公路隧道瓦斯监测与治理

公路隧道瓦斯监测与治理摘要：近年来，我国公路基础设施建设随着公路交通运输事业需求的迅猛增长而飞速发展，公路建设里程越来越长，同时公路隧道建设规模也越来越大，在建和将建的长隧道和特长隧道也越来越多。公路隧道的施工，与普通公路相比施工技术要求更先进，施工安全要求更严格，特别是在高瓦斯隧道进行施工。本文结合公路隧道瓦斯区段施工过程中采取的必要防治技术，并通过瓦斯浓度监测和数据分析，提出隧道瓦斯防治的对策措施，为保证施工安全提供了理论依据，以便更有效落实施工安全管理。关键词：隧道瓦斯监测治理措施1引言至2009年底，全国公路隧道为6139处、394.20万米，比上年末增加713处、75.56万米。其中特长隧道190处、82.11万米，长隧道905处、150.07万米，居世界首位。与此同时，施工安全问题也随着公路隧道建设项目的增多逐渐显露出来。经统计，2005—2009年我国共发生47起隧道施工事故，坍塌、冒顶片帮、放炮事故、瓦斯爆炸、火药爆炸、触电、火灾、中毒和窒息等是造成公路隧道施工事故的主要因素（表1），各类事故类型占总事故百分比如图1所示，从图中可以看出瓦斯爆炸是造成隧道施工事故的主要原因之一。为降低公路隧道施工事故的频繁发生，结合公路隧道的地质特点，瓦斯赋存状况，采用安全监测技术，利用瓦斯气体监测仪器对隧道内各预设监测断面测点进行瓦斯气体浓度监测的方法，并凿超前孔进行孔口瓦斯检测，准确预测隧道中逸出的瓦斯气体，从而有针对性地提出隧道施工过程的安全对策。表格SEQ表格\*ARABIC12005—2009年隧道施工事故类型及其发生次数表格事故类型坍塌触电透水冒顶片帮放炮瓦斯爆炸中毒和窒息火灾事故次数272341622图1事故类型直方图2瓦斯的性质和主要伤害图1事故类型直方图2.1瓦斯性质瓦斯是无色、无味、无臭的气体，其主要成分为CH4，有时还包括CO，CO2，H2S，NO2等有害气体。在标准状态下瓦斯的密度为0.716kg/m3，相对密度是0.554。几乎比空气轻一半，所以在井下空气中，它总是存在巷道的顶部。瓦斯的渗透性很强，在空气中具有较强的扩散性，其扩散能力为空气的1.6倍。瓦斯的化学性质不活泼，微溶于水，在标准大气压下，20℃时，100L水可溶3.3L瓦斯。2.3瓦斯伤害瓦斯具有易燃的特性，当其与空气混合到一定浓度时，遇火源会燃烧甚至爆炸，爆炸产生的有害气体和热量，会导致在爆炸范围内的人员受到烧伤、晕倒乃至死亡。瓦斯的爆炸下限和爆炸上限分别是5%和16%，隧道中的瓦斯浓度小于5%或者大于16%时，遇到火焰只会燃烧而不产生爆炸，9.5%左右爆炸威力最大，但瓦斯浓度大于43%时，一般遇火不燃烧。瓦斯虽然无毒，但也无助于呼吸。当空气中的瓦斯含量达到43%时，氧气含量相对降低而使人开始窒息，当浓度达到57%时，氧气含量就降到9%，短时间内就会使人窒息而死亡。3瓦斯预报方案超前预报是对瓦斯隧道施工地质预报的重点和难点。在现有隧道瓦斯超前预报中，超前钻探法是最常用的预报方法之一，运用钻孔台车从隧道掌子面向前打孔时钻进速度的变化，结合岩粉和泥浆颜色来预测打孔深度范围内的地质情况。该方法能最直接地揭示隧道掌子面前方的地质特征。由于隧道地质条件多为煤层、炭质页岩等，围岩较为破碎且自稳性差，并常存在较大地应力，施工中易出现塌方、冒顶、瓦斯突出等不良地质状况，故必须采取超前地质预报技术，探明隧道前方围岩、瓦斯赋存的具体情况，及时提出预报，做好调整通风方案和安全措施的准备。一般在施工至瓦斯段20m，10m，5m时，应进行超前钻探，，若探明瓦斯浓度较大，可利用超前钻孔对前方瓦斯进行释放。根据实际隧道的实际断面形状，采取不同的监测布点方式，本文将以半圆拱形巷道断面为例进行探讨。在隧道内，在隧道口20m处、以后每隔100m处分别设置监测点（依次为1#至7#）。隧道沿程监测位置图见图2。在掌子面上部、中部和下部，分别设置监测点，连续对隧道内各个预设点进行瓦斯气体监测（图3）。超前探测孔采取四角分布，孔径均为40mm，孔深为40m（图4）。隧道隧道进口1#2#3#4#5#6#7#图2监测断面布置图隧道掌子面隧道掌子面1#探测孔2#探测孔4#探测孔3#探测孔图3图3隧道掘进掌子面监测点布置图图4隧道掌子面超前孔布置图4瓦斯监测方案4.1监测仪器对隧道掌子面和超前预报确定好监测点后，采用瓦斯监测仪器对隧道瓦斯气体进行监测。目前主要采用的瓦斯检测设备有光学甲烷检测仪和便携式甲烷检测仪。光学甲烷检测仪是用来测定甲烷浓度，也可以测定其他气体（如二氧化碳等）的浓度的一种仪器，是根据光干涉原理制成的，精确度较高（分为精度0.01%和0.1%两种），常用于测定高浓度瓦斯。便携式甲烷检测仪是一种携带式可连续自动测定（或点测）环境中瓦斯浓度的全电子仪器，习惯上按检测原理进行分类，主要分为热催化（热敏）式、热导式及半导体气敏元件三大类。其测量范围一般在0～4.0%CH4或0～5.0%CH4，用于低浓度瓦斯的测定。4.2监测方法根据上述图2，图3和图4的监测点布置方案，对隧道掘进掌子面、超前钻孔分别采用人工检测和自动监控相结合的方法实施瓦斯检测。从事隧道施工的工作人员进入洞口时，必须携带便携式甲烷检测报警仪；瓦斯检查工必须携带便携式智能光干涉甲烷检测仪。安全监测监控系统在洞内外安装，自动检测工作面和回风流中瓦斯及氧气浓度，并自动实现风电闭锁和瓦电闭锁。所有开挖的掌子面、超前钻孔和使用中的机电设备的设置地点、有人员作业点地点都应纳入检查范围。有瓦斯突出或喷出危险的开挖掌子面和瓦斯涌出较大、变化异常的开挖掌子面，必须有专人经常检查，并安设瓦斯断电仪。隧道内设专职安全员3名，24h不间断进行瓦斯浓度检测，随时随地抽检洞内瓦斯浓度，认真执行“一炮三检”制度、巡回检查制度，在钻孔前、装药前、起爆前均进行检查。隧道瓦斯涌出量是指单位时间内或单位重量煤中涌出的瓦斯量，包括绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量。开挖掌子面和超前钻孔的瓦斯涌出量，通过以下绝对瓦斯涌出量公式计算：式中——隧道绝对瓦斯涌出量，m3/min。——隧道瓦斯绝对涌出量，m3/d。——隧道总回风量，由通过风表与秒表测得，m3/min。S——隧道有效断面积，按掌子面实际掘进面积测得，m2。V——隧道回风风速，按二次衬砌平滑段实测风速平均值计算，m/s。——隧道总回风流中测得的瓦斯浓度，按掌子面观测点平均值计算，%。1440——1昼夜的分钟数。测得掌子面9个监测点和4个超前钻孔瓦斯浓度数值后，可以利用上述公式计算得隧道瓦斯的绝对涌出量，并根据瓦斯浓度大于0.5%的标准下，不得进行施工的技术原则，计算满足稀释瓦斯浓度的通风量，科学合理实施通风方案。5隧道通风方案（1）加强通风是防止瓦斯爆炸最有效的方法，把隧道中的瓦斯稀释到爆炸浓度以下，并将其排出洞外。有瓦斯的隧道，应采用压入式通风，施工期间的风量和风速按爆破排烟，同时工作的最多人数以及瓦斯绝对涌出量所需的最大值计算，风速不宜小于1m/s。通风设备必须防止漏风，使用独立电源，由专人负责，施工期间不得关闭风机。同时要配备备用通风机，以备主通风机发生故障时不影响通风的正常运行。一旦通风机发生故障，洞内工作人员应立即撤离到新鲜空气区域，直至通风恢复正常，才允许入内继续工作。（2）通风机型号的选择要根据隧道内各个监测点所测得数据，并经计算所得的最大通风风量确定。隧道所需通风风量的按公式（4）计算得出：结合隧道施工实际情况，把掌子面监测点和超前钻孔的瓦斯浓度数据，代入公式（4）计算出隧道的通风风量，并用表格形式对通风量进行排列，以作为选用通风机型号的依据（表2）。6监测数据分析本文取公路隧道施工中常见的参数，以表2为例进行说明。表2隧道通风风量计算结果瓦斯涌量/(mm3/min))隧道断面积/mm2瓦斯管理浓度/（%）最低风速（m/ss）风量(m3/min))5.2800.50.2510406.1800.50.1812206.5800.50.2313007.3800.50.3114607.8800.50.3515608.4800.50.4216808.7800.50.451740根据表2隧道通风风量计算结果，所选取的通风机额定送风量要大于1740m3/min，才能满足稀释瓦斯浓度的要求。同时，在隧道施工过程中，工作面通风要密切结合瓦斯浓度监测数据，并遵循以下原则：（1）隧洞总回风流中瓦斯浓度大于0.75%时，应立即查明原因，进行通风处理。（2）开挖工作面回风流中瓦斯浓度大于1%时，立即停止工作面施工作业；大于1.5%时，停止工作，并撤出人员，切断电源进行处理。（3）开挖工作面内，在体积大于0.5m3的空间中，局部积聚瓦斯浓度达到2%时，工作面附近20m必须停止工作，撤出人员，切断电源进行局部通风处理。7结语由于隧道瓦斯对施工人员的安全造成严重的威胁，所以公路隧道的施工，做好瓦斯监测和隧道通风是安全生产的前提条件和保证。在隧道瓦斯的监测与治理中，必须严格遵守瓦斯检测规程，做到严谨监测，高效监测，科学监测，认真分析数据，合理设计瓦斯治理方案。在施工过程中，要做到精心组织，规范操作，科学管理，提高效益和节约成本，坚决防范和杜绝安全事故。对于已完工的隧道工程项目，应及时总结经验，汲取教训，为日后同类瓦斯隧道施工管理提供借鉴。参考文献[1]杜建峰，卢国营．公路隧道瓦斯防治技术与管理[J]，山西建筑，2010，36(1)．[2]闫常赫．煤层浅埋区域铁路隧道瓦斯探测分析[J]，铁道勘察，2010(4)．[3]梅勇、蒋再文．肖家坡隧道瓦斯监测与治理[J]，公路交通技术，2009(5)．[4]潘学东．云顶高瓦斯隧道通风及瓦斯监测技术[J]，山西建筑，2009，35(29)．[5]申家喜．隧道瓦斯灾害的特征及防治实践[J]，国土资源情报，2008(7)．[6]郑涛．高瓦斯隧道施工通风设计，山西建筑[J]，2008，34(13)．[7]JTJ042－94，公路隧道施工技术规范．[8]中交第二公路勘察设计研究院．肖家坡隧道施工图设计说明[R]．武汉：中交第二公路勘察设计研究院，2006．[9]国家安全生产监督管理总局宣传教育中心编，《全国煤矿安全培训考核系列教材：煤矿瓦斯检查工》，2007年1月第一版1．[10]中国煤炭教育协会职业教育教材编审委员会，《矿井通风与安全：安全技术》，中国建筑工业出版社，2005年11月第1版．GasMonitorandControlofHighwayTunnelAbastract:Inrecentyears,duetotherapiddevelopmentofincreasinglylonglengthofroadconstruction,China'shighwayinfrastructureastheroadtransportgrowthindemand.Atthesametime,highwaytunnelconstructionbecomemoreandmorelarge-scale,longtunnelunderconstructionandwillbebuiltarealsoincreasing.Highwaytunnelconstruction,comparedwiththegeneralrequiremoreadvancedconstructiontechnology,constructionsafetyrequirements,especiallyinthehighgastunnelconstruction.Inthispaper,gassectionofthehighwayconstructionprocesstotakethenecessarycontroltechnology,andthroughthegasconcentratio