隧道施工過程中瓦斯超限事故的分析及預(yù)防措施

吳 平，武 磊

(1.浙江省高能爆破工程有限公司，杭州 310012；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

瓦斯隧道穿越煤系地層段落是裂隙較發(fā)育、圍巖較破碎的煤巖層，煤層常與有毒有害氣體共存[1]，常見的為瓦斯氣體。隨著大基建的快速發(fā)展，隧道不可避免要穿越煤系地層[2]，隧道的施工開挖破壞了圍巖的平衡，瓦斯等有毒有害氣體涌入開挖工作面，易造成瓦斯超限事故[3]，如瓦斯窒息、燃燒和爆炸等事故[4-6]，給施工建設(shè)和安全生產(chǎn)帶來較大威脅。近年來，貴州、云南和四川等省已發(fā)生多起瓦斯事件[7-8]，造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

目前隧道施工中對(duì)瓦斯的預(yù)防更多側(cè)重于對(duì)瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)監(jiān)控，通過瓦斯?jié)舛却笮≈贫A(yù)防措施，而對(duì)瓦斯的來源和涌出量及施工條件等因素考慮較少。

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，瓦斯賦存規(guī)律難以準(zhǔn)確掌握，本文通過多條隧道施工期間動(dòng)態(tài)瓦斯檢測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、綜合考慮工程地質(zhì)條件等，對(duì)瓦斯超限事故的原因、來源等進(jìn)行分析，提出類似條件下事故的針對(duì)性預(yù)防措施，以期加強(qiáng)隧道施工過程中的瓦斯管理，避免同類事故的再現(xiàn)[9]。

1 瓦斯超限危害

瓦斯氣體無色無味，感官難以察覺，需要借助檢測(cè)儀器辨識(shí)，隧道內(nèi)車輛和開挖臺(tái)車等設(shè)備移動(dòng)較頻繁，空氣或瓦斯在回風(fēng)流的流動(dòng)較復(fù)雜，安全防護(hù)措施、監(jiān)測(cè)手段不到位，易發(fā)生瓦斯超限事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。查閱以往發(fā)生的瓦斯事故，一般危害性均較大[10-11]，即使瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)不斷發(fā)展，目前瓦斯事件仍時(shí)有發(fā)生。

瓦斯對(duì)隧道施工過程中的危害主要體現(xiàn)在瓦斯的濃度、瓦斯壓力、瓦斯含量等參數(shù)，還有隧道施工過程中通風(fēng)條件、施工進(jìn)度、支護(hù)方式等因素。隧道瓦斯災(zāi)害類型及發(fā)生條件如表1所示[6]。

表1 隧道瓦斯災(zāi)害類型及發(fā)生條件

由表1可以看出，當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?%～16%范圍內(nèi)時(shí)，遇到火源易發(fā)生瓦斯爆炸；當(dāng)瓦斯?jié)舛仍?%～5%或大于16%時(shí)，遇到火源易發(fā)生瓦斯燃燒。

瓦斯災(zāi)害界限并不是固定不變的，其還受溫度、壓力以及煤塵、其它可燃性氣體混入等因素的影響。因此，應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求[12]施工。

由于瓦斯隧道24h持續(xù)通風(fēng)，電量消耗較大及工序銜接或施工班組進(jìn)行無計(jì)劃開停等原因，不可避免會(huì)造成停風(fēng)，由此導(dǎo)致瓦斯超限。例如，成都五洛路1號(hào)隧道節(jié)后復(fù)工準(zhǔn)備時(shí)，長時(shí)間停風(fēng)導(dǎo)致瓦斯積聚超限，引起瓦斯爆炸。

2 瓦斯超限過程描述

本文以幾個(gè)典型瓦斯超限事故為例，說明其發(fā)生過程。

(1)瓦斯超限事故一

畢都高速梅花箐隧道左洞施工至ZK98+762掌子面時(shí)，炮后圍巖明顯變差，局部出現(xiàn)雞窩煤，瓦斯涌出異常，造成瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)超限，瓦斯?jié)舛茸畲笾颠_(dá)到4.15%，項(xiàng)目部為確保安全，立即進(jìn)行停工整改。隧道瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 隧道瓦斯?jié)舛惹€圖

(2)瓦斯超限事故二

滬昆高鐵普安站至普安縣城市主干道建設(shè)工程普安隧道進(jìn)口左、右線施工橫通道進(jìn)尺約10m時(shí)，因焊接造成局部瓦斯燃燒，經(jīng)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)8.36%，現(xiàn)場(chǎng)立即停止作業(yè)，撤出人員，加強(qiáng)通風(fēng)管理。

(3)瓦斯超限事故三

重遵擴(kuò)容工程松坎隧道左洞施工至ZK6+540掌子面時(shí)施工超前探孔，鉆進(jìn)至隧道前方22.8m處遇M4煤層，發(fā)生嚴(yán)重的瓦斯噴孔動(dòng)力現(xiàn)象。檢測(cè)掌子面瓦斯?jié)舛葹?.62%，經(jīng)專業(yè)資質(zhì)檢測(cè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)M4煤層具有突出危險(xiǎn)，項(xiàng)目部為確保揭煤安全，立即停止施工，采取揭煤綜合防突措施準(zhǔn)備工作。

(4)瓦斯超限事故四

2021年6月12日，重遵擴(kuò)容工程黃家溝隧道左洞ZK16+016掌子面因修補(bǔ)風(fēng)筒停風(fēng)1h后，瓦斯報(bào)警斷電系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并超限斷電。項(xiàng)目部立即恢復(fù)通風(fēng)，瓦斯很快稀釋到安全值范圍內(nèi)。

3 瓦斯超限原因分析

針對(duì)上述典型瓦斯超限事故分析其原因如下。

(1)瓦斯超限事故一

梅花箐隧道施工至ZK98+762掌子面瓦斯超限前為巖層正常掘進(jìn)，施工期間未發(fā)生過瓦斯超限事故，超限事故發(fā)生時(shí)為突然揭露雞窩煤，通過后期施工超前鉆孔分析，前方存在多層厚度不均勻的煤層，表明隧道施工進(jìn)入了煤層段落。煤層為多孔裂隙發(fā)育的有機(jī)巖石，瓦斯以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)賦存在煤層中[13]。爆破掘進(jìn)至煤層段落，圍巖平衡狀態(tài)被打破，雞窩煤體中賦存的瓦斯氣體隨著垮落煤體涌入隧道開挖掌子面，同時(shí)隧道前方煤體賦存的瓦斯氣體也通過圍巖裂隙滲入隧道開挖空間，在原有通風(fēng)條件下無法及時(shí)稀釋瓦斯?jié)舛龋斐赏咚钩奘鹿省?/p>

(2)瓦斯超限事故二

普安隧道左、右洞之間橫通道未設(shè)立局部通風(fēng)和支管通風(fēng)，且作業(yè)時(shí)間常處于主洞工作間歇階段，施工時(shí)間跨度長，該橫通道雖處于巖層較好段落，但超前300m掘進(jìn)掌子面為煤層段落，瓦斯持續(xù)涌出，通過回風(fēng)流排出洞外，回風(fēng)流雖未檢測(cè)到瓦斯超限，但橫通道與主洞處于連通狀態(tài)，瓦斯長期在橫通道處積聚停留，在無通風(fēng)和疏于檢測(cè)的條件下，造成瓦斯?jié)舛瘸奘鹿省?/p>

(3)瓦斯超限事故三

松坎隧道施工至ZK6+540掌子面時(shí)，圍巖為Ⅲ級(jí)，采用上下臺(tái)階法爆破作業(yè)開挖，未施工鉆孔前瓦斯?jié)舛群艿颓移椒€(wěn)。M4煤層約3.2m，傾角72°，與掌子面法距為18m，經(jīng)鉆孔、地勘及地質(zhì)素描資料綜合分析，煤層頂?shù)装鍨榛規(guī)r，較完整。施工超前探孔期間，鉆進(jìn)至M4煤層發(fā)生嚴(yán)重的瓦斯噴孔動(dòng)力現(xiàn)象，瓦斯通過鉆孔涌入開挖空間，涌出量較大，瓦斯?jié)舛容^高，造成瓦斯?jié)舛瘸奘鹿?，這與鉆孔前后瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)相一致，說明本次瓦斯超限主要因?yàn)殂@孔引起瓦斯異常涌出。

(4)瓦斯超限事故四

黃家溝隧道ZK16+016掌子面處于前方M6突出煤層正常抽放階段，按照四位一體綜合防突措施落實(shí)區(qū)域防突措施，抽放鉆孔施工后進(jìn)行封孔并連接至抽放管路并入抽放系統(tǒng)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)未開展其他平行作業(yè)。因風(fēng)筒布破洞漏風(fēng)，安排人員進(jìn)行修補(bǔ)，停風(fēng)1h，造成瓦斯?jié)舛瘸奘鹿剩咚箞?bào)警斷電系統(tǒng)立即報(bào)警并超限斷電。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)資料及現(xiàn)場(chǎng)條件分析，隧道斷面大，抽放鉆孔布置多，存在部分抽放鉆孔未嚴(yán)格按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》[14]等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封孔，或封孔長度及材料不到位造成封孔質(zhì)量不良，存在漏氣的現(xiàn)象。

4 瓦斯涌出量測(cè)算

通過調(diào)閱安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)人工瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合測(cè)風(fēng)資料，對(duì)隧道絕對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行測(cè)算[12]，公式為

QCH4=Q×ωmax

(1)

Q=S×V×60

(2)

式中：QCH4為絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；Q為隧道斷面通風(fēng)量，m3/min；ωmax為回風(fēng)流中實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛龋?；S為隧道斷面積，m2；V為隧道內(nèi)平均風(fēng)速，m/s。

隧道開挖斷面較大，當(dāng)通風(fēng)距離較長、漏風(fēng)點(diǎn)較多時(shí)，掌子面回風(fēng)流風(fēng)速較小，目前精度較高的CFD15煤礦用電子風(fēng)速表精度測(cè)量最小值為0.1m/s，當(dāng)風(fēng)速小于0.1m/s時(shí)，大大降低了測(cè)定數(shù)據(jù)的精度。因此，當(dāng)無法采用風(fēng)表準(zhǔn)確測(cè)定風(fēng)速時(shí)，可采用風(fēng)管出口風(fēng)速和風(fēng)管斷面積參數(shù)按照式(2)計(jì)算壓入新鮮通風(fēng)量，該計(jì)算值等效于隧道通風(fēng)量。

瓦斯涌出量測(cè)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 瓦斯涌出量測(cè)算結(jié)果

由圖2可知，梅花箐隧道ZK98+762掌子面瓦斯涌出量為12.0m3/min(圖2a)?？紤]普安隧道左、右洞之間橫通道處于無風(fēng)狀態(tài)，瓦斯超限主要因?yàn)榛仫L(fēng)流瓦斯長期在橫通道處積聚停留引起，對(duì)左洞回風(fēng)流和瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)，測(cè)算左洞回風(fēng)流瓦斯涌出量為4.2m3/min(圖2b)。松坎隧道ZK6+540掌子面瓦斯涌出量為11.2m3/min(圖2c)。黃家溝隧道ZK16+016掌子面瓦斯涌出量為4.6m3/min(圖2d)。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，確定隧道高瓦斯工區(qū)和低瓦斯工區(qū)的分界指標(biāo)值為3.0m3/min，故評(píng)估以上隧道施工段落均處于高瓦斯工區(qū)，本文測(cè)算的瓦斯涌出量較大，與隧道瓦斯超限事故的實(shí)際情況相符。

5 預(yù)防措施

隧道施工過程中瓦斯超限因瓦斯涌出量大或瓦斯局部積聚停留引起，瓦斯超限處理不當(dāng)極易引發(fā)安全事故，給施工帶來較大隱患，如發(fā)生瓦斯燃燒、爆炸等，造成設(shè)備損失和人員傷亡。因此，施工單位應(yīng)切實(shí)履行好主體責(zé)任，從多因素著手，加強(qiáng)落實(shí)各項(xiàng)技術(shù)和管理措施，確保杜絕瓦斯超限現(xiàn)象發(fā)生。

(1)隧道開挖執(zhí)行有疑必探、先探后掘，施工過程中在物探的基礎(chǔ)上，全段落采取超前鉆孔、加深炮眼和地質(zhì)素描，確保對(duì)煤巖層準(zhǔn)確掌握，防治瓦斯異常涌出或誤揭煤層。

(2)加強(qiáng)通風(fēng)管理，根據(jù)瓦斯和風(fēng)速等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整通風(fēng)量，確保風(fēng)速和風(fēng)量等滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求；同時(shí)對(duì)于橫通道或瓦斯容易局部集聚的地點(diǎn)，設(shè)立局部通風(fēng)或支管通風(fēng)；加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)管理，制定通風(fēng)管理制度，確保責(zé)任落實(shí)到人。

(3)根據(jù)不同工序的特點(diǎn)適時(shí)增加人工檢測(cè)頻率，如立架期間縮短人工檢測(cè)間隙，鉆孔和動(dòng)焊施工期間配備專職瓦檢員，跟班作業(yè)檢查瓦斯?jié)舛取?/p>

(4)增加通風(fēng)不暢和瓦斯容易集聚停留處的瓦斯檢查點(diǎn)，并懸掛瓦斯檢查牌板。

(5)對(duì)于突出煤層，嚴(yán)格按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理，提高封孔質(zhì)量，建立抽放管理制度和達(dá)標(biāo)評(píng)判體系，確保消突達(dá)標(biāo)。

(6)做好瓦斯防控安全防護(hù)措施和費(fèi)用的投入及使用，提高技術(shù)裝備水平，增強(qiáng)綜合抗災(zāi)能力。

(7)由于基礎(chǔ)建設(shè)不同于煤礦生產(chǎn)，相關(guān)人員基本無采礦等煤炭行業(yè)知識(shí)背景，對(duì)瓦斯防控能力偏弱，建議引入第三方資質(zhì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行指導(dǎo)。

(8)建設(shè)、監(jiān)理和監(jiān)管等多部門加強(qiáng)對(duì)隧道瓦斯工區(qū)的監(jiān)督監(jiān)管力度。

(9)開展對(duì)參建單位或參與人員的瓦斯防治安全知識(shí)培訓(xùn)，確保全部管理人員和作業(yè)人員知曉安全風(fēng)險(xiǎn)、掌握應(yīng)急措施和自救互救，并開展針對(duì)性的應(yīng)急演練。

6 結(jié)束語

(1)通過對(duì)多起隧道施工過程中發(fā)生的各類瓦斯超限事故產(chǎn)生原因、來源進(jìn)行分析，結(jié)合瓦斯涌出量測(cè)算及瓦斯超限致災(zāi)危害性，提出了針對(duì)性的安全預(yù)防措施，為瓦斯隧道施工提供很好的借鑒作用。

(2)瓦斯隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯賦存規(guī)律難以準(zhǔn)確掌握，隧道施工存在交通建設(shè)和瓦斯治理交叉專業(yè)的綜合作業(yè)，本文主要針對(duì)一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。在后期施工過程中或隨著施工工藝的改進(jìn)，應(yīng)積極學(xué)習(xí)和探索，為瓦斯隧道施工積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。