隧洞工程穿煤層和瓦斯地段安全施工措施

田 霞，毛 燕

（吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021）

1 煤層探測及煤與瓦斯突出預測

煤層探測及煤與瓦斯突出的研究表明，煤層畸變、分岔、煤厚突變處是最易發生突出現象的部位，而施工中若誤揭煤層則會誘發災難性事故。因此，了解煤層的賦存形態，通過標志層判定煤層就尤為重要。在開挖工作面距預測煤層位置10 m以外，于上部導坑打3孔超前鉆孔，詳細記錄巖芯，尋找標志層，確定煤層編號，及記錄煤層空間位置及煤層厚度。根據“煤規”規定，超前鉆孔必須穿透煤層全厚并進入底板巖層（底板標志層）不小于0.5 m，其終孔位置應控制在開挖輪廓外5 m左右。

為掌握煤層變化情況，隧道下部導坑也需打1～2孔超前鉆孔，與上部導坑之鉆孔相互印證。

開挖面掘進至已定位煤層凈距為5 m時，首次揭煤前作2個預測孔，對煤與瓦斯賦存條件、突出程度進行預測，以確定防突措施。通常首次預測確定煤層具有突出性后，該層煤即為突出煤層。

由于煤與瓦斯突出的機理十分復雜，因此，在其它部位施工時，仍應進行檢驗性預測孔預測。對煤與瓦斯突出的預測方法多種多樣，而又各有局限性，除常用的鉆屑指標法外，還有“鉆孔瓦斯涌出初速度法”、“綜合指標R值法”以及近年發展的“聲發射預測”、“紅外測溫預測”、“氦、氬同位素預測”等等。施工中，經常采用多種預測方式，以期全面地、多角度地進行煤與瓦斯突出預測，提高預測準確率。但預測仍以常用的鉆屑指標法為主，以鉆屑解析指標作為判定是否突出及突出程度的基本參數列于表1。

此外，在鉆孔時利用所測瓦斯涌出初速度gh·k及利用每米鉆孔最大鉆屑量、最大瓦斯涌出初速度確定的R值，也可作為預測突出的指標。

表1 鉆屑指標法臨界值

2 防止煤與瓦斯突出的措施

2.1 抽放與排放的選擇

對于突出煤層，降低煤層瓦斯壓力是至關重要的措施。一般對于局部防突多采用抽放或排放。采用抽放時，由于負壓可使鉆孔數量大為減少，按技術要求抽放負壓應不小于13 kPa，抽放率應達到25%才能有效地止住突出。然而，由于突出煤層多具有透氣性系數低，往往遠小于0.001 MD（達西），故抽放效果難以保證。另據美國洛杉機地鐵在粉細砂層內進行的抽、排放試驗資料，抽放與自然排放對相鄰監測井中的有害氣體濃度，由此而論，隧道抽放瓦斯效果還需設一套空氣注入系統方可快速有效，這顯然會增加工程投資。

排放范圍為隧道開挖輪廓以外5 m。排放步驟與隧道開挖步驟相適應，由距煤層凈距5 m處掌子面施作排放鉆孔。實際上，考慮先揭煤之施工部分開挖面的排放鉆孔，則排放鉆孔可減少10%以上。排放至瓦斯壓力小于本礦區最小突出瓦斯壓力值后，即可揭煤。

2.2 揭煤工程措施

揭煤采用金屬骨架支護，震動放炮揭開石門，爭取一次揭開煤層。在煤與瓦斯突出事故中，揭開石門導致突出所占比例雖不高，但其強度卻很大，因此，首次揭煤應引起高度重視。而在煤層中掘進，煤與瓦斯的動力現象多為小型突出或壓出、傾出為主。由于掘進過程中破壞了原有應力場，二次應力的產生及集中作用，巖體受爆破影響后的弱化作用，都為煤層彈性儲能的釋放提供了條件，煤與瓦斯的突出多發生于開挖爆破后。因此，安全揭煤首先要對周邊煤體進行適當加固，限制開挖后應力場的變化范圍，結合防突采用的金屬骨架，采用不同外插角的自進式錨桿。其中，大外插角者，以超前加固巖（煤）體、封閉開挖范圍以外煤體裂隙，以縮小巖體松弛區，防止大變形的發生，減少瓦斯涌入坑道的數量。小外插角者，作為揭煤之金屬骨架防止煤與瓦斯的突出，同時也是作為保證施工安全的超前小管棚。

2.3 防止煤與瓦斯突出的備用措施

布設較密集的排放鉆孔本已起到了煤體的卸壓作用，若排放效果不理想時，還可利用這些排放孔進行水力沖孔，誘導煤層噴孔現象，形成有控制的連續的小型突出，通過煤與瓦斯的大量噴出，使排放范圍內具有突出危險性的煤體失去突出能力，同時水能加強煤體的可塑性，降低其彈性儲能，減緩釋放速度，達到防止突出的目的。

首次和擴大揭煤作業流程：對每層煤均應實施超前鉆孔和預測孔，對煤與瓦斯突出做危險性預測，有突出危險的做實施性防突設計，采用鉆孔排放瓦斯，排放完后做排放效果檢驗，效果若不理想，繼續做鉆孔排放，重復上述幾步排放效果仍然不明顯的話，要做抽放或者用水力沖，直至達到排放效果，然后做金屬拱架、超前錨桿、注漿加固巖體等安全措施，做好這些措施，就可以揭露開采煤層。

2.4 加強通風

為保證施工安全，施工通風十分重要。根據“煤規”，洞內風速要保證不小于0.25 m/s，風流中瓦斯濃度不得超過1%。

如每個通風工區共安裝主風機2臺（BK40—6—No.18型，一臺備用），局扇5臺（DXB88—1型，另備用5臺），供電為雙回路制。值得研究的是，設計按煤礦的做法，主風機為全能力備用，然而，當主風機出現故障時，應首先保證的是洞內瓦斯不得超限，按炸藥用量確定的主風機排放瓦斯的能力過剩。因此，建議在瓦斯隧道施工通風設計中，應按一次最大炸藥消耗確定主風機，而按排放瓦斯要求能力配置主風機的備用風機，可節省工程投資。

3 含裂隙瓦斯 油氣及硫化氫氣體地層的施工防災措施

1）加強地質預測、預報工作，采用超前鉆探、TSP202地震波超前地質預報襲用及綜合物探，超前查明小型儲氣構造、裂隙發育帶、溶蝕發育帶等瓦斯易于儲集的地質條件，防止誤揭。

2）對異常點采用鉆探驗證，對氣囊采用抽放、排放或注漿封閉等措施，防止有害氣體的大量涌入。待瓦斯被封閉或排放枯竭后，再行掘進。

3）加強施工通風，是保證施工安全的有力措施。除按瓦斯允許濃度要求進行通風外，還需保證坑道內硫化氫濃度不大于66 ppm的要求。

4）由于賦存裂隙瓦斯的巖體相對較堅硬，鉆進時產生熱量較大，因此必須堅持采用水鉆，以防不測。利用硫化氫溶于水的特性，在坑道內噴霧灑水可有效降低硫化氫濃度。

4 瓦斯隧道防爆施工機械配套及供配電設備

4.1 設備配套原則及技術要求

1）施工機械及電氣設備

a）鑒于以內燃機為主動力的機具目前還難以解決防爆問題，故瓦斯隧道應采用以電力為動力的有軌運輸及與其配套的施工機械。

b）機械設備的工作效率應能保證所要求的隧道施工進度。

c）進入隧道的施工機械及電氣設備應具有防爆或隔爆性能，機具外表應有明顯的“KA”“KB”“KH”“EX”或“MA”等標志。

2）供配電系統

a）對瓦斯隧道的施工用電，根據“煤規”第481條規定，應設有兩回路電源線路，當一路電源發生故障停止供電時，另一回路仍能負擔隧道用電的全部負荷。但根據鐵路隧道的具體情況，架設兩回路線路有困難時，亦可就近建設發電站作為備用電源。

b）瓦斯隧道內供電系統，應作到“三?！薄皟砷]鎖”，即專用變壓器、專用開關、專用供電線路和瓦斯濃度超標時與供電的閉鎖、局扇通風與供電的閉鎖，以保證瓦斯隧道安全施工。

c）瓦斯隧道內供電配電電壓應符合“煤規”及“鐵路瓦斯隧道技術暫行規定”的要求。

d）電壓波動范圍，高壓為額定值的±5%，低壓為額定值的±10%。

e）頻率波動范圍為（50+17）Hz。

f）隧道內敷設的電纜應符合“煤規”第444條規定：高壓電纜應使用有屏蔽的監視型橡套電纜，低壓電纜應使用不延燃橡套電纜，各種電纜的分支連接，必須使用與電纜配套的防爆連接器、接線器和插銷。

4.2 瓦斯隧道挖、裝、運及施工通風的機械配套

機械配套模式適合普通機械化水平的施工單位，當然，如果有防爆型的小斷面（導坑）鉆孔臺車，也可以代替7655氣腿式鑿巖機或YT-28鑿巖機，但我國鐵路施工單位一般不具備此種條件。從施工速度的要求來看，由于煤系地層不允許大斷面深孔大藥量爆破，為防止煤層突出以及從保持巷道穩定出發，應采用“小斷面、短進尺、弱爆破”方式，因此采用鉆孔臺車的優越性并不突出。

施工通風使用主扇時，應在通風機房內安裝一套有同等能力的備用風機。

S8D梭式礦車裝碴及卸碴操作方便，受到工人歡迎，長隧道當運距大于1 km以上時單口配置數量宜增加到10臺以上。

4.3 供配電

1）外部電源?！懊阂帯?18條及“鐵路瓦斯隧道技術暫行規定”10.2.1條規定，瓦斯隧道施工必須要求具備雙回路外部電源，但一般鐵路隧道建設工期短，又地處荒山僻野，要具備互相獨立的兩套外部電源，在工期和投資上都是不現實的。通過經濟技術比較，決定在隧道的洞口瓦斯工區各建一座柴油機發電站，每座電站容量480 kW（4臺120 kW機組），當外部電源發生故障，要求電站在10 min內可開動供電。備用電站的供電范圍可僅限于通風主扇及局扇、瓦斯抽放泵站、抽水泵站、照明系統這幾個重要部位。

2）電壓。瓦斯隧道洞內各級配電和機電設備額定電壓，限制如下：高壓不大于10 000 V；低壓不大于380 V；照明、手持用電設備、電話、信號供電不大于127 V；遠距離控制線路不大于36 V。

3）照明供電。鐵路瓦斯隧道施工時，由于施工機械工作引起電壓降及“漏電保護”、“風電”、“瓦電閉鎖”動作時，均會間斷性地引起洞內停電，影響正常的照明。為保證正常工作照明及險情時人員的安全撤出和險情處理，采用了單獨的照明系統。其設置是：在洞外設照明專用變壓器降壓后經礦用防爆主電纜送入洞內，在各相應地段設置照明及信號專用ZXZ8—2.5Ⅱ型綜合保護裝置，將380 V三相中性點不接地電源降壓為127 V，用分支電纜、防爆接線盒接入KBY—20防爆防塵熒光燈燈具及防爆投光燈、防爆白熾燈，滿足了道路和施工照明需要。該“綜合保護器”除常規保護外，另有高靈敏度可調漏電保護裝置，當照明燈具、電纜等因絕緣變低超限或受損破壞漏電等情況時，能可靠地動作，停止供電，以保證防爆要求和人身安全。

4）供電設備的“三?！薄皟砷]制”。

a）“三?！薄獙Ｓ米儔浩?、專用開關、專用線路

根據“煤規”要求，對瓦斯隧道施工的重要機電設備，必須實行“三專”措施，以確保安全施工。其措施是：“由10 kV電力T接干線10/6 kV洞口專用變壓器，由配電室KYGG—6型礦用開關柜經VGSP6 kV礦用監屏橡套電纜送電至洞內KBSGZY隔爆動力專用移動變電站，降壓為380 V后，再由各防爆饋電開關及防爆電纜完成向各工點的供配電。”

b）“兩閉鎖”—指“瓦電閉鎖”與“風電閉鎖”。

瓦斯隧道施工中，在煤系地段因為通風不良或其它原因，會在短時間內大量瓦斯集聚超限，此時如操作電氣或機械設備，可能會因漏電、短路、操作電弧等原因產生火花、引燃、引爆瓦斯，故采取在區域供電主開關處設置AXJ—2型瓦斯斷電儀，將其探頭設在有瓦斯突出及工作面適當地方。當瓦斯超限時，該探頭能發出報警信號，同時經斷電儀控制迅速切斷供電主開關；瓦斯濃度未降到要求標準時，斷電儀能控制主開關不會合閘送電，從而保證了施工和人身安全，也即是實現瓦斯超限時與供電主開關的閉鎖功能。

瓦斯隧道施工中，因停電、放炮等原因各局扇及機電設備要停止使用，這時，可能某些部位瓦斯會聚集超限，當恢復供電后，如同時啟動機電設備和局扇，或在局扇之前啟動機電設備，均可能會因機電設備、電纜線路的漏電、短路、操作產生火花電弧、引燃、引爆瓦斯。因此，必須是局扇先行啟動供風，稀釋瓦斯達到標準后，動力設備才能啟動操作。在局部和動力設備主開關間設有電氣閉鎖線路，即“風電閉鎖”。任何情況下，局扇停止，則動力設備即停止工作；風扇啟動時，其它動力設備不會同時啟動，以保證安全。此一安全措施，也即“風動閉鎖”。

5）其它安全措施。

a）洞外電力變壓器由RW4—10跌落式熔斷器作常規保護。

b）洞內6 kV開關柜對6 kV電纜作漏電時的斷電保護。

c）洞內移動式變電站為中性不接地礦用專變，設有高靈敏度漏電保護，并實施“瓦電”、“風電”閉鎖。

d）所有供電裝置均為中性接地供電，能將漏電電流限制為最小引燃電流，消除跨步電壓及雜散電流。

e）設置獨立的接地保護網，所有機電設備外殼與保護網都采用大于16 mm2的軟銅線連接。

f）為防止洞外雜散電流經鋼軌進入洞內，洞口位置的鋼軌連接處設置絕緣接頭，并將洞外軌端接地。

5 結語

在隧洞施工中，遇到穿越煤層和瓦斯地段的情況屢見不鮮，施工過程中，從最初做好監測，預報工作，從而及早采取措施防止突出情況的發生，而對于不可遇見裂隙含瓦斯、油氣、硫化氫等地層，選擇合理的機電設備、供、配電措施，從而用技術手段避免災害的發生或者將災害發生率降低到最小。

［參 考 標 準］

［1］DL5195-2004，水工隧洞設計規范.

［2］MT/T692-1997，煤炭瓦斯抽放技術規范.

［3］DL/T5397-2007，水電工程施工組織設計規范.