28-合武铁路瓦斯隧道特征及预防(定稿).doc

合武铁路客运专线红石岩隧道瓦斯成因及预防 （李 杰 黄春峰 合武铁路安徽有限公司 合肥市 230001） 摘 要 客运专线是落实铁路跨越式发展的重大战略举措，合武铁路红石岩隧道地处大别山区，隧道施工过程中出现了瓦斯燃烧现象，这在国内变质岩隧道施工中还是首次发生，给客专瓦斯隧道施工提出了新课题。红石岩隧道施工中注意对区域性地质的研究，分析瓦斯成因和运移特性，采取有针对性的预防措施，保证了施工安全，为类似工程提供了借鉴。 关键词 合武 客运专线 瓦斯成因 预防措施 1 概述 新建合肥至武汉铁路站前工程路基、桥涵、隧道第三标段位于安徽金寨县及湖北麻城境内，本标段属于大别山中段北坡，为江淮分水岭主脉，群山连绵，沟谷深切，基岩基本裸露，以区域变质岩石英片岩、片麻岩、花岗岩、闪长岩为主。 红石岩隧道全长7875m，进口里程DK181373，出口里程DK189230，最大埋深560m，是合武线控制工程之一。隧道位于大别山中部地带，不同时期岩浆活动频繁，历经多次构造运动影响，变形变质作用强烈，构造发育。 由于隧道所经地段为片（麻）岩地层，且据各种地质资料分析，线路没有经过煤系地层和含油、气的地层构造，故隧道工程招标文件及设计文件中均未提及隧道内含有有害气体。2005年10月15日，红石岩隧道出口开始进洞施工，按上下台阶法开挖。施工距离洞口长度11.4m出现爆破后的碴堆上有燃烧现象，火焰颜色呈淡蓝色，掌子面岩石为坚硬的片麻岩，颜色为浅红色夹灰白色，且在随后的施工中又发生多次燃烧现象。施工单位迅速安排现场连续进行瓦斯监测，进行现场取样检测，在此基础上请有关专家进行了专题研究，正确分析了瓦斯的成质成因以及运移特性，并组织编制紧急施工措施和瓦斯应急预案，按瓦斯隧道组织施工，确保施工安全。 2 红石岩隧道瓦斯的特征 2.1 瓦斯成分分析 2.1.1取样 在红石岩隧道出口采气样和岩样两种，气样用3.5L氧气袋封装，岩样用钢瓶封装，具体采集地点如下钻孔1中取气样一袋和岩石500g，钻孔2中取气样一袋和岩石500g，钻孔2洞口外部取气样一袋。 2.1.2 分析仪器 GC4000A型气相色谱仪配套软件A5000数据处理采集站，2001型煤自燃特性测试仪，其系统流程如图所示。 程序控温炉 样品罐 铂丝温度探头 计算机 气相色谱仪 O2 N2 质量流量控制器 除湿和降温装置 图1 2001型煤自燃特性测试仪系统流程图 气体样品的分析直接在室温（15℃）下用气相色谱仪分析气袋内气样的化学成分；碴块样品的分析先用10ml注射器抽取钢瓶中气体样品，用气相色谱仪分析其化学成分。然后取约280g渣块破碎后装入2001型煤自燃特性测试仪内的样品罐，通入干空气10ml/min，放入90℃、150℃恒温箱，稳定约10分钟后，采集解吸气样，用气相色谱仪分析其化学成分。 2.1.3 分析结果 气样分析结果如表1、岩石分析结果如表2所示，初步分析结果表明岩石中可燃物成分为甲烷、乙烯、乙烷、丙烷，也发现有毒气体一氧化碳。 表1 红石岩隧道气样分析结果 气体样品 成分及浓度 钻孔1 甲烷3.08ppm，CO0.64ppm 钻孔2 甲烷2.88 ppm，CO2.92ppm 钻孔2洞口外 甲烷2.91ppm，CO2.36ppm 表2 红石岩隧道岩样分析结果 温度 钻孔1处 钻孔2处 15℃直接取样 CH45.71ppm C2H41.27ppm C2H60.47ppm CO0.64ppm CH43.63ppm C2H40.37ppm CO1.31ppm 90℃ CH44.65ppm C2H40.1ppm CO1.67ppm CH45.78ppm C2H41.23ppm C2H60.37ppm C3H80.96ppm CO3.64ppm 150℃ CH47.66ppm C2H42.10ppm C2H60.71ppm C3H80.89ppm CO179.49ppm CH48.41ppm C2H45.67ppm C2H61.23ppm C3H83.36ppm CO264.28ppm 2.2 瓦斯来源地质分析 红石岩隧道瓦斯成分分析结果表明，可燃气体组份以甲烷为主，同时含有乙烷、乙烯、一氧化碳，不含二氧化碳，基本可以排除无机成因说；可燃气体的成分以一氧化碳占绝对优势，基本排除红石岩隧道中的可燃气体煤型气成因说。对比合肥盆地天然气，在组成上与分析结果较为类似，因此红石岩隧道中的瓦斯属有机天然气中油型气。 依据合肥盆地及华北地块南缘地层推测，本区可能的生气源岩主要为寒武系暗色泥岩、奥陶系石灰岩、和石炭二叠系煤系地层三套地层。其厚度已经达到有效生气岩的厚度，有机质丰度除了奥陶系石灰岩相对较低外，其他两套地层的有机碳含量多大于0.5，达到较好生气岩级别，寒武系暗色泥岩和奥陶系石灰岩为Ⅰ型干酪根，石炭二叠系煤系地层主要为Ⅲ型干酪根，标志烃源岩成熟度的镜质体反射率Ro％大都在1.5-3.5左右，已经达到生气阶段。总之，从烃源岩的丰度、类型、成熟度来看，已经具备了生成大量天然气的物质基础。 2.3 从地质构造分析瓦斯运移特征 大别造山带是具有典型花状结构的造山带，正是在南北两侧深大断层相向俯冲挤压作用下，使大别山逐渐被抬升。从大别山及其邻区来看，其构造单元自北而南依次为华北地块、华北地块南缘构造带、北淮阳构造带、大别地体和杨子地块（见图2）。红石岩隧道所处的大别山北段属北淮阳构造带，夹持在舒城断裂与磨子潭断裂之间。 图2 华北地块南缘－大别山地区构造纲要图 红石岩隧道红处于磨子潭断裂以南地区，由于有近南北向大断层的叠加影响，出现了多次瓦斯燃烧，表明瓦斯的逸散与深断层的发育密切相关，断层构成了可燃气体逸散的主要通道，且可燃气体主要出现在断层的上盘，下盘基本不会出现。红石岩隧道地表的表现形式主要是韧性逆冲走滑断裂带，伴随着断裂的活动，形成了一系列的剪切破碎带，破碎带正是气体逸散的真正通道。实际发生瓦斯燃烧的位置都与岩性破碎带有关，或者位于破碎带内部，或者是不同岩性的接触部位（见图3）。 图3 大别山区瓦斯逸散路径示意图 3 瓦斯的防治措施 3.1 加强组织管理 组织所有进洞施工人员进行强制性的瓦斯隧道安全技术培训，主要学习内容为瓦斯隧道施工的安全技术基础知识和相关的安全规章制度，培训完成经考核合格后才允许上岗作业。 加强洞内火源管理，人员进洞接受洞口值班员的检查，严禁将火柴、打火机及其他易燃品带入洞内。施工作业人员应配备防毒面罩，严禁穿着易于产生静电的服装进入隧道，现场应配备灭火器、消防用砂等灭火设备。 经常进行安全检查工作，严格按照相关安全生产规章制度施工，杜绝违章指挥、违章作业。 3.2 瓦斯检测 成立瓦斯检测与通风管理小组，负责全隧道的施工通风和瓦斯监测等工作。 3.2.1 检测仪器 瓦斯检测采用人工检测和自动监测相结合的形式，配备专职的瓦斯检测员定期检查各瓦斯情况，瓦检员配备的检测仪器为便携式甲烷检测报警器和光干涉甲烷测定器，每一隧道断面采用五点法检查瓦斯,取最大值作为该断面瓦斯浓度。 自动监测系统的选择要考虑隧道技术管理水平，根据监测量的多少，对系统进行质量和性能价格比较，选择适合自己技术水平的瓦斯监测系统。目前煤矿普遍采用的自动瓦斯监控系统主要有KJ4、TF-200、KJ54等系统，考虑红石岩隧道施工的特点选择瓦斯监测中心站1站、传感器2套、瓦斯报警断电仪2台、信息处理系统，井下安全电源和信号传输电缆等。仪器检测仪器见表3。 表3 瓦斯检测仪器表 仪器名称 型号 检测项目 测量范围 误差 数量 甲烷检测报警器 AJB-2B CH4 0～4.00 0.10 6台 光干涉型甲烷测定器 AQG-1 CH4 CO2 0～4.00 0.02 2台 瓦斯监测中心站 1站 转换器及软件 1套 安全火花大小分站 2套 大小屏幕显示器 1台 断电仪及传感器 2套 传感线 8000m 3.2.2 测点布置 检测范围主要是开挖工作面和机电设备20米附近。 人工检测每个隧道断面采用五点法（如图4）检查瓦斯,取最大值作为该断面瓦斯浓度。 图4 五点法瓦斯测量示意图 自动瓦斯监测的甲烷传感器设于开挖工作面、衬砌工作面，以准确反映全隧的瓦斯状况；瓦斯断电仪、分站、屏幕显示器械等集中设于隧道入口。 3.2.3 检测频度 红石岩隧道施行三班制瓦斯巡回检查，每班应检查3～5次，正常施工中执行“一炮三检”的瓦斯制度，瓦斯检测结果及时上报，并在隧道洞口醒目位置处同时悬挂瓦斯检测记录牌和安全警告牌，及时将最新的瓦斯检测结果告示进洞人员。自动瓦斯监测系统全天候监测。 3.2.4 监测分析处理 瓦斯监测系统是一个动态体系，包含监测、反馈和超限处理等工作，监测流程如图5，不同地点的瓦斯浓度控制标准和瓦斯超限处理措施如表4。 图5 瓦斯检测流程图 表4 瓦斯浓度控制标准和瓦斯超限处理措施如表 地 点 瓦斯允许浓度（） 超限处理措施 开挖面回风流 1.0 停止作业加强通风 开挖面风流 1.5 停止工作切断电源加强通风 开挖面个别点 2.0 切断电源撤到安全地点立即进行处理，附近20m内停止其它作业 放炮点20m以内风流 1.0 禁止放炮加强通风 在施工过程中，当瓦检员检测到瓦斯超限或放炮后瓦斯浓度超过安全范围，自动瓦斯监测系统已自动切断超限区内电源，系统仍能正常工作，这时根据系统提供的数据，采取措施进行处理。 3.3施工通风 施工通风采用独立的压入式通风系统，通风设备采用防爆型。通风所需风量按爆破排烟、同时工作的最多人数、内燃机械设备总功率以及瓦斯涌出量分别计算，并按允许最小风速进行检验，取其中最大值作为控制风量。购置备用应急通风机、应急发电机，放置在离洞口较近的安全位置。 人员严禁进入超限区，采用变风量送风的方法控制进风量，逐步排出超限瓦斯。变风量送风的方法可以把风管接头的拉链拉开，通过改变接合缝隙的大小调节送风量，还可以在风管上捆上绳子，通过收紧或放松绳子调节送风量。 排放瓦斯时，瓦检员在回风风流中经常检查瓦斯浓度，当瓦斯浓度达到1时，减少送风量，确保洞内内排出的瓦斯不超标。 排放瓦斯时，要检测风机处的瓦斯浓度，防止产生污风循环。 瓦斯浓度降到1以下，30min内没有变化后，才能恢复通风机正常通风。恢复正常通风后，对断电区内的机电设备进行检查，证实完好后，方可恢复送电正常施工。 3.4 超前地质预报 断层破碎带、节理密集带为可燃气体的运移和聚集空间，容易发生燃烧，甚至瓦斯突出爆炸事故。在施工过程中对这些地段进行防突预测预报，超前预报采用Φ50mm超前水平钻孔，全断面施工时掌子面超前孔数不少于3个；台阶法施工时，每个台阶掌子面超前孔数不少于2个；超前钻孔应分布均匀。在有超前钻孔进行超前地质预报的隧道，可结合超前钻孔进行可燃气体浓度预报，无超前钻孔地段，可结合炮眼进行预报，作为预报孔的炮眼深度必需达到5m。当瓦斯检测含量较高、浓度较大、有突出危险时，要制定和执行防突措施。 3.5 水封爆破和洒水除尘 为减小爆破火焰，减少爆破火焰存在时间，使用煤矿许用炸药，炮孔装药后，采用水炮泥封堵，水炮泥用专用塑料袋制作，水炮泥外剩余部分的炮眼部分用粘土炮泥填满封实装至孔口。 开挖放炮后、洞内出碴前均采取洒水湿润措施，避免产生火花。 3.6 防爆设备 按瓦斯隧道施工要求，对洞内机电设备进行了防隔爆更换。全隧固定的照明灯具、电源开关采用防爆型；进洞的内燃设备采用消火罩等措施进行防隔爆改造，开关、插座、插头更换为防爆型，经检验合格后进洞使用。 4 结束语 红石岩隧道处于大别山区二长片麻岩地质，开始施工按非瓦斯隧道组织，没有防隔爆等特殊要求，在施工过程中出现瓦斯燃烧现象，由于采取措施得力，没有发生瓦斯事故，这说明瓦斯在隧道施工中是可控的。 以红石岩隧道为代表的大别山区隧道施工中出现瓦斯燃烧现象是区域性问题，变质岩中出现瓦斯改变了隧道施工对瓦斯的认识，在今后施工中还应做好以下工作 （1）隧道施工初期埋深浅，破碎带都是通达地表的，处于半开启或开启状态，因此聚集的瓦斯量并不多，实际上也没有形成压力，只出现了短时间燃烧现象。但随着隧道继续向前掘进，隧道上覆岩层不断加厚的情况应该引起重视，特别是上覆岩层厚度超过100m，可形成几十－上百个个大气压，是否会在放炮过程中引起突出，须要进一步研究。 （2）可燃气体的赋存除粒间孔隙因素外，片麻岩具有片麻状构造而发育结晶片理面，进而导致岩石内表面积的大量增加，为吸附可燃气体，乃至游离可燃气体的赋存提供空间条件是非常重要的。通过大量观察，掌握裂隙的开启程度发育规律、孔隙带中充填物特征及填充程度，力争建立充填物含量与气体压力之间的关系，以便能对气体压力可以进行预报。 （3）大别山区出现瓦斯问题是区域性的，与区域大断层及其派生小断层有关，加强区域大断层及其派生小断层、节理发育带、岩石破碎带发育规律的研究，应用力学观点分析其空间展布特征，探寻其空间展布规律，为今后类似工程提供经验。 参考文献 〔1〕 TB10120-2002.铁路瓦斯隧道技术规范.铁道出版社，2003. 〔2〕 红石岩隧道设计图〔R〕.铁道第四勘察设计院，2005. 〔3〕 赵全福.矿井通风与空调〔M〕.北京，煤炭工业出版社，1990. 〔4〕 王梦恕.大瑶山隧道－20世纪隧道修建新技术〔M〕.广东科技出版社，1995. 作者简介 李杰，高级工程师，合武铁路安徽有限公司副总工程师兼工程部长，1988年7月毕业于上海铁道大学铁道工程专业，工学学士； 黄春峰，合武铁路安徽有限公司工程师，2002年7月毕业于中南大学土木工程专业，工学学士。 单位名称合武铁路安徽有限公司 地址合肥市寿春路211号省工行大楼707室； 邮编230001； 联系电话0482-27779；13865800980