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(yùn)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(shí)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(jìn)，施工安全要求更嚴(yán)格，特別是在高瓦斯隧道進(jìn)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(shí)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(shí)，施工安全問題也隨著公路隧道建設(shè)項(xiàng)目的增多逐漸顯露出來。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，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(zāi)、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(diǎn)，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(yù)設(shè)監(jiān)測斷面測點(diǎn)進(jìn)行瓦斯氣體濃度監(jiān)測的方法，并鑿超前孔進(jìn)行孔口瓦斯檢測，準(zhǔn)確預(yù)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(zāi)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(shí)還包括CO，CO2，H2S，NO2等有害氣體。在標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)，在空氣中具有較強(qiáng)的擴(kuò)散性，其擴(kuò)散能力為空氣的1.6倍。瓦斯的化學(xué)性質(zhì)不活潑，微溶于水，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，20℃時(shí)，100L水可溶3.3L瓦斯。2.3瓦斯傷害瓦斯具有易燃的特性，當(dāng)其與空氣混合到一定濃度時(shí)，遇火源會(huì)燃燒甚至爆炸，爆炸產(chǎn)生的有害氣體和熱量，會(huì)導(dǎo)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(shí)，遇到火焰只會(huì)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(shí)，一般遇火不燃燒。瓦斯雖然無毒，但也無助于呼吸。當(dāng)空氣中的瓦斯含量達(dá)到43%時(shí)，氧氣含量相對降低而使人開始窒息，當(dāng)濃度達(dá)到57%時(shí)，氧氣含量就降到9%，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)使人窒息而死亡。3瓦斯預(yù)報(bào)方案超前預(yù)報(bào)是對瓦斯隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在現(xiàn)有隧道瓦斯超前預(yù)報(bào)中，超前鉆探法是最常用的預(yù)報(bào)方法之一，運(yùn)用鉆孔臺(tái)車從隧道掌子面向前打孔時(shí)鉆進(jìn)速度的變化，結(jié)合巖粉和泥漿顏色來預(yù)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(yīng)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(yù)報(bào)技術(shù)，探明隧道前方圍巖、瓦斯賦存的具體情況，及時(shí)提出預(yù)報(bào)，做好調(diào)整通風(fēng)方案和安全措施的準(zhǔn)備。一般在施工至瓦斯段20m，10m，5m時(shí)，應(yīng)進(jìn)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(jìn)行釋放。根據(jù)實(shí)際隧道的實(shí)際斷面形狀，采取不同的監(jiān)測布點(diǎn)方式，本文將以半圓拱形巷道斷面為例進(jìn)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(diǎn)（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(diǎn)，連續(xù)對隧道內(nèi)各個(gè)預(yù)設(shè)點(diǎn)進(jìn)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(jìn)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(jìn)掌子面監(jiān)測點(diǎn)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(yù)報(bào)確定好監(jiān)測點(diǎn)后，采用瓦斯監(jiān)測儀器對隧道瓦斯氣體進(jìn)行監(jiān)測。目前主要采用的瓦斯檢測設(shè)備有光學(xué)甲烷檢測儀和便攜式甲烷檢測儀。光學(xué)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(dòng)測定（或點(diǎn)測）環(huán)境中瓦斯?jié)舛鹊娜娮觾x器，習(xí)慣上按檢測原理進(jìn)行分類，主要分為熱催化（熱敏）式、熱導(dǎo)式及半導(dǎo)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(diǎn)布置方案，對隧道掘進(jìn)掌子面、超前鉆孔分別采用人工檢測和自動(dòng)監(jiān)控相結(jié)合的方法實(shí)施瓦斯檢測。從事隧道施工的工作人員進(jìn)入洞口時(shí)，必須攜帶便攜式甲烷檢測報(bào)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(dòng)檢測工作面和回風(fēng)流中瓦斯及氧氣濃度，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)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(jī)電設(shè)備的設(shè)置地點(diǎn)、有人員作業(yè)點(diǎn)地點(diǎn)都應(yīng)納入檢查范圍。有瓦斯突出或噴出危險(xiǎn)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(jìn)行瓦斯?jié)舛葯z測，隨時(shí)隨地抽檢洞內(nèi)瓦斯?jié)舛?，認(rèn)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(jìn)行檢查。隧道瓦斯涌出量是指單位時(shí)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(jì)算：式中——隧道絕對瓦斯涌出量，m3/min?！淼劳咚菇^對涌出量，m3/d。——隧道總回風(fēng)量，由通過風(fēng)表與秒表測得，m3/min。S——隧道有效斷面積，按掌子面實(shí)際掘進(jìn)面積測得，m2。V——隧道回風(fēng)風(fēng)速，按二次襯砌平滑段實(shí)測風(fēng)速平均值計(jì)算，m/s?！淼揽偦仫L(fēng)流中測得的瓦斯?jié)舛龋凑谱用嬗^測點(diǎn)平均值計(jì)算，%。1440——1晝夜的分鐘數(shù)。測得掌子面9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)和4個(gè)超前鉆孔瓦斯?jié)舛葦?shù)值后，可以利用上述公式計(jì)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(biāo)準(zhǔn)下，不得進(jìn)行施工的技術(shù)原則，計(jì)算滿足稀釋瓦斯?jié)舛鹊耐L(fēng)量，科學(xué)合理實(shí)施通風(fēng)方案。5隧道通風(fēng)方案（1）加強(qiáng)通風(fēng)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(yīng)采用壓入式通風(fēng)，施工期間的風(fēng)量和風(fēng)速按爆破排煙，同時(shí)工作的最多人數(shù)以及瓦斯絕對涌出量所需的最大值計(jì)算，風(fēng)速不宜小于1m/s。通風(fēng)設(shè)備必須防止漏風(fēng)，使用獨(dú)立電源，由專人負(fù)責(zé)，施工期間不得關(guān)閉風(fēng)機(jī)。同時(shí)要配備備用通風(fēng)機(jī)，以備主通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)不影響通風(fēng)的正常運(yùn)行。一旦通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，洞內(nèi)工作人員應(yīng)立即撤離到新鮮空氣區(qū)域，直至通風(fēng)恢復(fù)正常，才允許入內(nèi)繼續(xù)工作。（2）通風(fēng)機(jī)型號的選擇要根據(jù)隧道內(nèi)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)所測得數(shù)據(jù)，并經(jīng)計(jì)算所得的最大通風(fēng)風(fēng)量確定。隧道所需通風(fēng)風(fēng)量的按公式（4）計(jì)算得出：結(jié)合隧道施工實(shí)際情況，把掌子面監(jiān)測點(diǎn)和超前鉆孔的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，代入公式（4）計(jì)算出隧道的通風(fēng)風(fēng)量，并用表格形式對通風(fēng)量進(jìn)行排列，以作為選用通風(fēng)機(jī)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(jìn)行說明。表2隧道通風(fēng)風(fēng)量計(jì)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(fēng)速（m/ss）風(fēng)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(fēng)風(fēng)量計(jì)算結(jié)果，所選取的通風(fēng)機(jī)額定送風(fēng)量要大于1740m3/min，才能滿足稀釋瓦斯?jié)舛鹊囊?。同時(shí)，在隧道施工過程中，工作面通風(fēng)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(fēng)流中瓦斯?jié)舛却笥?.75%時(shí)，應(yīng)立即查明原因，進(jìn)行通風(fēng)處理。（2）開挖工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛却笥?%時(shí)，立即停止工作面施工作業(yè)；大于1.5%時(shí)，停止工作，并撤出人員，切斷電源進(jìn)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_(dá)到2%時(shí)，工作面附近20m必須停止工作，撤出人員，切斷電源進(jìn)行局部通風(fēng)處理。7結(jié)語由于隧道瓦斯對施工人員的安全造成嚴(yán)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(fēng)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(yán)格遵守瓦斯檢測規(guī)程，做到嚴(yán)謹(jǐn)監(jiān)測，高效監(jiān)測，科學(xué)監(jiān)測，認(rèn)真分析數(shù)據(jù)，合理設(shè)計(jì)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(xué)管理，提高效益和節(jié)約成本，堅(jiān)決防范和杜絕安全事故。對于已完工的隧道工程項(xiàng)目，應(yīng)及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，汲取教訓(xùn)，為日后同類瓦斯隧道施工管理提供借鑒。參考文獻(xiàn)[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(xué)東．云頂高瓦斯隧道通風(fēng)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(zāi)害的特征及防治實(shí)踐[J]，國土資源情報(bào)，2008(7)．[6]鄭濤．高瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)，山西建筑[J]，2008，34(13)．[7]JTJ042－94，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范．[8]中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院．肖家坡隧道施工圖設(shè)計(jì)說明[R]．武漢：中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院，2006．[9]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局宣傳教育中心編，《全國煤礦安全培訓(xùn)考核系列教材：煤礦瓦斯檢查工》，2007年1月第一版1．[10]中國煤炭教育協(xié)會(huì)職業(yè)教育教材編審委員會(huì)，《礦井通風(fēng)與安全：安全技術(shù)》，中國建筑工業(yè)出版社，2005年11月第1版．GasMonitorandControlofHighwayTunnelAbastract:Inrecentyears,duetotherapiddevelopmentofincreasinglylonglengthofroadconstruction,China'shighwayinfrastructureastheroadtransportgrowthindemand.Atthesametime,highwaytunnelconstructionbecomemoreandmorelarge-scale,longtunnelunderconstructionandwillbebuiltarealsoincreasing.Highwaytunnelconstruction,comparedwiththegeneralrequiremoreadvancedconstructiontechnology,constructionsafetyrequirements,especiallyinthehighgastunnelconstruction.Inthispaper,gassectionofthehighwayconstructionprocesstotakethenecessarycontroltechnology,andthroughthegasconcentratio