有害氣體和巖石突出條件下的隧洞開挖安全措施

黃敏富, 沈文權, 劉 文

(木里縣木里河大沙灣水電開發有限責任公司,四川木里 615800)

1 木里河沙灣電站“3.27事故”概況

木里河又名理塘河,是雅礱江中游右岸的最大支流。沙灣水電站是木里河干流“一庫六級”規劃中的第三級電站,采用引水式開發,設計引用流量 125m3/s,設計水頭 235m,裝機容量 280 MW。樞紐建筑物主要由首部樞紐、引水隧洞、調壓井、壓力管道、廠區樞紐等幾大部分組成。引水隧洞為總長 18.77km、襯砌后內徑 7.2m的圓形斷面有壓隧洞。

2008年 3月 27日凌晨 2∶40左右,沙灣電站引水隧洞 1#施工支洞下游掌子面在完成鉆孔、裝藥后,該作業面 10名工人撤離到安全距離實施爆破。爆炸發生后,瞬間從掌子面涌出大量有毒和窒息性的氣體并向洞外高速擴散,造成了這 10人相繼中毒窒息死亡的重大中毒事故。此類事故極為罕見,據筆者了解,除煤礦外,在國內水電工程中未見先例。

圖1為事故救援中找到 10名遇難者的分布位置。對圖 1進行分析,判斷第一次發現的 9名遇難者是先行撤離的工人,最后找到的第 10名遇難者是執行點炮任務的工人。

隧洞開挖斷面面積約 44m2,下游主洞和施工支洞空間體積合計達 4萬余 m3,說明爆炸發生后涌出的有害氣體量巨大、毒性強,導致距支洞僅200m、已快走出洞外的工人迅速失去知覺且來不及自救。

事發時上游另有 6人在作業,但這 6人未受到毒氣傷害,說明因上游是封閉巷道,其內壓阻滯了毒氣向上游大量擴散,而是沿著施工支洞這個開放通道擴散。

圖1 事故遇難者分布位置示意圖

2 事故現場的地質條件和突出現象

事故調查時,在掌子面處發現本次爆破造成了大量巖石突出,爆堆總長度達 69m,其中前 45 m堆渣面較平緩,距洞頂高度僅 0.6～1.2m,后24m呈斜坡狀堆積(圖 2)。經測算,總計松方約2031m3(總重量約 3200多 t)。

通常隧洞開挖一個循環的正常進尺為 3m,爆破產生巖渣約 176m3,而本次事故爆出的堆渣體積是正常情況下的 11.5倍。此外,堆積物及巷道還具有以下特征:

(1)堆積物分選現象明顯:里面是大塊,外面是小塊,再往外是細渣,然后是面粉狀,在水中成漿糊狀,深度達 0.3m。

(2)掌子面往外 200m和更遠的地方巷幫迎掌子面側有粉塵堆積,由里向外逐漸變薄,厚者達5mm。

(3)目測巷道幫、頂完好,未受破壞。

圖2 洞內巖石突出的堆渣情況示意圖

引水隧洞 1#洞段以石英砂巖為主,夾有鈣、硅質板巖,局部地段裂隙發育,部分洞段地下水以滴水、滲水形式出露,圍巖穩定性總體較好。事故調查組在爆出的砂巖中發現夾雜有硫和硫化物,在支洞口附近部位開挖后的巖石表面暴露有硫磺物質。

爆堆清理完畢,上方暴露出高度約 25m、直徑 7～12m、口小腔大的梨形空腔(圖 3)。該段地質條件:巖性為奧陶系下統人工組(O1r)灰 ～深灰色淺變質石英砂巖夾少量砂質板巖,以堅硬巖石和中等硬質為主,中 ～薄層狀結構,巖石新鮮,層面裂隙上見有黃色銹染,巖層為緩傾角,巖層走向與隧洞走向呈 74°大交角,隧洞在此處埋深 450m。裂隙主要有三組,其中第 2組與第 3組裂隙在頂拱構成不利組合,塌腔洞壁干燥,無地下水出露,為緩傾角水平巖層順層坍塌。

圖3 3.27事故塌腔段現場地質素描圖

參考《煤與瓦斯突出礦井鑒定規范》,該段地質條件和爆出的堆積物符合巖石與二氧化碳(瓦斯)突出、煤與瓦斯突出的大部分特征,可判斷為“混合氣體及巖石突出”。

3 事故原因分析

1#支洞下游主洞內最早于 2007年 11月開始可嗅出不明臭味氣體,且在 2008年 1月發生過一名工人在放炮后進洞查炮時在掌子面被熏傷的事故。當時對該事故的認識是放炮后通風時間不足,工人過早返回掌子面,因炮煙、粉塵、巖石裂隙中緩慢逸出的有害氣體等未稀釋而造成工人中毒受傷。此后,采取了 24h加大通風量、放炮后通風 40min以上方可進洞等措施,并使用多種氣體檢測儀對《水工建筑物地下開挖工程技術規范》規定的八種氣體進行跟蹤檢測,由于認知水平所限,各方對巖石和氣體突出均無所知,否則“3.27事故”應可避免。

2008年 4月 26日,專家組在現場勘查時,從1#支洞口到下游掌子面沿程檢測到:CO2:1.7%～2.9%,SO2:1.5～7.6ppm。使用進口氣體檢測儀檢測到 H2S最高達 19.4ppm,SO2最高達 17.6 ppm。

根據多次氣體檢測結果和調查現象,對混合氣體的主要成分(即突出的動力源)分析如下:

(1)排除氣體爆炸的可能性。根據現場距掌子面 140m處吊掛的風筒完好及掌子面到洞口未發現爆炸痕跡判別未發生爆炸。

(2)排除瓦斯突出。電站工程區范圍內無煤系地層和油頁巖地層,不可能產生高壓瓦斯,事故發生前后均未曾檢測到 CH4的存在。整個巷道為白熾燈照明,不防爆,如為瓦斯突出則氣流到達洞內某段范圍時,CH4濃度在爆炸范圍內將發生爆炸或燃燒,而現場未發現瓦斯爆燃現象。因此,可排除突出動力源為瓦斯。

(3)H2S和 SO2為突出動力源的可能性小。H2S和 SO2均是有劇毒、對眼及呼吸道粘膜有刺激作用的氣體,二者在濃度達 500ppm時即可在短時間內使人致命,H2S濃度超過 600ppm時可在數秒鐘內致人呼吸麻痹死亡。

假如 H2S和 SO2為突出主動力源,則混合氣體中二者的濃度已不在 ppm這個數量級上。要發動 3200多 t巖石突出,至少需 5萬 m3的氣體,如此大量高濃度的有毒氣體到達支洞外,洞口周圍的植物將大量死亡,并且毒氣在向上游隧洞擴散時,雖受內壓阻滯,但因濃度太高仍會造成在上游作業的工人受傷。而在現場勘查時,這些現象均未發現。因此推斷,H2S和 SO2不是突出的主動力源。但突出的混合氣體的確含有高濃度的H2S和 SO2,主要來源于:①該段含硫礦物水解、氧化、釋放的 H2S或 SO2積聚在空腔、裂隙中;②突出巖石的含硫量比正常多十倍以上,在炸藥爆炸時參與反應,急速生成大量的 H2S和 SO2。

(4)CO2為突出主動力源的可能性最大。CO2是窒息性氣體,當空氣中 CO2含量過高時,會使人嚴重缺氧而窒息。空氣中 CO2含量達到9%～11%時,可導致人幾分鐘內死亡。

在現場勘查中,檢測到 CO2遠比其它氣體濃度高。該段地質結構較復雜,火成巖、碳酸巖中含有硫化物等,在地下裂隙水豐富的條件下,火成巖中的硫化物呈酸性,可逐步與碳酸巖發生化學反應生成 CO2,聚積在已分解的碳酸巖的巖隙中而無法釋放,長期聚積則形成充滿 CO2高壓氣體的蜂窩狀氣囊。這種推理能夠較好的解釋事故現場的各種現象,因此判斷:高壓的 CO2是突出的主動力源。

(5)地應力增加了巖石突出的動力。發生巖石突出的洞段距地表垂直深度達 400～460m,地應力較大,巖層裂隙較發育。雖然尚不足以產生巖爆,但地應力的存在使巖石突出更容易。

(6)炸藥爆炸時,炮眼孔壁和爆出的砂巖塊中夾雜的大量硫和硫化物、高壓氣囊中存在的硫化氣體在局部高溫高壓下參與爆炸,從而增大了炸藥爆炸的能量,其結果爆出了更多的巖石。在現場勘查時,發現突出的渣體溫度較高,有烘熱感,說明渣體內部發生過或正在進行放熱化學反應,進一步證明了硫和硫化物參與爆炸的可能性。

綜上所述,“3.27事故”巖石和有害氣體突出產生的機理是:

當隧洞掘進到高壓氣囊附近時,由于炸藥爆破誘發的動力效應,使原先約束高壓氣囊的巖體受到破壞而無法抵抗氣體高壓,或者氣囊被直接打開,此時氣體高壓、炸藥爆炸、硫和硫化物參與爆炸、地應力等多種力量疊加,形成巖石和混合氣體突出,瞬間涌出大量以 CO2為主并含有高濃度H2S和 SO2的窒息性、劇毒性混合氣體,沿掌子面→主支洞三岔口→支洞口方向高速沖出,導致 10名工人在很短的時間內相繼發生中毒和窒息而死亡。炸藥爆炸產生的炮煙(一氧化碳、氮氧化物、氨等)也增加了混合氣體的毒性。

突出規模:巖石 2031m3,混合氣體量 5萬m3。根據突出的堆積形態及其運動特征,估計突出層混合氣體聚藏壓力約為 10～15MPa。

4 防治巖石和有害氣體突出的措施

“3.27”事故發生后,引水隧洞 1#支洞與 2#支洞之間尚有 167m主洞未開挖,該洞段屬突出危險區。為防止再次發生事故,在該洞段后續開挖中采取了一系列安全施工措施。

4.1 采用預兆法預測突出危險

混合氣體與巖石突出是一種復雜的動力現象,到目前為止,對各種地質、開挖條件下突出發生的規律還沒有完全掌握。根據現已掌握的一些規律,在開挖掌子面具有以下一部分特征和預兆時,應預測為突出危險工作面:

(1)隨著掘進深度(埋深)的增加,突出危險也增加。突出可發生在不同地點且多數突出發生在爆破時。

(2)突出多發生在地質構造帶,如斷層、褶曲、層滑、扭轉區、火成巖的侵入區、巖層產狀與厚度急劇變化或異常變化帶、封閉的向斜軸部、帚狀構造的收斂端、巖層變軟、層理紊亂、傾角變陡、波狀隆起、巖石呈薄片狀或松軟碎屑狀的地帶等。

(3)突出前地壓:表現為壓力增大,使支架變形、發出嘎嘎聲或折裂聲,巖壁外鼓、片幫掉渣,用手摸巖壁時有沖擊和震動感,炮眼變形,裝不進藥,打鉆時頂鉆、夾矸、垮孔、噴孔、響炮等。工作面爆破后,進尺超過炮眼深度。

(4)工作面 CO2、瓦斯等氣體涌出異常,涌出量增大或忽大忽小,粉塵濃度增大,空氣氣味異常、悶人。

(5)氣溫變化:一般為巷道氣溫下降,巖壁發冷。

(6)有聲預兆:響禮炮、劈裂聲、機槍聲、鞭炮聲、悶雷聲。聲音由遠到近,由小到大,有短暫的,也有連續的,間隔時間長短也不一致。

4.2 采用巖芯法和測壓法預測突出危險

在掌子面前方巖體內,沿巷道軸線方向打 2個直徑為 50～70mm、孔深 50～60m的測壓孔(其中一個孔取出全部巖芯),測定孔內氣體壓力,然后采用下列方法預測突出危險:

(1)參照《防治煤與瓦斯突出細則》,測壓孔內壓力達 0.74MPa以上的部位為突出危險區。

(2)從取芯孔深 2m處起記錄巖芯中的圓片數,按 10m一段預測突出危險:①當取出的巖芯大部分在 150mm以上且有裂縫環繞,個別為小圓柱體或圓片時,應預測為一般突出危險地帶。②在取出的1m長的巖芯內,部分巖芯呈現出 20～30個圓片,其余巖芯為長 50～100mm的圓柱體并有環狀裂隙時,應預測為中等突出危險地帶。③當 1m長的巖芯內有 20～40個凹凸狀圓片時,應預測為嚴重突出危險地帶。④巖芯中沒有圓片、巖芯表面沒有環狀裂縫時,可預測為無突出危險地帶。

4.3 防治突出的卸壓和爆破措施

(1)深孔卸壓。如采用上述方法預測到掌子面前方為突出危險區,則應在隧洞周邊 10m范圍布置 3～4排超前探鉆孔(或抽排鉆孔),孔徑、孔深同測壓孔,排距、孔距為 2～3m。利用深孔卸壓原理,對巷道周邊 10m范圍內進行卸壓和排放有害氣體,使測壓孔壓力降到 0.74MPa以下。措施有效后開始掘進,掘進到測壓孔還剩 5m時,重新打測壓孔和卸壓排放孔直至該段隧洞貫通。

(2)爆破措施。①在一般或中等突出危險地帶,可采用淺孔爆破或遠距離多段爆破法,以減少對巖體的震動強度,降低突出頻率和強度。②在嚴重突出危險地帶,可采用超前鉆孔和深孔松動爆破措施。超前鉆孔直徑不小于 75mm,孔數不少于 3個,孔深應大于 40m,鉆孔超前工作面的安全距離不得小于 5m。深孔松動爆破孔徑為60～75mm,孔深 15～25m,封孔深度不小于 5 m,孔數 4～5個,其中爆破孔 1～2個,其它孔不裝藥,以提高松動效果。

(3)簡化的探孔卸壓方案。2008年 11月,業主委托地質隊對該 167m洞段實施鉆孔卸壓工作,但因巖石硬度系數≥8,所用 150型煤礦用鉆機鉆進困難,且又無法及時更換配金剛石鉆頭的高功率鉆機,因此而無法繼續實施鉆深孔的方案。經與咨詢單位共同研究,決定對方案進行簡化,改長孔(50～60m)卸壓為短孔卸壓(6～7m)。具體方法:開挖掘進時,每個循環鉆孔深 6～7m作為超前鉆探,但爆破不超過 2m,留 4m以上巖壁。如手風鉆能穿入前方高壓氣囊,則可使其釋放卸壓;如未穿入高壓氣囊,則留4m以上巖壁具有一定的抵抗力,可限制或減輕巖石和氣體突出。

4.4 加強通風,以風定產,保證通風質量

施工中保持 24h不間斷通風。開工前對風機、風筒等進行系統檢查,由專職測風員測定風量、風速,確保主洞單工作面供風量在 500～600 m3/min以上,工作面附近的最小風速不低于0.15m/s,風筒末端距掘進掌子面不超過 20m。

4.5 采用隔絕式安全防護措施

鉆孔時,鉆桿有可能打到有害氣體聚集的高壓氣囊,為防止有害氣體通過炮孔噴出傷人,要求鉆孔作業人員必須佩戴長管呼吸器(或供氧時間4h以上的氧氣呼吸器)作業,以保證作業期間不會吸入有害氣體。所有進洞人員還要隨身佩帶化學氧自救器,發生緊急情況時(如氣體檢測儀報警、突然停電等),迅速戴上自救器進行呼吸,20 min內撤離。

4.6 嚴格執行洞外放炮制度

裝藥后、放炮前,洞內所有人員撤離洞外,凡與危險掌子面相連通的所有洞段均不得留人(否則應砌筑墻體隔離)。關閉全部電源,使用電雷管在洞外引爆。這樣操作,即使發生突出,也可避免人員傷亡事故的發生。

4.7 加強氣體監測

(1)放炮后必須通風 40min以上,先由佩戴防護用具(氧氣呼吸器、化學氧自救器、氣體檢測儀)的救護隊員、專業氣體檢測人員入洞檢查,待各種有害氣體不超標、沒有突出時,其它人員方可入洞,否則應繼續通風,直至洞內空氣質量達到安全標準為止。

(2)鉆孔作業時,專職人員進行旁站氣體監測,發現異常,立即組織所有人員撤離洞外。

(3)有害氣體的巡回檢查。專職檢測人員對隧洞各段每班巡回檢查三次,特別應注意爆破后清矸點有害氣體濃度的檢查,最長為半小時檢查一次,以確保各種有害氣體濃度在規定范圍之內方可作業。為防止清渣時有害氣體從渣體、水中或先前堵塞的孔隙中逸出傷人,裝載機和汽車駕駛員均須備有防護用具。

4.8 其 它

(1)每班作業前必須檢查長管呼吸器、氧氣/空氣呼吸器、氣體檢測儀表、通風系統(風機、空壓機、風管、風筒)等工作是否正常。

(2)加強頂板支護檢查及敲幫問頂工作。進班前,首先檢查工作面是否安全,檢查頂板和兩幫是否穩定,如有松動的石、土塊或裂縫應先予以清除或支護。

(3)做好氣體檢測、風量、出渣量、施工日志等各項記錄。

(4)其他安全操作要求,參照《隧道鉆爆法掘進安全操作規程》等規程規范。

5 結 語

由于在施工各環節上針對突出問題采取了有針對性的施工方案,并制定了嚴密的安全保證措施和制度,從而保證了沙灣電站 1#支洞下游剩余167m突出危險洞段的安全貫通,其經驗可供類似情況的工程借鑒,并建議參建單位要建立完善的安全管理制度,加強安全檢查和隱患整改,加強安全教育培訓,增強職工安全意識,這是防止安全事故發生的基礎。