溪洛渡水電站大路梁子隧道施工瓦斯防治技術

□魏明壘（中國水利水電第七工程局有限公司）

一、工程概述

（一）概況

大路梁子隧道位于溪洛渡水電站對外交通專用公路K38+458～K42+818，全長4360m，隧道穿越全線最高山嶺——大路梁子山，最高脊高程1722m，隧道最大埋深800m。

（二）地質構造

工程區域所屬“揚子準地臺”西部，四川西南部“川滇南北向構造帶”與四川盆地“新華夏系沉降帶”的交接地帶。該隧道位于銅廠溝背斜，背斜軸部為大路梁子山脊，走向與巖層走向一致，為近南北向。地層為華力西期玄武巖，兩冀地層由老到新依次為：二疊系上統砂巖夾頁巖分布煤層，三疊系下統泥巖夾砂巖，三疊系下統灰巖，三疊系中統灰巖夾砂巖。

（三）煤系地層

二疊系上統砂巖夾頁巖（P2ss+sh）分布于K39+751～K39+845及K41+410～K41+760段，為頁巖、砂巖夾煤層。據設計調查結果顯示：東側煤層正在開采，主要集中于隧道南部的炭廠和東部的炭廠灣兩地，西側由于開采條件差，未見開采跡象，推測的單層煤層厚度一般為0.6～1.2m，瓦斯含量在5.59%～10%之間，隧道通過二疊系上統，上述兩段地層會有瓦斯突出。

二、瓦斯防治的技術措施

（一）瓦斯監測體系

1.人工監測：現場各作業面工班長、當班領工員、專職瓦斯監測員配備JCB-CMK1型便攜式瓦斯監測儀及AZD-1智能多參數檢測報警儀進行現場日常施工監測。

2.KJ90自動監測系統：該監控系統采用分部式網終化結構，一體化嵌入式設計，具有紅外遙控設置，獨特的三級斷電控制和超強異地交叉斷電能力，實現計算遠程多級聯網集中控制和安全生產管理。該系統由洞外計算監控中心、洞內中分站、洞內風速傳感器和低沼傳感器組成。該系統瓦斯監測范圍：0%～10% CH4，瓦斯檢測反應速度≤30S；該系統風速監測范圍：0.3～15m/s。該系統可實現洞內傳感器聲光報警及洞外監控中心自動報警。

瓦斯傳感器分別布置在隧道掌子面拱頂下1m（2臺），分站及風速傳感器布置在K38+580拱頂下2m（瓦斯監測儀1臺、風速傳感器1臺），隨著隧道不斷掘進，分站和隧道掌子面兩臺傳感器同時前移，保持距離在800m左右。

瓦斯監測人員必須經培訓后，方可持證上崗。經培訓的專職瓦斯監測員（安全員），在洞內進行動態監測，并做好監測記錄。及時發現隧道瓦斯的死角（避車道，預留洞室，初支與二襯結合部），以便采取措施。用于工程的瓦檢儀器如表1。

（二）隧道施工控制瓦斯限值及超限處理措施

隧道中煤（巖）層中瓦斯涌出濃度的大小是危險程度的標志，施工中必須將瓦斯濃度控制在安全的限值以內。隧道施工控制瓦斯限值及超限處理措施見表2：

（三）通風方案1.通風量的計算

為保證瓦斯地段的通風正常，保證施工人員的身體健康，將瓦斯含量降低到1.0%以下，特進行通風管風量的驗算。

主要考慮以下4方面的因素：

（1）按洞內同時作業最多人數需要的新鮮空氣計算風量

表1 瓦檢儀器一覽表

表2 隧道施工控制瓦斯限值及超限處理措施表

K風量備用系數取1.1～1.15;

m洞內同時工作的最多人數;

q洞內每人1min呼吸3m3。

（2）在規定時間內同時爆破且使用最多炸藥量所產生的有害氣體稀釋到允許濃度下，計算風量

Q≥Vmin.S=1×70×60=4200m3/min；

Vmin在開挖斷面的最小風速1m/s；

S開挖斷面的面積（煤層段）70m2。

（3）根據不同的施工方法，按坑道內規定的最小風速計算

Q≥Vmin.S=1×70×60=4700m3/min；

Vmin掌子面的最小風速1m/s。

（4）最大瓦斯涌出量控制計算

依據規范當瓦斯涌出量>3m3/min時，以3m3/min計算控制稀釋到1%,

Q=3×1.3÷0.01=390m3/min

由上述4種情況可以得出所用的風機的通風量為4200 m3/min從洞口到煤層里程K38+458～K39+845（1387m）風管損失風量取值1.2。所以所用風機的通風量為4200×1.2=5040 m3/min。

2.風機型號的確定

根據以上通風量的計算，并考慮后續施工的需要，采用75kW×2和110kW×2兩臺變級多速軸流通風機以及局扇根據不同情況對隧道進行通風。

（1）75kW×2變級多速軸流通風機參數：高速供風量2280m3/min，中速供風量1530m3/min，低速供風量1150m3/min；110kW×2變級多速軸流通風機參數：高速供風量2900m3/min，中速供風量1960m3/min，低速供風量1470m3/min。

（2）通風方式：因瓦斯比重輕（0.554），密度為0.717kg/m3，所以洞內通風口盡可能設于拱頂以保證拱頂通風,避免死角的出現。2臺軸流通風機根據洞內施工需要確定風機的風速級別，在局部瓦斯可能積聚的地方采用局扇通風。

表3 通風設備一覽表

3.供電方式

通風機設雙回路電源，保證風機連續運轉。目前采用當地的農網高壓供應電力，另外隧道進口從檜溪變電站接10kV高壓線至大路梁子隧道進口端，從鹽津變電站接10kV高壓線至隧道出口端，以確保隧道正常通風。

三、煤層地段的施工方案

（一）設計施工中采取以下幾點對策

1.施工時做好隧道地質超前預報工作,根據煤層中瓦斯含量及瓦斯壓力,確定瓦斯突出區段,設計文件中規定預測,預探指標,以及防止煤層瓦斯突出措施。

2.襯砌結構設計,應根據所在位置的瓦斯環境分類,采取不同的封閉瓦斯措施如圍巖注漿,采用氣密性混凝土,設計瓦斯隔離層,施工縫氣密處理等。

3.建立洞內人工監測和瓦斯探頭自動探測相結合的瓦斯檢測制度,在洞口設置自動化瓦斯遙控中心,瓦斯超過極限時自動報警,自動閉鎖。

4.隧道運營通風設計,應引入洞內瓦斯允許濃度指標,洞內應根據預計瓦斯逸出情況設置瓦斯遙測探頭,并與通風控制系統連鎖洞內風機采用防爆型。

5.應充分注意施工過程中的瓦斯突出問題。在煤系地層的施工中應隨時測量掌子面及其附近的瓦斯含量,施工過程中應加強施工段的通風,使瓦斯濃度降到安全值,以確保施工安全。如瓦斯含量嚴重超標,則應采用防爆器材,并進行施工通風設計。

（二）隧道煤層地段施工方案

根據設計資料,結合瓦斯逸出情況,把隧道煤系地層段劃分成2類：含瓦斯非煤層地段施工：K39+439～K39+751、K41+856～K41+760;煤層施工地段:K39+751～K39+845、K41+410～K41+760。

圍巖類別及支護類型

1.K39+435～K39+439.4m局部塌方處理方案

K39+435～K39+439段節理發育、掉塊嚴重，發生過坍塌，格柵鋼架間距調整為0.5m/榀。徑向錨桿采用R32N自進式錨桿注漿加固地層，注漿量0.2～0.3m3/根，錨桿長度4m，環向間距1m，縱向間距0.5m，其余支護參數按設計煤層地段Ⅲ類圍巖進行支護，采用C20氣密性噴射混凝土回填塌穴，并預留注漿管進行填充注漿。

圖1 K39+435～K39+439段支護示意圖

2.含瓦斯非煤層地段施工方案

（1）為了掌握含瓦斯非煤層段地質狀況并及時釋放非煤層段所含瓦斯，采用MK-5全液壓水平地質鉆機，在含瓦斯非煤層地質段進行1個，探孔深度30m，以提前進行煤系地層地段瓦斯監控。鉆孔過程中出現頂鉆、夾鉆、噴孔等動力現象時，視該開挖工作面為突出危險工作面。每次施工20m，再進行下一次超前鉆孔，每次施工的安全距離為10m。

（2）釋放瓦斯

隨著水平超前孔的鉆進，瓦斯也隨之涌出或噴出，使含瓦斯地層內的瓦斯釋放并逐步減少，從而使導坑開挖時瓦斯涌出量減少至安全量，確保了施工安全。

為使鉆孔安全釋放瓦斯，不致釀成災害，必須具備下述3個條件：鉆孔掌子面至瓦斯涌出帶間的巖盤應穩固并保證一定厚度（取10m），在布置鉆機前應對掌子面及附近圍巖進行必要的加強支護；鉆機直徑≯130mm；從鉆孔釋放出的瓦斯進入工作面空間時，必須有足夠的新鮮風將瓦斯稀釋至安全濃度；應使釋放瓦斯在進入全斷面后不致造成局部聚集。

具備了上述3個條件，采取應急措施，如配救護隊和自救設備，以避免出現事故。

采用鉆孔釋放瓦斯，既能保證以后坑道掘進的安全，又不致延長較多的工期，是一種經濟、有效可行的方法，釋放瓦斯在煤層段更為實用。

（3）考慮到含瓦斯非煤層地段圍巖節理裂隙發育，石質破碎，圍巖自穩性差，拱部采用超前小導管注漿加固，小導管4m，環向間距0.3m，每2m打設一環。

3.煤層地段施工

（1）超前探測及防突措施：

a、在距初探煤層位置10m（垂距）處的開挖工作面，打3個檢查孔，并取煤芯測試其主要物理性質和指標，分別探測開挖工作面前方煤層位置。

圖2 檢查孔示意圖

b、按各孔見煤情況確定出煤層厚度、傾角、走向及與隧道的關系。

c、在距煤層5m處的開挖工作面打瓦斯泄壓孔，對瓦斯壓力進行測試，預測煤層突出的危險性。

（2）突出危險性預測及評價

a.鉆孔觀察

在檢查鉆孔時觀察是否有卡鉆、噴孔現象,據此作為突出危險性的特征。

b.數理分析

鉆孔現象測試孔中瓦斯含量,釋放初速度(Δp)、測定壓力(p),取樣品在試驗室分析煤的巖固性系數(f)、瓦斯釋放指標(Δh2或k1值),瓦斯釋放速度(qm)。

經測試:

（3）揭煤順序

根據預測結果和通風效果分析，采用底部小導坑微超前全斷面掘進，分段揭煤，全斷面整體掘進的方法。

（4）支護方式

a.按《大路梁子隧道瓦斯突出地段全斷面注漿設計圖》《“大路梁子隧道地段Ⅱ、Ⅲ類圍巖復合襯砌斷面圖施工》。

b.開挖方法:采用短臺階施工法,循環進尺2m。

（5）防瓦斯滲漏補充措施，除采用氣密性混凝土外，在襯噴與拱架之間、二襯與初支之間設置設置兩層復合式防水板。為避免明火，所有鋼件連接采用螺栓或鎖扣。

四、瓦斯防治安全管理與效果

(一)成立瓦斯安全組織機構

由于該隧道施工的特殊性，專門成立了瓦斯控制安全組織機構，機構由業主、監理、施工單位各職能部門組成，實施由施工單位完成、監理單位監管、業主不定期的監督檢查，從組織機構設置上來保證了瓦斯監測控制的體系完整，同時還成立了相應的應急救援組織機構，來應對突發事件。

(二)制定完善的管理措施確保日常運行安全

制定了詳細的瓦斯隧道作業安全管理實施細則。根據技術措施和相關規程要求進洞人員不允許穿化纖衣服；開挖面在打眼后，放炮前、放炮后各檢測一次（即“一炮三檢測”）和“三人連鎖放炮制”；在洞內瓦斯濃度超過一定值后加強檢測和通風等詳細要求保證了日常運行的安全。

[1]《鐵路瓦斯隧道施工技術規范》,（TB10120-2002）.

[2]《煤礦安全規程》，國家煤礦安全監察局,2001.

[3]瓦斯隧道安全施工監測管理技術研究分項報告《施工通風、瓦斯監測與防爆》，93G31-3/6.