吳 平，武 磊

(1.浙江省高能爆破工程有限公司，杭州 310012；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

瓦斯隧道穿越煤系地層段落是裂隙較發(fā)育、圍巖較破碎的煤巖層，煤層常與有毒有害氣體共存[1]，常見的為瓦斯氣體。隨著大基建的快速發(fā)展，隧道不可避免要穿越煤系地層[2]，隧道的施工開挖破壞了圍巖的平衡，瓦斯等有毒有害氣體涌入開挖工作面，易造成瓦斯超限事故[3]，如瓦斯窒息、燃燒和爆炸等事故[4-6]，給施工建設(shè)和安全生產(chǎn)帶來較大威脅。近年來，貴州、云南和四川等省已發(fā)生多起瓦斯事件[7-8]，造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

目前隧道施工中對瓦斯的預(yù)防更多側(cè)重于對瓦斯?jié)舛鹊臋z測監(jiān)控，通過瓦斯?jié)舛却笮≈贫A(yù)防措施，而對瓦斯的來源和涌出量及施工條件等因素考慮較少。

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，瓦斯賦存規(guī)律難以準確掌握，本文通過多條隧道施工期間動態(tài)瓦斯檢測監(jiān)控數(shù)據(jù)、綜合考慮工程地質(zhì)條件等，對瓦斯超限事故的原因、來源等進行分析，提出類似條件下事故的針對性預(yù)防措施，以期加強隧道施工過程中的瓦斯管理，避免同類事故的再現(xiàn)[9]。

1 瓦斯超限危害

瓦斯氣體無色無味，感官難以察覺，需要借助檢測儀器辨識，隧道內(nèi)車輛和開挖臺車等設(shè)備移動較頻繁，空氣或瓦斯在回風(fēng)流的流動較復(fù)雜，安全防護措施、監(jiān)測手段不到位，易發(fā)生瓦斯超限事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。查閱以往發(fā)生的瓦斯事故，一般危害性均較大[10-11]，即使瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)不斷發(fā)展，目前瓦斯事件仍時有發(fā)生。

瓦斯對隧道施工過程中的危害主要體現(xiàn)在瓦斯的濃度、瓦斯壓力、瓦斯含量等參數(shù)，還有隧道施工過程中通風(fēng)條件、施工進度、支護方式等因素。隧道瓦斯災(zāi)害類型及發(fā)生條件如表1所示[6]。

表1 隧道瓦斯災(zāi)害類型及發(fā)生條件

由表1可以看出，當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?%～16%范圍內(nèi)時，遇到火源易發(fā)生瓦斯爆炸；當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?%～5%或大于16%時，遇到火源易發(fā)生瓦斯燃燒。

瓦斯災(zāi)害界限并不是固定不變的，其還受溫度、壓力以及煤塵、其它可燃性氣體混入等因素的影響。因此，應(yīng)嚴格按照標準要求[12]施工。

由于瓦斯隧道24h持續(xù)通風(fēng)，電量消耗較大及工序銜接或施工班組進行無計劃開停等原因，不可避免會造成停風(fēng)，由此導(dǎo)致瓦斯超限。例如，成都五洛路1號隧道節(jié)后復(fù)工準備時，長時間停風(fēng)導(dǎo)致瓦斯積聚超限，引起瓦斯爆炸。

2 瓦斯超限過程描述

本文以幾個典型瓦斯超限事故為例，說明其發(fā)生過程。

(1)瓦斯超限事故一

畢都高速梅花箐隧道左洞施工至ZK98+762掌子面時，炮后圍巖明顯變差，局部出現(xiàn)雞窩煤，瓦斯涌出異常，造成瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)超限，瓦斯?jié)舛茸畲笾颠_到4.15%，項目部為確保安全，立即進行停工整改。隧道瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 隧道瓦斯?jié)舛惹€圖

(2)瓦斯超限事故二

滬昆高鐵普安站至普安縣城市主干道建設(shè)工程普安隧道進口左、右線施工橫通道進尺約10m時，因焊接造成局部瓦斯燃燒，經(jīng)檢測，現(xiàn)場瓦斯?jié)舛雀哌_8.36%，現(xiàn)場立即停止作業(yè)，撤出人員，加強通風(fēng)管理。

(3)瓦斯超限事故三

重遵擴容工程松坎隧道左洞施工至ZK6+540掌子面時施工超前探孔，鉆進至隧道前方22.8m處遇M4煤層，發(fā)生嚴重的瓦斯噴孔動力現(xiàn)象。檢測掌子面瓦斯?jié)舛葹?.62%，經(jīng)專業(yè)資質(zhì)檢測檢驗機構(gòu)預(yù)測M4煤層具有突出危險，項目部為確保揭煤安全，立即停止施工，采取揭煤綜合防突措施準備工作。

(4)瓦斯超限事故四

2021年6月12日，重遵擴容工程黃家溝隧道左洞ZK16+016掌子面因修補風(fēng)筒停風(fēng)1h后，瓦斯報警斷電系統(tǒng)發(fā)出報警并超限斷電。項目部立即恢復(fù)通風(fēng)，瓦斯很快稀釋到安全值范圍內(nèi)。

3 瓦斯超限原因分析

針對上述典型瓦斯超限事故分析其原因如下。

(1)瓦斯超限事故一

梅花箐隧道施工至ZK98+762掌子面瓦斯超限前為巖層正常掘進，施工期間未發(fā)生過瓦斯超限事故，超限事故發(fā)生時為突然揭露雞窩煤，通過后期施工超前鉆孔分析，前方存在多層厚度不均勻的煤層，表明隧道施工進入了煤層段落。煤層為多孔裂隙發(fā)育的有機巖石，瓦斯以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)賦存在煤層中[13]。爆破掘進至煤層段落，圍巖平衡狀態(tài)被打破，雞窩煤體中賦存的瓦斯氣體隨著垮落煤體涌入隧道開挖掌子面，同時隧道前方煤體賦存的瓦斯氣體也通過圍巖裂隙滲入隧道開挖空間，在原有通風(fēng)條件下無法及時稀釋瓦斯?jié)舛龋斐赏咚钩奘鹿省?/p>

(2)瓦斯超限事故二

普安隧道左、右洞之間橫通道未設(shè)立局部通風(fēng)和支管通風(fēng)，且作業(yè)時間常處于主洞工作間歇階段，施工時間跨度長，該橫通道雖處于巖層較好段落，但超前300m掘進掌子面為煤層段落，瓦斯持續(xù)涌出，通過回風(fēng)流排出洞外，回風(fēng)流雖未檢測到瓦斯超限，但橫通道與主洞處于連通狀態(tài)，瓦斯長期在橫通道處積聚停留，在無通風(fēng)和疏于檢測的條件下，造成瓦斯?jié)舛瘸奘鹿省?/p>

(3)瓦斯超限事故三

松坎隧道施工至ZK6+540掌子面時，圍巖為Ⅲ級，采用上下臺階法爆破作業(yè)開挖，未施工鉆孔前瓦斯?jié)舛群艿颓移椒€(wěn)。M4煤層約3.2m，傾角72°，與掌子面法距為18m，經(jīng)鉆孔、地勘及地質(zhì)素描資料綜合分析，煤層頂?shù)装鍨榛規(guī)r，較完整。施工超前探孔期間，鉆進至M4煤層發(fā)生嚴重的瓦斯噴孔動力現(xiàn)象，瓦斯通過鉆孔涌入開挖空間，涌出量較大，瓦斯?jié)舛容^高，造成瓦斯?jié)舛瘸奘鹿?，這與鉆孔前后瓦斯檢測數(shù)據(jù)相一致，說明本次瓦斯超限主要因為鉆孔引起瓦斯異常涌出。

(4)瓦斯超限事故四

黃家溝隧道ZK16+016掌子面處于前方M6突出煤層正常抽放階段，按照四位一體綜合防突措施落實區(qū)域防突措施，抽放鉆孔施工后進行封孔并連接至抽放管路并入抽放系統(tǒng)，同時現(xiàn)場未開展其他平行作業(yè)。因風(fēng)筒布破洞漏風(fēng)，安排人員進行修補，停風(fēng)1h，造成瓦斯?jié)舛瘸奘鹿?，瓦斯報警斷電系統(tǒng)立即報警并超限斷電。根據(jù)現(xiàn)場檢測傳感器數(shù)據(jù)資料及現(xiàn)場條件分析，隧道斷面大，抽放鉆孔布置多，存在部分抽放鉆孔未嚴格按照《防治煤與瓦斯突出細則》[14]等標準進行封孔，或封孔長度及材料不到位造成封孔質(zhì)量不良，存在漏氣的現(xiàn)象。

4 瓦斯涌出量測算

通過調(diào)閱安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場人工瓦斯檢測數(shù)據(jù)，并結(jié)合測風(fēng)資料，對隧道絕對瓦斯涌出量進行測算[12]，公式為

QCH4=Q×ωmax

(1)

Q=S×V×60

(2)

式中：QCH4為絕對瓦斯涌出量，m3/min；Q為隧道斷面通風(fēng)量，m3/min；ωmax為回風(fēng)流中實測瓦斯?jié)舛龋?；S為隧道斷面積，m2；V為隧道內(nèi)平均風(fēng)速，m/s。

隧道開挖斷面較大，當(dāng)通風(fēng)距離較長、漏風(fēng)點較多時，掌子面回風(fēng)流風(fēng)速較小，目前精度較高的CFD15煤礦用電子風(fēng)速表精度測量最小值為0.1m/s，當(dāng)風(fēng)速小于0.1m/s時，大大降低了測定數(shù)據(jù)的精度。因此，當(dāng)無法采用風(fēng)表準確測定風(fēng)速時，可采用風(fēng)管出口風(fēng)速和風(fēng)管斷面積參數(shù)按照式(2)計算壓入新鮮通風(fēng)量，該計算值等效于隧道通風(fēng)量。

瓦斯涌出量測算結(jié)果如圖2所示。

圖2 瓦斯涌出量測算結(jié)果

由圖2可知，梅花箐隧道ZK98+762掌子面瓦斯涌出量為12.0m3/min(圖2a)?？紤]普安隧道左、右洞之間橫通道處于無風(fēng)狀態(tài)，瓦斯超限主要因為回風(fēng)流瓦斯長期在橫通道處積聚停留引起，對左洞回風(fēng)流和瓦斯?jié)舛冗M行檢測，測算左洞回風(fēng)流瓦斯涌出量為4.2m3/min(圖2b)。松坎隧道ZK6+540掌子面瓦斯涌出量為11.2m3/min(圖2c)。黃家溝隧道ZK16+016掌子面瓦斯涌出量為4.6m3/min(圖2d)。

根據(jù)文獻[12]，確定隧道高瓦斯工區(qū)和低瓦斯工區(qū)的分界指標值為3.0m3/min，故評估以上隧道施工段落均處于高瓦斯工區(qū)，本文測算的瓦斯涌出量較大，與隧道瓦斯超限事故的實際情況相符。

5 預(yù)防措施

隧道施工過程中瓦斯超限因瓦斯涌出量大或瓦斯局部積聚停留引起，瓦斯超限處理不當(dāng)極易引發(fā)安全事故，給施工帶來較大隱患，如發(fā)生瓦斯燃燒、爆炸等，造成設(shè)備損失和人員傷亡。因此，施工單位應(yīng)切實履行好主體責(zé)任，從多因素著手，加強落實各項技術(shù)和管理措施，確保杜絕瓦斯超限現(xiàn)象發(fā)生。

(1)隧道開挖執(zhí)行有疑必探、先探后掘，施工過程中在物探的基礎(chǔ)上，全段落采取超前鉆孔、加深炮眼和地質(zhì)素描，確保對煤巖層準確掌握，防治瓦斯異常涌出或誤揭煤層。

(2)加強通風(fēng)管理，根據(jù)瓦斯和風(fēng)速等監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整通風(fēng)量，確保風(fēng)速和風(fēng)量等滿足現(xiàn)場施工要求；同時對于橫通道或瓦斯容易局部集聚的地點，設(shè)立局部通風(fēng)或支管通風(fēng)；加強現(xiàn)場通風(fēng)管理，制定通風(fēng)管理制度，確保責(zé)任落實到人。

(3)根據(jù)不同工序的特點適時增加人工檢測頻率，如立架期間縮短人工檢測間隙，鉆孔和動焊施工期間配備專職瓦檢員，跟班作業(yè)檢查瓦斯?jié)舛取?/p>

(4)增加通風(fēng)不暢和瓦斯容易集聚停留處的瓦斯檢查點，并懸掛瓦斯檢查牌板。

(5)對于突出煤層，嚴格按照《防治煤與瓦斯突出細則》等標準進行管理，提高封孔質(zhì)量，建立抽放管理制度和達標評判體系，確保消突達標。

(6)做好瓦斯防控安全防護措施和費用的投入及使用，提高技術(shù)裝備水平，增強綜合抗災(zāi)能力。

(7)由于基礎(chǔ)建設(shè)不同于煤礦生產(chǎn)，相關(guān)人員基本無采礦等煤炭行業(yè)知識背景，對瓦斯防控能力偏弱，建議引入第三方資質(zhì)機構(gòu)進行指導(dǎo)。

(8)建設(shè)、監(jiān)理和監(jiān)管等多部門加強對隧道瓦斯工區(qū)的監(jiān)督監(jiān)管力度。

(9)開展對參建單位或參與人員的瓦斯防治安全知識培訓(xùn)，確保全部管理人員和作業(yè)人員知曉安全風(fēng)險、掌握應(yīng)急措施和自救互救，并開展針對性的應(yīng)急演練。

6 結(jié)束語

(1)通過對多起隧道施工過程中發(fā)生的各類瓦斯超限事故產(chǎn)生原因、來源進行分析，結(jié)合瓦斯涌出量測算及瓦斯超限致災(zāi)危害性，提出了針對性的安全預(yù)防措施，為瓦斯隧道施工提供很好的借鑒作用。

(2)瓦斯隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯賦存規(guī)律難以準確掌握，隧道施工存在交通建設(shè)和瓦斯治理交叉專業(yè)的綜合作業(yè)，本文主要針對一些實踐經(jīng)驗進行總結(jié)。在后期施工過程中或隨著施工工藝的改進，應(yīng)積極學(xué)習(xí)和探索，為瓦斯隧道施工積累寶貴經(jīng)驗。