【精品】瓦斯隧道施工工法

1 瓦斯隧道施工工法 中铁二十局集团公司渝怀铁路工程指挥部 一 . 前言 瓦斯隧道施工不可预见和无法抗拒因素多 ,安全隐患大 ,必须认真对待。但如果在施工瓦斯隧道时套用煤矿的管理模式，照搬煤矿安全规程和防治煤与瓦斯突出细则，则失之偏颇。虽然保证了施工安全，但却增加了许多不必要的投入，加大了工程成本。 自 1992 年以来，我局连续建成了 7 座瓦斯隧道，无一例瓦斯事故，使我局瓦斯隧道的施工技术和管理水平日臻成熟。经过总结和提高，形成了本工法。 本工法集中了我集团公司已安全建成的南昆线天生桥隧道、广渝高速公路华蓥 山隧道、水柏线发耳隧道、内昆线朱嘎隧道、渝怀线白马 2 号隧道、白沙沱 3 号隧道和白沙沱 4 号隧道等 7 条瓦斯隧道的成功经验和科技成果。其中南昆线天生桥隧道揭煤防瓦斯施工技术获中国铁道建筑总公司 1995 年科技进步二等奖；华蓥山公路隧道瓦斯及断层带施工技术研究获中国铁道建筑总公司 1999 年科技进步一等奖；朱嘎隧道施工技术获中国铁道建筑总公司 2001 年科技进步三等奖。 二 . 工法特点 本工法紧密结合施工实际，在煤矿安全规程（以下简称煤规）、防治煤与瓦斯突出细则（以下简称细则）和铁路瓦斯隧道技 术规范（以下简称技术规范）要求的基础上，对瓦斯隧道施工的关键要素进行了优化，既保证了安全 ,又提高了工效。 本工法对瓦斯隧道施工的关键要素、资源配置、施工工艺和安全技术措施等做了详尽阐述。具有安全上可靠、技术上可行、经济上合理、操作性强的特点。 三 . 适用范围 本工法广泛适用于铁路和公路各种类型瓦斯（低瓦斯、高瓦斯和煤与瓦斯突出）隧道的施工。 2 四 . 工艺原理 瓦斯隧道不同于煤矿，两者至少有以下区别： 1. 煤矿以采煤为目的，井巷多沿煤层走向或倾斜方向布置；公路和铁路隧道则垂直或基本垂直于煤层走向，尽量以 最短距离穿过煤层。就与煤层的关系而言，前者是面，后者是点； 2. 矿山井巷断面小，一般不超过 18路和铁路隧道断面大，双线公路隧道的开挖断面目前已超过 120 3煤矿是多水平、多采区、多工作面同时作业；公路和铁路隧道则以单一的工作面直通洞外。 所以，公路和铁路瓦斯隧道的瓦斯浓度大都低于邻近煤矿。如果忽视以上基本情况，在施工瓦斯隧道时照搬煤矿的管理模式，虽然保证了施工安全，但也增加了许多不必要的投入。 本工法对瓦斯隧道的关键要素、资源配置和安全技术措施进行了优化，使其更符合铁路和公路瓦斯隧道的施工 实际。主要体现在以下方面： （一）关于双电源 技术规范规定，高瓦斯工区和瓦斯突出工区供电应配置两路电源。 建立双电源的目的，是为了保证洞内，特别是通过瓦斯段时的连续通风，以防因停电而使通风中断，继而造成瓦斯聚集而诱发瓦斯事故。本工法对无法配置双电源的情况制定了处置预案。 （二）瓦斯检测 瓦斯检测在技术规范里没有专门提出。实际上，瓦斯检测是瓦斯隧道施工中一项十分重要的工作。 目前瓦斯检测仪器大致可分为光干涉、热催化、热导、气敏和红外等类型。和其它类型的检测仪器相比，光干涉和热催化类型的检 测仪器技术成熟，性能稳定，但也有其局限性。 3 光干涉仪器在正常的空气组分和温度条件下，灵敏度较高，准确稳定，能测 变气室可测高低浓度的瓦斯。缺点是读数不直观，受温度、压力和背景气的影响大。 热催化仪器测低浓度瓦斯精度高，读数直观准确，受背景气影响小，输出信号大，缺点是不能测高浓度瓦斯。 因此，本工法要求同时使用光干涉和热催化两种测量原理的仪器，以集两种仪器之所长，弥补其不足，并使检测结果相互参照，彼此验证。 在一个施工循环中，瓦斯含量增加幅度最大的工序，是在凿眼过程中和放炮之后。这是因为 炮眼可能成为与前方瓦斯层的连接通道；而放炮之后，由于突然揭露出大面积的新鲜岩层，有可能使封闭的瓦斯层逐渐解放或完全暴露，致使瓦斯沿围岩裂隙缓慢渗漏甚至大量涌出。因此，加强凿眼过程中及装药前和放炮后的瓦斯检测至关重要。抓住了这个环节就抓住了检测瓦斯的“牛鼻子”。 瓦斯检测需要重视的另一问题是检测的部位。由于瓦斯比空气轻，而且有很强的扩撒性，当隧道风速小到一定程度（通常认为风速不应小于 1m/s）时，瓦斯将游离出来，在隧道顶层和死角处聚集，甚至局部超限达到爆炸浓度。 因此本工法规定：加强凿眼过程中及装药前和放炮后 的瓦斯检测，隧道顶部及顶部超挖的空洞、盲巷、避车洞等是检测的重点。 （三）使用防爆电气和作业机械 技术规范规定，隧道内高瓦斯工区和瓦斯突出工区的电气设备和作业机械，必须使用防爆型。 其实，瓦斯隧道内对固定敷设的电缆、照明、通信、信号在采用防爆型后，即使高瓦斯工区和瓦斯突出工区的移动电气设备和作业机械，也可采用非防爆型即无轨运输系统。这是因为放炮后经过通风把瓦斯浓度降低到 ，非防爆的移动电气设备和作业机械即可进洞作业。在正常通风条件下，洞内瓦斯浓度将继续下降或保持相对稳定状态。即使出现因通风中断使 洞内瓦斯浓度升高的情况，还可采取使这些非防爆的移动电气设备和作业机械就地熄火或开出隧道的方式来处置。 4 本工法规定移动机械设备可采用非防爆型和无轨运输系统。 在瓦斯隧道使用非防爆的移动电气设备和作业机械，即实行“半防爆”方案，使施工单位在电气设备和作业机械的配置方面留有更大的选择空间，也节省了投资。 （四）超前钻探 超前钻探是为了准确掌握煤层的位置、产状、厚度和瓦斯储存状况。技术规范规定在距煤层 15 20m 垂距时打超前探孔 1个、在距煤层 10个。显而易见，费工、费时，对施工干扰大。而采用本 工法推荐的 5m 钻探工艺同样能达到探明煤层和瓦斯的目的。 采用 5m 超前钻探工艺，避免了钻机的频繁移动，不中断隧道的正常掘进，简便易行，事半功倍。而且由于科学布孔，最大限度的发挥了钻孔作用。超前探孔还可兼做炮眼，节约成本，提高功效。 （五）通风 加强通风是排烟降尘和稀释瓦斯的最主要的手段。由于风管阻力与风管直径的 5 次方成反比，为减少通风阻力，应尽可能选用大直径风管。但从方便施工和减少风管对衬砌台车的干扰考虑，风管直径以 1200 1300为宜。本工法对风管直径做了相应的要求。 （六）使用煤矿安全炸药和毫秒电雷 管 技术规范规定，瓦斯工区的爆破作业必须采用煤矿许用炸药和毫秒电雷管。 煤矿许用炸药加入了食盐作消焰剂，能吸收热量，降低爆炸气体的温度，削弱瓦斯与氧的连续反应，安全性高。但其爆力和猛度只相当于一般岩石铵锑炸药的 80%；毫秒电雷管总延期时间不能超过 130能选用到 5段，难以满足公路和铁路隧道大断面的施工要求。 由于上述原因， 本工法规定， 在瓦斯工区掘进时，当洞内瓦斯从无到有，由小变大，浓度达到 再使用煤矿许用炸药和毫秒电雷管，而不必提前使用。既保证了安全，使煤矿许用炸药和毫秒电雷管的使用更具针 对性，又使煤矿许用炸药和毫秒电雷管给施工带来的不利因素降低到了最低限度。 （七）瓦斯救护 技术规范规定，高瓦斯工区及瓦斯突出工区应配备救护队。 5 施工瓦斯隧道，不可预见和无法抗拒因素多。施工任何一条瓦斯隧道，都不能保证绝对不发生瓦斯事故。配备救护队的目的，就是为了及时、有效地对瓦斯事故进行救护。由于救护队是一支军事化性质的专业队伍，人员必须经过专业培训，而且要有相应的装备和器材，需花费大量的人力和财力。但救护队的服务时间又十分有限：隧道一旦穿过含瓦斯段，救护队即失去了存在的必要，大量的设备和器材将被闲置， 经过专业培训的救护队员也只能被调作他用。 在解决这个矛盾时，施工队可与当地救护队建立协作关系。因为大凡瓦斯隧道存在的地方，附近都会有煤矿，有煤矿就必然有矿山救护队。由于施工单位不配备救护队，而是巧借当地矿山救护队这支援军作为自己的“预备队”，从而节约了大量人力和财力，也解除了施工单位的后顾之忧，使之集中精力抓施工。 因此本工法规定：应与当地矿山救护队建立协作关系，必要时进行抢险和救护。 五 . 施工程序 瓦斯隧道施工按图 1所列程序进行。 图 1: 瓦斯隧道施工程序 超前探煤 无突出危险 防突措施 安全防护措施 无效 安装金属骨架 加强支护 防突 措施效果检验 有效 补救措施 远距离放炮揭煤 有突出危险 煤层突出危险性预测 6 六 . 施工工艺 （一）超前钻探 （该钻探工艺不同于 细则和技术规范中的有关要求，也是本工法的诀窍技术之一。 ） 1. 钻探要求 根据地质预报并参考设计图提供的煤系地层里程，在接近煤层时，每次掘进都用 5m 钻杆进行超前探测，直至探明煤层和瓦斯情况。探测孔不应少于 2个。每次放炮不得超过 3m，使工作面始终保持距煤层 2 2. 钻孔布置 超前钻孔的位置可根据岩层产状确定：当掘进由煤层顶板进入煤层时，超前钻孔布置在隧道底部；反之，当掘进由煤层底板进入煤层时，超前钻孔 布置在隧道顶部。见图 2 超前钻孔布置图。 3. 钻探过程控制 在钻探过程中要仔细观察钻孔内排出的浆液和岩屑变化情况，仔细观察是否有卡钻、顶钻、瓦斯喷孔等动力现象，作好记录。当钻进速度明显加快，浆液颜色变黑并有煤屑时，表明已进入煤层。 A 1 A 2图 2 ： 超 前 钻 孔 布 置 图B 1 B 2（二）煤与瓦斯突出危险性预测 当煤层厚度小于 不经过突出危险性预测，直接用远距离放炮揭穿煤层。 1、预测位置及预测参数 根据超前钻孔探明的煤层位置，在隧道工作面距煤层 5m（垂距）时停止掘进，用钻孔 7 取 样法进行有关瓦斯参数的全面测定，包括：煤层瓦斯压力（ P）、煤的瓦斯放散初速度（P）、煤的坚固性系数（ f）、钻屑瓦斯解吸指标（ 独头坑道瓦斯涌出量（ q）、钻孔瓦斯涌出初速度（ 以上测定方法按细则或技术规范的规定进行）。 在钻孔过程中要仔细观察是否有卡钻、顶钻、瓦斯喷孔现象，为综合评定煤层突出危险程度提供依据，从而有针对性的选用防突措施和安全技术措施。 2. 预测钻孔布置及参数的测定 布置三个预测孔和一个测压孔，控制开挖周边 4 5m 的范围。各孔见煤点在设计时应考虑与原探孔见煤点的间 距不小于 5m。测压孔孔径 75定钻孔瓦斯涌出初速度后及时封孔，进而测定瓦斯压力。 预测孔孔径为 60，见煤后换为 42，在孔口接煤粉，用以测定预测参数值，其测定方法按细则或技术规范的规定进行。 3. 预测指标临界值 预测时的临界指标应根据临近煤矿的实测数据确定，如无实测数据，可采用防治煤与瓦斯突出细则规定的数据作为突出危险性临界值。 预测煤层突出危险性单项指标临界值 煤层突出 危险性 煤层破坏 类型 P （ f P （ 钻 屑 解 吸 指 标 瓦斯涌出 初速度 ml/1/2 L/ 突出危险 、 10 160 湿煤 200 干煤 煤 煤 4 4. 突出危险性判定 比照上述诸项预测指标临界值，采用综合指标法和钻屑瓦斯解吸指标法，对实测数据进行分析评估。有任何一项实测数据超过临界指标，即可判定该开挖工作面为突出危险工作面；钻探过程中如果出现瓦斯喷孔、瓦斯顶钻、卡钻等动力现象，也可判定该开挖工作面为突出危险工作面。 （三）防突措施 当预测无突出危险时，可不采取防突措施 ，直接用远距离放炮揭穿煤层；当预测有突出危险时，必须采取具有针对性、便于实施的防突措施，经检验有效后，采用远距离放炮揭穿煤层。 8 根据瓦斯隧道的施工特点，防突措施以钻孔排放为宜。 在打排放钻孔前，在隧道断面中布置 2 个测压孔以检验排放效果。测压孔的见煤点布置在排放孔中间。 1. 阻截排放钻孔 当预测有突出威胁时，防突措施采用阻截钻孔排放瓦斯。 在工作面距煤层 3m 处打排放钻孔。孔径 75孔穿透煤层，见煤点分布在隧道开挖周边 2 3m 处，钻孔见煤点间距 3m，使排放钻孔沿隧道周边 2 3 圈呈弧形排列。 2. 多排钻孔排放 当预测有突出危险时，采用多排钻孔排放瓦斯。钻孔直径 75孔穿透煤层全厚，钻孔见煤点间距 2m，均匀分布，控制隧道断面及周边 4 6 3. 深孔松动爆破 当超前钻孔排放瓦斯的效果不理想时，可采用深孔松动爆破的方法。通过在工作面前方煤体中钻孔的爆破，使钻孔周围形成直径为 50 200 00 800 层和岩体产生裂隙并相互贯通，形成瓦斯排放通道，使一定范围的煤体应力释放或向煤体的前方和两侧推移，加速了煤体瓦斯排放和煤层卸压，从而起到防止煤与瓦斯突出的作用。 （ 1）工艺及参数 采用直径 42炮眼，眼深 8 12 m（可用钻机钻孔）。深孔松动爆破应控制到隧道开挖断面外 2数则应根据松动爆破的有效半径确定。 深孔松动爆破的装药长度为孔长减去 6 m。每个药卷（特制药卷）长度为 1m，每个药卷装入 1个雷管。药卷必须装到孔底。 采用孔内外大串联的联线方式。装药后装入长度不小于 0.4 m 的水炮泥，水炮泥外侧充填不小于 2 m 的封口炮泥。 （）注意事项 深孔松动爆破的影响半径应实测确定。 深孔松动爆破应使用煤矿安全炸药和毫秒 电雷管。 为使松动爆破达到较好效果，应做到所有炮眼都达到同样的深度。 9 深孔松动爆破时，必须撤人、停电，洞外起爆。 （四）防突效果检验 执行防突措施后，必须进行防突效果检验，其检验方法按防治煤与瓦斯突出细则第42 条规定，检验孔孔数为 4 个，其中隧道中间一个，位于措施孔之间，其它三个孔位于隧道上方和两侧，终孔位置应位于措施孔之间（以见煤点计）。当各预测指标的检验结果都在突出危险临界值以下时，认为措施有效，反之则认为无效，必须采取补救措施，直至检验有效时，方可揭煤。 （五）安全岩柱 利用前探钻孔探明的资料 ，保留距煤层 2m 的安全岩柱。为使岩柱的厚度保持一致，沿岩面把岩柱刷成坡形。作为煤层的最后一道安全屏障，掘进时一定要准确控制岩柱厚度，以防误穿或提前穿煤而引发瓦斯事故。 （六）金属骨架 “金属骨架”是细则中的提法，意指强支护。它是一种防突措施，也是揭煤安全防护措施之一。 远距离放炮前必须安装金属骨架，金属骨架的安装形式按设计图办理。 （七）远距离放炮揭煤 秒电雷管的总延期时间不得超过130 眼布置采用直眼掏槽或 楔形掏槽。 保一次揭开煤层。 用长 25 封堵密实不漏气。 外起爆，所有人员撤至洞外，洞口 50 利于岩体的稳定，并可封闭岩面，堵塞瓦斯排放通道。 七 . 供电系统 瓦斯隧道应建立双电源，如无双电源，可设置备用发电机。备用发电机的发电量应满 10 足通风机的需要。如果连备用发电机也没有，当通风中断 ，恢复通风时可由外向里逐步推进，直至全隧瓦斯浓度降低到 1%以下后，再向洞内送电。 电缆采用矿用橡套阻燃防爆电缆，并在电路中安装漏电保护装置和防爆自动馈电开关。 八 . 运输方式 瓦斯隧道施工可采用无轨运输，但长瓦斯隧道和高瓦斯隧道施工应首选有轨运输，以利通风。 九 . 通风 (一 ) 通风标准： 最低风速：大于 1m/s； 氧气含量 :按体积不小于 20%; 瓦斯浓度：小于 1%（通风机及其开关地点附近 10 ； 一氧化碳最高允许浓度： 30mg/ 二氧化碳：按体积小于 氮氧化物：（ 换算成 5mg/ 粉尘最高允许浓度：每立方米空气中含有 10%以上游离二氧化硅的粉尘为 2 洞内气温：小于 28 （二）通风方式 采用管道压入式，如设置有辅助导坑，则采用管道加巷道的通风方式。 （三）风量计算 按以下 3方面因素考虑，取最大值。 （ 1）按洞内同一时间内最多人数计算 Q = 4 （ m3/ 式中 Q 4 K M 11 （ 2）按稀释和排除炮烟所需风量： 3 2)(/ 式中 t 30 A （按 远距离放炮炸药量考虑）； S L 300m。 （ 3）按消除顶层瓦斯积聚所需风量： Q = 60 V S 式中 V 1m/s； S 净断面。 除进行上述三项计算外，还必须进行稀释柴油机尾气中 计算，取最大值。 Q =Q N 式中 Q 般取 Q = N （四）设备配备 通风机的供风量应大于洞内所需风量，配以 1200 1300 软质 双抗（抗燃烧、抗静电）风管。 （五）通风操作要求 风管接头要密封，吊挂要平直，避免出现褶皱。在施工过程中要及时接长风管，风管末端距工作面距离不应超过 15m。 采用平行导坑作回风道时，除用作回风的横通道外，其它不用的横通道应及时封闭。留作运输的横通道应设置风门，防止风流短路。 十 . 瓦斯检测 12 同时使用光干涉式和热催化式两种测量原理的仪器，瓦检仪器应定期进行校正。 加强凿眼过程中及装药前和放炮后的瓦斯检测，隧道顶部及顶部超挖的空洞、盲巷、避车洞等是检测的重点。 牢记两个数 值：当瓦斯浓度达到 1% 时，禁止打眼、装药、放炮；瓦斯浓度达到 时，撤人、停电、通风。 十一 . 劳力组织 瓦斯隧道施工增加 2 3名洞口值班人员，对进洞人员进行安全检查；增加 3 4名瓦斯检测人员，对洞内瓦斯进行不间断的检测。其余劳力组织与非瓦斯隧道施工的劳力组织相同。 十二 . 机械电器设备 瓦斯隧道内固定机械设备采用防爆型，移动机械设备可采用非防爆型。备用一台水平钻机，其余机械设备的配置与非瓦斯隧道的机械设备相同。 瓦斯隧道电器设备采用防爆型，规格和性能见下表： 瓦斯隧道 防爆电器一览表 序号 电器名称 规 格 性 能 1 电 缆 矿用防爆型 铜芯，硫化橡胶做主绝缘层，氯丁橡胶护套 2 接 线 盒 矿用防爆型 接线部分装在防爆外壳（铸铝合金外罩，密封圈密封）里，产生的火花与外界隔绝。 3 开 关 矿用防爆型 开关装在防爆外壳（铸铝合金外罩，密封圈密封）里，产生的火花与外界隔绝。 4 照明灯具 矿用防爆型 灯头和灯泡装在防爆外壳（铸铝合金灯体，钢化玻璃外 罩）里，产生的火花与外界隔绝。 5 洞内电话 安全火花型 低电流，低电 压，火花温度低于引燃、引爆瓦斯温度。 6 洞内电铃 安全火花型 低电流，低电压，火花温度低于引燃、引爆瓦斯温度；铃碗采用内镀铍青铜，打击时不会产生火花。 13 瓦斯隧道可采用以下检测仪器： 瓦斯隧道检测仪器一览表 序号 仪 器 名 称 单位 数量 生 产 厂 家 1 甲烷测定仪 台 4 镇江煤矿专用设备厂 2 甲烷测定报警器 台 8 重庆无线电二厂 3 光干涉甲烷测定器 台 3 抚顺煤矿安全仪器厂 4 瓦斯突出预测仪 （必要时选用） 台 1 煤科总院重庆分院 5 瓦斯检定器校正仪 台 1 抚顺煤矿安全仪器厂 6 瓦斯压力测定