突出風(fēng)險(xiǎn)隧道安全避險(xiǎn)措施應(yīng)用效果分析研究

米萬(wàn)升

（中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006）

1 概述

1.1 隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

新建敘永至畢節(jié)鐵路（川滇段）重要節(jié)點(diǎn)工程歐家灣隧道位于云貴黔三省交界地段，行政劃分隸屬于云南省昭通市威信縣。該隧道段內(nèi)上覆土層為第四系殘坡積層粉質(zhì)黏土、角礫土、碎塊石土；下伏基巖分別為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)叮L(zhǎng)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）、志留系中統(tǒng)韓家店群（S1-2hn）。隧區(qū)內(nèi)主要含煤建造為砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖、泥巖夾砂巖及煤層（P2l），地層厚度120～180m，其間含煤11～31層，煤層總厚度2～6 m，含可采煤層2～3層（C1煤層），單層厚度為1～2.3 m，位于龍?zhí)督M上部，距長(zhǎng)興組底部5～37 m。除此外該建造局部含可采煤層1～2層（C2煤層），煤層單層厚度約為0.2～0.5 m，位于龍?zhí)督M下部。根據(jù)深孔DZ-EJWS深-01#揭露顯示C1煤層厚度為1.3～2.3 m。

1.2 C1煤層及瓦斯賦存情況

歐家灣隧道全長(zhǎng)1 895 m，最大埋深326 m，洞身左側(cè)250 m、右側(cè)260 m范圍內(nèi)分別為威信縣田溝頭煤礦與威信縣橋上煤礦舊址（均已封井），里程D1K213＋570～D1K213＋985段穿越煤系地層，屬具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性段落［1］。本次研究主要針對(duì)掌子面揭穿C1煤層展開(kāi)。

經(jīng)過(guò)HSP、超前鉆孔、加深炮孔等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段結(jié)合掌子面區(qū)域（與煤層法距10 m）與局部（與煤層法距5 m）鉆進(jìn)預(yù)測(cè)孔（探煤孔）施作及地質(zhì)羅盤(pán)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試出露煤層傾角，C1煤層走向?yàn)楸逼珫|56.8°，與隧道軸線(xiàn)的交角為 57.2°，傾角為 21°，向大里程方向傾斜（故本次揭煤屬反向揭煤）。煤層平均厚度為2.3 m，且煤層分布不連續(xù)，最大達(dá)到4.4 m，夾有2～3層軟弱薄矸，具體參數(shù)見(jiàn)表1。局部探測(cè)掌子面鉆孔采用WTC瓦斯突出參數(shù)檢測(cè)儀測(cè)得濕煤樣瓦斯解吸指標(biāo)K1值最高0.93 mL/g·min1/2，Δh2值最高為558 ppm，超過(guò)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中濕煤樣K1≤0.4臨界值的規(guī)定［2］，具有煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，其朗格繆爾關(guān)系曲線(xiàn)［3］見(jiàn)圖1。

圖1 C1煤層吸附瓦斯量與瓦斯絕對(duì)壓力朗格繆爾關(guān)系曲線(xiàn)

1.3 施工風(fēng)險(xiǎn)

過(guò)煤段施工存在如下風(fēng)險(xiǎn)［4］：（1）煤與瓦斯突出，掌子面局部探測(cè)孔檢測(cè)K1值超標(biāo)，在石門(mén)揭煤施工中存在煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)；（2）瓦斯超限事故；（3）瓦斯爆炸及燃燒；（4）煤塵/揚(yáng)塵爆炸；（5）有毒有害氣體如CO、H2S等威脅施工人員生命安全。

2 施工技術(shù)改進(jìn)措施

（1）加強(qiáng)超前支護(hù)

穿越煤層段煤質(zhì)軟、巖體破碎，尤其是隨著開(kāi)挖掌子面煤層到達(dá)拱部時(shí)，為避免煤/巖塌落掉塊形成空腔發(fā)生瓦斯集聚引發(fā)安全事故，采取?42 mm超前支護(hù)小導(dǎo)管與?32 mm自進(jìn)式錨桿交錯(cuò)打設(shè)的方法，環(huán)向間距由0.4 m變更為0.2 m。因本次揭煤屬反向揭煤，故超前支護(hù)穿越煤層前后各延伸5 m，每環(huán)52根（26根超前小導(dǎo)管、26根自進(jìn)式錨桿），縱向間距2.4 m，導(dǎo)管長(zhǎng)3.5 m，縱向搭接長(zhǎng)度不小于1.0 m。超前支護(hù)小導(dǎo)管外插角為10°～15°，自進(jìn)式錨桿外插角為45°（見(jiàn)圖2）。

圖2 加強(qiáng)超前支護(hù)斷面

施作過(guò)程中，自進(jìn)式錨桿注漿漿液充滿(mǎn)鉆孔及周?chē)严?，固結(jié)四周破碎煤/巖體。大角度外插角確保穿透巖層，桿尾墊板緊貼巖面，給予錨桿預(yù)緊力，將巖層“拉緊”形成“整體較穩(wěn)定拱”；超前小導(dǎo)管外插角、注漿要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，托住自進(jìn)式錨桿固結(jié)完整的巖層體不形成塌腔。

（2）初期支護(hù)

初期支護(hù)技術(shù)改進(jìn)措施主要在拱架各單元連接處全部采用螺栓連接方式。拱架進(jìn)洞前在連接處焊接打有螺栓連接孔的角鋼，采用螺栓拼接拱架，避免動(dòng)火焊接；鎖腳錨桿進(jìn)洞前將一端加工為彎鉤狀，且在拱架立柱鎖腳錨桿處焊接鋼管套筒，套筒與拱架立柱方向及巖面垂直。打設(shè)時(shí)鎖腳錨桿鋼筋穿過(guò)套筒，彎鉤鉤緊套筒外壁，根據(jù)掌子面及兩幫出露的煤層角度調(diào)整鎖腳錨桿打設(shè)角度，避免鎖腳錨桿與煤/巖層順層。

鋼筋網(wǎng)片掛設(shè)時(shí)亦采用絞絲搭接，且用鐵絲與縱向連接筋、環(huán)向系統(tǒng)錨桿連接緊固，加大密度保證連接質(zhì)量且避免動(dòng)火焊接。

（3）仰拱二次襯砌鋼筋綁扎多彎卡件

仰拱二襯鋼筋綁扎過(guò)程中定位卡件嚴(yán)禁動(dòng)火焊接。采用自行研制的由?10HRB400鋼筋冷彎制成的多彎卡件固定鋼結(jié)構(gòu)主筋且精準(zhǔn)確定鋼筋間距；多彎卡件將里外縱向筋與環(huán)向筋固定，彎鉤處采用絞絲連接穩(wěn)固，確保施工質(zhì)量。

（4）機(jī)械車(chē)輛防爆改裝

施工機(jī)械車(chē)輛防爆改裝原則［5］是通過(guò)控制明火、降低排氣溫度及控制機(jī)體表面整體溫度達(dá)到防爆要求，包括裝載機(jī)、挖掘機(jī)、出渣運(yùn)輸車(chē)輛、混凝土運(yùn)輸車(chē)輛等，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)行處理，徹底消除排氣火焰，同時(shí)降低排氣溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較高部位使用隔熱材料包裹，與外界隔離。改裝包括照明、啟動(dòng)、發(fā)電機(jī)、蓄電池、控制器在內(nèi)的電氣系統(tǒng)，消除電氣系統(tǒng)明火與外界接觸的可能性［6］。增加瓦斯監(jiān)控預(yù)警裝置，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)預(yù)警裝置控制機(jī)械車(chē)輛自動(dòng)熄火并發(fā)出聲光報(bào)警提醒駕駛?cè)藛T迅速撤離。

3 石門(mén)揭煤過(guò)程中煤礦安全避險(xiǎn)措施應(yīng)用及效果分析

歐家灣隧道屬于反向揭煤，因現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)試其K1、Δh2值具有煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，因此根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中的“四位一體”理念進(jìn)行石門(mén)揭煤防突工作［7］。

表1 C1煤層賦存及瓦斯參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.1 石門(mén)揭煤

石門(mén)揭煤施工過(guò)程從掌子面距離煤層法距10 m處開(kāi)始，進(jìn)行區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，鉆孔取煤樣送檢，化驗(yàn)結(jié)果顯示無(wú)區(qū)域突出危險(xiǎn)性；掌子面開(kāi)挖推進(jìn)至距離煤層法距5 m處，進(jìn)行局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，使用WTC瓦斯突出參數(shù)儀現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)K1值與Δh2值，結(jié)果顯示具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。因此，進(jìn)行防突措施施作，在經(jīng)過(guò)瓦斯抽放與排放方案比選后，采用鉆設(shè)瓦斯排放孔對(duì)瓦斯進(jìn)行自然排放。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的自然排放期，打設(shè)檢驗(yàn)孔檢驗(yàn)煤樣K1值對(duì)防突措施效果進(jìn)行檢驗(yàn)，顯示低于突出臨界值。掌子面上下臺(tái)階法施工分別推進(jìn)至距煤層法距1.5m處進(jìn)行突出危險(xiǎn)性最終驗(yàn)證，依然采用K1值作為判斷指標(biāo)，驗(yàn)證無(wú)突出危險(xiǎn)性后，適當(dāng)加深炮孔下臺(tái)階一次性揭露煤層，至此石門(mén)揭煤防突措施實(shí)施完成［8］。

3.2 煤礦安全避險(xiǎn)系統(tǒng)應(yīng)用及效果分析

3.2.1 安全避險(xiǎn)系統(tǒng)

在石門(mén)揭煤流程實(shí)施全過(guò)程中，隧道內(nèi)參考煤礦井下安全避險(xiǎn)系統(tǒng)設(shè)置了避險(xiǎn)系統(tǒng)，包括監(jiān)測(cè)監(jiān)控、人員定位、壓風(fēng)自救、供水施救、通信聯(lián)絡(luò)，并根據(jù)實(shí)際情況增設(shè)水幕降塵系統(tǒng)。由于掌子面距離洞口300 m左右，且在距離掌子面20 m處及朝向洞口方向具有1處大避車(chē)洞、4處小避車(chē)洞，可作為臨時(shí)緊急避險(xiǎn)硐室，故未再設(shè)置逃生艙體。

（1）監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

設(shè)置隧道外監(jiān)測(cè)中控平臺(tái)及隧道內(nèi)監(jiān)控分站，KJ90N監(jiān)控系統(tǒng)軟件一套，KJ90-F16（C）監(jiān)控分站3臺(tái)，配置雙主機(jī)、雙回路電源，24 h不間斷采集隧道內(nèi)掌子面、二次襯砌臺(tái)車(chē)處的CH4、H2S、CO氣體濃度及洞口處總回風(fēng)流的風(fēng)速及CH4濃度，濃度超標(biāo)時(shí)聲光報(bào)警。除此外配以瓦檢人員人工檢測(cè)，頻次1次/2 h，重點(diǎn)對(duì)隧道內(nèi)掌子面拱頂、兩側(cè)拱腰、兩側(cè)拱腳、兩側(cè)邊墻、兩側(cè)邊墻腳處及巖面斷面凹凸變化處、硐室、二次襯砌臺(tái)車(chē)端頭、距洞口20 m處總回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛葘?shí)行24 h不間斷檢測(cè)。

（2）人員定位系統(tǒng)

通過(guò)在施工人員佩戴的安全帽上增加GPS定位傳感器，該傳感器中包含KJ128A-K1標(biāo)識(shí)卡，儲(chǔ)存安全帽所屬人員的姓名、所屬部門(mén)、職務(wù)、從事工種信息，在隧道口安設(shè)有人員定位電子記錄顯示牌板，實(shí)時(shí)顯示進(jìn)出洞人員名單以及時(shí)間，做到隧道內(nèi)作業(yè)人員的動(dòng)態(tài)掌握，且該裝置上有指示燈和緊急呼救按鈕，在危險(xiǎn)情況下可以采取主動(dòng)呼救。

（3）壓風(fēng)自救系統(tǒng)

礦用桿式壓風(fēng)自救器系統(tǒng)，型號(hào)為ZY-J，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)最多施工人員數(shù)量配置于距離掌子面15 m左右的大避車(chē)洞處，位置顯眼，操作簡(jiǎn)易。此外在掌子面臺(tái)車(chē)上掛設(shè)有根據(jù)掌子面最多施工人數(shù)配備的單人便攜式自救器［9］。

（4）通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)

歐家灣隧道洞內(nèi)外通信聯(lián)絡(luò)采用防爆對(duì)講機(jī)，具體型號(hào)為Hytera（海能達(dá)）PD780，數(shù)量6臺(tái)。該型對(duì)講機(jī)具有大屏幕顯示屏與數(shù)字鍵盤(pán)，可插卡通話(huà)、編輯發(fā)送信息，采用雙時(shí)隙技術(shù)，信道倍增，有效距離3 000 m，防爆與非防爆頻段可調(diào)［10］。

（5）供水自救與水幕降塵系統(tǒng)

水幕降塵系統(tǒng)與供水自救系統(tǒng)采用同一條管路，從洞外直接引入，安設(shè)在距離洞口20 m處和隧道內(nèi)掌子面附近位置，隨著掌子面推進(jìn)及時(shí)接長(zhǎng)，管路每隔10 m處設(shè)置有出水閥門(mén)用于供水自救。水幕降塵管路置于隧道拱部，安設(shè)有噴頭的軟管，人工控制，目的是通過(guò)水幕隔離隧道內(nèi)的煤塵、粉塵的逸散，并在掌子面爆破后開(kāi)啟，對(duì)渣堆進(jìn)行噴淋，減小出渣時(shí)機(jī)械與巖塊碰撞產(chǎn)生火花的幾率，防止引起煤塵/粉塵爆炸事故［11］。

3.2.2 應(yīng)用效果分析

上述安全避險(xiǎn)系統(tǒng)安設(shè)后應(yīng)用成效明顯，尤其瓦斯監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［12］，不僅多次及時(shí)監(jiān)測(cè)到CH4氣體超限并自動(dòng)啟動(dòng)瓦斯安閉鎖裝置，切斷洞內(nèi)電源，聲光報(bào)警提示值班人員增大風(fēng)機(jī)檔位，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)并及時(shí)消除，而且對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)形成曲線(xiàn)，便于尋找洞內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，從而針對(duì)性制定措施。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)定的掌子面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛劝踩拗禐?.5%，從圖3中可以看到所選取的鉆孔孔口瓦斯?jié)舛瘸薮螖?shù)較多，且很多數(shù)值位于臨界值上下。若依靠人工，如此密集的檢測(cè)頻率難度大、成本高且誤差較大，故采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高效率、低成本地達(dá)到預(yù)期監(jiān)測(cè)效果。

圖3 石門(mén)揭煤鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓€(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）施工技術(shù)改進(jìn)措施主要在加強(qiáng)超前支護(hù)及初期支護(hù)拱架、錨桿、連接筋相互之間的連接方式和二次襯砌和仰拱鋼筋綁扎定位卡具方式、洞內(nèi)施工機(jī)械車(chē)輛防爆改裝等方面作出改進(jìn)。注漿自進(jìn)式錨桿確保掌子面前方松散圍巖能夠“固結(jié)住、拉的緊”，加長(zhǎng)加密超前小導(dǎo)管確保能夠“托得住”圍巖；初支施作、車(chē)輛改裝嚴(yán)格杜絕火源產(chǎn)生。

（2）參照井下安全避險(xiǎn)系統(tǒng)建立的煤與瓦斯突出隧道安全除險(xiǎn)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行效果良好，重點(diǎn)是瓦斯自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用效果明顯，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及時(shí)準(zhǔn)確，極大程度保障了石門(mén)揭煤施工的安全進(jìn)行且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能有利于后期進(jìn)行分析總結(jié)。