地下工程中有害氣體的檢測與防治

周菊蘭，鄭道明

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概述

在地下工程施工中，圍巖既是開挖的對象，又是形成洞室的介質(zhì)和支護(hù)并確保洞室穩(wěn)定的主體。隧洞開挖過程中也會遇到圍巖破碎、裂隙發(fā)育、煤層出現(xiàn)、巖溶水出露、巖石軟弱等不良地質(zhì)地段，有害氣體與高溫高壓、瓦斯等突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害在外力作用下從圍巖中溢出散布在隧洞中，當(dāng)有害氣體積存到一定濃度時，有些氣體在外界因素影響下會發(fā)生爆炸。有害氣體爆炸時將造成對施工人員的傷害及設(shè)備的損毀。有的有害氣體由于地下洞室中通風(fēng)條件差，沒有將其及時排出或淡化其濃度，將會給施工人員的身體造成傷害。因此，地下工程施工中，應(yīng)充分認(rèn)識到各種有害氣體的潛在危險性，做好對地下工程施工中出現(xiàn)的氡氣、一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)、瓦斯、硫化氰(H2S)等有害氣體的檢測和防治工作。

2 氡氣

2.1 氡氣的特性和危害

(1)氡氣的特性:氡氣是自然界唯一的天然放射性惰性氣體。氡(Rn)位于化學(xué)元素周期表第Ⅵ周期零族，為惰性氣體元素，其化學(xué)性質(zhì)不活潑，它具有無色、無味、摸不作、看不見的特性。氡氣的比重為9.73 g，是空氣比重的7.5倍。氡氣溶于煤油、水、血、甲苯、CS2，易被脂肪、硅膠、橡膠、活性炭吸附，常溫下氡氣體在空氣中能形成放射性氣溶膠而污染空氣。氡的半衰期只有3.8 d，氡形成后很快衰變并產(chǎn)生一系列放射性產(chǎn)物，最終成為穩(wěn)定元素鉛。氡氣濃度的單位為Bq/m3，熔點:－71℃，沸點:－62℃。

(2)氡氣的危害:氡是致癌物質(zhì)之一。氡對人類健康的影響確定性效應(yīng)表現(xiàn)為:在高濃度氡的暴露下，機體出現(xiàn)血細(xì)胞的變化，如外周血液中紅細(xì)胞增加、中性白細(xì)胞減少、淋巴細(xì)胞增多、血管擴張、血壓下降并可見到血凝增加和高血糖。氡對人體脂肪有很高的親和力，特別是神經(jīng)系統(tǒng)與氡結(jié)合使人痛覺缺失，隨機效應(yīng)主要表現(xiàn)為腫瘤的發(fā)生。

(3)氡氣的來源:氡氣的產(chǎn)生與特定的地質(zhì)條件有關(guān)，可能是鐳、鈾、釷等放射性元素衰變過程中的產(chǎn)物。氡氣不是均勻、連續(xù)的釋放，釋放時的濃度也大小不一，但氡氣在無風(fēng)、低洼處可以積累，圍巖暴露面積越大的洞段氡氣濃度越高。隧洞掌子面洞段由于其圍巖為三面裸露，氡氣的濃度高于別的洞段。

2.2 檢測方式

檢測方式:在采用快速模式和緩慢模式兩種方法檢測氡氣時，它又分為直接使用測氡儀現(xiàn)場檢測，或采用密封器具現(xiàn)場取樣檢測兩種方式。采用密封器具到現(xiàn)場取樣檢測只是對工作面上一個點的檢測，在現(xiàn)場取樣需要其具有代表性，應(yīng)選取現(xiàn)場工作人員較多、該部位施工人員工作時間較長、隧洞較低、通風(fēng)時風(fēng)吹不到的部位。采用快速模式直接在現(xiàn)場檢測氡氣則是對整個施工現(xiàn)場進(jìn)行氡氣檢測，若需要檢測施工現(xiàn)場環(huán)境中氡氣含量的歷時過程，可將氡氣監(jiān)測儀和計算機連接，讀取這一檢測過程中的有關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3 氡氣濃度的表現(xiàn)形式

(1)氡氣產(chǎn)生于圍巖裂縫和構(gòu)造斷裂帶中，從裂縫與斷裂帶中不均勻、連續(xù)釋放出來的氡氣，有時導(dǎo)致隧洞空氣中某個時間段內(nèi)的氡氣含量較高。

(2)在隧洞不通風(fēng)或不能正常通風(fēng)時，隧洞內(nèi)的氡氣在不停地積累，檢測時氡氣含量值較高。工作面經(jīng)正常通風(fēng)氡氣含量較低，說明氡氣具有積累效應(yīng)。

(3)地下工程中部分突出的開挖低坑、有較大反坡的洞室以及洞室內(nèi)的死角部分由于通風(fēng)較困難，空氣流通較差，而氡氣的比重又比空氣大，故其很容易在低處和死角部位沉積與積累，從而使氡氣含量增大。

(4)在地下洞室開挖中，由于沒有及時封閉開挖后的圍巖，圍巖暴露面積越多的洞室，其空氣中的氡氣含量越大。特別是隧洞掌子面洞段，該處圍巖為三面裸露，氡氣釋放裂縫多，故掌子面洞段的氡氣含量高于其它洞段。

(5)隧洞掌子面在造孔完成后空氣中的氡氣含量又開始上升，充分說明了一個事實:有一定量的風(fēng)漏出，能有效稀釋空氣中氡氣的含量，使氡氣含量降至70～100 Bq/m3。

2.4 防治氡氣的措施

(1)在隧洞施工前，應(yīng)制訂切實可行的氡氣防范措施，培訓(xùn)專職的氡氣檢測員，購買專項檢測儀器，規(guī)定每天對洞室進(jìn)行檢測的時間、次數(shù)，應(yīng)將每次檢測結(jié)果及時告知安檢部門，應(yīng)有效地把空氣中氡氣的含量控制在國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

(2)在對隧洞中氡氣含量的檢測中，應(yīng)用快速模式和緩慢模式相結(jié)合的方式進(jìn)行復(fù)核檢測。在已開挖完的空間內(nèi)，應(yīng)加強對通風(fēng)不到的岔洞、反向坡洞室、洞室死角、較低部位的檢測。

(3)隧洞施工前，應(yīng)規(guī)劃好通風(fēng)方式，壓入風(fēng)桶離掌子面25～30 m，使隧洞掌子面經(jīng)過通風(fēng)，有效地降低空氣中的氡氣含量。抽出風(fēng)機應(yīng)及時把污染后的空氣排出隧洞外。

(4)洞室開挖完成后，應(yīng)及時組織人員對裸露的圍巖采用噴厚4～6 cm的混凝土進(jìn)行及時支護(hù)與封閉，經(jīng)封閉后的圍巖切斷了氡氣釋放的裂隙，可以有效地降低洞室內(nèi)氡氣的含量。

3 其它有害氣體的防治

四川省木里河沙灣電站下游主洞掌子面在完成鉆孔和裝藥后，該工作面的10名施工人員撤離到安全距離后實施爆破，爆破后，瞬間從掌子面涌出大量有毒和窒息性氣體，有毒氣體隨著爆破沖擊波的推動作用向洞外高速推進(jìn)和擴散，造成10人相繼中毒與窒息死亡的重大中毒事故。這次爆破后涌出的有害氣體巨大、毒性強，導(dǎo)致離工作面735 m、距離支洞口200 m處的施工人員迅速失去知覺，并無法進(jìn)行自救而遇難。

3.1 原因分析

事故發(fā)生后，業(yè)主和項目部邀請專家及專業(yè)檢測人員用檢測設(shè)備對掌子面到1#支洞口沿程進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果為:CO2:1.7%～2.9%、SO2氣體:1.5～7.6 ppm。使用進(jìn)口氣體檢測儀檢測到有害氣體 H2S達(dá)到19.4 ppm，SO2達(dá)到17.6 ppm。

(1)排除瓦斯突出。該區(qū)域無煤系地層和油頁巖地層，不可能產(chǎn)生高壓瓦斯。事故后的檢測亦未發(fā)現(xiàn)CH2的存在。現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)瓦斯爆燃現(xiàn)象。

(2)H2S和SO2均為劇毒、對眼及呼吸道粘膜有刺激作用的氣體，二者的濃度達(dá)到500 ppm時可在短時間內(nèi)使人致命。據(jù)實際檢測數(shù)據(jù)，其值遠(yuǎn)小于500 ppm，故排除H2S和SO2氣體。

(3)CO2是窒息性氣體，當(dāng)空氣中的CO2含量過高時，會使人嚴(yán)重缺氧而窒息?？諝庵蠧O2含量達(dá)到9%～11%時，可在幾分鐘內(nèi)導(dǎo)致人死亡。在事故現(xiàn)場檢測到的CO2比其它氣體濃度高，該洞段地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圍巖中的火成巖、碳酸巖中含有硫化物等，同時，在圍巖裂隙水發(fā)育的條件下，火成巖中的硫化物呈酸性，酸性水可逐步與碳酸巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CO2，所生成的CO2聚積在已分解的碳酸巖的裂隙中而無法釋放，經(jīng)長期積累而形成充滿CO2高壓氣體的蜂窩狀氣囊，因此，判斷高壓的CO2是突出的主動力。

(4)當(dāng)圍巖中存在這種突出的主動力源時，隧洞掘進(jìn)到高壓氣囊段時，由于炸藥爆炸時的動力效應(yīng)，使原先被圍巖約束的高壓氣囊被破壞或氣囊被直接打開，此時高壓氣體、炸藥爆炸的有害氣體、硫和硫化物一齊參予爆炸，從而增大了炸藥爆炸的能量，多種能量疊加，形成巖石和混合氣體突出，瞬間涌出大量以CO2為主、其中含有高濃度的H2S和SO2等窒息性、劇毒性混合氣體，借助炸藥爆炸后的沖擊波沿已開挖的主洞向三岔口、支洞出口方向高速擴散，導(dǎo)致距掌子面307 m的執(zhí)行放炮的工人遇難，使遠(yuǎn)離掌子面(735 m)的9名工人也全部遇難。

(5)炸藥爆炸時生成的有害氣體對人體造成危害，主要有害氣體為以下二種:一氧化碳(CO)，它無色、無味，其密度為空氣的0.97倍;當(dāng)濃度為13%～75%時能引起爆炸。炸藥中的氧將碳和氫完全氧化后還有剩余，炸藥爆炸時的產(chǎn)物中出現(xiàn)氮的氧化物——二氧化氮(NO2)，稱為正氧平衡。二氧化氮是炸藥爆炸時產(chǎn)生的另一種有害氣體，一般認(rèn)為:NO2的毒性要比CO的毒性更大，為CO毒性的6.5倍，當(dāng)空氣中的NO2濃 度 達(dá) 到0.025%時，人中毒后短時間內(nèi)很快死亡。在多種有害氣體快速混合后，使混合氣體中的毒性增大、增強從而造成施工人員接觸毒氣后快速窒息死亡。

3.2 防治突出的方法

在隧洞施工中必須針對突出問題采取有針對性的施工措施，其相關(guān)方法如下。

(1)加強對有害氣體的監(jiān)測:設(shè)立專職有害氣體檢測人員，對施工中的隧洞每班巡回檢查多次。鉆孔作業(yè)時，專職有害氣體檢測人員應(yīng)在施工工作面進(jìn)行有害氣體監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)有害氣體增加或有異常情況時，應(yīng)立即組織所有人員撤離到洞外。

(2)加強洞內(nèi)通風(fēng):隧洞施工中，應(yīng)保證24 h不間斷通風(fēng)，輸入風(fēng)量必須滿足更換出洞內(nèi)的有害氣體。

(3)鉆孔時的安全防護(hù):隧洞鉆孔時，鉆桿隨時有可能打入到有害氣體的聚集氣囊中，為防止有害氣體由炮孔噴出傷人，要求風(fēng)鉆工與其他施工人員必須佩戴氧氣呼吸器作業(yè)。

(4)采取洞外放炮方法:炮孔裝藥、爆破網(wǎng)絡(luò)連結(jié)完成即進(jìn)行洞內(nèi)清場，將所有施工人員撤到洞外。當(dāng)施工人員全部撤離到洞外后，關(guān)閉洞內(nèi)動力與照明電源，將起爆電線接到支洞外，炮工在洞外起爆，從而可以避免爆破引起的突出危險給施工人員造成的傷害。

(5)鉆孔卸壓法:采用取巖芯的方法已預(yù)測到掌子面前方為突出危險區(qū)，在掌子面上布3～4排超前探測孔或卸壓孔，深度同測壓孔一致。

由于鉆較深的卸壓孔施工較困難，也可以采用鉆7～9 m深的短孔卸壓，在隧洞掘進(jìn)時一次不超過2 m，預(yù)留3～4 m的巖壁用以限制和抵抗氣體突出。隧洞爆破時應(yīng)采取淺孔弱爆破，以減少爆破對巖體的震動強度，降低有害氣體突出濃度。

4 炸藥爆炸產(chǎn)生的有害氣體

對圍巖造成破壞是炸藥爆破作用特有的表現(xiàn)形式。炸藥在爆破巖體時，同時也會由爆炸生成一些有害氣體，其所生成的有害氣體與炸藥的氧平衡有關(guān)。同時，炸藥的加工質(zhì)量和使用條件對爆破時有害氣體的產(chǎn)生也有一定影響。在爆破過程中，既使是零氧平衡的炸藥，在整個爆破過程中其周圍介質(zhì)也參與反應(yīng)，仍會生成一定數(shù)量的有害氣體。

4.1 爆破產(chǎn)生的有害氣體對人的危害

(1)炸藥爆炸時產(chǎn)生的主要有害氣體為一氧化碳(CO)，它是無色、無味的氣體，其密度為空氣的0.97倍，化學(xué)性質(zhì)不活潑，在常態(tài)下不能與氧化合，但當(dāng)其濃度為13%～75%時能引起爆炸。一氧化碳與紅血球中血紅素的親和力比氧氣的親和力大250～300倍，當(dāng)其被吸入人體后，阻礙了氧和血紅素的正常結(jié)合，使人體各部分組織和細(xì)胞產(chǎn)生缺氧現(xiàn)象。當(dāng)空氣中一氧化碳含量的濃度達(dá)到5 mg/L時，在短時間內(nèi)將引起人員中毒以至死亡。

(2)正氧平衡過大的炸藥爆炸時，過剩的氧將使氮元素氧化成氧化氮。二氧化氮是炸藥爆炸時產(chǎn)生的另一種主要有害氣體，二氧化氮呈褐紅色，有強烈的窒息性，其密度為空氣的1.57倍，極易溶于水，對眼睛、鼻腔、呼吸道及肺部有強烈的刺激作用。NO2與水結(jié)合成硝酸，對肺部組織起破壞作用，將引起肺部的浮腫。當(dāng)空氣中二氧化氮濃度達(dá)到0.025%時，人在短時間內(nèi)很快死亡。

4.2 對爆破產(chǎn)生的有害氣體采取的預(yù)防措施

地下隧洞爆破時，由于藥量較大，爆破后會產(chǎn)生大量有害氣體，將對地下工程施工作業(yè)人員造成威脅。為降低爆破有害氣體的危害程度，應(yīng)采取合理有效的措施進(jìn)行預(yù)防。

(1)使用合格的炸藥，炸藥組分的配比應(yīng)當(dāng)合理，盡可能做到零氧平衡。加強入庫炸藥的保管和檢查，一定要做到先入庫的先使用，禁止使用過期、變質(zhì)的炸藥。

(2)裝藥前應(yīng)盡可能將炮孔內(nèi)的積水、石粉吹干凈，保證裝藥和堵塞質(zhì)量，避免發(fā)生半爆和爆燃現(xiàn)象，將有害氣體的產(chǎn)生減少到最小程度。

(3)應(yīng)選用感度適中、威力較大的炸藥作為起爆藥包，應(yīng)保證其具有足夠的起爆能量，從而使炸藥迅速達(dá)到穩(wěn)定爆轟和完全反應(yīng)。

(4)隧洞爆破前后應(yīng)加強通風(fēng)，對于死角應(yīng)采取措施向死角盲區(qū)加強通風(fēng)。爆破后，無論時隔多久，工作人員在進(jìn)入隧洞之前，均應(yīng)用檢測儀檢查隧洞內(nèi)有害氣體的含量，只有當(dāng)其含量未超過規(guī)范允許值時，才允許施工人員進(jìn)洞作業(yè)。

(5)在有煤出露的巖石中開挖隧洞時，應(yīng)采用防爆型電器設(shè)備，嚴(yán)格控制雜散電流;在有瓦斯和粉塵爆炸危險的環(huán)境中爆破，應(yīng)使用煤礦允許使用的炸藥和起爆器材起爆。

5 結(jié)語

地下工程施工中，對有害氣體存在的隧洞施工過程中的安全防控尤為重要，其中洞內(nèi)監(jiān)測、預(yù)報是安全防控中的關(guān)鍵。隧洞內(nèi)應(yīng)布置完善有效的通風(fēng)系統(tǒng)，提高洞內(nèi)的通風(fēng)能力，減少并防止有害氣體的積聚，達(dá)到?jīng)_淡有害氣體的濃度，有效改善施工環(huán)境的目的，從而保證施工人員和工程的安全。