原梁山隧道进口非煤系地段施工通风与瓦斯治理.pdf

收稿日期 20030601 作者简介 赵军喜 1970 , 男, 工程师, 1995 年毕业于辽宁省阜新矿 业学院掘进通风与安全专业, 工学学士。 圆梁山隧道进口非煤系地段施工通风与瓦斯治理 赵军喜 中铁隧道集团有限公司科研所 河南洛阳 471009 摘 要 渝怀铁路圆梁山隧道非煤系地层出现瓦斯、 SO2、 H2S、 VOC 等有害气体。结合这一地段的施工通风系 统、 瓦斯治理情况及其治理效果进行介绍。 关键词 铁路隧道; 隧道进口; 非煤系; 施工通风; 瓦斯治理 中图分类号U459. 1; U453. 5 文献标识码B 文章编号10042954 2003 增刊 005003 1 工程概况 渝怀线圆梁山隧道位于重庆市酉阳县境内, 全长 11 068 m, 最大埋深约 780m, 其进口正洞里程为 DK351 465, 平导横洞口里程为 PDK351 616。该隧道穿越 乌江水系与沅江水系的分水岭 武陵山脉, 主要工 程地质问题为毛坝向斜段大规模涌 突 水、 煤层及岩 层裂隙瓦斯、 天然气、 SO2、 VOC 等其他有毒有害气体。 地层岩性主要为灰岩、 页岩、 泥岩、 砂岩、 白云岩等。圆 梁山隧道进口工区运输方式为有轨运输。 2 施工通风 圆梁山隧道进口煤系地层里程正洞为 DK353 960 DK354 260、 DK354 575 DK354 875, 平导为 PDK353 965 PDK354 265、 PDK354 600 PDK354 900。当平导开挖至 PDK353 351, 进入二叠系栖霞 组灰黑色沥青质灰岩段, 出现刺激性气味的气体涌出, 在工作面打钻时常常发生气体喷孔现象, 工人出现恶 心、 呕吐、 头晕等症状, 随即进行瓦斯及空气质量监测, 监测结果见表 1。 表 1 气体浓度监测数据 通风时 间/ min CO / 10- 6 SO2 / 10- 6 VOC / 10- 6 H2S / 10- 6 LEL / O2 / CH4 / NO2 / 10- 6 5455128661820. 32. 116 1018963511220. 31. 015 15842120820. 30. 823 20741. 79. 60620. 30. 652 255113. 80320. 30. 260 30400. 92. 20320. 30. 020 35350. 62. 30220. 40. 030 40320. 62. 00220. 40. 020 由表 1 可知, CO、 SO2、 VOC、 H2S、 LEL、 CH4及 NO2 在放炮后通风 5 min 时, 其浓度仍超过安全标准。 根据表 1 的测试结果及时调整通风方案, 调整后 的通风系统布置如图 1 所示。方案实施时, 隧道开挖 施工作业面有 4 个, 即二通全断面开挖作业面、 三通下 导坑开挖作业面、 平导全断面开挖作业面和正洞后部 扩挖作业面。风机布设如下。 1 封闭一通, 同时在一通设 A1轴流风机, 通过 1 号管路为二通全断面开挖作业面供风。 2 在二通口前的平导内设 A2轴流风机 风机距 二通口约 35 m , 形成 2 号管路。2号管路既可为三通 下导坑开挖作业面供风, 又可为平导全断面开挖作业 面供风, 风量由三通口处的调节阀门来控制。当平导 作业面有害气体浓度超过卫生标准时, 可通过调节阀 门来增大平导工作面的风量, 以稀释浓度超标的有害 气体。 3 在二通口前的平导内设 A3轴流风机 风机距 二通口约35 m , 通过 3号管路为平导全断面开挖作业 面供风。 4 在平导内 A2、 A3轴流风机之前设 B1、 B2射流 风机, 射流风机距轴流风机的距离应为 25 m 左右, 以 形成平导进新风, 污风经二通、 正洞排出洞外。射流风 机在不影响运输行车的情况下应尽量设在平导断面较 小的地方。 5 正洞后部扩挖作业面在总回风道中, 风量足够 图 1 圆梁山隧道进口通风系统布置 50 铁道标准设计 RAILWAY STA NDAR D DESIGN 2003增刊 隧道工程 解决其作业面的污染问题。这种通风方式要求三通下 导坑开挖作业面和平导开挖作业面不能同时放炮, 具 体放炮时间可根据气体浓度监测结果, 在其浓度处于 安全标准以下时可进行另一作业面的放炮工作。 随着开挖施工进行, 正洞二通和三通贯通。由于 受卸碴场地所限, 施作 0号反通, 将原平导卸碴场地由 平导口改为正洞口; 同时, 施作了四号通道, 形成四通 下导坑作业面, 如图 2 所示。 图 2 圆梁山隧道进口通风系统布置施作四通 针对施工布置状况, 通风方案进行如下优化调整。 1 封闭一通、 二通, 避免形成污风循环。 2 将A1轴流风机移至三通口, 通过 1 号管路对 三通作业面供风。 3 将A2轴流风机移至三通口, 形成 2号管路, 2号 管路在四通口处设置可调三通。当四通工作面需风量 较大时, 可关闭平导的阀门, 开启四通的阀门; 当平导需 风量较大时,可关闭四通的阀门, 开启平导的阀门。 4 将A3轴流风机移至三通口, 通过 3 号管路对 平导作业面供风。 5 在 0号横通道里设置了 1台射流风机, 既可防 止污风循环, 又不影响出碴运输。 6 将 B1、 B2射流风机移至三通口的轴流风机之 前, 因巷道通风线路增长, 为防止平导内三通口的轴流 风机出现污风循环, 在平导内增设了 B3射流风机, 以 形成平导进新风, 污风经三通、 正洞排出洞外, B3射流 风机与 B1、 B2射流风机的距离应大于 50 m。B1、 B2、 B3 射流风机在不影响运输行车的情况下应尽量设在平导 断面较小的地方, 这样可以使射流风机产生的压力增 大。上述轴流风机和射流风机在平导内的位置与图 1 所示的一样。 3 瓦斯治理 3. 1 瓦斯排放 为防止开挖爆破后瓦斯气体大量涌出而出现瓦斯 浓度严重超标的情况, 在平导工作面向掘进方向施作 超前卸压孔。卸压孔全断面布设 8 个, 如图 3 所示。 卸压孔外插角度为 2∀, 孔径为 90 mm, 孔距为 1. 28 m, 孔深 30 m, 孔口距周边距离为 30 cm, 超前距 超前钻 孔的长度与允许掘进长度之差 不小于 5 m, 使每次掘 进时至少保留不小于 5 m 的经过瓦斯排放和应力释放 的安全距离。在超前卸压孔施工过程中, 加强工作面 瓦斯浓度和孔内瓦斯浓度监测, 通过浓度变化分析, 研 究下一步通风方案和开挖施工措施。 图 3 超前卸压孔布置单位 cm 3. 2 瓦斯监测 1 检测仪器 圆梁山隧道进口在非煤系地段出现瓦斯及其他有 害气体时所采用的监测仪器如表 2所示。 表 2 气体监测仪器 序号仪器名称型 号测试气体种类生产厂家 1五合一气体检测仪 PGM505P SO2、 H2S、 LEL、 VOC、 O2 美国华瑞公司 2一氧化碳检测仪GAS MANCO英国科尔康公司 3二氧化氮检测仪GAS MANNO2英国科尔康公司 4光干涉甲烷测定器AQG1CH4、 CO2 抚顺煤矿安全仪 器厂 5瓦斯自动监测系统TF200 型CH4 重庆煤矿安全仪 器厂 2 瓦斯监控 瓦斯监测采用人工检测和自动监测相结合。人工 检测实行∃ 一炮三检 钻孔前、 装药前、 起爆前 制, 钻 孔作业及打超前泄压孔时做到随时监测瓦斯浓度。自 动监测系统用 TF200 型煤矿自动报警监测仪, 在平 导作业面、 三通作业面、 四通下导坑作业面、 总回风及 风机入风口处各设瓦斯超限报警探头一个, 通过信号 线路, 瓦斯浓度监测数据被传输到洞口显示屏及主控 房, 瓦斯自动监测系统布置见图 4。对 SO2、 VOC 等有 害气体, 用美国产 PGW505P 型五合一气体检测仪 进行检测, 可同时连续测试 SO2、 H2S、 LEL、 VOC、 O2五 种气体的浓度。 图 4 瓦斯自动监测系统布置 3. 3 安全措施 瓦斯浓度取决于围岩及其裂隙中的瓦斯含量, 只 能采取超前钻孔卸压和加强通风的方法使洞内瓦斯浓 51 铁道标准设计 RAIL WAY STANDARD DESIGN 2003增刊 隧道工程 度降低到安全标准以下。 3. 3. 1 管理措施 1 杜绝火源。所有进洞作业人员严禁带烟、 火及 其他易燃物进洞。 2 防放炮火花。使用毫秒雷管和煤矿安全炸药, 炮眼封堵必须使用水炮泥或粘土炮泥。 3 防电气火花。洞内使用的机电设备, 均采用矿 用防爆型, 从事电焊、 气焊作业时应由瓦检员旁站检 测, 当工作地点前后 10 m 范围内瓦斯浓度高于 0. 5 时应加强通风。 4 防静电。所有进洞人员必须穿纯棉工作服, 采 用阻燃、 抗静电通风管。 5 防撞击火花。装碴前先把石碴洒水润湿, 防止 耙头与石碴撞击产生火花, 拆卸钢模板和铺设轨道时 均使用木锤。 3. 3. 2 技术措施 采用打大直径超前卸压孔的办法, 以提前释放工 作面前方可能存在的瓦斯气囊及岩层内的高压瓦斯; 同时测试超前卸压孔内的瓦斯浓度。根据监测数据来 分析预测瓦斯涌出量, 根据预测瓦斯涌出量, 可采取调 整施工作业工序, 形成单作业面放炮, 加强施工通风措 施, 以保证施工安全。 4 效果 圆梁山隧道进口在非煤系地段的岩层内出现瓦 斯、 SO2等有害气体, 且经常发生喷孔、 顶钻等现象, 瓦 斯浓度较高。为保证施工安全, 采用打大直径超前钻 孔的办法, 以提前释放工作面前方可能存在的瓦斯气 囊及岩层内的高压瓦斯。测试平导工作面超前泄压孔 内 距平导工作面50 cm 的瓦斯浓度, 绘制瓦斯浓度变 化曲线, 如图 5 所示 仪器最大量程为 10, 因而在曲 线绘制时瓦斯最大浓度取 10 。 图 5 超前钻孔内瓦斯浓度变化曲线 测试平导工作面打钻过程和放炮后出碴过程的瓦 斯浓度, 根据监测数据绘制瓦斯浓度变化曲线, 如图 6 所示。 对平导工作面放炮后的空气质量进行了检测, 并绘 制了浓度变化曲线, 如图 7所示 因所测得的 H2S、 LEL、 NO2、 CO2浓度值很小, 均远低于安全标准, 所以在浓度 变化曲线图上没有绘制这 4种气体的浓度变化曲线 。 图 6 瓦斯浓度变化曲线 1 由图 5 可知, 超前钻孔内的瓦斯浓度在很长一 段时间内超过 10, 可见圆梁山隧道进口在非煤系地 层中瓦斯含量亦较大。 图 7 平导放炮后 SO2、 VOC、 O2浓度变化曲线 2 从图 6 可知, 在打钻过程和放炮后出碴过程 中, 通过采取合理的施工通风方案, 使从工作面的岩石 和放炮后的石碴中释放出的瓦斯, 能很快被送到工作 面的新鲜风稀释到安全值 1 以下。 3 从图 7 可知, SO2、 VOC 的浓度通风 5 min 就能 下降到安全标准, O2的浓度基本保持不变, 始终在安 全标准之内。 综合分析瓦斯浓度变化曲线和 SO2、 VOC、 O2浓度 变化曲线, 尽管隧道穿越的非煤系地层中瓦斯、 SO2等 其他有害气体浓度较高, 但采取打超前卸压钻孔、 加强 通风等措施, 所测各种有害气体的浓度都能很快下降 到安全标准以下, 这说明所采用的通风方案和其他施 工措施是合理的。 5 结语 圆梁山隧道进口在非煤系地段出现瓦斯、 SO2、 H2S、 VOC 及其他有害气体, 增大了隧道在该地段的施 工难度。施工中采用压入式与巷道式相结合的通风方 法, 增加了各工作面的新鲜风量; 同时, 采用打超前卸 压钻孔的办法, 有效地降低了工作面在放炮后瓦斯及 其他有害气体大量涌出的可能性; 测试超前卸压孔内 的瓦斯浓度, 以提前作好防范措施, 保证了施工安全。 参考文献 [ 1] 俞启香. 矿井瓦斯防治[M] . 北京 中国矿业大学出版社, 1992 52 铁道标准设计 RAILWAY STA NDAR D DESIGN 2003增刊 隧道工程