公路隧道瓦斯監(jiān)測與治理

公路隧道瓦斯監(jiān)測與治理摘要：近年來，我國公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)隨著公路交通運輸事業(yè)需求的迅猛增長而飛速發(fā)展，公路建設(shè)里程越來越長，同時公路隧道建設(shè)規(guī)模也越來越大，在建和將建的長隧道和特長隧道也越來越多。公路隧道的施工，與普通公路相比施工技術(shù)要求更先進，施工安全要求更嚴格，特別是在高瓦斯隧道進行施工。本文結(jié)合公路隧道瓦斯區(qū)段施工過程中采取的必要防治技術(shù)，并通過瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，提出隧道瓦斯防治的對策措施，為保證施工安全提供了理論依據(jù)，以便更有效落實施工安全管理。關(guān)鍵詞：隧道瓦斯監(jiān)測治理措施1引言至2009年底，全國公路隧道為6139處、394.20萬米，比上年末增加713處、75.56萬米。其中特長隧道190處、82.11萬米，長隧道905處、150.07萬米，居世界首位。與此同時，施工安全問題也隨著公路隧道建設(shè)項目的增多逐漸顯露出來。經(jīng)統(tǒng)計，2005—2009年我國共發(fā)生47起隧道施工事故，坍塌、冒頂片幫、放炮事故、瓦斯爆炸、火藥爆炸、觸電、火災、中毒和窒息等是造成公路隧道施工事故的主要因素（表1），各類事故類型占總事故百分比如圖1所示，從圖中可以看出瓦斯爆炸是造成隧道施工事故的主要原因之一。為降低公路隧道施工事故的頻繁發(fā)生，結(jié)合公路隧道的地質(zhì)特點，瓦斯賦存狀況，采用安全監(jiān)測技術(shù)，利用瓦斯氣體監(jiān)測儀器對隧道內(nèi)各預設(shè)監(jiān)測斷面測點進行瓦斯氣體濃度監(jiān)測的方法，并鑿超前孔進行孔口瓦斯檢測，準確預測隧道中逸出的瓦斯氣體，從而有針對性地提出隧道施工過程的安全對策。表格SEQ表格\*ARABIC12005—2009年隧道施工事故類型及其發(fā)生次數(shù)表格事故類型坍塌觸電透水冒頂片幫放炮瓦斯爆炸中毒和窒息火災事故次數(shù)272341622圖1事故類型直方圖2瓦斯的性質(zhì)和主要傷害圖1事故類型直方圖2.1瓦斯性質(zhì)瓦斯是無色、無味、無臭的氣體，其主要成分為CH4，有時還包括CO，CO2，H2S，NO2等有害氣體。在標準狀態(tài)下瓦斯的密度為0.716kg/m3，相對密度是0.554。幾乎比空氣輕一半，所以在井下空氣中，它總是存在巷道的頂部。瓦斯的滲透性很強，在空氣中具有較強的擴散性，其擴散能力為空氣的1.6倍。瓦斯的化學性質(zhì)不活潑，微溶于水，在標準大氣壓下，20℃時，100L水可溶3.3L瓦斯。2.3瓦斯傷害瓦斯具有易燃的特性，當其與空氣混合到一定濃度時，遇火源會燃燒甚至爆炸，爆炸產(chǎn)生的有害氣體和熱量，會導致在爆炸范圍內(nèi)的人員受到燒傷、暈倒乃至死亡。瓦斯的爆炸下限和爆炸上限分別是5%和16%，隧道中的瓦斯?jié)舛刃∮?%或者大于16%時，遇到火焰只會燃燒而不產(chǎn)生爆炸，9.5%左右爆炸威力最大，但瓦斯?jié)舛却笥?3%時，一般遇火不燃燒。瓦斯雖然無毒，但也無助于呼吸。當空氣中的瓦斯含量達到43%時，氧氣含量相對降低而使人開始窒息，當濃度達到57%時，氧氣含量就降到9%，短時間內(nèi)就會使人窒息而死亡。3瓦斯預報方案超前預報是對瓦斯隧道施工地質(zhì)預報的重點和難點。在現(xiàn)有隧道瓦斯超前預報中，超前鉆探法是最常用的預報方法之一，運用鉆孔臺車從隧道掌子面向前打孔時鉆進速度的變化，結(jié)合巖粉和泥漿顏色來預測打孔深度范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。該方法能最直接地揭示隧道掌子面前方的地質(zhì)特征。由于隧道地質(zhì)條件多為煤層、炭質(zhì)頁巖等，圍巖較為破碎且自穩(wěn)性差，并常存在較大地應力，施工中易出現(xiàn)塌方、冒頂、瓦斯突出等不良地質(zhì)狀況，故必須采取超前地質(zhì)預報技術(shù)，探明隧道前方圍巖、瓦斯賦存的具體情況，及時提出預報，做好調(diào)整通風方案和安全措施的準備。一般在施工至瓦斯段20m，10m，5m時，應進行超前鉆探，，若探明瓦斯?jié)舛容^大，可利用超前鉆孔對前方瓦斯進行釋放。根據(jù)實際隧道的實際斷面形狀，采取不同的監(jiān)測布點方式，本文將以半圓拱形巷道斷面為例進行探討。在隧道內(nèi)，在隧道口20m處、以后每隔100m處分別設(shè)置監(jiān)測點（依次為1#至7#）。隧道沿程監(jiān)測位置圖見圖2。在掌子面上部、中部和下部，分別設(shè)置監(jiān)測點，連續(xù)對隧道內(nèi)各個預設(shè)點進行瓦斯氣體監(jiān)測（圖3）。超前探測孔采取四角分布，孔徑均為40mm，孔深為40m（圖4）。隧道隧道進口1#2#3#4#5#6#7#圖2監(jiān)測斷面布置圖隧道掌子面隧道掌子面1#探測孔2#探測孔4#探測孔3#探測孔圖3圖3隧道掘進掌子面監(jiān)測點布置圖圖4隧道掌子面超前孔布置圖4瓦斯監(jiān)測方案4.1監(jiān)測儀器對隧道掌子面和超前預報確定好監(jiān)測點后，采用瓦斯監(jiān)測儀器對隧道瓦斯氣體進行監(jiān)測。目前主要采用的瓦斯檢測設(shè)備有光學甲烷檢測儀和便攜式甲烷檢測儀。光學甲烷檢測儀是用來測定甲烷濃度，也可以測定其他氣體（如二氧化碳等）的濃度的一種儀器，是根據(jù)光干涉原理制成的，精確度較高（分為精度0.01%和0.1%兩種），常用于測定高濃度瓦斯。便攜式甲烷檢測儀是一種攜帶式可連續(xù)自動測定（或點測）環(huán)境中瓦斯?jié)舛鹊娜娮觾x器，習慣上按檢測原理進行分類，主要分為熱催化（熱敏）式、熱導式及半導體氣敏元件三大類。其測量范圍一般在0～4.0%CH4或0～5.0%CH4，用于低濃度瓦斯的測定。4.2監(jiān)測方法根據(jù)上述圖2，圖3和圖4的監(jiān)測點布置方案，對隧道掘進掌子面、超前鉆孔分別采用人工檢測和自動監(jiān)控相結(jié)合的方法實施瓦斯檢測。從事隧道施工的工作人員進入洞口時，必須攜帶便攜式甲烷檢測報警儀；瓦斯檢查工必須攜帶便攜式智能光干涉甲烷檢測儀。安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在洞內(nèi)外安裝，自動檢測工作面和回風流中瓦斯及氧氣濃度，并自動實現(xiàn)風電閉鎖和瓦電閉鎖。所有開挖的掌子面、超前鉆孔和使用中的機電設(shè)備的設(shè)置地點、有人員作業(yè)點地點都應納入檢查范圍。有瓦斯突出或噴出危險的開挖掌子面和瓦斯涌出較大、變化異常的開挖掌子面，必須有專人經(jīng)常檢查，并安設(shè)瓦斯斷電儀。隧道內(nèi)設(shè)專職安全員3名，24h不間斷進行瓦斯?jié)舛葯z測，隨時隨地抽檢洞內(nèi)瓦斯?jié)舛?，認真執(zhí)行“一炮三檢”制度、巡回檢查制度，在鉆孔前、裝藥前、起爆前均進行檢查。隧道瓦斯涌出量是指單位時間內(nèi)或單位重量煤中涌出的瓦斯量，包括絕對瓦斯涌出量和相對瓦斯涌出量。開挖掌子面和超前鉆孔的瓦斯涌出量，通過以下絕對瓦斯涌出量公式計算：式中——隧道絕對瓦斯涌出量，m3/min?！淼劳咚菇^對涌出量，m3/d?！淼揽偦仫L量，由通過風表與秒表測得，m3/min。S——隧道有效斷面積，按掌子面實際掘進面積測得，m2。V——隧道回風風速，按二次襯砌平滑段實測風速平均值計算，m/s?！淼揽偦仫L流中測得的瓦斯?jié)舛?，按掌子面觀測點平均值計算，%。1440——1晝夜的分鐘數(shù)。測得掌子面9個監(jiān)測點和4個超前鉆孔瓦斯?jié)舛葦?shù)值后，可以利用上述公式計算得隧道瓦斯的絕對涌出量，并根據(jù)瓦斯?jié)舛却笥?.5%的標準下，不得進行施工的技術(shù)原則，計算滿足稀釋瓦斯?jié)舛鹊耐L量，科學合理實施通風方案。5隧道通風方案（1）加強通風是防止瓦斯爆炸最有效的方法，把隧道中的瓦斯稀釋到爆炸濃度以下，并將其排出洞外。有瓦斯的隧道，應采用壓入式通風，施工期間的風量和風速按爆破排煙，同時工作的最多人數(shù)以及瓦斯絕對涌出量所需的最大值計算，風速不宜小于1m/s。通風設(shè)備必須防止漏風，使用獨立電源，由專人負責，施工期間不得關(guān)閉風機。同時要配備備用通風機，以備主通風機發(fā)生故障時不影響通風的正常運行。一旦通風機發(fā)生故障，洞內(nèi)工作人員應立即撤離到新鮮空氣區(qū)域，直至通風恢復正常，才允許入內(nèi)繼續(xù)工作。（2）通風機型號的選擇要根據(jù)隧道內(nèi)各個監(jiān)測點所測得數(shù)據(jù)，并經(jīng)計算所得的最大通風風量確定。隧道所需通風風量的按公式（4）計算得出：結(jié)合隧道施工實際情況，把掌子面監(jiān)測點和超前鉆孔的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，代入公式（4）計算出隧道的通風風量，并用表格形式對通風量進行排列，以作為選用通風機型號的依據(jù)（表2）。6監(jiān)測數(shù)據(jù)分析本文取公路隧道施工中常見的參數(shù)，以表2為例進行說明。表2隧道通風風量計算結(jié)果瓦斯涌量/(mm3/min))隧道斷面積/mm2瓦斯管理濃度/（%）最低風速（m/ss）風量(m3/min))5.2800.50.2510406.1800.50.1812206.5800.50.2313007.3800.50.3114607.8800.50.3515608.4800.50.4216808.7800.50.451740根據(jù)表2隧道通風風量計算結(jié)果，所選取的通風機額定送風量要大于1740m3/min，才能滿足稀釋瓦斯?jié)舛鹊囊?。同時，在隧道施工過程中，工作面通風要密切結(jié)合瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)，并遵循以下原則：（1）隧洞總回風流中瓦斯?jié)舛却笥?.75%時，應立即查明原因，進行通風處理。（2）開挖工作面回風流中瓦斯?jié)舛却笥?%時，立即停止工作面施工作業(yè)；大于1.5%時，停止工作，并撤出人員，切斷電源進行處理。（3）開挖工作面內(nèi)，在體積大于0.5m3的空間中，局部積聚瓦斯?jié)舛冗_到2%時，工作面附近20m必須停止工作，撤出人員，切斷電源進行局部通風處理。7結(jié)語由于隧道瓦斯對施工人員的安全造成嚴重的威脅，所以公路隧道的施工，做好瓦斯監(jiān)測和隧道通風是安全生產(chǎn)的前提條件和保證。在隧道瓦斯的監(jiān)測與治理中，必須嚴格遵守瓦斯檢測規(guī)程，做到嚴謹監(jiān)測，高效監(jiān)測，科學監(jiān)測，認真分析數(shù)據(jù)，合理設(shè)計瓦斯治理方案。在施工過程中，要做到精心組織，規(guī)范操作，科學管理，提高效益和節(jié)約成本，堅決防范和杜絕安全事故。對于已完工的隧道工程項目，應及時總結(jié)經(jīng)驗，汲取教訓，為日后同類瓦斯隧道施工管理提供借鑒。參考文獻[1]杜建峰，盧國營．公路隧道瓦斯防治技術(shù)與管理[J]，山西建筑，2010，36(1)．[2]閆常赫．煤層淺埋區(qū)域鐵路隧道瓦斯探測分析[J]，鐵道勘察，2010(4)．[3]梅勇、蔣再文．肖家坡隧道瓦斯監(jiān)測與治理[J]，公路交通技術(shù)，2009(5)．[4]潘學東．云頂高瓦斯隧道通風及瓦斯監(jiān)測技術(shù)[J]，山西建筑，2009，35(29)．[5]申家喜．隧道瓦斯災害的特征及防治實踐[J]，國土資源情報，2008(7)．[6]鄭濤．高瓦斯隧道施工通風設(shè)計，山西建筑[J]，2008，34(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