高瓦斯隧道通風(fēng)技術(shù)研究

李 鳴

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

1 工程概況

雞鳴隧道進洞口坐落于重慶市城口縣婆子鄉(xiāng)梨坪村南西側(cè)斜坡處，溝底高程約827.50 m，進口斜坡坡向約56°； 出洞口位于一斜坡下部，斜坡下部為常年性河溝-雙岔河，勘察時沖溝流量約30 L/s，溝底高程約為818.90 m。 出洞口斜坡坡向約148°，坡角30°～48°，隧址區(qū)的最高標高點位于K64 km＋130 m 山頂，標高2030 m，最低標高點位于隧道出口段的沖溝溝底附近，標高818.90 m，相對高差達1215.50 m，隧道最大埋深1140.05 m。 隧址區(qū)在K65 km+836 m～K65 km+898 m 段、 K66 km+975 m～K66 km+996 m 段穿越龍馬溪組炭質(zhì)頁巖層，厚約23～33 m，厚度相對較大，出露位置主要是團城-雙河背斜兩翼，南翼埋深較淺，一般84～86 m，巖層直立，儲氣構(gòu)造不佳，容易逸出地表，故隧道施工遇頁巖氣溢出的可能性較小。 但北翼巖層相對緩傾，埋深達507～526 m，隧道施工遇頁巖氣溢出的可能性較大。

勘察后，雖然SCK2 號鉆孔揭穿了P3d 和P2g兩層含煤地層，但由于鉆孔中P3d 埋深較淺，含煤料，分述如下。

1） 依據(jù)通渝隧道對C1，C2 煤層瓦斯總涌出量推測其瓦斯含量為12.52 m3/t 及9.52 m3/t，瓦斯總涌出量為2.98 m3/min 及2.65 m3/min。 通渝隧道為高瓦斯隧道。

2） 根據(jù)城口縣安監(jiān)局收集的東升煤礦相關(guān)資料可知： 東升煤礦為瓦斯礦井，瓦斯絕對涌出量為0.3 m3/min，相對涌出量為6.7 m3/t，為低瓦斯礦井。

由于本次控制煤層的鉆孔較少，且煤層分布的不連續(xù)性，已實施的鉆孔SCK2 揭露的煤層情況無法囊括本場地所有含煤地層。 結(jié)合收集的資料綜合考慮，將雞鳴隧道歸為高瓦斯隧道。

2 隧道工程施工方式分析

2.1 擴散通風(fēng)

擴散通風(fēng)主要是通過自然風(fēng)的方式進行隧道內(nèi)外的氣體交換，使得隧道內(nèi)施工工作面的氣體與外部相結(jié)合，而不需要再設(shè)置相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)備，來排出隧道內(nèi)部渾濁的氣體或瓦斯[1]。 但擴散通風(fēng)有著比較明顯的缺點，因沒用主動的通風(fēng)設(shè)備使其通風(fēng)的效率不高，能夠影響的范圍也很小，所以一般適用于隧道深度較小的隧道[2]。

2.2 引射器通風(fēng)

引射器通風(fēng)是利用噴嘴噴出的高壓流體在噴嘴射流的周圍造成負壓而吸入空氣，并在混合管口內(nèi)混合，將能量傳遞給被吸入的空氣，使之具有通風(fēng)壓力，達到通風(fēng)的目的。 引射器通風(fēng)主要包含壓氣式引射器通風(fēng)和水力引射器通風(fēng)，這兩種通風(fēng)方式具有不同的優(yōu)勢和缺點。 其中壓氣式引射器通風(fēng)是采用壓氣驅(qū)動，價格較高，不夠經(jīng)濟且得到的風(fēng)力和風(fēng)量有限； 優(yōu)點是體積較小，安裝簡單，工作時期噪音小。 通常情況下壓氣式引射器不作為主要的通風(fēng)手段使用，而是作為輔助的通風(fēng)方式進行設(shè)置。 而水力引射器通風(fēng)則是以水為動力，在費用上相對于壓氣式引射器通風(fēng)價格更低，更加經(jīng)濟。 水力引射器通風(fēng)可以在工作盲區(qū)使用，比較適合超前導(dǎo)坑開挖[3-4]。

2.3 機械通風(fēng)

機械通風(fēng)主要包括： 壓入式通風(fēng)、 壓出式通風(fēng)和混合式通風(fēng)。 其中混合式通風(fēng)就是將壓入式與壓出式的通風(fēng)方式相結(jié)合，即通風(fēng)管道既能將新鮮空氣壓入也能將隧道工作面的渾濁空氣或瓦斯壓出，這樣的通風(fēng)方式可以較大地提高通風(fēng)效率，能夠很好地滿足施工的需求[5]。但需要特別注意的是，在進行管道安裝時必須是適用的硬質(zhì)管道，因此裝置的設(shè)置費用較高，且在實際施工過程中必須把控好壓入或壓出的時機。

2.4 利用輔助坑道通風(fēng)

2.4.1 雙巷通風(fēng)

兩個平行隧道通過橫洞連接，工作面兩側(cè)采用壓機通風(fēng)，靠近門的一端密封，避免循環(huán)空氣的發(fā)生雙向通風(fēng)。

2.4.2 混合式通風(fēng)

隧道進風(fēng)口處安裝風(fēng)機壓機，將新風(fēng)送至工作面。 當隧道與地面高度相差較大時，其自然產(chǎn)生的風(fēng)壓就可以滿足送風(fēng)標準，這時就不用特別設(shè)置風(fēng)壓裝置。

3 雞鳴隧道通風(fēng)方式的選擇與施工重點

3.1 通風(fēng)方式

雞鳴隧道是左側(cè)洞長為7435.2 m，右側(cè)洞長為7452 m 的超長隧道。 因此雞鳴隧道的通風(fēng)方式總體選擇機械通風(fēng)。 對于隧道施工中的非瓦斯區(qū)域和低瓦斯區(qū)域施工時采用壓入式通風(fēng)方式。 而對于高瓦斯區(qū)域的施工則采用壓入式通風(fēng)結(jié)合雙巷通風(fēng)的方式。 高瓦斯施工區(qū)域應(yīng)按照設(shè)計要求配置通風(fēng)設(shè)備，不斷地將外部新鮮空氣壓入到施工區(qū)域，加快內(nèi)外氣體的交換速率，以滿足施工規(guī)范要求。 根據(jù)設(shè)計資料可知，隧道口的正洞挖掌子面所需風(fēng)量為3972 m3/min，根據(jù)數(shù)據(jù)選擇風(fēng)機類型，可以采用FBDCZ-19 型2×110 kW （單機高速風(fēng)量2550～5430 m3/min，風(fēng)壓116～3417 Pa） 防爆式抽風(fēng)機，將其設(shè)置在正洞門口，即可滿足現(xiàn)場施工對雞鳴隧道通風(fēng)的技術(shù)要求。

3.2 地下風(fēng)機房及其附屬工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

雞鳴隧道于K61 km+224 m～K62 km+300 m 右側(cè)設(shè)置一處地下風(fēng)機房，位于IV 級圍巖內(nèi)，并設(shè)置一通風(fēng)斜井，平長620 m，斜長676.24 m，坡度為43.55%，采用有軌運輸施工工藝。 地下風(fēng)機房及其附屬工程包括地下風(fēng)機房、 排風(fēng)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道、 排風(fēng)口、 設(shè)備房、 運輸通道、 人行（電纜）等的設(shè)置。

3.3 瓦斯區(qū)段及瓦斯突出區(qū)段處設(shè)計

1） 施工工序要求。 當施工斷面接近所預(yù)測的煤層時，要進行預(yù)報處理，并通過鉆孔等方式測定其準確位置。 要測定此處瓦斯?jié)舛扰c壓力，然后抽排釋放瓦斯，同時加強通風(fēng)，隧道內(nèi)空氣質(zhì)量達到規(guī)范所標定的安全標準后才可進行施工[6]。 在所穿越的煤層及前后20 m 范圍內(nèi)按照一級防護的要求進行襯砌處理，若發(fā)現(xiàn)煤層采空區(qū)，則按采空區(qū)相關(guān)設(shè)計進行處理。

2） 增加瓦斯檢測措施，采用人工檢測與自動監(jiān)測相結(jié)合的方式。

3） 加強通風(fēng)。 通風(fēng)所需風(fēng)量應(yīng)按規(guī)范中瓦斯絕對涌出量分別計算，同時滿足瓦斯工區(qū)施工中風(fēng)速需超過1 m/s 的要求。 施工通風(fēng)方式宜用巷道式通風(fēng)方式。

4） 采用防爆型施工設(shè)施，嚴格落實施工現(xiàn)場管理措施，防止出現(xiàn)任何形式的火花或者明火。

5） 為降低運營中瓦斯?jié)B漏的風(fēng)險，對穿煤中心點前后10 m 范圍內(nèi)應(yīng)采用開挖后徑向注漿的方式封堵裂隙[7]。

6） 運營中增加瓦斯檢測次數(shù)，可利用新型智能化系統(tǒng)實現(xiàn)對隧道中瓦斯含量的實時監(jiān)控，同時對裝設(shè)在隧道內(nèi)的風(fēng)機實現(xiàn)自動控制，當系統(tǒng)所監(jiān)測到的瓦斯?jié)舛瘸^所設(shè)置的瓦斯最大濃度時自動報警，自動開啟備用風(fēng)機，以及時吹散瓦斯，降低其在隧道中的濃度。

3.4 鄰近瓦斯區(qū)段防滲漏設(shè)計

因雞鳴隧道的施工段穿越龍馬溪組炭質(zhì)頁巖，施工中極易遇到高瓦斯區(qū)。 所以對臨近瓦斯段進行防滲漏設(shè)計非常必要。 當施工到達高瓦斯區(qū)域時，應(yīng)該增加監(jiān)控手段。 一旦發(fā)生泄露，應(yīng)立即排查滲漏區(qū)域，確定滲漏量大小，并按照上述3.3 瓦斯區(qū)段及瓦斯突出區(qū)段處的設(shè)計方案對隧道進行處置變更。 若瓦斯?jié)B漏量較大、 瓦斯壓力也較大，應(yīng)在上述步驟中增加注漿措施，可采用開挖后徑向注漿、開挖后局部注漿的方式進行處理[8]。

3.5 自燃煤層的處治

針對施工區(qū)域的地質(zhì)風(fēng)險，不排除煤層出現(xiàn)自燃的可能。 因此，在施工過程中要進行預(yù)勘察，判斷煤層自燃的位置。 當隧道施工進入自燃煤層段落時，首先應(yīng)對煤層的自燃傾向性進行鑒定，根據(jù)鑒定結(jié)果綜合采取預(yù)防煤層自燃的措施，加強施工通風(fēng)及灑水降塵，并對可能發(fā)生自燃的煤層及時噴射混凝土將其封閉，以免發(fā)生煤塵爆炸或煤層自燃。同時，為了避免煤層自燃，對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，對自燃煤層的棄渣要單獨堆放，并用1 m 厚的地表黏土進行封閉，分層壓實、 鋪平，頂部還應(yīng)設(shè)置3%～5%的排水坡度。

4 總結(jié)與經(jīng)驗

4.1 施工效果總結(jié)

通過上述的設(shè)計方案，使得整個工程能夠有效應(yīng)對在施工過程可能出現(xiàn)的瓦斯突然滲透等突發(fā)情況。 經(jīng)現(xiàn)場測量可知，隧道施工區(qū)域中的風(fēng)速可以穩(wěn)定在1.2 m/s 左右及以上，并且全隧道的最低風(fēng)速也高于0.5 m/s，完全滿足現(xiàn)行規(guī)范中對于隧道施工區(qū)域風(fēng)速不宜小于1 m/s 的要求以及全隧道最低風(fēng)速應(yīng)大于0.5 m/s 的要求。

4.2 通風(fēng)方式和設(shè)備的選擇

實際施工中盡量避免選擇擴散通風(fēng)方式，雖然擴散通風(fēng)的方式不用特別安裝通風(fēng)設(shè)備，可以節(jié)約工程費用，但其通風(fēng)效果不穩(wěn)定且通風(fēng)效果比較差。 隧道施工的運輸環(huán)節(jié)通常分為有軌運輸和無軌運輸。 對于有軌運輸通常選擇壓入式或者混合式通風(fēng)方式。 而對于無規(guī)則運輸則選擇吸入式或混合式等通風(fēng)方法比較合適。 特別地，若出現(xiàn)平導(dǎo)設(shè)置的施工情況，通常則選擇巷道式通風(fēng)方式。

選擇通風(fēng)風(fēng)機時要充分考慮現(xiàn)場的通風(fēng)方式和結(jié)構(gòu)布置。 風(fēng)機的尺寸要小于通道的尺寸，且風(fēng)管的排列方式為等距排列。 風(fēng)機的數(shù)量要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況以及管道的大小進行綜合考慮，并不是越多越好。 工作過程中應(yīng)保證風(fēng)機的風(fēng)力穩(wěn)定、 風(fēng)量充足且對管壁的壓力較小，可以在達到良好通風(fēng)要求的同時，盡量做到經(jīng)濟[9]。

對于風(fēng)管的選擇，理論上應(yīng)采用直徑較大的風(fēng)管，這樣能夠有效地降低風(fēng)阻，節(jié)約能源，提供充足的風(fēng)力以及足速的風(fēng)速。 但還是要與風(fēng)機、 通風(fēng)方式和結(jié)構(gòu)布置相結(jié)合，形成系統(tǒng)的通風(fēng)方式，特別要注意，在進行風(fēng)管連接時，要保證風(fēng)管之間的緊密相連，防止在通風(fēng)過程中出現(xiàn)氣體從氣管的連接縫隙中跑出的情況，防止發(fā)生實際通風(fēng)效果與理論通風(fēng)效果相差較大的情況。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)雞鳴隧道的實際情況，對隧道的通風(fēng)環(huán)節(jié)進行了相應(yīng)的研究。 特別是對于高瓦斯隧道，針對性地說明了瓦斯給施工環(huán)節(jié)帶來的問題和困難。 同時指出了施工過程中存在的影響通風(fēng)情況的因素，最后提出了對應(yīng)不同情況應(yīng)該如何選擇相應(yīng)的通風(fēng)方式和設(shè)備。