（地质工程专业论文）紫坪铺隧道瓦斯灾害研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 瓦斯是隧道建设重大危害之一。瓦斯灾害的发生是多种因素共同作用的结 果，同时各因素对影响瓦斯灾害发生的重要性各不相同。随着我国基础建设的发 展，穿越煤系地层的隧道越来越多，隧道施工瓦斯灾害事故也在不断的增加。这 就迫切需要一种有效的隧道瓦斯灾害危险性评价方法，以防范和减轻瓦斯灾害造 成的损失。 本文以都汶高速紫坪铺隧道为例，在研究我国大量瓦斯隧道的基础上，及对 紫坪铺隧道地质情况的调查、相关资料的分析，对隧道瓦斯灾害问题做了较全面 的研究。本文的研究内容和结论包括一下几方面： ( 1 ) 本文系统的分析了瓦斯的生成、赋存条件、运移规律及瓦斯灾害发生的 机理，研究了瓦斯灾害的发生的影响因素。 ( 2 ) 详细阐述地质因素对瓦斯赋存的影响，通过分析紫坪铺隧道的地质资料， 研究地质条件对瓦斯影响，得出紫坪铺隧道存在高瓦斯区的原因。 ( 3 ) 以模糊数学理论为基础，在掌握丰富的资料的基础上，提取影响瓦斯危 险性的评估因素，建立对隧道瓦斯危险性进行评估的模糊综合评判模型。通过对 模糊综合评判的结果与实际监测结果进行比较分析，模糊综合评判法对瓦斯隧道 的危险性评估是合理、有效的。为今后的瓦斯隧道危险性评估提供了理论依据。 ( 4 ) 通过对紫坪铺隧道瓦斯灾害防治措施的研究，建立一套适用于瓦斯隧道 的灾害防治体系。 关键词：瓦斯瓦斯隧道运移规律瓦斯突出危险性评估 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t g a sd i s a s t e ri so n eo ft h em a j o rd i s a s t e r sd u r i n gt h et u n n e lc o n s t r u c t i o n ，g a s d i s a s t e r sa r et h er e s u l to fm a n yf a c t o r s ，w h i l et h ei m p o r t a n c ei sd i f f e r e n to ft h ef a c t o r s a f f e c t i n gt h eg a sd i s a s t e r a l o n gw i t hi n f r a s t r u c t u r ed e v e l o p m e n t ，m o r ea n dm o r e t u n n e lo ft r a v e r s i n gt h ec o a ls e a mw i l lb ec o n s t r u c t e d ，a n dt h eg a sd i s a s t e r sa n d a c c i d e n t sa r ea l s oc o n s t a n t l yr i s i n g t h e r ei sa nu r g e n tn e e df o ra ne f f e c t i v et u n n e lg a s d i s a s t e rr i s ka s s e s s m e n tm e t h o d st op r e v e n ta n dr e d u c eg a sl o s s e sc a u s e db yd i s a s t e r s t h i st h e s i st a k e st h ed u w e ne x p r e s sw a y z i p i n g p ut u n n e la sa l le x a m p l e b a s e d o nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ez i p i n g p ut u n n e lg e o l o g y , a n a l y s i s e dt h er e l a t e dd a t aa n d m a s s i v ep a p e ro fg a st u n n e l ，w ed oac o m p r e h e n s i v es t u d yo i lt h eg a sd i s a s t e ro ft h e t u n n e l s t u d yc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa c q u i r e di nt h i sp a p e r a r em a i n l yi n c l u d e da s f o l l o w s ： ( 1 ) t h i st h e s i sa n a l y s i st h eg a sg e n e r a t i o n ，o c c u r r e n c ec o n d i t i o n s ，m i g r a t i o n l a wa n dt h eg a sd i s a s t e r , a n ds t u d yt h ef a c t o ro ft h eg a sd i s a s t e r ( 2 ) t h i sp a p e re x p l i c a t e st h eg e o l o g i c a lf a c t o r so nt h eo c c u r r e n c eo fg a s t h r o u g ha n a l y s i st h eg e o l o g i c a ld a t ao ft h ez i p i n g p ut u n n e la n ds t u d yt h ei m p a c to f g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so nt h eg a s ，c o n c l u d et h er e a s o n st u n n e lo ft h eh i 曲g a so nt h e z i p i n g p ut u n n e l ( 3 ) b a s e do nt h et h e o r yo ft h ef u z z ym a t h e m a t i c s 。a n daw e a l t ho fi n f o r m a t i o n o fg a s ，w eg e tt h er i s kf a c t o r so ft h eg a sh a z a r d ，w h i l ew ee s t a b l i s ht h em o d e lo ft h e t u n n e lg a sr i s ka s s e s s m e n t f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no nt h er e s u l t so ft h e m o n i t o r i n gr e s u l t sw e r ec o m p a r e dt h er e s u l t so ft h ea c t u a lm o n i t o r i n gr e s u l t s ，w ec a l l c o n c l u d et h ef u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o do nt h eg a sr i s ka s s e s s m e n to f t u n n e li sr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e p r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h eg a sr i s k a s s e s s m e n t ( 4 ) t h r o u g ht h es t u d yo fg a sd i s a s t e rp r e v e n t i o nm e a s u r e s ，w ee s t a b l i s ha p r e v e n t i o ns y s t e mf o r t h eg a sd i s a s t e ro ft h et u n n e l k e yw o r d s ：g a s ，g a st u n n e l ，t h eh a z a r dc o a la n dg a so u t b u r s t ，g a sh a z a r da s s e s s m e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密d ，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：薹l 爱丢夕 日期： 矽历f ? 指导老师签名： 乃。哆 日期州b 6 - z 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 通过对国内外关于瓦斯相关资料的整理分析，对瓦斯赋存条件、运移规律及 瓦斯灾害的发生机理进行研究，结合紫坪铺隧道( 原董家山隧道) 地质条件的调 查，对紫坪铺隧道高瓦斯原因进行分析。 应用模糊数学理论，对紫坪铺隧道进行瓦斯灾害危险性评估。分析了瓦斯危 险性评估的指标的选取及相关指标隶属度的选取，对今后施工中瓦斯危险性进行 准确评估，预防瓦斯灾害的发生对确保隧道施工的安全进行，减少瓦斯灾害带来 的经济损失及人身伤亡，具有重大的实际意义。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：善珑刍 日期：2 - q f 护5 2 ， ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 i 引言 第1 章绪论 1 1 1 课题研究的目的与意义 我国的山区及高原约占全国面积的6 0 ，在国家基础建设中修建在山区的 铁路、公路，隧道工程占有很大的比例。解放前修建的宝天铁路差不多平均一 公里一座隧道。解放后修建的几条山区铁路干线，如、宝成、贵民、京原、湘黔、 襄渝、成昆铁路，各条铁路的隧道总长均占线路长度的百分之十几以上。其中成 昆铁路高达3 1 。 据了解，我国目前拥有8 6 0 0 多座铁路、公路隧道，总长度约4 3 7 0 多公里， 居世界第一。我国现在有铁路隧道6 8 7 6 座，总长度为3 6 7 0 公里，为世界第一， 我国公路隧道总数已达1 7 8 2 座，总长度7 0 4 公里，分别是改革开放之初的4 7 倍和1 3 5 倍，是世界上公路隧道最多的国家。我国目前最长的隧道是铁路线上 的秦岭隧道，全长1 8 4 6 公里。 随着我国高速公路、高速铁路的飞速发展，必将出现更多的隧道工程。因此 不可避免会遇到很多穿越煤系地层隧道。我国铁路隧道发展较早，穿越煤系地层 的隧道也较多，近年来修建了很多具有代表性的瓦斯隧道，例如铁路隧道有：南 昆铁路威红段的家竹箐隧道、内昆铁路的朱嘎隧道、水柏铁路的发耳隧道、宣万 铁路的野三关隧道、合武铁路的红石岩隧道、候月铁路云台山隧道等；公路路隧 道有：四川广渝高速公路广安至邻水段的华莹山隧道、四川巴彭公路隧道的铁山 隧道、都汶高速的紫坪铺隧道等。这些隧道在建设中都出现了如：窒息、中毒、 瓦斯燃烧、瓦斯爆炸及瓦斯突出等瓦斯灾害问题1 4 】。 瓦斯是隧道建设中也是重大地质灾害之一。瓦斯灾害主表现为窒息、爆炸、 煤与瓦斯突出等情况，其中以瓦斯爆炸最易发生，造成的危害也最大。隧道中的 瓦斯含量相对煤矿来说一般都比较低，因此隧道内发生瓦斯灾害几率比煤矿发生 瓦斯灾害的几率要小很多，但是一旦发生，后果往往将十分严重，将会造成重大 的人身伤亡事故和严重的国家经济损失。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 i i_, i _li 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 皇! 曼寡 在国内外瓦斯隧道的建设中出现很多重大隧道瓦斯灾害事故见表1 1 。 从纵多瓦斯灾害的教训中我们可以看到，我们急需加强对瓦斯发生机理研 究，加强隧道中瓦斯灾害危险性准确预测和判断，提高瓦斯隧道施工技术与管理 水平，防止瓦斯灾害的继续发生为隧道安全建设提供保障。 表1 1 国内外隧道重大瓦斯事故表 1 1 2 国内外的研究现状 ( 1 ) 地质条件与瓦斯赋存分布的研究 瓦斯早在1 5 世纪就开始在我国被认识，直到2 0 世纪4 0 年代随着瓦斯灾害 的不断产生才开始引起人们的重视，并开始对瓦斯进行研究。随着我国煤矿生产 实践的发展，人们逐步意识到瓦斯的赋存与分布与地质条件密切相关，于是开始 采用地质方法研究瓦斯。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 目前我国在煤矿瓦斯灾害基础研究领域有了显著的进展。提出了“煤和瓦斯 突出与冲击地压统一理论模型”、“流变作用假说”、“含瓦斯煤的力学状态”、“球 壳失稳作用机理”、“煤与瓦斯突出的局部化模型”、“瓦斯爆炸的传播机理”等， 这些基础理论的研究工作对指导现场瓦斯灾害的防治工作发挥了重要作用。 在国外，1 9 1 4 年法国成立了“防治煤与瓦斯突出的专门委员会”，开始从地 f 质的角度对瓦斯的分布规律及突出灾害等进行研究。1 9 5 1 年前苏联设立了“防止 煤和瓦斯突出中央委员会”，指出瓦斯的分布受地质因素控制，分布规律具有不 均匀性，与地质构造复杂程度、煤层围岩的坚硬程度、煤变质程度等有关。英国 也随后提出在煤系地层中地质构造对瓦斯的赋存状态和分布情况的影响起主导 因素，建议加强地质构造的演化与瓦斯地质规律的研究【4 】。 目前，国内外学者一致认为煤层瓦斯的赋存状态和影响瓦斯灾害的地质条件 是含煤地层经历历次构造运动演化的结果。 2 ) 瓦斯危险性评估的研究 国内外对灾害的研究历史非常久远，但专门区域地质灾害危险性评估和分析 的研究是随着“国际减灾十年”活动的开展，9 0 年代才逐渐在世界各国兴起的， 目前还处于起步探索阶段，也没有形成完整的理论体系 危险性评估是目前国内外灾害科学研究的重点之一，评估结果的合理性和准 确性关系到防灾减灾的效益比。 早期煤炭生产过程中的瓦斯危险性评估是以矿井的瓦斯等级划分进行评估 的。国外的矿井瓦斯等级划分是以相对的瓦斯涌出量进行划分的。我国煤矿矿井 瓦斯等级划分直以煤矿安全规程为依据。2 0 0 1 年颁布的新的煤矿安全 规程，把矿井分为两个等级：低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于 l o m 3 t 且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于4 0 m 3 m i n ；高瓦斯矿井：矿井相对 瓦斯涌出量大于l o m 3 t 或矿井绝对瓦斯涌出量大于4 0 m 3 m i n 。 煤矿工业的危险性评估研究是随着其它行业的风险评估发展而逐步建立起 来的，煤矿危险性评估主要以概率风险评估为基础，即把煤矿生产系统中，隐患 发生的概率和隐患造成的损害的乘积作为生产系统状态的危险度，隐患发生的概 率和造成损害经过统计数据计算获得。 我国上世纪瓦斯隧道修建较少，对瓦斯缺乏了解，也未进行瓦斯隧道进行合 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 理的界定标准、监测方法等方面的研究，直接影响了我国对瓦斯隧道修建经验的 系统总结与整理。 1 9 9 4 年铁路部门颁发了铁路瓦斯隧道技术暂行规定，但该规范只适用于 一般瓦斯突出的隧道。随着大批瓦斯隧道的建设，和经验、资料的积累，参照铁 路瓦斯隧道技术暂行规定，铁道部于2 0 0 2 年颁布了铁路瓦斯隧道技术规范， 这是目前我国第一个完整的瓦斯隧道工程技术标准。 铁路瓦斯隧道技术规范( t b l 0 1 2 0 ，2 0 0 2 ) 规定铁路隧道勘测与施工过程 中表明隧道内存在瓦斯，该隧道即定义为瓦斯隧道。规定把瓦斯隧道分为低瓦斯 隧道、高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道三种，瓦斯隧道的类型按隧道内瓦斯工区的最 高级确定。瓦斯隧道工区分为非瓦斯工区、低瓦斯工区、高瓦斯工区、瓦斯突出 工区共四类，低瓦斯工区和高瓦斯工区可按绝对瓦斯涌出量进行判定，当全工区 的瓦斯涌出量小于0 5 m 3 m i n 时为低瓦斯工区，大于或等于o 5 m 3 r a i n 时为高瓦 斯工区1 2 2 】。 除了瓦斯等级的划分，我国近年来就瓦斯灾害的危险性评估涌现出了一系列 的新的理论，如：用概率统计的方法对通风巷道瓦斯积聚危险性评估、灰色关联 分析法评估、基于集对理论( s p a ) 模型对煤矿瓦斯危险评估、基于模糊神经网 络对瓦斯爆炸危险性评估模型、模糊综合评估方法等【4 】。 此外，在不断的工程实践中，技术人员也总结出了一些宝贵经验。 我国在地质灾害危险性评价方面都卓有成效，但隧道瓦斯灾害危险性评价方 面研究较少。随着西部山区铁路、公路等隧道工程的建设，对瓦斯隧道危险性进 行评估和研究是非常迫切的。 1 2 主要研究内容和研究方法 1 。2 1 研究内容 ( 1 ) 收集紫坪铺隧道的相关资料，阅读国内外关于瓦斯灾害研究的资料，了解 国内外研究现状。 ( 2 ) 理论上分析研究，瓦斯的形成、赋存条件及影响瓦斯灾害发生的机理，为 瓦斯隧道危险性评估提供依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 3 ) 瓦斯灾害的影响因素有很多，地层岩性的关系、地质构造的影响、煤层参 数的影响、工程的影响及人为因素的影响等，因此瓦斯危险性评估是个多因素问 题，通过研究大量收集资料，对紫坪铺隧道的资料进行分析，提取影响隧道瓦斯 灾害发生的各因素的权重值。 ( 4 ) 在提取采用模糊综合评判法对瓦斯灾害危险性进行评估，初步建立瓦斯隧 道危险性评估的方法。 ( 5 ) 分析研究瓦斯灾害的监测与防治系统，为施工安全提供保障。 1 2 2 研究方法与技术路线 ( 1 ) 查阅瓦斯相关文献资料，收集有关瓦斯监测与防治及灾害评估等相关 文献。 ( 2 ) 工程地质资料：收集紫坪铺隧道工程地质资料，以此为基础对紫坪铺 隧道高瓦斯原因进行研究。 ( 3 ) 理论分析：根据当前国内外的研究情况，运用模糊综合评判方法，对 紫坪铺隧道瓦斯危险性进行评估，建立对瓦斯隧道适用的评估系统。以紫坪铺隧 道为依托研究隧道瓦斯的监测与防治。 具体的技术路线如下图： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 瓦斯赋存及瓦斯灾害发生机理研究 土 地质条件对隧道瓦斯的影响 上 建立模糊综合评判数学模型 上 选取评估指标 1 l 瓦瓦地 煤地距隧 斯斯 质体 下 煤道 浓压构结 水层埋 度力 造 构状 距 深 况禹 上 隧道瓦斯危险性评估 上 瓦斯监测与防治 j 结论 紫坪铺隧道瓦斯灾害研究技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章煤层瓦斯及瓦斯灾害研究 2 1 瓦斯的赋存特征 2 1 1 瓦斯的形成、成分及性质 1 、瓦斯的形成 瓦斯是植物及其它生物在高温缺氧条件下，在植物变成煤的过程中化学分解 而生成。煤是由植物经过复杂的生物、化学和物理化学作用转变而成的，瓦斯是 在这一过程中伴生而形成的。在成煤过程中，瓦斯的生成可以大致分为两个阶段： 1 ) 从植物遗体到形成泥炭的生物化学作用阶段【3 j ： 古代植物遗体在形成泥炭的生物化学作用过程中，在厌氧菌的作用下，植物 遗体的纤维质被发酵、分解逐渐生成腐植酸和沥青质，同时生成瓦斯和二氧化碳。 其化学反应方程式如下： 隔绝空气 4 c 6 h 10 0 5 ( 纤维素) 7 c h 4 + 8 c 0 2 + c 9 h 6 0 ( 类烟煤) + 3 1 4 2 0 微生物 根据计算l k g 纤维素在经过生物化学阶段变成烟煤的过程中能够产生6 9 1 的甲烷。 在形成泥炭的过程中，由于泥炭的埋深一般都比较浅，其上覆盖层也并不稳 固，此阶段生成的瓦斯能比较顺利地扩散到大气中去，或者被水带到地表。因此， 生物化学作用阶段生成的瓦斯，大都己逸散到大气之中，一般不会保留在煤层内。 2 ) 从褐煤、烟煤到无烟煤的炭化变质作用阶段 随着泥炭层的下降及其上覆盖层厚度的逐渐增加，压力和温度随之增高，厌 氧菌的生物化学活性逐渐弱化直至停止。在高温、高压的作用下，泥炭化的木质 和纤维便转化成为褐煤而进入炭化变质阶段。随着褐煤层的进一步沉降，压力与 温度的影响随之增加，炭化变质作用增强，褐煤逐渐转变成烟煤、无烟煤。其化 学反应方程式如下【3 】： 4 c 1 6 h 1 8 0 5 ( 泥炭) “5 7 h 5 6 0 1 0 ( 褐煤) + 4 c 0 2 + 3 c h 4 + 2 h 2 0 c 5 7 h 5 6 0 m- c 5 4 h 1 2 0 5 ( 烟煤) + 2 c h 4 + c 0 2 + 3 h 2 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 c 1 5 h 1 4 0 c 1 3 1 - h o ( 无烟煤) 2 c h 4 + h 2 0 在整个炭化变质过程中煤的挥发分逐渐减少而固定碳逐渐增加，同时伴随 着大量瓦斯生成，且煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越多。 根据计算，理想状态下每牛成1 吨煤，就会伴随产生1 0 0 0 m 甲烷和二氧化碳 等气体。二氧化碳多为流动的地下水所吸收。随着地层变动造成的裂隙在成煤 过程中生产的瓦斯大部分都通过裂隙逸散到大气中去，只有小部分被保存在煤层 和围岩之中。在自然条件下，煤层中最大的瓦斯含量可达3 5 4 5 m 3 t 。 2 、瓦斯的成分 从广义上讲凡从围岩或煤层渗入隧道的有害气体，均称为瓦斯。其主要成分 为甲烷( 沼气c l - h ) 、二氧化碳( c 0 2 ) ，硫化氢( h 2 s ) 、氧化碳( c o ) 、氢气 ( h 2 ) 及其它碳氢化物和稀有气体。 根根据紫坪铺隧道邻区龙溪隧道煤层瓦斯测试成果分析，紫坪铺隧道瓦斯气 体组分丰要为：甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮气。煤层瓦斯中各种气体的具 体含量( 见图2 - 1 ) ： 1 一甲烷：2 一乙烷：3 一丙烷；4 一二氧化碳：5 一氮气： 图2 - 1紫坪铺隧道瓦斯成分 3 、瓦斯的性质 煤层瓦斯具有以下四种特性： ( 1 ) 爆炸性：瓦斯本身是不会自燃和爆炸的，但当和空气( 氧气) 以定 比例混台均匀并达到一定浓度后，遇到火源能够燃烧或发生爆炸。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 2 ) 渗透性：瓦斯的渗透性极高，扩散速度快，其扩散性较空气高1 6 倍， 容易透过裂隙发达、结构松散的岩体或煤层，渗透到隧道( 或矿井) 开挖空间里。 ( 3 ) 不稳定性：瓦斯在煤体和围岩中是以游离状态和吸着状态存在。两种 状态的瓦斯是处在不断变化的动平衡中，当温度、压力等外界条件变化时，平衡 就被打破。压力升高温度降低时，部分瓦斯将由游离状态转化为吸着状态，反之， 压力降温度升时，又会有部分瓦斯由吸着状态转化为游离状态。 ( 4 ) 窒息性：瓦斯是无色、无味的，但不适合呼吸。瓦斯浓度升高，空气 中氧气浓度急剧下降，会引起窒息。许多瓦斯伤亡事故中，大部分是瓦斯窒息造 成的。 2 1 2 瓦斯的赋存状态 瓦斯是气态地质体，是地质作用的产物。地质构造和含煤地层的历史演化控 制了煤层瓦斯的生成条件，历次构造运动中隆起、挤压、张拉等作用，控制了瓦 斯灾害发生的地质条件，决定了瓦斯含量大小、瓦斯压力高低、瓦斯涌出量大小 和煤与瓦斯突出的危险性等。 煤是一种复杂的孔隙性介质，有着发达的、大小不同的孔隙和裂隙，具有巨 大的自由空间和孔隙内表面积。瓦斯之所以能够存在于煤层之中与煤层的结构 状态有着密切的关系。 根据实验室和现场的测定结果，瓦斯在煤层中是以游离、吸附两种赋存状态 存在。其中吸附又可分为吸着和吸收两种状态。如下图( 焦作矿业学院瓦斯地质 研究室，1 9 9 0 ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 皇曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇一i l m m | 一一 i i 皇璺皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼邑皇曼曼曼量曼曼! 曼曼曼曼 1 煤体；2 - 孑l 隙；3 吸收瓦斯；4 游离瓦斯；5 吸着瓦斯 图2 1 瓦斯在煤体中赋存状态示意图 1 游离状态( 自由状态) 游离状态是指瓦斯以自由气体状态赋存于煤体或围岩的较大裂隙、孔隙或孔 洞之中，如图2 1 中4 所示。游离瓦斯可以自由运动从煤( 岩) 层的裂隙中散放出 来，并遵循一定的气体定律。煤体内游离瓦斯的多少取决于储存空间容积、瓦斯 压力及围岩温度等因素【3 1 。 2 吸附状态( 结合状态) 吸附状态又可分为吸着和吸收两种状态。 ( 1 ) 吸着状态：由于气体( 瓦斯) 分子与固体( 煤) 分子间的引力作用( 这种作 用力的距离很短，仅为5 x l o q o - 1 0 1 0 1 0 m ) ，瓦斯分子被吸着在煤体孔隙的内表 面上，形成一层很薄的膜状附着层，如图2 1 中5 所示。吸着瓦斯无法自由运动， 不服从气体定律。瓦斯吸附量的大小取决于煤对瓦斯的吸附能力，而吸附能力又 取决于煤的孔隙率、变质程度以及外界温度和压力。一般在煤层赋存的瓦斯量中 吸着瓦斯量占8 0 , - 一9 0 t 3 1 。 ( 2 ) 吸收状态是瓦斯分子进入煤体胶粒结构内部与煤分子结合而呈现固溶体 的一种状态，类似于气体溶解于液体中的现象，如图2 1 中3 所示。吸收状态的 瓦斯含量很少。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 皇m , m mmn_m 。_曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼! ! 曼 煤对瓦斯的吸附作用是物理作用，是瓦斯分子和碳分子相互吸引而形成的。 吸附状态的瓦斯分子与游离状态的瓦斯分子处于一个动态的平衡状态，两者处于 不断地交换中。当外界条件发生变化时，这一平衡状态就会遭到破坏。在压力降 低、温度升高或煤体结构遭到破坏时，部分吸附状态的瓦斯会转化为游离状态这 种现象称为解析；反之，当压力增大或温度降低时，部分游离状态的瓦斯也会转 化为吸附状态。这种现象称为吸附1 3 。 煤对瓦斯的吸附能力不同是由于煤结构中分子的不均匀分布和分子作用力 的不同所致。由于煤对瓦斯的吸附是一种可逆现象，吸附瓦斯所处的环境条件就 显得尤为重要。 下表为龙溪隧道瓦斯实验测试结果，由此我们可以看出龙溪隧道瓦斯的赋存 状况，紫坪铺隧道瓦斯赋存情况可参考此状况。 煤层瓦斯含量测试成果表 注：现场脱气量已包括计算损失量。煤层厚度为铅直厚度。 要塞耋兽查耋堡圭塑塞兰兰堡墼塞矍! ! 至 系列1 - 游离状态瓦斯；系列2 - 吸附状态瓦斯 图2 2 龙溪隧道瓦斯赋存图 根据图2 2 我们可以看出龙溪隧道瓦斯赋存状态中吸附瓦斯的含量约占瓦斯 总量9 1 ，游离状态的瓦斯含量约为9 。 2 13 瓦斯的运移规律研究 煤层瓦斯流动是一个复杂的运动过程，它与介质的结构和瓦斯赋存形式等密 切相关。由于煤体属多孔裂隙性介质，所以煤层瓦斯流动可以看作是气体在多孔 介质中的流动。 目前，一般认为，在煤( 岩) 体裂隙系统中，煤层瓦斯的流动多属于层流运动， 而在煤体孔隙结构的微孔中，则是扩散运动。煤层中瓦斯在隧道空气中运动形式 主要有以下几种i q ： l 、瓦斯分子扩散运动 自煤( 岩) 层中涌出的瓦斯涌入隧道掘进面后，由于瓦斯浓度分布不均匀状 态，而产生瓦斯浓度梯度使瓦斯分子均做无规则的热运动，宏观上表现为瓦斯 从高浓度区向低浓度区扩散。瓦斯的分子扩散服从f i k e 扩散定律吲： 即单位时间内，通过单位面积的扩散物质与垂直于截面方向的浓度梯度成正 比。其公式表达为： j = - d d c d x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 曼曼曼曼皇曼曼! 皇! ! 皇鼍曼皇曼鼍曼皇曼曼! 曼：- - - - - _ i = - - - - 7z ：! 皇曼曼曼曼! 兰! 曼曼曼曼! ! ! 曼笪曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼 j ：扩散通量：物质流通过单位截面积的速度， 常用量纲k g m - 2 $ j d ：扩散系数，反映扩散能力，m 2 s 蠢e 出：扩散物质沿x 轴方向的浓度梯度 负号：扩散方向与浓度梯度方向相反 2 、瓦斯对流运移 当隧道通风时，风流中的空气对分布在其中的瓦斯产生摩擦力，在该力地作 用下，瓦斯随空气流动一起运动，这就是瓦斯的对流运移。瓦斯的对流运移的主 要特征为瓦斯运移的方向与空气的流动方向一致，且流动的速度相等，瓦斯流动 的方向与瓦斯的浓度变化无关。对流的强度随着风速的变化而变化。 3 、瓦斯的紊流扩散运动 紊流是种随机地、非稳定地运动。无规则地紊流扩散如同分子扩散一样， 是由高瓦斯浓度区向低瓦斯浓度区扩散。当浓度相同时，则扩散停止，当两点间 的瓦斯浓度相差大时，扩散速率也大。瓦斯紊流扩散比瓦斯扩散速率大1 0 0 1 0 0 0 倍。对于瓦斯分子扩散，当各个方向的浓度差相等时，其各个方向的分子 扩散速率相等，但对瓦斯的紊流扩散，即使在同一断面上，瓦斯浓度差相同的条 件下，由于各点的风流速度不相同，各点无规则紊流扩散的速率也不相同【8 1 。 4 、瓦斯弥散运动 在隧道中，由于断面上的风速分布不均所引起的瓦斯扩散，即为瓦斯弥散。 这种扩散较分子扩散和无规则的紊流扩散要大一些。 5 、瓦斯的驱替运移 当隧道某区域有瓦斯涌出时，瓦斯对该区域空气进行排挤，产生瓦斯的驱替 运移。它由于瓦斯本身具有速度而引起的。当瓦斯涌出量较大时，特别是当有瓦 斯集中涌出时，瓦斯驱替运移的影响不可忽略【引。 2 2 瓦斯灾害研究 2 2 1 瓦斯灾害发生机理研究 1 、瓦斯窒息 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 从瓦斯成分可知，瓦斯是多种气体的混合物，其成份多达数十种，主要成份 为甲烷( c i - 1 4 ) 。甲烷( c h 4 ) 不利于呼吸，且扩散性比空气高1 6 倍。c i - h 比空 气轻，常常积聚在隧洞顶部，这就造成局部瓦斯浓度增高，含氧量减少。当工作 人员吸入一定量的瓦斯、空气混合气体( c h 4 浓度大于1 6 ，0 2 浓度小于1 0 1 2 ) 时，就会造成瓦斯窒息事故，严重的会发生窒息死亡1 3 j 。 2 、瓦斯燃烧与爆炸 瓦斯爆炸是煤矿和瓦斯隧道中特有的一种后果极为严重的灾害。瓦斯是一种 能够燃烧和爆炸的气体，在高温作用下，一定浓度的瓦斯与空气中的氧气会发生 激烈复杂的化学反应，生成二氧化碳和水，并放出大量的热，而这些热量使生成 的二氧化碳和水迅速膨胀，从而形成以极快的速度( 每秒可达数百米) 向外冲击的 冲击波，且伴有响声，这就形成了瓦斯爆炸。 瓦斯爆炸是一个复杂的激烈化学反应过程，其化学反应式( 最终结果) 为： c 出+ 2 0 2 一c 0 2 + 2 h 2 0 + 热量 如果0 2 不足，反应最终式为：c h 4 + 0 2 _ c 0 + h 2 + h 2 0 + 热量 通过一系列的研究发现，瓦斯爆炸必须具备三个条件【3 】： ( 1 ) 一定浓度的瓦斯( 约为5 1 6 ) ：当瓦斯浓度达到9 5 时，瓦斯爆 炸力最强。而瓦斯浓度低于9 5 时，因为瓦斯浓度低，参加反应的瓦斯量少，产 生的热量少；瓦斯浓度高，瓦斯过剩，氧气不足，得不到完全反应，产生热量也 少，使瓦斯爆炸威力将会降低。当瓦斯浓度低于或高于某一界限时，将不能形成 引火爆炸。 瓦斯的爆炸界限并不是固定不变的，当瓦斯混合气体的温度、压力发生变化， 或混入煤尘及其它可燃性气体，都会影响沼气爆炸界限的变化。 ( 2 ) 引火温度：即瓦斯的燃烧点，一般在正常压力下为瓦斯的燃烧点为 6 5 0 - - 7 5 0 。但因受瓦斯的浓度、火源的性质及混合气体的压力等因素变化而 变化。当瓦斯含量在7 - - 8 时，最易引燃；当混合气体的压力增高时，引燃 温度降低。瓦斯与高温火源接触后，并不会立即引燃，而需迟延一个很短的时间， 这种特征叫瓦斯引燃迟延性，瓦斯引燃迟延时间的长短与瓦斯浓度和引火温度有 关。瓦斯浓度越高，迟延时间越长；引火温度越高，迟延时间越短。这种引燃迟 延现象，对安全爆破有很重要意义。因为隧道放炮时，虽然安全炸药爆炸的火焰 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 温度高达2 0 0 0 。c 以上，但其火焰存在仅有千分之几秒，来不及引燃瓦斯，所以 瓦斯隧道不致因放炮而引起瓦斯爆炸或燃烧。但如果炸药质量不合格或炮泥充填 不当时，会使爆炸火焰停留时间延长，超过瓦斯引燃感应期而造成事故。所以隧 道放炮工作，必须严格遵照安全规程的有关规定。 ( 3 ) 氧气浓度( 约为1 2 2 0 ) ：瓦斯爆炸界限随混合气体中氧浓度的降低 而缩小。当氧浓度降低到1 2 时，瓦斯混合气体即失去爆炸性，。 瓦斯爆炸的危害性主要表现在四个方面 ( 1 ) 高温：隧洞中瓦斯爆炸的瞬间温度可达1 8 5 0 。c 2 6 5 0 ，可引起烧伤 和火灾，对入和设备产生危害。 ( 2 )高压冲击：由于爆炸时气体温度急剧升高，引起气体压力骤然增大。 若发生连续爆炸，将会出现更高的压力。若在隧洞施工中的掌子面瓦斯发生爆 炸，爆源处的气体和火焰以极高的速度在隧洞内向洞口冲击，造成人员、设备和 隧道的破坏。 ( 3 ) 瓦斯燃烧：由于隧道中局部积存瓦斯浓度较大，或因通风不良，瓦斯扩 散的不均匀，使具有高浓度的瓦斯气流漩涡于局部空间，形成条带状，遇到火源 则发生瓦斯燃烧。 ( 4 ) 氧化碳中毒：瓦颠爆炸后，氧气显著减少，一氧化碳大量增加，据相 关资料分析，瓦斯爆炸后的一氧化碳浓度最高可达6 。当空气中氧气含量减少 到1 0 以下时，人将会窒息而死。当空气中的一氧化碳浓度达到0 4 时，人 将中毒死亡。 都汶高速公路紫坪铺隧道( 原董家山隧道) 2 0 0 5 年1 2 月上句，隧道右洞进 口掌子面发生坍方( 图2 3 ) 。由于该处位于背斜核部、裂隙发育、裂隙中含有煤 层瓦斯，坍方又促使瓦斯大量涌出。于2 0 0 5 年1 2 月2 2 日下午2 时许，右洞施 工过程中，曾发生特大瓦斯爆炸事故，造成4 4 人死亡、1 1 人受伤。1 名工人被 爆炸产生的高压冲击波抛掷到1 6 8 m 以外，隧道内多台不同用途的车辆受高压冲 击波冲击严重变形，隧道洞口外1 台重约5 7 0 吨的模板台车也被高压冲击波直线 推移4 7 m 且严重变形( 图2 4 ) 。 虿雪銮耋奎耋堡圭至茎圭茎竺鎏塞圣：! 墨 朴赜畦增打锚杆 目2 - 3 紫坪铺隧道右洞塌方 图2 _ 4 3 、瓦斯突出 煤与瓦斯突出是指在掘进过程中煤与瓦斯的突然喷出的现象。这种喷出在短 时间内产生很大的冲击力量，从而破坏工作面，从煤层深处排出大量的煤和瓦斯， 并伴有强烈的声响和较大的动力效应，如摧毁隧遵支护、推翻隧道中存放的车辆 和其他设备、破坏通风设施、使风流反向等。煤与瓦斯突出的危害十分严重，短 时间内向开挖空间喷出大量的煤、岩石和瓦斯能摧毁巷道设施，造成窒息、燃 烧和爆炸及煤、岩流埋人等事故。 太多数学者认为宪出的发生和发展要经历如下五个阶段： ( 1 ) 准备阶段，即能赶的积聚阶段，如大的集中压力的形成、瓦斯的正常 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 量曼曼皇曼曼曼皇苎曼皇曼曼量皇! 曼曼鼍曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼i n nn i lnm 。曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼! ! 曼皇曼 排放受到阻碍而形成自由瓦斯聚集带等； ( 2 ) 激发( 发动) 阶段，即局部煤体的高速破坏和大量吸附瓦斯的解吸阶 段； ( 3 ) 煤体破碎过程及瓦斯解析过程的扩展阶段： ( 4 ) 煤和瓦斯的抛出阶段( 上述阶段有时可循环几次) ； ( 5 ) 瓦斯进一步排放阶段，即从抛出的煤中、从突出孔洞周围的煤体中继 续大量涌出瓦斯的阶段【4 1 。 关于煤与瓦斯突出的影响因素，国内外观点可归纳为三类： ( 1 ) 地应力作用假说：这种假说认为煤与瓦斯突出主要是高地应力作用的结 果。高地应力包括两个方面，一方面指自重应力和构造应力，另一方面指工作面 前方存在的应力集中。 ( 2 ) 瓦斯作用假说：这类假说认为煤内存储的高压瓦斯是突出中起主要作用 的因素，这类假说中“瓦斯包”说占重要地位，它认为“瓦斯包”是突出的力源。 ( 3 ) 综合假说：这类假说认为突出是地应力、瓦斯、煤的力学性质等综合作 用的结果。突出机理的认识趋势是由单因素向多因素发展。 目前在众多突出机理中地应力、瓦斯和煤的物理力学性质3 因素综合作用的 假说得到大多数煤矿瓦斯科技工作者的赞同。 2 2 2 瓦斯灾害特点 瓦斯灾害是指那些已经威胁或者危害到人类生产生活的瓦斯现象( 窒息、燃 烧、爆炸、突出) 。瓦斯灾害的发生受控于地质因素，因而也是地质灾害的一种。 瓦斯灾害与其他地质灾害比较具有诸多共性，同时又具有其独特个性。 瓦斯灾害具有如下一些与地震、洪水等自然灾害和滑坡、泥石流等地质灾害 的共性 4 】： ( 1 ) 具有自然属性 瓦斯灾害与其他灾害一样，是自然环境和人类活动相互影响、相互作用的结 果，不可能完全避免瓦斯灾害的发生。 ( 2 ) 具有社会属性 瓦斯灾害和其他灾害一样，瓦斯灾害的发生将给人类社会造成不可忽视的影 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 响，造成经济损失和人身伤亡。另一方面随着基础建设的不断发展，瓦斯隧道建 设不断增加，随之而来的必然造成隧道工程瓦斯灾害将大幅增加。 ( 3 ) 复杂性 瓦斯灾害也与其他灾害一样，是一定的地质环境背景i 致灾因子与人类社会 相互影响相互作用下的产物，具有多层结构、多种控制参量和多种因素共同作用 的结果。 除了具有与其他灾害相同的几点特性外，瓦斯灾害还具有自身特殊性，明确 这些特殊性，对了解瓦斯灾害危险性，为后期瓦斯危险性评估是有益的。这些特 殊性主要有以下几个方面【4 】： ( 1 ) 分散性 瓦斯灾害属于分散的点状灾害，不像洪水、地震等灾害受灾面积广泛。不仅 瓦斯灾害发生的地点分散，而且在瓦斯灾害发生之前，对其发生规模、强度、影 响范围也不可能很清楚，这也是瓦斯灾害评估较其他地质灾害更困难的原因之 o ( 2 ) 不确定性 瓦斯灾害的发生是多种因素共同作用的结果，瓦斯含量是瓦斯灾害的决定性 因素，而瓦斯的聚集则是一个复杂漫长的过程。 ( 3 ) 瓦斯灾害发生过程短暂、突然性 不像其他地质灾害灾害在发生之前有一个相对较长时间，瓦斯灾害的前兆往 往不甚明显，预测预报较为困难。瓦斯灾害往往在数秒到数分钟这样很短的时间 内完成其能量释放的全过程，这使得在抗灾方面能有的作为非常有限。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第3 章地质条件对瓦斯影响的研究 3 1 地质条件与瓦斯的关系 瓦斯的形成、赋存、运移与富集与地质条件密切相关，并受到地质条件的制 约。影响瓦斯的地质因素主要有：含煤岩系地层的沉积环境；煤层与围岩特征( 煤 层项、底板岩性及其透气、隔气性能) ；煤的变质程度：煤层埋藏深度；区域地 质构造特征；水文地质条件及岩浆作用等。对于不同区域，影响瓦斯赋存的地质 条件存在着差异，起主导作用的因素也有区别。 1 、含煤岩系地层沉积环境 瓦斯作为一种气态地质体，主要赋存于煤层中，而煤层又赋存在含煤岩系中， 因此，研究含煤岩系的建造特征和成煤的沉积环境，是研究瓦斯赋存的基础条件。 在地质发展史中，煤是从无到有，在地壳中的聚积是呈现波浪式发展的。含 煤岩系地层沉积环境不仅控制了煤层的原始分布状况，对煤层的聚积规模、厚度 等也产生制约作用。此外，含煤岩系地层的沉积环境的前后地质条件发展及其演 化过程，对于煤岩系层的下伏及上覆地层的岩性和岩性组合及厚度变化有重大影 响。沉积相组合对含煤岩系的岩性组合有决定性的作用，而瓦斯的形成和保存条 件都是依赖于聚煤沉积环境，因此含煤岩系地层沉积环境对瓦斯的形成，保存或 逸散都有着重要的影响。 一般说来，在三角洲、滨海平原等沉积环境中的煤层厚度大、分布广、较稳 定。滨海冲积平原、冲积平原等沉积环境中的煤层，煤层厚度变化大，不稳定； 山间盆地、泻湖等沉积环境中的煤层，煤层厚层也可能较大，但分布范围较小； 障壁后潮坪、河口湾沉积环境成煤厚度较小，且多呈窄带状分布：浅海礁后泥炭 坪成煤的分布范围有限，厚度变化也较大。以上各种成煤的沉积环境生成瓦斯量 依次减少【4 j 。 2 、煤层及围岩特征 煤层围岩是指煤层直接顶、老顶和直接底板在内一定厚度范围的岩层。煤层 围岩它的隔气、透气性能对瓦斯赋存的产生决定性影响。与瓦斯保存或逸散有关 的围岩特征主要是渗透性，而与瓦斯保存或逸散有关的煤层特征主要是孔隙性和 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼舅曼皇曼鼍! ! 曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼鼍i 1 一i 曼皇曼曼皇曼鼍曼曼曼! 皇蔓曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼皇 渗透性( 表3 1 ) 【4 】。 表3 1 煤层及围岩特征与瓦斯赋存的关系 3 、煤层瓦斯吸附特征 煤与瓦斯有着极强烈地亲和作用，由第二章可知瓦斯在煤中的赋存状态主要 有两种形式：游离状态、吸附状态( 吸着状态和吸收状态) 。其中保存在煤中的瓦 斯有8 0 9 以上呈吸附态存在，因此对吸附瓦斯的研究非常重要，目前最常用 的描述吸附态瓦斯的理论是单分子层理论，即瓦斯分子在煤体表面的吸附以单分 子层排列，并处于动态吸附平衡状态。 4 、煤层及其变质程度 煤层中瓦斯是在煤化作用过程( 即煤的变质过程) 中形成的。在由泥炭、褐 煤、烟煤逐渐转化为无烟煤的过程中，煤的挥发成分逐渐减少，甲烷就是挥发成 分在变质过程中转变而成的，煤中所含瓦斯主要是在这一阶段形成的。在煤的变 质过程中瓦斯含量随着煤变质程度的提高而增加，到无烟煤时达到最大。 当其它条件相同时，煤化程度不同的煤的瓦斯含量不仅不同，而且随着深度 增加其瓦斯含量增加的幅度也不相同。即随着煤化程度的提高，在相同深度下， 不仅瓦斯含量高而且瓦斯含量梯度也明显增大【4 1 1 。 5 、煤层埋藏深度 随着煤层埋深的增加，因地应力增高而使煤层及围岩的透气性变差，同时使 得瓦斯向地表运移的距离也不断增加，这二者都有利于对瓦斯的封闭。根据对甲 烷带内瓦斯压力随深度成线性增高的统计规律，当前大多数学者都认为：当埋深 不太大时，煤层瓦斯含量随埋深呈线性增加；当深度增加到一定程度时，瓦斯吸 附渐至饱和状