非伴煤瓦斯隧道概念及其工程意義

蘭北章 ，李 佳 ，胡瑤純 ，徐培強 ，魏有儀

(1.四川成德南高速公路有限責任公司,四川成都 610047；2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031；3.西南交通大學地球科學與環境學院，四川成都 610031)

董家山隧道瓦斯燃爆事故引發人們廣泛關注，瓦斯隧道施工安全在我國交通隧道工程領域得到了高度重視。反思隧道瓦斯燃爆災難發生的前因后果，總結其經驗教訓，對于今后類似工程建設安全極為重要。

1959年1月～6月，貴昆線巖腳寨鐵路隧道，雖然處于高瓦斯煤層發育地區，由于對交通隧道瓦斯危害認識不足，加之當時施工條件、技術及防爆措施均存在一定的局限性，5次燃燒2次爆炸造成了多達220人的傷亡事故[1]。1994年4月，達成鐵路炮臺山隧道由于對非煤系地層瓦斯(侏羅系紅層)認識不足，勘探設計階段并未提出瓦斯危害問題，隧道平導施工遭遇瓦斯燃爆造成13人死亡。都汶高速公路董家山隧道，雖然全隧道穿行于三迭系須家河組煤系地層，施工前各方由于主要關注煤層瓦斯，勘探設計資料和施工中也經煤炭專業單位鑒定，隧道定性為低瓦斯隧道并按低瓦斯隧道組織施工，2005年12月下旬瓦斯爆炸，當場死亡44人，傷11人，爆炸氣流充滿1 500m巷道并沖出洞口。2002年6月，渝懷鐵路線圓梁山隧道進口平導掘進二疊系溪霞組碳酸鹽巖地層約100m，由于對非煤系地層瓦斯認識不足，在施工超前探水水平地質鉆孔時，發生瓦斯噴孔并被照明用電弧燈引燃，火焰直抵距掌子面20～30m遠的通風管口，造成作業臺車上的十多人不同程度燒傷，其中一人因傷重死亡。作為瓦斯防治較為成功的南昆鐵路家竹箐隧道，1996年2月4日下午，斜井工區與平導11號橫通道交叉處，有工人躺在坍方口，使用打火機引起瓦斯燃燒，一股藍色火光沿拱腰左側連續閃爍幾次，火苗粗獷，驚心動魄，70～80m長的火焰持續幾秒鐘后幸而突然熄滅，避免了一場災難，運營期間補打卸壓孔排放瓦斯，曾多次發生燃燒，所幸未造成瓦斯災害[1]。合武客運專線紅石巖隧道出口繼2005年10月28日之后多次發現渣堆瓦斯燃燒，其后五福堂隧道、周家坳隧道、九斗沖隧道等8座隧道也陸續發現渣堆瓦斯燃燒現象，該地區范圍內隧道圍巖為片麻巖、片巖和花崗巖類，因此結晶巖地區隧道瓦斯問題也是無法繞避的客觀存在。

從上述幾個實例簡單介紹中不難看出，瓦斯隧道圍巖類型涉及沉積巖、變質巖和巖漿巖等全部三大巖類，工程地質條件極為復雜，一般工程技術人員很難掌握；瓦斯隧道施工與運營安全管理理念仍有待進一步理清，管理措施需進一步加強，安全措施費用在加大的同時更需要有針對性的加以使用。近年來除煤系地層瓦斯隧道外，已有不少國內研究者關注到了非煤系地層隧道瓦斯問題[2-9]。然而由于交通隧道與煤礦巷道存在明顯的差異性[1]，交通建設工程領域在瓦斯出露類型的認知、安全操作規程和安全管理制度以及安全設施配備與投入上仍存在諸多課題有待解決。如何從便于勘探設計、工程施工與管理系統的角度上對隧道瓦斯進行分類，并給出不同隧道瓦斯類型的基本特征有著很強的理論與現實意義。

1 非伴煤瓦斯隧道概念

從工程角度看，交通隧道瓦斯可以分為煤層瓦斯(也可稱伴煤瓦斯)和非伴煤瓦斯兩大類型。

煤層瓦斯指的是煤層中吸附的和緊鄰煤層泥巖、砂巖巖石孔隙和裂隙中游離態賦存的天然氣體。作為賦存瓦斯的煤層在煤系地層中的層序部位相對穩定，且一個地區的煤層瓦斯含量相對穩定，通過地勘，上述指標在設計資料中可以較為明確的給出具體的數據。雖然具體到隧道個體數據會有差異，但相差不大。這一點對于施工方案的制定與安全措施的采取極為有利，也易于隧道安全措施費用的計算。

非伴煤瓦斯類型是指賦存于煤系地層中遠離煤層的非煤地質體或是非煤系地層地質體中的有毒有害可燃天然氣體類型，一般以游離態為主，在隧道工程中具有涌出地點、涌出壓力、涌出量等三不確定性，其燃爆災害具有較低發生概率，極高危險度。非伴煤隧道瓦斯最終出露狀態得依靠施工期間的超前地質預報手段和隧道開挖后瓦斯涌出情況而定。

煤層瓦斯(伴煤瓦斯)和非伴煤瓦斯是從工程角度定位、定性、定量難易程度來考慮的。非伴煤瓦斯類型的瓦斯可以是成煤過程形成的煤層氣，也可以是無機成因的來自地幔的天然氣，如Welham和Craig(1979)在東太平洋海隆熱液噴出口觀測到射出的甲烷氣。在加勒比海深大斷裂附近，曾測得每10d天然氣逸出量達1×106m3，天然氣中含有少量乙烷與丙烷[13]。就烴氣的來源而言有多種途徑，可以是由沉積物中分散有機質經微生物降解、熱解作用所形成的，也可以由石油、煤和油頁巖等有機可燃礦產熱解作用所形成。此外，還有數量不等的烴氣是無機成因的。該隧道瓦斯類型分類弱化烴氣來源的地質屬性，強化了氣體賦存狀態空間特性，對于隧道勘探設計階段瓦斯隧道的定性和隧道施工安全防范措施的制定極為有利。

2 非伴煤瓦斯隧道概念的工程意義

2.1 重新認識與理解瓦斯隧道

有助于人們從理論角度重新認識與理解瓦斯隧道的概念，增強對不同地質條件下瓦斯隧道具有不同特性的直觀感受，從理念上摒棄人們提起瓦斯(天然氣)總是與煤和煤層甲烷(石油)聯系在一起的傳統而狹隘的觀念。

瓦斯的概念首先在煤炭部門使用，使得人們提起瓦斯總是與煤和煤層甲烷狹隘地聯系在一起，這不利于人們對天然氣的成分特征和賦存狀態多樣性的認識，尤其是對產、儲、蓋和圈閉等概念的再認識，不利于對天然氣新的理論與技術的吸收和應用。而提起天然氣，人們往往又與石油狹隘地聯系在一起，感覺上天然氣埋深很大，離自己很遠，需要深鉆才能夠得著。因此籠統提瓦斯、瓦斯隧道或者天然氣，容易模糊人們的認識，對瓦斯隧道安全問題反而不利。

云頂山一號、二號隧道施工之初就有人提出如何應對粉塵爆炸問題，這顯然不符合這兩座隧道不存在煤層的實際情況。華鎣山公路隧道掘進過程中在非煤系地層中發生過十多次天然氣燃燒情況，建成后，隧道內空氣中一直煤氣味很重。將約2 000m長的非煤系地層洞身段落和相對短得多的煤系地層圍巖洞身段落相比，現今逸出進入隧道內的瓦斯量孰大孰小不清楚。華鎣山公路隧道當年針對營運階段瓦斯問題顯然有所不足，筆者認為在當時條件下這很大程度上表現為瓦斯隧道類型觀念認識不足，自然就無法做到措施充分投入與針對性。云頂山一號隧道施工中針對瓦斯持續強涌出地段就有針對性地增加了封閉圍巖裂隙的工程措施，目前看來效果良好。該次瓦斯持續強涌現象有另文專題討論。

隧道瓦斯的概念與天然氣概念有所不同，廣義的天然氣是指存在于自然界的一切氣體，根據其存在環境，B.A.Соколов(1971)將天然氣分為大氣、表層沉積物中氣、沉積巖中的氣、海洋中溶解氣、變質巖中氣、巖漿巖中氣、地幔排出氣、宇宙氣等8類[13]。狹義的天然氣應是地殼上部存在的各種天然氣體，其主體是聚集成氣藏的烴氣。作為隧道工程，人們關注的主要是對隧道施工與運營有害的天然氣體，隧道瓦斯的概念主要立足于有毒有害可燃這些特性上，并非非要是甲烷成分為主。

地殼中的天然氣依其存在的相態可分為游離態、溶解態(溶于油和水中)、吸附態和固態氣水合物；依據其分布特點可分為聚集型和分散型，依據其與石油產出的關系可分為伴生氣和非伴生氣。隧道瓦斯可能出現的主要賦存狀態為游離態、吸附態，部分可以是溶解態(溶于油和水中)。作為煤層瓦斯(伴煤瓦斯)因與煤層相伴其成分與賦存狀態在勘探中容易研究清楚，而非伴煤瓦斯會因地質條件的復雜多變性呈現較為豐富的特性，其地質成因、賦存空間、隧道開挖揭露后可能的變化，是需要更多地借助石油部門天然氣地質學方面的知識加以認識。

現階段土木工程界從業人員對天然氣的認識，多停留在I.C.White(1885)“背斜學說”的基礎上。而天然氣生、儲、蓋層及圈閉概念實際有了很大的變化，如表1關于圈閉分類方案就與“背斜學說”相去甚遠。

表1 依封閉條件的圈閉分類方案

值得關注的是謝澤華描述的多級氣藏成藏模式[14]，該文中的儲集體的概念是對儲層概念外延的拓展和內涵的深化，天然氣運移與圈閉近源圈閉要優先于背斜圈閉，多級補給和多級成藏，淺產深儲的模式對于工程界認識非伴煤瓦斯賦存狀態是有好處的。于鳳嶺等定義的儲集體是一個具備有效儲集空間和滲濾通道，不受巖性和層界控制，為不同性質的邊界條件所封閉的孔喉-裂隙網絡所組成的富含油氣的地質塊體。儲集體由三大要素組成：(1)不同巖性的巖石；(2)不同地層；(3)這些巖石和地層被裂隙所切割和穿插。儲集體氣藏是非層狀的、跨地層的，其外形是不規則的，它是一個帶“枝杈”的形態怪異的地質體。突出了斷裂系統在天然氣儲集和運移中的主導作用。 楊天泉等[15]關于復雜氣田地質特征的描述對于我們認識某些天然氣藏的特征也有所幫助，如(1)不含凝析油的低硫天然氣與中低礦化度地層水組合，以二疊系、石炭系氣藏為典型，H2S含量一般<10g/m3；(2)“自生自儲”的二疊系氣藏的異常高壓等。筆者認為這兩點與圓梁山隧道瓦斯(天然氣)實際狀況較為吻合。

對引言中所述瓦斯災害隧道而言，其發生災害源頭往往不是出現在賦存煤層瓦斯(伴煤瓦斯)地質空間的隧道洞身段落，而是發生在非伴煤瓦斯賦存空間段落，因開挖之前無法準確探明瓦斯真實狀態，一般出現瓦斯強涌出幾率又相對較小，往往不為人們重視，一旦遭遇強瓦斯涌(突)出，往往措手不及，災害就此發生。董家山隧道、炮臺山隧道、圓梁山隧道從某種角度上可以說是認識不足、重視不夠的典型例子。

認識到位、思想重視是非伴煤瓦斯隧道施工安全的先決條件。由于非伴煤瓦斯具有涌出地點、涌出壓力、涌出量等三不確定性，隧道掌子面掘進過程隨時都有遭遇強瓦斯涌(突)出可能性，必要的瓦斯監測手段是不可缺少的，否則人們就猶如盲人走路卻沒有拐杖探路，隨時可能跌倒。因此，瓦斯隧道施工思想上的警惕性非常重要。回過頭來看，董家山隧道爆炸事故發生前, 也檢測到瓦斯弱涌出現象，也有技術人員提出隧道瓦斯問題需要特別關注，遺憾的是一個低瓦斯隧道概念，將許多人認知帶向了歧途，尤其是水利部門在該區修建引水導洞時發生過瓦斯燃爆造成五六十人傷亡的特重大事故，這么重要的信息在瓦斯爆炸前未能引起人們足夠的重視。炮臺山隧道平導瓦斯爆炸前，掌子面80%炮眼殘孔瓦斯在燃燒，持續時間長的在10h以上，反映瓦斯強涌出持續時間長，衰減作用小，如此重要的事故前特征，由于對非伴煤瓦斯危險性的認識不足，因此也沒有引起當時人們的重視，對隧道中瓦斯分布狀態自然沒有足夠的監控與監測，瓦斯災害的防范措施顯然失當。圓梁山隧道進口平導瓦斯噴孔燃燒前，實際上在隧道底部施工積水小坑中，出現過瓦斯從巖石裂隙中弱涌出冒水泡的肉眼可視現象，可惜由于屬于首次在碳酸鹽巖中遭遇較高瓦斯壓力災害的工程實例,對于該地質條件瓦斯狀態從設計、監理到施工均沒有很好的認識，施工作業未有瓦斯燃爆防護措施實是遺憾。

家竹箐隧道是應對坍方瓦斯大涌出(一次持續瓦斯涌出量可達7 597m3)和瓦斯噴孔(穿18號煤層卸壓孔，噴孔率100 %)成功的范例，正是得益于對瓦斯信息認識到位，措施得當。云頂山一號隧道對于非伴煤瓦斯的危害性從隧道施工一開始就引起了建設者的足夠重視，隧道始終堅持探查先行先導、監測緊跟緊靠、措施嚴密妥當、管理從快從嚴的方針，管理者以開放的態度面向基層、面向社會監督，認真分析隧道瓦斯特點及其動態變化，制定了針對性的非伴煤瓦斯隧道的安全施工措施與預案，穩扎穩打，逐級推進，瓦斯隧道施工進度和瓦斯隧道施工安全均取得了較好成效。隧道施工過程中也是遭遇過多次自動瓦斯監測探頭報警，一次2～3m3/min瓦斯持續強涌出情況，隧道施工按照事前制定的預案流程開展工作，施工安全得到了很好的保障。在應對非伴煤瓦斯隧道施工安全的問題上，施工管理者的心態是不驚不怖，審慎應對。

2.2 瓦斯隧道施工安全技術

有助于人們從便于隧道施工的角度選擇非伴煤瓦斯隧道施工安全技術措施與應急預案。

煤層瓦斯(伴煤瓦斯)和非伴煤瓦斯是從工程角度定位、定性、定量難易程度來考慮的，不是從瓦斯地質成因角度進行分類的。在弱化瓦斯地質成因的前提下，從工程技術角度選擇工程應對措施是有可能的。

在云頂山一號、二號隧道施工中，應對非伴煤瓦斯風險的技術措施脈絡可清晰地分為三個模塊：信息收集處理與施工決策模塊、施工措施實施模塊和應急機制響應模塊。

由于非伴煤瓦斯具有涌出地點、涌出壓力、涌出量等三不確定性，隧道瓦斯在掌子面前方的賦存狀態探測，與隧道開挖后瓦斯涌出的動態狀態監測非常重要，無巧可取。正是由于非伴煤瓦斯的特殊性，云頂山一號、二號隧道瓦斯地質預測預報采取了超前地質鉆孔為主，結合地質雷達與掌子面地質素描等手段展開工作。從事后驗證看，地質鉆孔對砂巖中瓦斯探測定性與定量的結果均較好，而泥巖中，定性意義還是較好的，定量方面有時會嚴重偏小，這與泥巖中節理裂隙閉合度高，連通性差，對瓦斯封閉作用強有關。開挖后采取了人工監測與自動監測系統監測隧道瓦斯出露動態，同時結合隧道監控量測信息監視與控制隧道坍方，防止因坍方出現瓦斯強涌出。瓦斯人工監測安排了兩撥人平行檢測(施工單位瓦檢人員和業主聘請的第三方瓦檢人員)，保證數據的真實可靠性。施工單位投入了足夠的瓦檢員實施了一日三班工作制，保障了一炮三檢、日常瓦斯巡視檢查和動火作業工序施工的跟班檢查。施工班組、現場技術人員、安全員也配備了簡易瓦檢儀，瓦斯數據采集的準確性和及時性有較好的保障。瓦斯動態監測數據經處理后及時在隧道口電子大屏幕上向全體施工人員公布。在信息采集管道方面項目部通過施工作業及管理人員、瓦檢人員、專職安全人員、技術人員等四個獨立管道及時獲取信息，可以有效防止單個管道信息淤塞問題。瓦檢監測數據依規依據分級并上報工區和項目部，根據瓦斯不同狀態，各級管理人員和技術人員在自己權限范圍內進行抉擇與開展工作。項目部成立了信息監測部與安全環保部進行日常的相應信息歸口管理工作。根據專業知識與實際處理瓦斯隧道的經驗項目部采取以項目總工為主要決策者的組織路線，實施瓦斯分級管理，信息收集處理與施工決策取得了良好效果。

施工措施實施模塊核心部分設在工區，技術措施從杜絕火源、降低隧道瓦斯濃度的角度展開，主要包括：制定并實施經安全評審的瓦斯隧道通風和用電方案，洞內使用煤礦許用照明設施設備，使用有防爆能力的行走機械設備和施工設備，隧道支護與防水工程實施不動火作業工藝，嚴格執行隧道內動火作業申請與審批制度，嚴格實施作業人員與作業機械進出洞登記與火源物品禁入管理制度，通風設施設備實施專人管理與維護，密切監測通風設施狀態，保障隧道動態通風能力。爆破作業采用煤礦許用炸藥雷管與遠程爆破工藝，隧道口設置避雷裝置，采用加強超前支護和初期支護等防止隧道坍方技術措施，保障隧道開挖進度等。

應急機制響應模塊分為兩個部分，一部分是萬一發生災害怎樣對外請求救護與暢通對外救生通道。對外請求救護方面建立與當地醫院和礦山救護大隊的密切聯系，定期進行互動活動。適當加大投入，建好與維護好隧道與外界聯系的施工便道、便橋，保障救援道路暢通。另一部分是配置發生災害后在隧道內逃生人員使用的避災設施與物品，并置于隧道相應部位；制定并落實了隧道瓦斯異常時各級施工與管理人員避險辦法與工作流程。2012年3月2日3∶50，云頂山一號隧道進口端右洞瓦檢員監測到瓦斯持續涌出強度很大，達到3.3m/min左右，現場值班人員立即啟動瓦斯異常涌出處理機制，馬上組織洞內人員全部撤離到洞外，停止洞內施工，關閉洞內電源，加強洞內通風，等待項目部技術部門的下一步指示。本次事件驗證了隧道瓦斯異常應急機制運行正常。

2.3 管理制度和工作流程

有助于從系統管理角度更好地配置施工資源、組建施工機構，制定管理制度和工作流程。

隨著云頂山一號、二號隧道施工推進，隧道瓦斯狀態變化不斷被揭露，云頂山一號隧道出口超前鉆孔瓦斯濃度超標，進而掌子面電焊作業時點燃了地下一道裂隙中逸出的瓦斯氣體，云頂山二號隧道炮后瓦斯探頭報警，人工檢測掌子面瓦斯濃度達到了0.1%以上，引起項目部各級技術與管理的重視，重新修訂了瓦斯隧道安全管理辦法，加強了對各級施工人員的安全知識培訓，進一步指明了非伴煤瓦斯基本特點及工作的難點重點。重新修訂的瓦斯隧道安全管理辦法不僅從組織路線角度闡明了各級管理人員的崗位設置、安全責任與工作范圍，也從以下幾個技術方面進一步完善了相關的工作制度、工作范圍和工作方法工作流程：(1)隧道瓦斯探測與監測的技術手段與方法；(2)與施工開挖和支護方法相適應的用電管理辦法、責任制度；(3)以瓦斯檢測濃度和超前地質預報數據為依據的瓦斯分級管理辦法；(4)適合隧道施工的風、瓦電閉鎖管理辦法；(5)與瓦斯分級管理相適應的開挖爆破管理辦法；(6)瓦斯隧道通風方案的編制修訂及日常通風管理辦法；(7)不動火作業工藝與隧道圍巖加固關系、外防水冷粘工藝與防水防氣效果間的技術關系等等。通過隧道中后期施工管理實踐，表明效果良好。

3 結束語

(1)煤層瓦斯(伴煤瓦斯)和非伴煤瓦斯是從工程角度定位、定性、定量難易程度來考慮的，不是從瓦斯地質成因角度進行分類的。非伴煤瓦斯具有涌出地點、涌出壓力、涌出量等三不確定性，其地質條件類型是非常多樣的。

(2)非伴煤瓦斯隧道施工安全需要從瓦斯探查與監測、隧道施工防爆及其災害應急預案著手，從制度建設，資源配置和措施落實上真抓實干才能真正避免瓦斯突出、瓦斯燃爆災害的發生。

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