煤层瓦斯隧洞施工技术分析

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［摘要］随着水利工程建设的快速发展，隧洞群成为了水利工程的重要组成部分，由于地区不同，地质条件差异较大，煤层瓦斯隧洞频繁地出现在水利工程中。瓦斯危害性大，达到一定浓度后遇火会燃烧和发生爆炸，给瓦斯隧洞施工带来极大的安全隐患。夹岩水利枢纽及供水工程隧洞繁多，水打桥隧洞瓦斯含量大，给施工带来了极大地安全隐患，工程参建各方认真研究分析，在隧洞通风、供电、设备改造、安全监测等方面采取合理、科学的控制措施和施工方法，最终安全地完成了瓦斯洞段施工，保证合同工程工期。

［关键词］煤层瓦斯；隧洞；技术措施；作业环境；安全产生

1工程概况

夹岩水利枢纽及供水工程，是一座以城乡供水和灌溉为主、兼顾发电、扶贫开发、改善生态环境的“国家重点水利工程”，供水区域涉范围7个县市区，渠道总长829000m。其中水打桥输水隧洞总长20360m，埋深50～435m，隧洞进口位于鼎新煤矿附近，标段地质情况复杂、沟谷众多、岩溶发育，隧洞穿越地层主要为二叠系至三叠系地层，洞线与岩层走向大角度斜交，地质报告中有煤层瓦斯出现，甚至会出现高瓦斯。

2水打桥隧洞瓦斯活动情况

根据设计地质预报，隧道进口里程0-25m～0+961m段洞身通过二叠系P3L中厚及薄层细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩夹粉质泥岩、泥岩等，含煤层，瓦斯绝对涌出量为1.86m3/min，属于施工的高危区域,存在煤与瓦斯突出的安全风险。水大桥隧洞隧洞于2015年12月正式进行隧洞开挖，隧洞洞口覆盖层只有3m厚度，经过采用大管棚的施工方法顺利通过，当进入隧洞内就出现了不同程度的煤层瓦斯，开始瓦斯含量较低，浓度只有0.5%左右，当开挖达到200m以后瓦斯含量增高、浓度达到3%，监理部及时组织召开专题讨论会，会议相关方提出了治理方案措施，施工单位随即开展了瓦斯专项技术治理工作。

3瓦斯隧洞施工技术措施

3.1加强隧洞通风，及时排出瓦斯。根据设计提供的地质预报并结合现场的实际情况，在水打桥隧洞进口距离洞口30m处安装SDF（B）-4-No13型轴流式风机2台，通风机采用风筒压入式向隧道内通风，风筒直径1.8m，高效风量2691m3/min，既能满足隧道施工风量要求亦能满足在揭煤时最大断面风速不小于0.3m/s；全压930～5920Pa，通风机功率110kW。在隧洞的避车洞里安装了通风局扇吹入，这样能够及时将一些通风死角部位进行通风回流，在隧洞开挖到300m以后，为保证长隧洞通风的流速和效果在隧洞中部每间隔200m安装1台射流风机，以确保快速排出隧道瓦斯。3.2隧洞施工设备技术改造。根据《瓦斯隧道技术规范》规定，结合现场实际情况对电气设备与作业机械使用防爆型，隧道开挖进入煤层瓦斯段，对所使用的机械设备进行防爆改装，主要包括：挖掘机、装载机、自卸汽车等，机械设备改装选择了有资质的专业公司对机械进行防爆改装。针对瓦斯隧洞内燃施工机械设备，选配了一套适合于车载的瓦斯自动监测报警闭锁系统，见表1。该系统安装于内燃施工机械设备上，实时监测其周围环境空气中的瓦斯浓度，当环境瓦斯浓度超过报警限值，系统发出声光报警；当浓度继续上升时，超过断电上限后，监控系统发出车辆自动断油断电信号，控制车辆的相关电子装置实现自动断电熄火功能。当环境瓦斯浓度降到安全限值以下报警解除，该内燃施工机械设备方可再次进行启动。3.3施工供电线路的铺设。按照煤层瓦斯施工作业供电要求配置两路电源，隧洞内电源与隧洞外电源分别设置电源线，隧洞供电方案为各自独立系统，洞内电器全部采用防爆型。隧洞内设两回路电源线路，主要供隧洞内射流风机、照明及局扇使用，当一回路运行时，另一回路备用，以保证供电的连续性。洞内的高压电缆均使用有屏蔽的监视型橡套电缆，低压电缆使用为不延燃橡套电缆，各种电缆的分支连接，均使用了与电缆配套的防爆连接器、接线盒。为保证隧洞的正常通风及照明，备用1台630kW发电机，在停电15min内，启动发电机供隧道内通风、监测及照明。对进入隧道的供电线路，在隧道洞口处装设避雷装置。洞内照明系统采用了洞内防爆变压器输出经矿用防爆主电缆在各相应地段设置照明及信号专用ZXB4型综合保护装置，将380V三相中性点不接地电源降为127V，用分支电缆、防爆接线合接入防爆灯具，以满足道路和施工的需要。隧洞内照明灯具在开挖工作面附近固定照明灯具采用EXdⅠ型矿用防爆照明灯，移动照明全部采用矿灯。3.4瓦电联锁系统应用。为保证施工安全，在施工现场安装了煤矿瓦斯监测设备，考虑到监测系统在内燃施工机械设备上应用与矿井的条件差别，选用重庆煤科院研制的KZJ001-F煤矿监测分站和KG9701A低浓度甲烷传感器,见图1。该系统具有体积小巧、安装方便、运行稳定的特点。图1传感器系统工作原理系统工作原理：主要采集施工机械工作区域的环境瓦斯气体浓度参数，控制分站根据采集的浓度值和控制逻辑进行分析处理。当环境瓦斯浓度逐渐上升，达到比较危险的浓度时（如按规定设定为0.3%），分站向报警器发出报警信号，报警器发出声光报警，操作人员听到或看到报警信号后立即停止作业，在查明原因并解除危险后再行作业，可以实现危险提前处理的作用。如果瓦斯浓度上升较快或者是施工机械现场无人值守时，环境瓦斯浓度达到较高危险限值时（如按规定设定为0.5%），此时控制分站向机械的断油熄火控制器和电源控制器发出控制信号，使机械自动停止工作并关闭总电源，实现闭锁，控制机械重新启动产生火花造成爆炸事故。3.5超前钻孔探测煤层瓦斯含量。采用超前水平钻探法对开挖面前方50m范围内的煤层瓦斯含量进行探测，钻孔采用MDL-200多功能全液压履带钻机，钻孔直径ϕ108mm，每断面布设3个超前水平探测孔，见图2。其中一孔取岩芯，对掌子面前方围岩和煤层结构进行取芯分析，探孔45m一环，单孔长为50m，相邻探测孔之间的搭接长度为5m，对有异常现象出现的工作面增加探测孔并结合其他手段进行综合性分析。实施过程中对每一个探测孔进行连续性瓦斯检测，由专业瓦斯检测员每钻孔5m深度量测一次，对于瓦斯浓度含量低（孔口检测小于2%）时，按照常规的通风方法进行稀释排出洞外，对于瓦斯浓度含量高（孔口检测大于2%）时，采用加强通风方式进行稀释排放，并根据现场的实际情况延长通风时间，直至瓦斯浓度符合要求时才进行工作面开挖作业施工。3.6煤层瓦斯隧洞开挖施工技术。3.6.1钻孔与爆破。在确定开挖工作面具备爆破作业时，使用钻孔爆破方法进行隧洞开挖，由于断面小采用全断面开挖方式，使用YT28型气腿式凿岩机钻孔，孔径ϕ48mm，炸药采用煤矿许用安全炸药，起爆方式采用电力起爆，并使用煤矿许用电雷管，最后一段的雷管延期时间在130ms以内。炮孔堵塞采用黏土炮泥封堵；爆破网路采用并联方式和爆破连线采用串联连接方式，连接接头相互扭紧，明线部分包裹绝缘层并悬空固定，母线与电缆、电线、信号线分别挂在隧洞两侧。施工中对周边孔钻孔间距、钻孔深度、装药量等有严格的要求，采用不耦合系数装药结构，合理的不耦合装药系数减小爆破压力对孔壁的破坏性，在装药时不耦合系数采用2.1。周边孔钻孔及装药参数，见表2。3.6.2瓦斯隧洞出渣作业。为保证工作面安全施工，爆破后由专业瓦斯检测员对瓦斯浓度进行检测，如果瓦斯浓度超过0.5%时，采取加强通风措施直到瓦斯浓度降到安全值后才能出渣，出渣采用装载机装渣，使用15t自卸车出渣，由于出渣过程中机械设备产生尾气排放可能会导致瓦斯浓度再次升高，当升高一定浓度（0.5%）时，施工设备的防爆装置就会报警并发挥作用，自动切断机械设备的油路和电路。通过采取措施当工作面恢复低浓度时再继续出渣作业。3.6.3瓦斯隧洞支护作业由于受地质情况复杂、岩石破碎、煤系地层软弱带影响，对开挖部位的岩面及时进行了锚喷支护工作，支护采用锚杆、钢支撑、钢筋网、喷混凝土等联合支护形式。1）锚杆使用ϕ25mm的螺纹钢筋，锚固长度3m，使用气腿式手风钻钻孔，采用先注浆后插杆施工工艺。2）钢支撑采用22工字钢，经过加工后在工作面分段组装，每段之间使用螺栓连接，严禁使用电弧焊接，钢支撑安装后用砂浆锚杆进行固定。3）钢筋网采用ϕ8mm钢筋编制而成，使用绑线固定在锚杆上。4）喷混凝土是一道关键性工艺，它既能够对围岩进行加固，又能够对瓦斯气体起到封闭作用，因此对喷混凝土的厚度和强度要求高，施工过程中做到了及时喷锚施工。

4瓦斯隧洞安全监控

为保证施工安全，施工现场加强对瓦斯的检测监控管理，安排专业瓦斯检测人员主要对瓦斯的监测工作进行监督、检查，定期对各工作面进行瓦斯检测，并将监测数据整理汇总后上报监测中心。隧道瓦斯监测系统由自动监测系统和人工监测相结合的原则进行设置，实现以自动监测为主，人工监测为辅的监测管理体。自动监测按要求确定监测点进行设置，采集数据上传至监控中心进行分级控制和响应。人工监控管理由瓦斯监测人员24h轮班进行无缝监测，共配置专职瓦检人员4名。1）瓦斯检测的部位及重点：人工监测每人配置高、低浓度便携式瓦斯浓度检测仪各一台，对瓦斯容易聚集的掌子面，拱顶、超挖处、避车避人洞等部位保证1次/h的监测频率。2）瓦斯监测方法及监测记录：掌子面爆破后，在距离掌子面20cm处进行现场测量瓦斯浓度，测量位置为掌子面开挖轮廓内20cm处以及靠近通风机通风口的100cm处，现场读数，检测仪设定的报警值为瓦斯浓度达到0.5%，为施工人员安全提供应急保证。

5结语

瓦斯隧洞施工技术实施效果。水打桥隧洞0-25～0+961m段为煤层瓦斯洞段，在施工过程中从瓦斯控制的源头开始，实施了相应的通风设计、安全供电措施、机械设备防爆改造、系统检测监控等，开挖过程中严格施工程序，没有发生安全生产事故，保证了施工人员和机械设备安全，为水打桥隧洞合同工期按期完成奠定了基础。

［参考文献］

［1］于博.水工隧洞塌方应急抢险关键技术探析［J］.水利规划与设计，2016（08）：91-93.

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［3］王晓仁.江西省某水工隧洞渗水原因分析及整改措施［J］.水利规划与设计，2018（01）：145-148.

作者:孙金龙 江光华 单位:广州新珠工程监理有限公司