隧道內(nèi)瓦斯氣體安全監(jiān)測技術(shù)及其應用

崔悅震，王 健

（1.石柱土家族自治縣七曜山地質(zhì)公園管理處,重慶 409100；2.石柱土家族自治縣應急管理局，重慶 409100）

0 引 言

近年來，隨著我國隧道工程的快速發(fā)展，我國的隧道建設(shè)事業(yè)突飛猛進，據(jù)統(tǒng)計[1]，我國在鐵路、公路、水利水電等領(lǐng)域已建成了近萬座總長超過7000km的隧道。所面臨隧道災害問題（如隧道頁巖氣），不僅日益凸顯，而且易造成人員傷亡和重大財產(chǎn)損失。

對于煤礦瓦斯的監(jiān)控監(jiān)測技術(shù)的研究也有許多[2-4]，瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展先后經(jīng)歷了“局部防突措施為主、先抽后采、抽采達標和區(qū)域防突措施先行”4個階段展；利用Dempster-Shafer證據(jù)理論解決瓦斯監(jiān)測過程中的不確定性和不精確性問題；物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)在煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中的應用；國內(nèi)外對于高瓦斯隧道的監(jiān)測技術(shù)研究不多[5-7]，相應的技術(shù)并不成熟，需要有進一步的討論說明。

有鑒于此，必須加強對隧道頁巖氣進行監(jiān)測。本文主要以馬嘴隧道為工程研究背景，介紹了高瓦斯隧道地質(zhì)超前預報、車載瓦斯監(jiān)測、自動監(jiān)測及人工監(jiān)測等技術(shù)在高瓦斯隧道中的應用。

1 隧道工程及頁巖氣概況

1.1 隧道工程概況

馬嘴隧道位于重慶市南川區(qū)三泉鎮(zhèn)，為雙洞隧道。隧道設(shè)計等級為雙向四車道，設(shè)計時速80km/h，左線長3666m，右線長3711m，屬于特長隧道，其中隧道左洞最大埋深441m，隧道右洞最大埋深434m，凈寬10.6m，凈高7.05m，隧道頁巖氣段圍巖級別為Ⅳ級，隧道瓦斯段穿越地區(qū)主要巖性為黑色碳質(zhì)頁巖。

1.2 隧道瓦斯概況

馬嘴隧道出口段左線于2014年12月4日掌子面施工至ZK19+228里程，右線施工至K19+260里程時，發(fā)現(xiàn)不明可燃氣體，經(jīng)用光學式瓦檢儀檢測，該氣體主要成分為瓦斯，其中該隧道出口端左線開挖面絕對瓦斯涌出量為0.71m3/min，右線開挖面絕對瓦斯涌出量為0.46m3/min，由此可判定馬嘴隧道為高瓦斯隧道。

2 馬嘴隧道瓦斯監(jiān)測技術(shù)

根據(jù)本隧道所涌出瓦斯的特點，瓦斯監(jiān)測采用超前鉆孔、車載瓦斯監(jiān)測及自動監(jiān)測相結(jié)合的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 超前鉆孔技術(shù)

在現(xiàn)有的物探方法[9-11]如地面地質(zhì)調(diào)查法、地質(zhì)雷達、TSP等超前地質(zhì)預報技術(shù)中，地質(zhì)雷達預報地質(zhì)情況的范圍有限且受隧道內(nèi)施工因素的干擾；地面地質(zhì)調(diào)查法很難預報復雜地形地貌隧道的地質(zhì)情況；TSP探測費用高，還需專門的探測人員及存在多解性等特點。由于物探手段對頁巖氣的探測能力非常有限，因此，超前地質(zhì)預報主要采取超前水平鉆探，通過超前鉆孔標定存在頁巖氣段段落，掌握掌子面附近頁巖氣分布的具體狀況。

鉆探程序：施工炮眼前鉆鑿超深炮眼→檢測超深炮眼內(nèi)瓦斯情況（存在瓦斯）→超前水平鉆探。

1）超深炮眼：在掌子面開挖前，需先進行超深炮孔的施工，全斷面炮孔數(shù)不少于11個，炮孔的直徑為φ42mm，與爆破炮眼直徑相同，深度為8.0m，鉆孔布置如圖1所示。超深炮孔施工完畢后，需要對所鑿炮眼進行瓦斯檢驗，當在超深鉆孔中檢測出瓦斯氣體時就必須在爆破開挖前進行超前水平鉆孔探測。

圖1 超前炮眼布置示意圖

圖2 超前鉆孔布置圖

2）超前鉆探：超前水平鉆孔探測施工時需要在全斷面布置7個孔徑為φ80mm，鉆孔外傾角為10°的探孔，如圖2（a）所示，每次進行鉆探的長度為30m，開挖25m，保留5m巖柱進行下一循環(huán)鉆探，如圖2（b）所示。當在鉆探過程中發(fā)現(xiàn)明顯的頂鉆、噴孔等瓦斯動力現(xiàn)象時，主要采取鉆孔排放措施，即掌子面掘進至距離頁巖氣聚積位置5m處時，停止掘進，在涌出孔附近施作排放孔，進行頁巖氣排放，將頁巖氣壓力降至0.74MPa以下、單孔頁巖氣涌出量小于5L/min（0.005m3/min），若 48h內(nèi)不能將巖氣壓力降至0.74MPa以下、單孔頁巖氣涌出量小于5L/min（0.005m3/min），則采取注漿封堵措施。

3）注漿封堵：注漿封堵瓦斯分為局部注漿堵氣方式和全斷面注漿堵氣方式。當每個斷面排放孔中頁巖氣氣壓不小于0.74MPa或者涌出量不小于5L/min的孔的個數(shù)不大于這個斷面排放孔數(shù)的30%且位置比較分散時，采用局部注漿堵氣的方式進行處理；反之則采用全部斷面注漿堵氣的方式進行處理。

2.2 車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)

考慮到該隧道現(xiàn)場施工的情況，車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)采用KZJ001-F煤礦監(jiān)測分站和KG9701A低濃度甲烷傳感器。

2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主要是由系統(tǒng)維護與配置管理中心、控制分站和檢測控制器三部分組成，如圖3所示。

圖3 車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.2 系統(tǒng)工作原理

工作時系統(tǒng)主要采集機械工作區(qū)環(huán)境瓦斯氣體濃度等參數(shù)，然后控制分站會根據(jù)采集濃度值用控制邏輯中心進行分析處理。當檢測到施工機械工作區(qū)中環(huán)境瓦斯?jié)舛冗_到0.3%，控制分站將信號傳達給報警器，報警器隨之發(fā)出報警信號，提醒工作人員現(xiàn)場工作環(huán)境存在危險，應當立即停止工作，等相關(guān)工作人員查明原因并解除危險后再繼續(xù)工作；當檢測到施工機械工作區(qū)域中環(huán)境瓦斯?jié)舛冗_到0.5%，此時控制分站通過控制機械的斷油熄火控制系統(tǒng)和斷電控制系統(tǒng)，使機械停止工作，實現(xiàn)機械閉鎖，防止工作人員重新啟動機械，造成爆炸事故。當瓦斯?jié)舛冉档桨踩秶畠?nèi)方可進行正常工作。

2.2.3 系統(tǒng)安裝方法

控制分站安裝位置可以根據(jù)機械自身的結(jié)構(gòu)特點進行選擇，既可安裝在駕駛室、機械底部和側(cè)面，也可安裝在駕駛室與車箱連接處等。傳感器根據(jù)其功能應安裝在駕駛室頂部通風處。由于機械在工作時是一個劇烈振動的載體，因此安裝在機械上的相關(guān)設(shè)備需要作加固與防振設(shè)計，如圖4所示。

圖4 車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的安裝方法

2.3 自動監(jiān)控系統(tǒng)

由于瓦斯氣體構(gòu)成和賦存狀態(tài)復雜，產(chǎn)生的危害性極大，該隧道選用KJ-90型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)由地面中心站、監(jiān)控分站、傳感器及控制器組成。系統(tǒng)在工作時主要是采集瓦斯?jié)舛龋L速和負壓等參數(shù)，當一氧化碳、硫化氫、甲烷、一氧化氮及其他參數(shù)超過正常范圍或者出現(xiàn)其他異常情況時，傳感器及控制器會將獲得的情況反饋給報警器，報警器就會發(fā)出報警信號，系統(tǒng)立即切斷電源，實現(xiàn)風、電、瓦斯閉鎖功能，達到瓦斯隧道安全生產(chǎn)的目的。

圖5 KJ90監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3.1 自動監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)主要是采集隧道的瓦斯?jié)舛取L速及風機運行等參數(shù)，在洞口機房進行24小時不間斷監(jiān)測；并在以上參數(shù)異常的情況下自動報警，并切斷工作電源，達到隧道安全生產(chǎn)的目的。

2.3.2 自動監(jiān)控系統(tǒng)布置

地面中心站設(shè)置在離隧道口最近的值班室內(nèi)，該中心機房主要配備的設(shè)備是裝有KJ90監(jiān)控軟件的監(jiān)控主機、數(shù)據(jù)接口和UPS電源等，另外在監(jiān)控中心機房和隧道口各設(shè)一臺信號避雷器以便更好地保護監(jiān)控設(shè)備；在洞口附近安放兩臺監(jiān)控分站，在掘進工作面分別放置三臺瓦斯傳感器、兩臺風速傳感器、兩臺CO傳感器、一臺CO2傳感器和一臺H2S傳感器。

圖6 掌子面?zhèn)鞲衅靼惭b的位置

CH4傳感器和CO傳感器應垂直懸掛在隧道掌子面上方風流穩(wěn)定、拱頂中央位置，距頂板不得大于20cm，并且不能影響行人行車和隧道正常施工；洞口處甲烷傳感器的安裝位置與掌子面處的相類似；二氧化碳、硫化氫傳感器應該懸掛在掌子面左右兩側(cè)拱腳處，離地面距離不超過20cm。風速傳感器應垂直懸掛在隧道掌子面后方5～10m且風流穩(wěn)定的位置，以避免受到掌子面渦流回風的影響。風速傳感器安裝在垂直懸掛在洞口以里約50m，距離拱頂約2m且風流穩(wěn)定處，前后100m范圍內(nèi)不得有大型障礙物阻風。掌子面?zhèn)鞲衅靼惭b位置如圖6所示。

當?shù)屯咚构^(qū)瓦斯?jié)舛瘸^0.5%時，超限處20m范圍內(nèi)立即停止施工并查明原因，加強通風檢測；局部瓦斯?jié)舛瘸^2.0%時，超限處20m附近立即停止施工并切斷電源，組織工作人員撤離，進行加強通風處理；開挖工作面風流中、放炮地點附近20m風流中瓦斯?jié)舛瘸^1.0%時，超限處立即停止施工并切斷電源，組織工作人員撤離，查明工作原因，加強通風；竣工后洞內(nèi)任何處瓦斯?jié)舛瘸^0.5%時，查明滲漏點，進行整治。當瓦斯?jié)舛认陆档皆谡７秶畠?nèi)，方可進行正常工作。

2.4 人工瓦斯監(jiān)測

該系統(tǒng)是對車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)和自動監(jiān)控系統(tǒng)的補充，由于工作人員可以隨處移動，能檢測到上述機器檢測的遺漏點，比較靈活方便。人工瓦斯監(jiān)控需要配備專職瓦檢員；在進入到瓦斯工作區(qū)域時，需攜帶光干涉式甲烷測定器，H2S、CO、N2等有毒有害氣體檢測儀，保證生產(chǎn)施工的安全

3 防治措施

為保證隧道施工的順利進行，除了加強隧道頁巖氣監(jiān)測外，還須從機械設(shè)備、供電、通風及隧道施工等方面加強防治。

1）隧道運輸方式采用無軌運輸：挖掘機、裝載機、運渣自卸汽車及砼運輸車必須進行防爆改裝，挖掘機輔助裝載機挖、裝，使用自卸汽車運輸，二次襯砌采用防爆模板臺車襯砌，在洞外集中攪拌砼經(jīng)防爆砼運輸車運輸，由泵送入模；

2）隧道供電方式采用雙電源，供電系統(tǒng)做到三專、兩閉鎖，同時設(shè)置接地保護；所有電氣設(shè)備必須防爆，電纜及照明設(shè)備必須防爆。

3）隧道通風采用獨頭壓入式，風筒抗靜電、阻燃，風量根據(jù)隧道剩余長度及洞內(nèi)作業(yè)強度進行計算，然后選擇合適風機，為減小頁巖氣體與風筒間的摩擦，掌子面附近許安裝噴水系統(tǒng)。

4）頁巖氣段采用濕式鉆孔，采用礦用炸藥及電雷管起爆，光面爆破。隧道開挖之后立即支護封閉成環(huán)，及時完成二襯作業(yè)，減少頁巖氣的涌出。

4 結(jié) 論

1）對于高瓦斯隧道，應建立超前地質(zhì)預報，車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，KJ-90型煤礦自動監(jiān)控系統(tǒng)及人工監(jiān)測綜合監(jiān)測系統(tǒng)，可全天候不間斷進行監(jiān)測，防止高瓦斯隧道發(fā)生爆炸事故，在馬嘴隧道施工中運用成功，效果明顯。

2）瓦斯隧道在機械設(shè)備、供電、通風及隧道施工等方面加強防治與管理，也是保障隧道施工安全的必要條件。