高瓦斯隧道瓦斯監測與分布規律分析

賢威

摘要：高瓦斯隧道施工過程中很容易產生瓦斯積聚或溢出，存在較大的安全隱患。文章提出在隧道高瓦斯路段開挖施工過程中，通過制定瓦斯監測方案，對爆破前后、不同取樣位置、不同時間段瓦斯濃度進行監測，并分析監測結果得出了隧道內瓦斯的分布規律，可為隧道安全施工提供保障。

關鍵詞：高瓦斯隧道;監測;采樣位置;分布規律

中國分類號：U456.3文章標識碼：A351373

0 引言

高瓦斯隧道在施工和運營過程中，會產生瓦斯溢出，如控制不當很容易產生安全事故。由于瓦斯在隧道圍巖內部分布不均勻，必須在隧道建設過程中加強監測，對瓦斯監測數據進行分析，從而確定隧道內瓦斯的分布規律。隧道施工爆破、采樣位置和采樣時間都會對瓦斯監測結果造成很大影響，因此施工前應全面考慮確定隧道內瓦斯的分布情況，根據瓦斯分布規律制定預防措施，以保證隧道施工安全。

1 工程概況

辛莊上隧道進口端位于山西省太原市古交市河口鎮磨石村西南側，出口端位于山西省太原市古交市西曲街辦胡家咀村東南側。隧道穿越剝蝕構造基巖低中山區，進口端頂部覆蓋薄層粉土、碎石、雜填土，出口端基巖出露。隧道設計為左右線分離式，兩洞間距約為15～30 m;雙車道，一字型縱坡。其進、出口里程為：右洞TK5+824～TK7+738，全長1 914 m，隧道類型屬長隧道，設計進、出口路面高程分別為1 053.734 m和1 091.629 m，隧道最大埋深（里程TK6+780）約187.36 m，自然通風。左洞ZTK5+795～ZTK7+742，全長1 947 m，隧道類型屬長隧道，設計進、出口路面高程分別為1 053.455 m和1 091.558 m，隧道最大埋深（里程ZTK6+810）約183.1 m，機械通風。

根據采空區專項勘察資料顯示，隧址區位于大南坪煤礦和礬石溝煤礦礦界內，大南坪煤礦東側8#、9#煤層埋深較淺，為小窯私挖亂采區;礬石溝煤礦在TK6+660～TK7+740段2#、3#、4#、7#煤層采空，屬于多年前小窯開采，8#和9#煤層為礬石溝煤礦，于近幾年開采。辛莊上隧道下伏多層采空區，采空區距離隧道底最大垂直距離約80 m，其中8#、9#煤層2019年仍然在開采。地勘報告顯示隧道下伏采空區為不穩定區，設計中針對不穩定采空區采取了注漿加固處理。經過調查，辛莊上隧道右線TK5+824～TK7+738和左線ZTK5+795～ZTK7+742為高瓦斯工區。

2 瓦斯監測方案

2.1 瓦斯監測方案

辛莊上隧道瓦斯監測采用隧道安全綜合監控系統和人工移動式監測相結合的方式，對隧道內風速、CH4、CO等有害氣體等指標進行實時監測。分別在隧道進出口布置一套隧道安全綜合監控系統，不僅可以實現對有害氣體、風速的監測，還可以根據瓦斯濃度實現聲光報警，指揮人員撤離，具有門禁管理、人員定位、信息顯示和視頻監控等功能。監控系統總體布設方案為：在洞口設置監控中心，配置主控計算機、報警儀、中心監控大屏幕和斷電系統等;在隧道內部布置瓦斯監測分站，間隔距離為700 m;分別在隧道洞口回風流處、開挖工作面、二次襯砌工作面、橫洞等部位設置布置甲烷、氮氧化物、一氧化碳等監測傳感器。

隧道人工移動式檢測進、出口各設置瓦斯檢測員2名，使用“四合一”有害氣體檢測儀對CO、CO2、氮氧化物、CH4等其他物質的濃度進行檢測。此外，每位瓦斯檢測員各配備一臺便攜式甲烷檢測報警儀，一旦瓦斯濃度超過限制時自動報警。

2.2 瓦斯監測部位和監測頻率

瓦斯監測部位為上、下臺階、二次襯砌、仰拱等施工工作面，瓦斯容易產生積聚的襯砌臺車、拱頂、橫洞等部位，電氣設備附近，圍巖破損開裂容易產生瓦斯溢出的區域等。為了確定掌子面前方瓦斯濃度，在隧道掌子面布設6個超前探孔，分別位于拱頂點、兩拱腳點、兩邊墻腳點和仰拱底中點，瓦斯監測的重點部位是隧道拱頂和兩側起拱線位置。

隧道安全綜合監控系統的監測頻率為全天候24 h監控，根據CH4濃度確定監測頻率：CH4濃度≤0.5%時，每0.5～1 h監測一次;CH4濃度>0.5%時，應隨時監測;CH4濃度>2%時，應加強通風并隨時監測。

3 隧道內瓦斯監測與分布規律分析

3.1 爆破前后隧道內瓦斯濃度監測結果分析

為了研究爆破前后隧道內瓦斯濃度的變化情況，分別在裝藥前、放炮前和放炮后對瓦斯濃度進行監測。本文統計了辛莊上隧道前后35次開挖爆破開挖前后瓦斯濃度的變化情況，繪制瓦斯濃度變化曲線如圖1所示。

分析圖1曲線變化情況，在35次爆破施工后，有6次放炮后瓦斯濃度超過了0.1%，其中最高濃度達到了0.19%。曲線變化趨勢表明放炮后瓦斯濃度明顯高于裝藥前和放炮前，這是由于爆破使圍巖內部的瓦斯涌出路徑連通，爆破后圍巖內的瓦斯大量涌出，造成瓦斯濃度明顯提高。

3.2 不同采樣位置瓦斯濃度監測結果分析

通過對比分析隧道掌子面、二次襯砌、仰拱和下臺階等開挖工作面瓦斯濃度監測數據，確定掌子面的瓦斯濃度監測結果最高。因此，在辛莊上隧道施工過程中，選取TK5+985、ZTK6+655、TK7+255三個監測斷面，重點對掌子面瓦斯濃度進行監測，監測部位為拱頂、左拱腳、右拱腳，三個監測斷面瓦斯濃度變化曲線如圖2～4所示。

分析圖2～4所示瓦斯濃度曲線變化情況可知，圖2和圖3拱頂瓦斯濃度明顯高于兩側拱腳，圖4左側拱腳瓦斯濃度高于拱頂瓦斯濃度，這是由于下臺階開挖過程中圍巖局部積聚的瓦斯產生了溢出。瓦斯濃度隨著監測次數的增加，總體呈現下降的趨勢，監測后期瓦斯濃度很小，可以忽略。總之，結合多個斷面瓦斯濃度監測結果進行分析，大多數監測斷面拱頂瓦斯濃度高于拱腳瓦斯濃度，只有少數斷面拱腳瓦斯濃度高于拱頂，且隨著觀測時間的增加，瓦斯濃度不斷下降。

3.3 不同時間段瓦斯濃度監測結果分析

為了分析隧道內高瓦斯路段不同時間段瓦斯濃度的變化規律，在施工過程中在隧道左洞和右洞布置測點，對不同掘進里程瓦斯超限次數進行統計，觀測時間從2020-10-03至2021-01-20，共進行了10次監測，統計結果如圖5和圖6所示。

分析圖5和圖6曲線變化情況，瓦斯濃度超限次數基本與掘進里程成正比，開挖至高瓦斯路段中段時瓦斯超限次數較高，且左右兩洞超限次數變化趨勢基本相同。前期為2020-10-03至2020-10-17，取左右洞7 d瓦斯濃度監測數據，瓦斯超限次數平均為6次左右。中期為2020-10-17至2020-12-20，取左右洞14 d瓦斯濃度監測數據，瓦斯超限次數平均為8次左右。后期為2020-12-20至2021-01-20，取左右洞7 d瓦斯濃度監測數據，瓦斯超限次數平均為5.5次左右。總之，通過對辛莊上隧道高瓦斯路段不同開挖時間段瓦斯濃度進行監測分析得出，瓦斯超限次數與掘進里程基本成正比，且高瓦斯路段中段瓦斯濃度超限次數最多。

4 結語

為了保證辛莊上隧道施工安全，在施工過程中制定瓦斯監測方案，對爆破前后、不同取樣位置、不同時間段瓦斯濃度進行監測，并分析總結了瓦斯濃度變化規律，得出以下結論：

（1）分析爆破前后瓦斯濃度監測結果，得出放炮后瓦斯濃度最高，這是由于爆破后圍巖內的瓦斯大量涌出造成的。

（2）分析不同取樣位置瓦斯濃度監測結果，得出大多數掌子面拱部瓦斯濃度高于拱腳，且隨著觀測時間的增加，瓦斯濃度不斷下降。

（3）分析不同時間段瓦斯濃度監測結果，得出瓦斯超限次數與掘進里程基本成正比，且高瓦斯路段中段瓦斯濃度超限次數最多。

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