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和支護并確保洞室穩定的主體。隧洞開挖過程中也會遇到圍巖破碎、裂隙發育、煤層出現、巖溶水出露、巖石軟弱等不良地質地段，有害氣體與高溫高壓、瓦斯等突發地質災害在外力作用下從圍巖中溢出散布在隧洞中，當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生爆炸。有害氣體爆炸時將造成對施工人員的傷害及設備的損毀。有的有害氣體由于地下洞室中通風條件差，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，應充分認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)位于化學元素周期表第Ⅵ周期零族，為惰性氣體元素，其化學性質不活潑，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生一系列放射性產物，最終成為穩定元素鉛。氡氣濃度的單位為Bq/m3，熔點:－71℃，沸點:－62℃。

(2)氡氣的危害:氡是致癌物質之一。氡對人類健康的影響確定性效應表現為:在高濃度氡的暴露下，機體出現血細胞的變化，如外周血液中紅細胞增加、中性白細胞減少、淋巴細胞增多、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，特別是神經系統與氡結合使人痛覺缺失，隨機效應主要表現為腫瘤的發生。

(3)氡氣的來源:氡氣的產生與特定的地質條件有關，可能是鐳、鈾、釷等放射性元素衰變過程中的產物。氡氣不是均勻、連續的釋放，釋放時的濃度也大小不一，但氡氣在無風、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場檢測，或采用密封器具現場取樣檢測兩種方式。采用密封器具到現場取樣檢測只是對工作面上一個點的檢測，在現場取樣需要其具有代表性，應選取現場工作人員較多、該部位施工人員工作時間較長、隧洞較低、通風時風吹不到的部位。采用快速模式直接在現場檢測氡氣則是對整個施工現場進行氡氣檢測，若需要檢測施工現場環境中氡氣含量的歷時過程，可將氡氣監測儀和計算機連接，讀取這一檢測過程中的有關數據。

2.3 氡氣濃度的表現形式

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

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

(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的死角部分由于通風較困難，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，應制訂切實可行的氡氣防范措施，培訓專職的氡氣檢測員，購買專項檢測儀器，規定每天對洞室進行檢測的時間、次數，應將每次檢測結果及時告知安檢部門，應有效地把空氣中氡氣的含量控制在國家規定的標準內。

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

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

(4)洞室開挖完成后，應及時組織人員對裸露的圍巖采用噴厚4～6 cm的混凝土進行及時支護與封閉，經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，并無法進行自救而遇難。

3.1 原因分析

事故發生后，業主和項目部邀請專家及專業檢測人員用檢測設備對掌子面到1#支洞口沿程進行檢測，檢測結果為:CO2:1.7%～2.9%、SO2氣體:1.5～7.6 ppm。使用進口氣體檢測儀檢測到有害氣體 H2S達到19.4 ppm，SO2達到17.6 ppm。

(1)排除瓦斯突出。該區域無煤系地層和油頁巖地層，不可能產生高壓瓦斯。事故后的檢測亦未發現CH2的存在。現場未發現瓦斯爆燃現象。

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

(3)CO2是窒息性氣體，當空氣中的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，可在幾分鐘內導致人死亡。在事故現場檢測到的CO2比其它氣體濃度高，該洞段地質結構復雜，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生化學反應生成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)當圍巖中存在這種突出的主動力源時，隧洞掘進到高壓氣囊段時，由于炸藥爆炸時的動力效應，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，導致距掌子面307 m的執行放炮的工人遇難，使遠離掌子面(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，炸藥爆炸時的產物中出現氮的氧化物——二氧化氮(NO2)，稱為正氧平衡。二氧化氮是炸藥爆炸時產生的另一種有害氣體，一般認為:NO2的毒性要比CO的毒性更大，為CO毒性的6.5倍，當空氣中的NO2濃 度 達 到0.025%時，人中毒后短時間內很快死亡。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，其相關方法如下。

(1)加強對有害氣體的監測:設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。鉆孔作業時，專職有害氣體檢測人員應在施工工作面進行有害氣體監測，發現有害氣體增加或有異常情況時，應立即組織所有人員撤離到洞外。

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

(3)鉆孔時的安全防護: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，要求風鉆工與其他施工人員必須佩戴氧氣呼吸器作業。

(4)采取洞外放炮方法:炮孔裝藥、爆破網絡連結完成即進行洞內清場，將所有施工人員撤到洞外。當施工人員全部撤離到洞外后，關閉洞內動力與照明電源，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測到掌子面前方為突出危險區，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，在隧洞掘進時一次不超過2 m，預留3～4 m的巖壁用以限制和抵抗氣體突出。隧洞爆破時應采取淺孔弱爆破，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。同時，炸藥的加工質量和使用條件對爆破時有害氣體的產生也有一定影響。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也參與反應，仍會生成一定數量的有害氣體。

4.1 爆破產生的有害氣體對人的危害

(1)炸藥爆炸時產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，化學性質不活潑，在常態下不能與氧化合，但當其濃度為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，當其被吸入人體后，阻礙了氧和血紅素的正常結合，使人體各部分組織和細胞產生缺氧現象。當空氣中一氧化碳含量的濃度達到5 mg/L時，在短時間內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與水結合成硝酸，對肺部組織起破壞作用，將引起肺部的浮腫。當空氣中二氧化氮濃度達到0.025%時，人在短時間內很快死亡。

4.2 對爆破產生的有害氣體采取的預防措施

地下隧洞爆破時，由于藥量較大，爆破后會產生大量有害氣體，將對地下工程施工作業人員造成威脅。為降低爆破有害氣體的危害程度，應采取合理有效的措施進行預防。

(1)使用合格的炸藥，炸藥組分的配比應當合理，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、變質的炸藥。

(2)裝藥前應盡可能將炮孔內的積水、石粉吹干凈，保證裝藥和堵塞質量，避免發生半爆和爆燃現象，將有害氣體的產生減少到最小程度。

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

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

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

5 結語

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，其中洞內監測、預報是安全防控中的關鍵。隧洞內應布置完善有效的通風系統，提高洞內的通風能力，減少并防止有害氣體的積聚，達到沖淡有害氣體的濃度，有效改善施工環境的目的，從而保證施工人員和工程的安全。