談鐵路煤層高瓦斯隧道分級管理

高 飛 （中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000）

1 引言

近年來，隨著國內鐵路建設市場的蓬勃發展，穿越煤系地層或鄰近煤系地層的瓦斯隧道越來越多。在隧道施工中大量出現的瓦斯對隧道施工安全影響極大，而不同的瓦斯等級直接影響著隧道施工的工期、工藝、工序、設備材料及管理措施等。鐵道部在2002年實行的《鐵路瓦斯隧道技術規范》為瓦斯隧道的勘測、設計、施工及驗收過程提供了技術標準，但是，這一分級方法過于簡單籠統，無法準確的根據不同隧道內瓦斯的實際分布情況進行合理資源調配。因此，在高瓦斯隧道施工中對瓦斯等級進行劃分就尤其必要。科學、合理、準確的瓦斯工區等級劃分能夠有效的制定應急救援預案，為瓦斯隧道施工安全提供技術支撐，同時能有效控制工程投資及施工成本。本文依托新白沙沱隧道高瓦斯施工經驗，對不同的施工段落具體采用的瓦斯防治措施進行研究，旨在為類似隧道施工提供參考。

2 工程概況

2.1 隧道工程概況

新白沙沱隧道全長9974m，最大埋深600m，設置3‰、4‰和-3‰的人字坡。為全線最長的新建單線隧道也是唯一的控制性工程。隧區地形為喀斯特地貌，主要地層由土層、灰巖、頁巖、煤層。隧道設置3座輔助坑道：1#橫洞全長195m，為6.5%順坡，為雙車道斷面；2#橫洞全長150m，為2%順坡，為單車道斷面；出口平導位于正洞左側30m位置，全長2288m，3‰上坡施工，設置7個橫通道，為單車道斷面。設計共分3個工區進行施工，分別是進口工區（1973m）、1#橫洞工區（3653m）、出口工區（4348m）。進口工區設計無瓦斯段落及煤層段落；出口工區正洞及平導進洞200m左右即進入高瓦斯段落；1#橫洞轉入正洞2300m進入高瓦斯段落。

2.2 瓦斯及煤層情況

新白沙沱隧道將數次穿越吳家坪煤系，煤層及煤系地層均含有大量瓦斯，加之區內礦井瓦斯等級皆為高瓦斯對隧道影響較大，據既有白沙沱4號隧道施工圖設計及竣工資料，二疊系吳家坪組（P2W）含煤地層段（K152+334.92～K152+529.92 及 K152+934.92～154+194.92）具高瓦斯煤，具突出威脅，二疊系下統梁山組（P1I）煤系地層段（K152+779.9～K152+979.92 及K153+229.92～K153+529.92）不具突出危險。

煤層自燃與煤塵爆炸問題：據煤炭科學研究院總院重慶分院對測區內盈勝煤礦送交的煤樣經煤塵爆炸性和煤炭自燃傾向等級進行鑒定，結果為煤塵具爆炸性危險，煤的自燃傾向為3類，即不易自燃。

結合既有線附近相同地層隧道施工經驗，隧道瓦斯工區段落見表1、表2。

2.3 新白沙沱隧道設計各工區定義

進口工區：設計施工段落內無煤系地層、無瓦斯段落，定義為高瓦斯工區；1#橫洞工區：設計第一個瓦斯段落為高瓦斯段落，距離交叉口2426m，總共穿越2段煤系地層，揭煤施工2次，定義為高瓦斯工區。出口工區：出口平導進洞203m進入高瓦斯段落，出口正洞進洞260m進入高瓦斯段落。總共平導穿越4段煤系地層，揭煤施工4次；出口正洞穿越7層煤系地層，揭煤施工6次。出口工區定義為高瓦斯工區。

3 高瓦斯隧道施工分級管理應用背景

在項目施工前期，本隧道出口及橫洞工區均全部按照高瓦斯隧道工區進行組織施工，其中對機電設備改裝、瓦斯監測系統+人工瓦斯檢測、通風管理、洞內不動火施工、瓦斯隧道爆破施工等均按照規范要求實施。其一是在未進入瓦斯地段時按照高瓦斯隧道爆破施工要求采用等級不低于三級的煤礦許用含水炸藥和煤礦毫秒電雷管（只有5段＜130ms，實現整體光面爆破困難），完成單位爆破作業量增加30%左右炸藥、雷管數量，同時增加了鉆孔約20%左右，因斷面較大，Ⅱ、Ⅲ級圍巖需采用臺階法施工（全斷面施工需分2次進行爆破），綜上所述，極大的增加了施工組織難度和施工成本。其二是專業通風管理，按照高瓦斯隧道要求必須不間斷通風，與普通隧道通風費用相比增加60%。為確保高瓦斯隧道施工安全及施工進度，減少不必要的施工投入，對高瓦斯隧道各工區劃分及工區內各段落施工分級管理非常必要。

新白沙沱隧道正洞瓦斯段落 表1

新白沙沱隧道出口平導瓦斯段落 表2

4 規范定義瓦斯等級劃分

《鐵路瓦斯隧道技術規范》中對瓦斯隧道、瓦斯段落和瓦斯工區的定義。

①瓦斯隧道規定只要隧道內存在瓦斯，不論瓦斯瓦斯濃度高低、瓦斯出現在任何段落均定義為瓦斯隧道。根據隧道內各施工工區的最高級，瓦斯隧道可分為低瓦斯隧道、高瓦斯隧道和瓦斯突出隧道3種。瓦斯隧道分級主要由設計階段依據地表深孔鉆探的瓦斯涌出量和瓦斯壓力，并結合周邊環境的調查來確定。

②瓦斯工區瓦斯工區的劃分按瓦斯涌出量和瓦斯壓力分為四類：當全工區未監測到瓦斯時為非瓦斯工區；當瓦斯絕對涌出量小于0.5m3/min時為低瓦斯工區；當瓦斯絕對涌出量大于或等于0.5m3/min時為高瓦斯工區；當瓦斯壓力大于或等于0.74MPa、具有突出危險時，為瓦斯突出工區。

③對于瓦斯工區劃分，要求在施工階段根據開挖后揭示的實際情況進行修正，尤其是對于煤層突出危險的判斷，必須在開挖工作面進行現場檢驗和核實。但由于現場施工中對瓦斯難以進行壓力和絕對涌出量的測定，而主要是通過監測瓦斯濃度。按照瓦斯濃度結合設計瓦斯段落劃分、煤層分布、已檢測煤層指標對其進行高瓦斯隧道施工進行分級管理。

5 高瓦斯隧道施工分級管理

5.1 取消不必要的瓦斯工區

應更具設計資料、地質調查資料、周邊煤礦情況對瓦斯工區進行劃分。整個工區施工所在區段內無煤層、瓦斯段落，在與存在明確瓦斯段落工區貫通前按照非瓦斯工區進行施工管理。其中施工注意以下兩點：

①在此施工中注意現場對施做超前水平鉆孔和加深炮孔，管理人員攜帶便攜式瓦檢儀進行檢測；

②若與瓦斯工區貫通后建議對其貫通面進行封閉處理，否則按照相應瓦斯工區等級對本工區進行改造，切要提前改造。

5.2 高瓦斯工區不同段落管理

①進入第一個瓦斯區段100m前按照非瓦斯工區管理，但整個工區配置按照高瓦斯工區設置（如圖1所示），主要注意事項及要求如下：

圖1 瓦斯工區管理示意圖

a.瓦斯檢測采用人工光瓦進行檢測，檢測頻率4小時檢查一次，注意爆破“一炮三檢”，要求瓦檢員必須為具有專業瓦檢員取證人員；

b.爆破采用普通2#巖石乳化炸藥，要求采用正向起爆方式；

b.不要求移動設備防爆改裝；

c.固定設備比如襯砌臺車、噴濺車采用防爆型，后期進入瓦斯段落前仍需要改裝；

d.若第一個瓦斯段落距離洞口大于1000m時，洞內電纜在高壓進洞時（進洞800m）進行防爆型更換，尤其高壓電纜及變壓器、防爆開關、綜保開關等，避免進入高瓦斯段落時一次更換量大及重復投入；

e.通風風筒直接采用雙抗風筒（防靜電、阻燃），且保證風筒抗壓要求（大于7MPa），風機要求“三專兩閉鎖”，但不要求不間斷通風；

f.洞口值班室設置瓦檢室、門禁系統、防靜電系統，嚴格瓦斯進洞管理制。

②施工穿過低瓦斯區段進入非瓦斯區段但未至高瓦斯段落，距離高瓦斯段落100m前，按照低瓦斯管理（如圖2所示），主要注意事項及要求如下。

圖2 瓦斯工區管理示意圖

a.瓦斯檢測采用人工+瓦斯自動檢測系統監測檢測；

b.不要求移動設備防爆改裝；

c.施工爆破根據此段落圍巖及瓦斯情況：若為一般無煤系地層且掌子面瓦斯濃度小于0.5%，采用普通乳化炸藥爆破施工；若掌子面瓦斯濃度在大于0.5%，采用三級煤礦許用含水炸藥及煤礦許用電雷管；在煤層區域及揭煤施工嚴格采用相應等級的煤礦許用炸藥及電雷管，必須采用正向裝藥，水炮泥封孔。

③施工穿過高瓦斯段落進入非瓦斯區段施工要求（如圖3所示）。

圖3 瓦斯工區管理示意圖3

a.加強瓦斯檢測，尤其“一炮三檢”，瓦檢頻率調整為2h檢查1次，采用人工+瓦斯自動檢測系統監測檢測；

b.進洞電器及機械設備必須采用防爆型或盡行防爆改裝；

c.施工爆破根據此段落圍巖及瓦斯情況：若為一般無煤系地層且掌子面瓦斯濃度小于0.5%，采用普通乳化炸藥爆破施工；若掌子面瓦斯濃度大于0.5%，采用三級煤礦許用含水炸藥及煤礦許用電雷管；在煤層區域及揭煤施工嚴格采用相應等級的煤礦許用炸藥及電雷管，必須采用正向裝藥，水炮泥封孔。

d.通風嚴格按照高瓦斯通風管理，采用專業通風，風筒直接采用雙抗風筒（防靜電、阻燃），且保證風筒抗壓要求（大于7MPa），風機要求“三專兩閉鎖”，24h不間斷通風。

④高瓦斯工區高瓦斯段落嚴格按照《鐵路瓦斯隧道技術規范》要求組織施工。

6 瓦斯隧道施工主要注意事項

6.1 瓦斯隧道常見數值規定及處理措施

①瓦斯爆炸的三個條件

瓦斯爆炸必須具備三個基本條件，缺一不可。一是空氣中瓦斯濃度達到5%～16%；二是要有溫度為650℃～750℃的引爆火源；三是空氣中氧含量不低于12%。

②瓦斯爆炸界限（見圖4）

圖4 瓦斯爆炸界限示意圖

③隧道內瓦斯濃度限定及處理措施

序號 地點 限值 超限處理措施1 低瓦斯工區任意處 0.5% 超限處20m范圍內立即停工，查明原因，加強通風監測2 局部瓦斯積聚（體積大于0.5m3） 2.0%超限處附近20m停工，斷電，撤人，進行處理，加強通風1.0% 停止電鉆鉆孔1.5%超限處附近20m停工，斷電，撤人，進行處理，加強通風等4 回風巷或工作面回風流中 1.0% 停工，撤人，處理5 放炮地點附近20m風流中 1.0% 嚴禁裝藥放炮6 煤層放炮后工作在風流中 1.0% 繼續通風，不得進入7 局扇及電氣開關10m范圍內0.5% 停機，通風，處理8 3 開挖工作面風流中及開關附近20m范圍內 1.5%停止運轉，撤出人員，切斷電源，進行處理9 竣工后洞內任何處 0.5% 查明滲漏點，進行整治電動機

④爆破瓦斯濃度要求

a.洞內爆破管理應嚴格執行“一炮三檢制”（裝藥前、爆破前、爆破后都必須檢查爆破地點附近的瓦斯,當瓦斯濃度超過0.75%不準爆破）和“三人連鎖放炮制”，必須采用正向裝藥水炮泥封孔。

b.爆破后，待工作面的炮煙吹散（通風時間不少于15min），爆破工、瓦檢員、安全員、班組長必須首先巡視爆破地點，檢查通風、瓦斯、煤塵、拒爆、殘爆等情況。如有危險情況，必須立即處理。在瓦斯濃度小于1%，二氧化碳濃度小于1.5%,并解除警戒后，作業人員方可進入開挖工作面作業。

⑤高瓦斯隧道通風要求

a.通風機必須設置兩路電源并裝設風電閉鎖裝置。停電后，須在10min內啟動備用電源，實行24h不間斷通風。

b.在襯砌臺車附近及其它瓦斯易于聚集的空間，設置空氣引射器、氣動（電動）局扇（局部通風機）等設備，以達到局部風速不小于1m/s，防止瓦斯聚集。

c.因檢修、停電的原因停風時，必須撤出人員，切斷電源，恢復通風前，必須檢查瓦斯濃度。當停風區中瓦斯濃度不超過1%，并在壓入式局部通風機及其開關地點附近10m以內風流中的瓦斯濃度均不超過0.5%時，方可人工開動局部通風機。

⑥測量設備要求

高瓦斯瓦斯工區使用的光電測距儀及其他有電源的設備，應采用防爆型，當采用非防爆型時，在儀器設備20m范圍內瓦斯濃度必須小于0.75%。

6.2 高瓦斯隧道施工主要注意事項

6.2.1 門禁管理

必須在洞口設置火種、電源（電池）電器、進洞人員安全檢查站和靜電釋放裝置。嚴禁攜帶火種、電池電源、穿著產生靜電的服裝進入瓦斯工區；進入高瓦斯、瓦斯突出工區人員必須攜帶隔絕式自救器，非防爆型車輛不得進入。

6.2.2 瓦斯檢測

①高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道必須采用自動和人工兩套瓦斯監測預警系統；低瓦斯隧道必須進行瓦斯檢測。

②瓦斯自動監測系統、瓦斯檢測儀器設備，必須具有生產許可證、產品合格證、安全鑒定證、安全標志；安裝后必須經過項目上級安監部門或專業機構驗收合格后方可投入使用；且必須由專業人員定期實施調試、校驗；必須具有瓦斯超限斷電功能，斷電范圍符合規定。

③管理人員和現場帶班人員必須攜帶便攜式甲烷檢測報警儀進入隧道。

④瓦斯監控必須實行24h不間斷值班制度；煤與瓦斯突出危險作業地段，必須派專人全過程檢測。

6.2.3 瓦斯隧道通風

①通風系統必須采用防爆型風機并設置備用通風機、阻燃型防靜電風管，風機距洞口不小于20m，風管口到開挖工作面應小于5m。風機必須設置兩路電源并裝有風電閉鎖裝置。

②在易形成瓦斯聚積部位，必須采取局扇通風或封閉處理。

③必須保證隧道24h不間斷通風；需停機時，必須按程序提前申請并報批。

④通風必須實行“三專兩閉鎖”。

6.2.4 瓦斯隧道探測

瓦斯隧道施工過程中，必須遵照設計及規范要求實施地質復查和超前探測。新白沙沱隧道采用超前地質鉆探+加深炮孔方式，在整個隧道貫通進行超前瓦斯探測，在瓦斯檢測時要對超前水品鉆孔內瓦斯濃度進行測量。

6.2.5 瓦斯隧道機電設備

①高瓦斯和瓦斯突出工區的施工機械和電氣設備必須是防爆型；施工機械防爆改裝，必須委托有相應資質單位實施改裝，改裝后必須經有資質的機構進行防爆試驗和驗收。

②高壓固定電纜和開挖工作面的電纜必須采用銅芯。

③開挖工作面必須采用ExdⅠ型礦用防爆照明燈，移動照明必須使用防爆礦燈。

④所有進洞線路，包括動力電纜、照明電纜、瓦斯監控系統電纜及通信電纜均必須在洞口安裝避雷器。

6.2.6 瓦斯隧道動火管理

①瓦斯隧道內及隧道口20 m范圍內為禁火區，所有動火作業均需按照動火管理制度執行；

②動火作業應接受項目部安全員、瓦檢員的監督和檢查。作業前清除一切可燃物、助燃物，瓦檢員對瓦斯進行測定，瓦斯限值降到規定濃度時才可進行動火作業，同時加強隧道通風。作業過程中，瓦檢員應隨時對動火區域20m范圍內進行瓦斯檢查，出現異常情況，安全員、瓦檢員有權停止動火作業。

③“三把鎖”制度：首先對動火小型工具進行嚴格管理，并用3把鎖鎖閉，專職瓦檢員、安全員、監理人員各持一把鑰匙，當必須使用時，應嚴格執行動火申請審批程序。施工時瓦檢員、安全員、監理人員必須全過程監測瓦斯濃度，同時對作業地點強化局部通風措施，保證該范圍內瓦斯濃度不超過0.5%。必須在作業區10m范圍內配備不少于2具滅火器材，安全員跟班作業，確保萬無一失。施工現場20m范圍不得有可燃物，并設應急水管。作業完成后由專人檢查，對現場進行降溫，確認無殘火后方可結束作業。其次需要動火的特種工序施工時，現場專職瓦檢員、安全員、監理人員必須三到位，否則禁止作業。最后需要動火的特種工序施工結束后，對施工中可能產生高溫、產生明火的電氣焊、防水板爬焊機和超聲波熱熔焊機、止水帶熱硫化焊接等小型機具設備進行鎖閉，并采取“三把鎖”制度。

7 結束語

瓦斯隧道施工安全風險巨大，管理制度落實到位尤為重要，應使全體參建人員充分認識并掌握瓦斯的特性，了解瓦斯的危害，采取科學防范措施。通過對新白沙沱隧道進行瓦斯分級管理，并按照《鐵路瓦斯隧道技術規范》要求落實相應管理措施，不但確保了該高瓦斯隧道施工期間的安全，同時大大控制了施工及管理費用，提高了控制性工程的施工進度，為后續的類似工程提供了有價值的借鑒意義。