土木工程结构试验与量测技术课程设计-模拟隧道施工中的灾害.doc

目录一、有关瓦斯知识21. 定义22. 瓦斯生成、成分及性质23广义瓦斯的主要成分24.瓦斯爆炸与燃烧3二、瓦斯隧道几种灾害3三、低瓦斯隧道安全施工技术41. 搞好低瓦斯隧道安全施工的重要性42. 低瓦斯隧道灾害事故种类53. 瓦斯浓度管理标准54. 洞内易引起瓦斯爆炸的危险地点55. 瓦斯检测66. 关于瓦电闭锁和风电闭锁79. 灯具及电缆810. 施工通风811. 电源812. 支护施工913. 其它9四、瓦斯隧道设计、施工的有关规范及参考资料9一、有关瓦斯知识1. 定义广义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CH4）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2），还有少量的硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、氢气（H2）、二氧化硫（SO2）及其它碳氢化物和稀有气体。狭义单指甲烷（CH4），包括煤层甲烷和石油甲烷。2. 瓦斯生成、成分及性质瓦斯成分：植物及其它生物在高温缺氧条件下，有机物化学分解生成瓦斯。在植物变成煤的过程中，随着煤的变质，生成的瓦斯越来越多。其过程是：泥炭褐煤无烟煤化学反应式：纤维素甲烷二氧化碳水烟煤4C6H10O5-微生物7CH4+8CO2+3H2O+C9H6O烟煤无烟煤甲烷水3C9H6O-2C13H4+CH4+3H2O3广义瓦斯的主要成分四部分组成：（1） 沼气（CH4）及同系物，H2，H2S等可燃气体；（2） CO、NO、H2S、NH3含硫气体、乙醛等有毒气体；（3） CO2、N2、Ar（氩气）等，基本上为化学不活泼的惰性气体；（4） Rn（氡）、Tn（钍）、Ac（锕）等放射性气体；上述四部分中沼气（CH4）是最主要成分，其它气体含量极少。4.瓦斯爆炸与燃烧（1） 瓦斯爆炸及燃烧先决条件：适当的浓度；火源；氧浓度。瓦斯爆炸化学反应式：CH4+2O2CO2+H2O+198.4千卡/克分子1份瓦斯+2份氧时反应最充分，但在空气中含氧仅20%,所以1份瓦斯+10份空气反应最充分所以,最猛烈的瓦斯爆炸发生在瓦斯浓度111时 ,即9.1%(说明:瓦斯燃烧点、爆炸点与空气中氧浓度,火源温度有关,上图只是一般的通常值)二、瓦斯隧道几种灾害瓦斯隧道施工时，可能发生7种灾害：（1） 煤与瓦斯突出在地应力和瓦斯压力的共同作用下，很短的时间中破碎的煤、岩和瓦斯从洞壁突然抛出，伴有猛烈的声响和巨大的动能，同时释放出大量的瓦斯。有时伴随瓦斯爆炸，造成二次破坏。“突出”事故的伤亡和损失一般都是很渗重的。（2） 煤突然倾出在重力作用下松软的煤层突然坍下，同时有大量瓦斯释放，坍下的煤以煤块形式堆积。（3） 煤突然压出一部分煤在构造应力或放炮振动影响下，整体抛出，但位移距离不大，压出的煤或呈小块状，或呈有大量裂隙的大块状。（4） 岩石与瓦斯突出原因与煤与瓦斯突出相似，有时还加上掘进放炮的的振动作用。大多数发生在破碎的砂岩中，放炮时，发生岩石破坏，抛出的现象，在抛出的砂岩岩块中含有大量的砂粒和粉尘，洞壁上形成空洞（不一定与爆破洞穴同一位置），与此同时，洞内瓦斯大量增加。（5） 瓦斯爆炸达到爆炸浓度的瓦斯（一般在5%16%之间）与火源接触（一般需要512以上），并且坑道内有氧气存在（含量12%以上），就会发生猛烈爆炸，有时会造成大量伤亡。（6） 煤尘爆炸当煤质中挥发物占总可燃物（固定炭加挥发物）10%以上，且形成的小颗粒煤尘悬浮在空气中，当空气中煤尘含量较多（30g/m3以上），遇700以上的火源，即会发生煤尘爆炸，煤尘爆炸的后果比瓦斯爆炸更严重，因为煤层爆炸会产生大量一氧化碳（CO）使人中毒，很多人不是炸死而是被毒死。（7） 巷道坍塌煤系地层除少数外，大多数强度很低，尤其是煤中的软分层，用手即可捻成粉碎，所以巷道稳定性差，容易产生坍塌事故。名词瓦斯涌出：掘进放炮以后，瓦斯从洞壁暴露面，从爆下的岩块和煤块中均匀释放的现象。(在邻近煤层的掌子面附近经常有瓦斯涌出。)瓦斯喷出：在20 m长的巷道范围内，从洞壁裂隙、孔洞或炮眼中涌出大量瓦斯，当喷出强度达到1 m3/min，喷出时间8 h以上时，称之谓瓦斯喷出。三、低瓦斯隧道安全施工技术1. 搞好低瓦斯隧道安全施工的重要性（1） 低瓦斯隧道在铁路和公路的瓦斯隧道中，数量最多、比例最大；（2） 低瓦斯隧道中瓦斯涌出量小，洞内瓦斯浓度低，有时甚至量不出来。不论设计方还是施工方，容易忽视；（3） 铁路规范规定，低瓦斯隧道不要求使用防爆的机具和电气设备，很多人以为与普通隧道没有区别；（4） 低瓦斯隧道一般不会出事故、在南昆线以后，内昆、水柏、渝怀等很多铁路的低瓦斯隧道都正常施工，没有出事故，已经产生了麻痹思想，但低瓦斯隧道搞不好一样会爆炸，一样会出事故，有必要强调它的安全生产重要性，有必要针对低瓦斯隧道的特点研究其安全生产技术。鉴于上述几点，这次只专门介绍低瓦斯隧道的安全生产技术，至于高瓦斯隧道和瓦斯突出隧道，由于设计施工方、业主管理方都很重视，而且在设计上采用专门防爆设备，一般不容易出事故，这里就从略不讲了。2. 低瓦斯隧道灾害事故种类低瓦斯隧道在通过煤系地层（即含煤地层，包括煤线、鸡窝煤、薄层煤以及煤层前后的含瓦斯岩层一般为砂岩、泥岩、页岩等沉积岩）时，易发生的事故只有三种：（1） 瓦斯爆炸；（2） 瓦斯燃烧；（3） 巷道坍方。3. 瓦斯浓度管理标准低瓦斯隧道中的瓦斯量虽然不多，通风不良仍可引起爆炸。由于隧道采用非防爆施工机具，所以低瓦斯隧道对瓦斯浓度的管理非常严格，要求：（1） 工区内任何地点、任何时刻的瓦斯浓度不大于0.3%；（2） 任何地点瓦斯浓度达到0.4%时，应即刻报警，找出原因，及时处理；（3） 任何地点瓦斯浓度超过0.5%，应在前后20 m范围内立即停工，切断电气设备电源，查找原因并加强通风，观测浓度变化；（4） 开挖面瓦斯涌出，且浓度超过0.5%时，掌子面至二次模筑衬砌起点之间立即断电、停工撤人，如加强通风后浓度仍降不下来，则全工区停电撤人立即研究处理办法。（两个方案：a、如瓦斯涌出强度超过0.5 m3/min，改按高瓦斯工区处理、设备换装；b、增加通风设备，加强通风，等待瓦斯涌出衰减）。4. 洞内易引起瓦斯爆炸的危险地点（1） 煤层附近的掌子面瓦斯是由煤层中散发出来的，由于接近煤层的岩石存在裂隙，所以煤层前后50 m范围的岩石巷道，都可能有瓦斯涌出，特别是掌子面新暴露的煤面和岩石，瓦斯压力大，涌出量也大。（2） 拱顶坍穴一旦发生坍方，地层裂隙中的瓦斯大量逸出，由于瓦斯的空气轻，拱顶以上的坍穴中往往积累大量瓦斯，而且坍穴是通风死角，所以瓦斯浓度大，而且不容易发现（一般不上去检测）。（3） 拱顶以下3040 cm范围据有关资料，当隧道内风速较低时，较轻的瓦斯往往贴在拱顶下部形成断断续续的滞留层，每个滞留层层厚20 cm左右，宽度为23 m，长度为1015 m，滞留层瓦斯浓度在底部2%，顶部可达到10%。（4） 巷道转角由于巷道转角处风速较低，容易积累高浓度瓦斯。（5） 避人洞、避车洞、横通道这些地方是独头巷道，或者虽不是独头巷道但风速很低，也易积累瓦斯。（6） 停留的大型设备背风处长时间停留的装碴机、模板台车背后往往有通风死角，瓦斯浓度也会比较高。上述危险地点要加强瓦斯检测，一旦发现浓度超标（0.4%)，应采取局部通风方式，冲淡瓦斯。如：设置局扇、设置风动或水力引风机（如QF-5型、YR-101型）、采用康达型高压风管等。5. 瓦斯检测（1） 瓦斯检测设备瓦斯自动断电报警器（如：AWJ-6型）；便携式瓦检仪（光干涉如：SWJ-A型、催化型如AZJ-91型）；凡重要地点（如开挖面、煤层附近、衬砌台车前方等），人员难于攀登地点（如坍穴顶部），均应设置自动断电报警器的探头。（2） 检测地点开挖工作面风流中；未成洞段及已成洞段的拱顶下沿；衬砌台车前方；塌方、凹陷、裂隙、风流死角；地质破碎、地层变化、溶洞；进洞汽车、装碴机车头上(机头上固定设置瓦测仪)；停放的大型设备后方风流死角；洞内电焊地点；洞电通风机、电机及开关附近；避人车洞、横通道内；其它通风不良处（3） 检测频率开挖面在打眼后，放炮前、放炮后各检测一次（即“一炮三检测”）；其余时间及地点每班至少2次；有异常现象时每小时1次；特殊情况时应旁站不间断量测。（4） 检测设备标定及检修每5天校正便携式报警器或瓦斯传感器（探头）一次；每7天校正瓦斯自动断电报警器一次；每15天校正光干涉瓦斯测定仪一次；每天应对照各种不同类型瓦检仪表读数，其误差不应超过允许值。每次通过煤层，应测量总回风风速及瓦斯浓度，计算出洞内瓦斯涌出总量（其它时间每月至少测量一次），并重新判定工区的瓦斯等级。6. 关于瓦电闭锁和风电闭锁在设计时判定隧道是否属于低瓦斯隧道的依据是地质勘察资料，但由于技术水平和设备限制，地质工作往往存在或大或小的误差。为了确保隧道开挖时即使突然出现大量瓦斯，仍不会发生爆炸事故。在隧道中安装“两闭频”是非常必要的，所谓“两闭频”即“瓦电闭锁”和“风电闭锁”。“瓦电闭锁”前已述，洞内重要位置均应布置探头，长期不间断监测瓦斯。当探头测得风流中瓦斯浓度超标时，可立即自动启动断电报警器，切断规定范围的电器设备电源，并产生声光报警。“风电闭锁”当隧道内通风机由于某种原因不能运转供风时，自动切断停风区全部电气设备电源。9. 灯具及电缆根据铁路瓦斯隧道技术规范8.1.1条，低瓦斯工区的电气设备和作业机械可使用非防爆型，但对于照明灯具，又规定采用防爆型（8.3.3条），似乎有些矛盾。据在一些隧道实地观察，觉得可以这样处理：（1） 靠近掌子面的未成洞地段，是洞内瓦斯浓度最高段落，应采用EXDI型矿用防爆照明灯，防止掌子面掘进时突然涌出大量瓦斯，发生事故。（2） 已成洞地段，瓦斯已封闭，衬砌中溢出瓦斯量甚少，可采用一段非防爆灯具，但在成洞地段地点的起点（模板台车前方），应设置瓦电闭锁探头，一旦瓦斯浓度超标，应立即切断灯具电源。（3） 洞内高压和低压电缆规格，应按规范办理，电缆芯线与电气设备连接必须使用齿形压板或线鼻子；（4） 工地移动照明，应采用矿灯，或防爆应急灯。10. 施工通风低瓦斯工区可以用独头巷道风管压入式通风，也可以用巷道式通风。当采用巷道式通风时，开挖面附近还应布置局扇（压入式）。目前射流风机常常作为隧道通风的辅助风机，比如：布置在掌子面附近防止瓦斯停留（因压入式通风管端部常常距开挖面太远），布置在横通道内作为主风机形成巷道全风压风流。洞内风机及开关应使用防爆型。11. 电源低瓦斯工区不要求设置两套互为独立的供电系统，但主通风机应有二路电源，直接由变电所馈出并来自不同变压器，当一路停电时，另一路在15 min内接通供电。12. 支护施工巷道开挖暴露煤层后，应尽快施作锚喷初期支护，用掺气密剂的喷砼覆盖煤层和有瓦斯涌出的岩面、喷砼厚度不小于15 cm。当巷道变形喷砼表面出现开裂，还应进行补喷、补喷厚度至少5 cm。当洞壁喷砼不能有效减小瓦斯溢出时，可采用：（1） 对洞壁径向注浆，封堵瓦斯渗漏通道（用C-S浆，注浆厚度3 m）（2） 提前施做瓦斯隔离层和二次衬砌（气密性砼），厚度不小于40 cm，衬砌接缝应进行气密处理。13. 其它（1） 施工通风应24 h不间断，通风机应有备用；（2） 低瓦斯工区也应进行火源管理，严禁火源进洞，洞内及洞口20 m范围禁烟，洞口设检查岗，洞内不得储存易燃品（油类等），进洞人员不得穿易产生静电服装，进出洞人员应登记；（3） 所有施工人员均需岗前培训，合格后发给上岗证才能进洞；（4） 各工区应建立必要的安全生产制度，如瓦斯检测登记制度，瓦斯检测工作细则、瓦斯仪表校正检修制度、电气设备检查和修理保养制度、煤层采样试验规程、超前探孔施工作业细则等；（5） 关于瓦斯隧道安全施工内容很多，有的也很细，这里不能一一介绍，不详之处，请参看前面列举的一些参考资料和规范，但以铁路瓦斯隧道技术规范为主。四、瓦斯隧道设