圖4 排放孔平面布置（單位：cm）

排放孔施工：采用ZY1250鉆機(jī)進(jìn)行施工，施鉆時(shí)鉆孔采用梅花形布置。分兩批間隔施鉆，第一批排放孔施工后觀測排放效果，進(jìn)而優(yōu)化第二批鉆孔參數(shù)。

圖5 排放孔孔底布置（單位：cm）

3.3 揭煤掌子面防突措施效果檢驗(yàn)

（1）檢驗(yàn)方法：采用鉆屑瓦斯解析指標(biāo)法進(jìn)行效果檢驗(yàn)。檢測K1值，當(dāng)檢測值小于臨界值0.4 mL/（g·min1/2）時(shí)，且施鉆時(shí)無噴孔、頂鉆或其他突出異常現(xiàn)象，即為無突出危險(xiǎn)掌子面，否則仍為突出危險(xiǎn)掌子面，必須進(jìn)行補(bǔ)充排放措施，并再次進(jìn)行措施效果檢驗(yàn)直到措施有效。

（2）施工：當(dāng)掌子面距離煤層法線最小5 m時(shí)，進(jìn)行施工掌子面煤層防突出措施的效果檢驗(yàn)，檢驗(yàn)孔5個(gè)，直徑75 mm，分別位于掌子面上部、下部、中部及兩側(cè)。采用ZY1250鉆機(jī)施工，進(jìn)入煤層后每鉆進(jìn)1 m采集一次孔口排出的粒徑1～3 mm煤層鉆屑，測試K1。

（3）最后驗(yàn)證：掌子面開挖至煤層2 m法線位置時(shí)，進(jìn)行揭煤掌子面防突措施效果最后驗(yàn)證。判定為無突出危險(xiǎn)掌子面時(shí)，可開挖至煤層最小法線距離1.5 m時(shí)進(jìn)行掌子面揭煤流程。

4 瓦斯隧道施工管理要點(diǎn)

瓦斯爆炸需要同時(shí)具備三個(gè)條件，限制了其中的一個(gè)必要條件，就避免了瓦斯爆炸的產(chǎn)生［3］，而加強(qiáng)通風(fēng)是最有效的途徑。瓦斯隧道采取以強(qiáng)化通風(fēng)系統(tǒng)配置和管理為主導(dǎo)的施工組織方案，既可保證高瓦斯隧道的安全施工［4］，又能達(dá)到節(jié)省投資的目的。

4.1 科學(xué)通風(fēng)設(shè)計(jì)

根據(jù)勘察、設(shè)計(jì)及調(diào)研資料，按隧道內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)、預(yù)測工作面瓦斯?jié)舛?、有害氣體濃度、粉塵濃度、最小風(fēng)速、空氣質(zhì)量等安全作業(yè)環(huán)境指標(biāo)，并充分考慮有效通風(fēng)長度、隧道斷面面積、掘進(jìn)工法、循環(huán)進(jìn)尺、開挖面大小、運(yùn)輸方式等施工環(huán)境條件進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)，確定所需最大通風(fēng)量，建立配置科學(xué)、經(jīng)濟(jì)合理、高效穩(wěn)定的通風(fēng)系統(tǒng)。

4.2 通風(fēng)系統(tǒng)的配置

（1）通風(fēng)方式選擇：通風(fēng)方式受制于隧道獨(dú)頭掘進(jìn)長度，故不再區(qū)分非瓦斯工區(qū)、低瓦斯工區(qū)、高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)，而根據(jù)瓦斯地段距離洞口的長度以及通風(fēng)系統(tǒng)的有效通風(fēng)長度確定采用壓入式、混合式、巷道式或聯(lián)合采用不同的通風(fēng)方式。通風(fēng)方式必須根據(jù)不同的施工階段動(dòng)態(tài)優(yōu)化、比選確定，各階段應(yīng)銜接，并納入施工組織設(shè)計(jì)。

（2）通風(fēng)機(jī)必須設(shè)兩路電源，并設(shè)風(fēng)電閉鎖裝置［5］。當(dāng)一路電源停止供電時(shí)，另一路應(yīng)在15 min內(nèi)接通，保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)［6］。如建立雙電源有困難，必須設(shè)置備用發(fā)電機(jī)，其發(fā)電量應(yīng)滿足通風(fēng)機(jī)的需要［7］。

（3）瓦斯隧道須配置一套同等性能的備用通風(fēng)機(jī)，并保持良好的使用狀態(tài)。

（4）對瓦斯易于積聚的坍腔、模板臺(tái)車附近、斷面變化處空間、襯砌模板臺(tái)車附近區(qū)域，應(yīng)配置防爆型氣動(dòng)風(fēng)機(jī)或局扇風(fēng)機(jī)等設(shè)備，實(shí)施局部通風(fēng)，消除瓦斯積聚。

（5）瓦斯突出隧道掘進(jìn)工作面附近如采用局部通風(fēng)機(jī)，均應(yīng)實(shí)行三專（專用變壓器、專用開關(guān)、專用線路）供電、風(fēng)電閉鎖、瓦斯電閉鎖裝置［8］。

（6）必須采用抗靜電、阻燃的風(fēng)管［9］。

4.3 強(qiáng)化通風(fēng)管理

強(qiáng)化通風(fēng)管理在預(yù)防瓦斯事故中的重要作用，通過規(guī)范通風(fēng)檢測和管理工作，以通風(fēng)風(fēng)速、瓦斯?jié)舛葍蓚€(gè)指標(biāo)進(jìn)行雙控管理，使掌子面有足夠的供風(fēng)量，盡快稀釋溢出瓦斯，降低瓦斯?jié)舛?，保證施工安全。

（1）必須成立專門的通風(fēng)管理組織機(jī)構(gòu)，配備專業(yè)通風(fēng)工程師，負(fù)責(zé)通風(fēng)系統(tǒng)的管理、巡視及檢修工作，保證通風(fēng)系統(tǒng)各項(xiàng)性能、技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）應(yīng)配置風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)溫、風(fēng)壓等參數(shù)檢測儀，人工定期測定氣象參數(shù)、風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)并做詳細(xì)記錄，定期統(tǒng)計(jì)分析檢測數(shù)據(jù)。

（3）風(fēng)管口到開挖工作面的距離應(yīng)小于5 m。風(fēng)管應(yīng)及時(shí)安裝，保證平直和接頭密封；被損壞的風(fēng)管應(yīng)及時(shí)拆換、補(bǔ)修；風(fēng)管百米漏風(fēng)率不應(yīng)大于2%。

（4）全斷面開挖時(shí)風(fēng)速不小于0.15 m/s，分部開挖風(fēng)速不小于0.25 m/s；采用提高風(fēng)速法消除瓦斯積聚時(shí)，風(fēng)速不得小于0.5 m/s。

（5）瓦斯隧道應(yīng)保證連續(xù)通風(fēng)，無特殊理由，不得停風(fēng)。因風(fēng)機(jī)檢修、停電等原因停風(fēng)時(shí)，停風(fēng)前必須確保洞內(nèi)所有人員已經(jīng)撤離，并切斷一切洞內(nèi)電源［10］。對于采用巷道通風(fēng)方式的工作面，在恢復(fù)停風(fēng)區(qū)內(nèi)局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)前，必須檢查瓦斯?jié)舛取．?dāng)停風(fēng)區(qū)中瓦斯?jié)舛炔怀^1%，并在局部通風(fēng)機(jī)及其開關(guān)地點(diǎn)附近10 m以內(nèi)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛染怀^0.5%時(shí)，方可人工開動(dòng)局部通風(fēng)機(jī)［11］；如果停風(fēng)區(qū)中瓦斯?jié)舛瘸^1%，必須制定排除瓦斯的安全措施［12］。只有經(jīng)檢查證實(shí)停風(fēng)區(qū)中瓦斯?jié)舛炔怀^1%時(shí)，方可人工恢復(fù)局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)坑道中一切電氣設(shè)備的供電，瓦斯?jié)舛仍谝?guī)定限值以內(nèi)時(shí)，方可恢復(fù)正常作業(yè)［13］。

（6）專業(yè)通風(fēng)工程師每天對通風(fēng)系統(tǒng)必須作例行檢查，通風(fēng)工必須做好日常巡查，同時(shí)每天對掌子面、臺(tái)階法施工的下導(dǎo)坑處、掛防水板處、綁扎二襯鋼筋處、二次襯砌臺(tái)階等地點(diǎn)測風(fēng)一次，并根據(jù)需要隨時(shí)測風(fēng)，做好記錄。

（7）每7 d在壓入式風(fēng)管進(jìn)出口測量一次風(fēng)速、風(fēng)壓，并計(jì)算漏風(fēng)率。

（8）通風(fēng)方式改變后，必須立即組織測風(fēng)，根據(jù)測風(fēng)結(jié)果，科學(xué)合理配置通風(fēng)系統(tǒng)，以風(fēng)定產(chǎn)，嚴(yán)禁超通風(fēng)能力掘進(jìn)作業(yè)，杜絕無風(fēng)、微風(fēng)作業(yè)。發(fā)現(xiàn)掌子面風(fēng)速、風(fēng)量不達(dá)標(biāo)時(shí)，必須停工整改。

（9）建立通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行管理檔案。檔案包括各種檢查記錄、調(diào)試記錄、測量記錄、維護(hù)記錄、運(yùn)行記錄等。

4.4 瓦斯檢測與監(jiān)測

（1）必須成立專門的瓦斯檢測管理組織機(jī)構(gòu)，配備專業(yè)工程師和瓦檢員，負(fù)責(zé)瓦斯檢測、自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的安裝及調(diào)試和運(yùn)行，保證通風(fēng)系統(tǒng)各項(xiàng)性能、技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求［14］。

（2）對于低瓦斯隧道，可采用便攜式瓦檢儀進(jìn)行人工檢測；對于高瓦斯和瓦斯突出隧道，在采用便攜式瓦檢儀進(jìn)行人工檢測的同時(shí)，應(yīng)配置瓦斯自動(dòng)檢測系統(tǒng)，安裝高、低濃度瓦檢儀及瓦斯自動(dòng)檢測報(bào)警斷電裝置。

（3）鉆眼、噴錨、出渣運(yùn)輸、安裝格柵鋼架、掌子面塌穴、塌方處理、二襯澆筑等工序作業(yè)過程中，洞內(nèi)任一處瓦斯?jié)舛缺仨毥抵?.5%以下才能施工。

其它情況下具體瓦斯?jié)舛劝踩刂浦笜?biāo)及超限處理措施詳見《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》。

4.5 機(jī)電防爆配置

（1）對于低瓦斯隧道，采用非防爆機(jī)電設(shè)備配置方案，加強(qiáng)通風(fēng)檢測與管理，避免瓦斯積聚，將洞內(nèi)各處瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下。

（2）對于高瓦斯隧道，采用半防爆機(jī)電設(shè)備配置方案，洞內(nèi)固定敷設(shè)的電纜、照明、通信、信號、變壓器、局部通風(fēng)機(jī)、局扇、電機(jī)、配電箱、開關(guān)等采用防爆型；加強(qiáng)通風(fēng)，將洞內(nèi)各處瓦斯?jié)舛冉抵?.5%以下，移動(dòng)機(jī)械和電氣設(shè)備可采用非防爆型。

其它要求按《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》規(guī)定執(zhí)行。

4.6 其它輔助配套措施

（1）洞內(nèi)爆破嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢制”（裝藥前、放炮前、放炮后）、“三人連鎖放炮制”（放炮員、班組長、瓦檢員），確保瓦斯?jié)舛刃∮?.5%后方可施工。

（2）應(yīng)配置人員定位管理系統(tǒng)，洞口進(jìn)行封閉式管理。在隧道洞口設(shè)置進(jìn)出門禁，進(jìn)出隧道必須進(jìn)行刷卡登記，以便于洞內(nèi)人員管理，并接受例行安全檢查；嚴(yán)禁帶火機(jī)、火柴、手機(jī)及非防爆器材等進(jìn)洞；嚴(yán)禁穿易產(chǎn)生靜電的服裝和鞋子進(jìn)入瓦斯隧道。

（3）推廣光面爆破技術(shù)，減少超欠挖，減少初支風(fēng)阻，避免瓦斯局部積聚。

（4）避免掌子面及掌子面后方初支塌方事故的發(fā)生，杜絕因塌方帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

煤層瓦斯隧道揭煤的關(guān)鍵是控制煤層瓦斯?jié)舛?，而隧道因受空間制約布設(shè)排放孔時(shí)掌子面鉆孔間距很近，容易導(dǎo)致掌子面附近孔堵塞，或者受煤層與隧道夾角的影響鉆孔很長，增加施工成本。歐家灣隧道采用臺(tái)階式多孔排放，既解決了單個(gè)掌子面工作面小、所有孔布置在一個(gè)掌子面較密以及減少了部分鉆孔，從而節(jié)約了成本，又提高了瓦斯排放效率，為瓦斯隧道施工安全可靠性提供技術(shù)保障，對預(yù)防事故發(fā)生具有重要意義。