隧道瓦斯灾害的特征及防治

隧道瓦斯灾害的特征及防治隧道瓦斯灾害的特征及防治 一 概述一 概述 在瓦斯隧道的施工过程中 由于存在着瓦斯突出和爆炸的 隐患 一些先进的隧道施工技术和成熟的施工方法的应用 受 到一定的限制 据不完全统计 建国以来我国修建了 13 座铁路 瓦斯隧道 总延长 40km 左右 积累了许多宝贵的经验 隧道 选线时即应尽量避免不良地质和煤与瓦斯突出地带 只有在万 不得已时才出现穿越煤层瓦斯的情况 因此 一般来说隧道勘 测选线阶段的瓦斯预测比煤田矿井的瓦斯预测要难得多 预测 精度也低得多 铁路隧道的开挖断面通常为 50 120m 而煤巷 掘进断面通常为 7 12m 因此 总结瓦斯隧道施工技术已成为 当务之急 二 瓦斯灾害的特征二 瓦斯灾害的特征 1 瓦斯的形成 瓦斯是无色 无味 无臭的一种混合气体 甲烷 ch4 与 乙烯 c2h2 遇明火容易发生爆炸 但有时可以闻到类似苹果 的香味 以自由气体状态存在于煤层或围岩的裂缝 孔隙之中 其量的大小主要决定于贮存空间的体积 压力和温度 当压力 温度变化时 游离瓦斯转化为吸着瓦斯称为吸附 吸附瓦斯转 化为游离瓦斯称解吸 瓦斯极易燃烧 但不能自然 当与空气混合到一定浓度时 遇火源能燃烧或爆炸 当坑道中的瓦斯浓度小于 5 或大于 16 时 遇到火焰只是在火源附近燃烧而不会爆炸 瓦斯浓度 在 5 6 到 14 16 时 遇到火源便会爆炸 9 5 左右时 爆炸威力最大 但瓦斯浓度大于 43 时 一般遇火也不能燃烧 瓦斯浓度爆炸界限见表 1 2 瓦斯的放出类型 瓦斯放出是地层中的瓦斯气体在地应力作用下沿岩体构造 裂隙外漏的表现 归纳起来 发生瓦斯放出有二个主要因素 地应力 瓦斯和围岩结构 而地应力和围岩中瓦斯的存在是引 起瓦斯放出的主要因素 从岩层中放出瓦斯 可分为几种类型 1 瓦斯的渗出 它是缓慢的地 均匀地 不停地从煤层 或岩层的暴露面的空隙中渗出 延续时间很久 有时带有一种 嘶嘶的声音 2 瓦斯的喷出 比上述渗出强烈 从煤层或岩层裂隙或 孔洞中放出 喷出的时间有长有短 通常由较大的响声和压力 3 瓦斯的突出 在短时间内 从煤层或岩层中突然猛烈 地喷出大量的瓦斯 喷出的时间 可能从几分钟到几小时 喷 出时常有巨大的轰响 并夹有煤块或岩块 以上三种瓦斯放出形式 以第一种放出的瓦斯量为最大 三 地质因素对瓦斯赋存及分布的影响三 地质因素对瓦斯赋存及分布的影响 煤与瓦斯突出是由瓦斯 地应力和煤的物理力学性质等多 因素共同作用的结果 影响瓦斯赋存及分布的因素是多种多样 的 大量研究成果表明 地质构造对瓦斯赋存具有控制作用 褶皱 断层等不同的构造是控制瓦斯赋存及分布的重要因素 1 聚煤古环境对瓦斯赋存及分布的影响 适宜的成煤建造特征总体上控制煤与瓦斯形成条件 我国 绝大多数聚煤古环境为二叠系煤层 少数为侏罗系 极少数为 石炭系煤层 煤与瓦斯是地质作用的产物 它们的产生 赋存 富集均受地质条件的控制 而瓦斯主要赋存于煤层中而煤层赋 存在含煤系中 因此 含煤系的建造特征是瓦斯形成和保存的 基础条件 一般来讲 在三角洲 滨海平原等环境中形成的瓦 斯涌出量趋势较大 突出较严重 2 地质构造对瓦斯赋存及分布的影响 l 煤层埋藏深度对瓦斯赋存的影响 煤层的埋藏深度越深煤层中的瓦斯向地表运移的距离就越 长 散失就越困难 同时 深度的增加也使煤层在压力的作用 下降低了透气性 有利于保存瓦斯 在近代开采深度范围内 煤层的瓦斯含量随深度的增加而呈线性增加 2 构造体系与瓦斯赋存及分布的关系 巨型纬向构造带的活动对内生矿床的生成 不同地质时期 建造都有控制作用 天山 阴山带和昆仑山 秦岭带明显控制了各 含煤建造的形成与发育 构成了聚煤期的边界 压性褶皱断层 发育 不利于瓦斯逸散的条件 使附近的煤田有高瓦斯赋存 有突出的危险 弧形构造的凹侧 帚状构造的收敛端遭受挤压 而成为应力集中带也有利于瓦斯的保存 而多字形构造中 与 平行斜列压性结构面垂直的弧形断裂起着释放应力和有利于瓦 斯逸散的作用 3 构造形迹对瓦斯赋存的影响 构造形迹对瓦斯赋存的影响是一方面造成了瓦斯分布的不 均衡 另一方面是形成了有利于瓦斯赋存或有利于瓦斯排放的 条件 由于地质构造应力的作用和应力场的复杂性 在同一构 造形迹内出现有应力集中程度不同的块段 造成了相对的高压 和相对的低压地区 驱动瓦斯的运移 形成了瓦斯的相对富集 这也是瓦斯分布不均衡的重要原因 4 断层对瓦斯赋存的影响 地质构造中的断层破坏了煤层的连续完整性 使煤层瓦斯 条件发生了变化 不同性质的断层构造对煤层瓦斯的保存与释 放是绝然不同的 压扭性断裂与裂隙一般闭合程度高 有利于 瓦斯保存 而张性的裂隙和断层 有利于煤层瓦斯的释放 断层的开放性和封闭性决定下列条件 断层的性质 一般的张性正断层属于开放型断层 而压 性或压扭性断层封闭条件较好 断层与地面或冲积连通 规模大且与地表相通或与松散 冲积层相连的断层一般为开放型 断层将煤层断开后 煤层与断层另一盘接触的岩层性质 断层带的特征 如断层的充填 裂隙发育情况 此外断层的空间方位对断层的保存 遗散也有影响 一般 走向断裂阻隔了瓦斯沿煤层倾斜方向的遗散 而倾斜和斜交断 层则把煤层切割成互不联系的块段 5 褶皱构造对瓦斯赋存的影响 由于褶皱运动 使得褶皱产状发生了较大变化 而煤层是 沉积岩中最软弱的成分之一 在构造应力作用下或重力作用下 极易形成复杂的褶皱和厚煤包 对于褶皱 易突出部位主要在 褶皱强烈地带或紧密结合褶皱部位 不协调褶皱 层间滑动或 层间褶皱发育地带 向斜的轴部附近 背斜的倾伏端 背斜中 性面以下部位 以及牵引褶皱部位等易于赋存瓦斯 3 围岩特征对瓦斯赋存的控制作用 隧道施工中如果处于中间岩土层时 如果该岩层的上下岩 层结构比较致密 这种地质情况有利于瓦斯的赋存 一般情况下 瓦斯含量和埋藏深度具有线性关系 随着埋 深的增加而增加 瓦斯的形成和赋存受地质条件控制 封闭型 地质构造有利于封存瓦斯 开放型地质构造有利于排放瓦斯 区域地质构造控制着瓦斯含量的区域性分布 四 瓦斯的地质超前预报四 瓦斯的地质超前预报 隧道施工的主要工程地质问题是岩体破碎 崩塌 煤层瓦 斯及采空区危害的防治 尤其是对瓦斯的超前预报 是施工地 质预报的重点和难点 瓦斯预报方法 现有超前预报方法中 可供选择的主要有两种 地质法和 物探法 l 地质法是最基本 最简单 最直接的预报方法 主要包 括地表及洞内地质调查 隧道开挖掌子面地质素描和钻孔 超前钻探法 超前钻探法 advance boreholes 是运用 钻孔台车从隧道掌子面向前打孔时钻进速度的变化 并结合岩 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 所以准确率很高 超前平导法 超前平导法也称超前导坑法 advanced tunnels 它是在隧道中线附近利用平行导坑先期贯通一个综 合性地质探洞 以便对主洞作出直观 精确的地质超前预报 同时还可为主洞施工提供输水 排水 施工通风 施工运输的 方便条件 2 物探方法 如地震法 tsp 系统 hsp 声波反射法 电 磁波反射法 电法等 它们各有其适用条件和优 缺点 需根 据实际情况 组合采用 以期达到最佳预报效果 五 隧道瓦斯灾害的防治五 隧道瓦斯灾害的防治 l 隧道穿过瓦斯溢出地段时 应预先确定瓦斯探测方法 并制定瓦斯稀释措施 防爆措施和紧急救援措施等 2 隧道通过瓦斯地区时 已采用全断而开挖 因其工序 简单 面积大 通风好 随掘进随衬砌 能够缩短煤层于瓦斯 的释放时间和缩小围岩暴露面 有利于排除瓦斯 3 加强通风是防止瓦斯爆炸最有效的方法 把空气中的 瓦斯吹淡到爆炸浓度以下 并将其排除洞外 有瓦斯的坑道 决不允许用自然通风 必须采取机械通风 通风设备必须防止 其漏风 并配备备用的通风机 一旦工作中的通风机发生故障 时 备用机械能立即供风 保证工作面空气内的瓦斯浓度在允 许限度内 当通风机发生故障或停止运算时 洞内工作人员应 立即撤离到新鲜空气地区 直至通风恢复正常 才允许进入工 作面继续工作 4 洞内的空气中允许的瓦斯浓度应控制在下述规定值以 内 洞内总回风风流中的瓦斯浓度小于 0 75 从其他工作面进来的风流中的瓦斯浓度小于 0 5 掘进工作面的瓦斯浓度在 2 以下 工作面装药爆破前空气中的瓦斯浓度在 1 以下 如瓦斯浓度超过上述规定 工作人员必须立即撤到符合规 定的地段 并切断电源 5 开挖工作面风流中和电动机附近 20m 以内风流中瓦斯 浓度达到 1 5 时 必须停工 停机 撤出人员 切断电源 进 行处理 开挖工作面内 局部积聚的瓦斯浓度达到 2 时 附近 20m 内必须停止工作 切断电源 进行处理 因瓦斯浓度超过规定切断电源的电器设备 都必须在瓦斯 浓度降低到 1 以下时 方可重新开动机器 6 瓦斯隧道必须加强通风 防止瓦斯积聚 由于停电或 检修 是主要通风机停止运转 必须有恢复通风 排除瓦斯和 送电的安全措施 恢复正常通风后 所有受到停风影响的地段 必须经过检测人员检测 确认无危险后方可恢复工作 所有安 装电动机和开关地点的 20m 范围内 必须检查瓦斯 符合规定 后才可启动机器 局部通风机停止运转 在恢复通风前 亦必 须检查瓦斯 符合规定方可开动局部风机 恢复正常通风 7 如开挖进入煤层 瓦斯排放量较大 使用一般的通风 手段难以稀释到安全标准时 可使用超前周边全封闭预注浆 在开挖前沿掌子面拱部 边墙 底部轮廓线轴向辐射状布孔注 浆 形成一个全封闭截堵瓦斯的帷幕 特别对煤层垂直方向和 断层地带进行阻截注浆 其效果会更加 开挖后要及时进行喷锚支护 并保证其厚度 以免漏气和 防止围岩失稳 8 采用防爆措施 遵守电器设备及其他设备的保安规则 避免发生电火 瓦斯散发区段 使用防爆安全型的电器设备 洞内运转机械需 具有防爆性能 避免运转时发生高温火花 凿岩时用湿式钻岩 防止钻头发生火花 洞内操作时 防止金属与坚石撞击 摩擦发生火花 爆破作业 使用安全炸药及毫秒电雷管 采用毫秒电雷 管时 最后一段的延期时间不得超过 130ms 爆破电闸应安装 在新鲜风流中 并与开挖面保持 200m 左右距离 洞内只准用电缆 不准使用皮线 使用防暴灯或蓄电池 灯照明 铲装石渣前必须将石渣浇湿 防止金属器械摩擦和撞击 发生火花 洞内严禁使用明火 严禁将火柴 打火机 手电筒及其 它易燃品带入洞内 六 瓦斯隧道施工案例六 瓦斯隧道施工案例 肖家营隧道是沪蓉西高速公路的重点工程 位于重庆市黔 江区境内 是一座上下行分离的四车道隧道 最大埋深约 90m 左线长 533m zk37 180 713 右线长 528m yk37 177 705 进口为弧型端墙式洞门 出口是台阶 式洞门 隧道区域为构造剥蚀中低山地貌 隧道垂直穿越南北 脊向山岭 相对高差约 159 60m 山体东面较陡 28 西面 较缓 15 隧道处于永宁背斜核部 背斜轴线走向 nw 两 翼呈较舒缓圆弧状 背斜核部为上二叠统龙潭组煤系地层 受 构造破坏 产状变化大 倾向 ne 一 nnw 倾角 15 25 局部 陡倾 岩性主要为泥质粉砂岩 砂岩 泥岩夹煤互层 风化程 度不均 地下水主要为孔隙潜水和基岩裂隙水 1 预报方法选择 根据隧道的地质条件 确定以地质法为基础 以 hsp 声波 反射法为主要手段 结合超前钻探和瓦斯浓度监测相结合的综 合方法实施该隧道瓦斯地质预报 其措施 采用地质素描和超前钻孔实施掌子面瓦斯观测 采用 hsp 声波反射实施掌子面前方的断层 破碎带预报 选用专用的瓦斯检测仪监测瓦斯浓度 2 现场测试 掌子面为灰 灰黑色薄 中层砂岩 泥质粉砂岩及煤线 岩层 产状 18228 掌子面正中发育一 20189 小断层 断层泥及断层 角砾发育 厚 20 40cm 掌子面岩体呈块状镶嵌结构 主要发 育三组节理 掌子面潮湿 拱顶岩体较破碎 易塌掉块 根据探测结果 建议 施工中注意洞内对地下水的监测排导 前方几十米范围内岩体较破碎 破碎 自稳能力差 应加 强初期支护力度 在岩体破碎带施工应加强超前支护措施 打超前锚杆 防止拱部坍塌 加强瓦斯监测 加强洞内通风 3 隧道施工情况及瓦斯防治建议 l 根据设计显示 隧道左洞 zk37 590 zk37 390 和右洞 yk37 370 yk37 550 共 4 处出现煤层 厚度在 5m 左右 隧道 施工于 2006 年 3 月开始 左洞施工至 zk37 660 右洞施工至 yk37 650 时出现煤层 在掘进过程中出现泥岩夹煤互层 厚度 不均 瓦斯浓度 小于 0 5 未超标 隧道按新奥法施工 2006 年 12 月 左洞施工至 zk37 600 右洞施工至 yk37 580 掌子面围岩为泥质粉砂岩 砂岩 泥岩夹煤互层 瓦斯浓度大 于 1 2006 年 5 月 左洞施工至 zk37 340 右洞施工至 yk37 525 掌子面围岩为泥质粉砂岩 砂岩 泥岩夹煤互层并 出现渗水 瓦斯含量进一步增大 浓度大于 1 5 2 瓦斯防治建议 煤系地层 zk37 217 340 123m yk37