高瓦斯引水隧洞通風與檢測監控技術

高俊

中鐵六局集團天津鐵路建設有限公司 天津 300000

1 前言

在高瓦斯隧洞施工中如果發生瓦斯窒息、爆炸、燃燒，則會極具危害性，而發生瓦斯燃燒或爆炸所必須具備的三個條件：瓦斯要達到一定濃度、有一定溫度的引火源、氧氣濃度達到一定數值。通風是降低瓦斯濃度，防止瓦斯爆炸的最主要措施，通風主要有兩個目的，一是沖淡和稀釋瓦斯，二是防止瓦斯在角隅和洞頂滯留。前者主要與風量有關，而后者主要與風速有關。瓦斯隧道一般使用壓入式風機通風，通風時風速大于1m/s，為了保證洞內瓦斯濃度不超過允許標準值，施工期間需保證24小時不間斷通風。瓦斯檢測監控是瓦斯隧洞施工的“眼睛”，能夠及時發現瓦斯逸出情況，是否存在瓦斯積聚濃度超標，以便于及時采取措施，保證施工安全[1]。

2 工程概況

工程主體為引水隧洞，主洞全長12256.514m，隧洞為有壓隧洞，開挖斷面為圓拱斜墻，襯砌后成洞斷面為圓形，成洞直徑為3.9m。隧洞開挖鉆眼過程中發生瓦斯逸出，造成施工停止。工程區位于華北古陸東北部的金嶺寺——羊山盆地中部，盆地內堆積了侏羅系和白堊系火山沉積地層，斷層和褶皺構造發育，節理裂隙發育。斷裂構造是瓦斯運移的主要通道。根據地層生成和沉積條件，工程區內具備油層氣生、儲、蓋的條件。瓦斯氣體生層主要為侏羅系下統北票組地層的沉積巖，儲層主要為侏羅系上部沉積的砂巖、砂礫巖，蓋層為白堊系的火成巖，綜合判定該洞段為高瓦斯工區，掌子面單位時間瓦斯最大涌出量估算值預測為0.72m/min。

3 高瓦斯隧洞通風

3.1 通風方式

本標段C1#高瓦斯隧洞，斜井長度1632m，主洞上游施工長度1292m，計算得出獨頭掘進最長距離2924m。按照正常施工安排，主洞上、下游會產生必不可避免的交叉，造成相互干擾，所以在下游起點位置安裝封閉門，暫停下游施工，達到獨頭掘進、通風的效果。

圖1 瓦斯洞段通風系統示意圖

根據現場已具備的施工條件，為確保高瓦斯隧道通風達標，通過通風量計算，考慮場地制約的因素，最終確定通風方式為壓入式通風。在距離斜井入口25m位置安裝2臺功率75kW的壓入式軸流通風機，并設置1套備用，風筒采用直徑1m的高性能抗靜電阻燃通風管，風機口70m范圍內風管需具備剛性骨架，風管安裝在隧道拱頂，從斜井口延伸直至作業面5m范圍內，為了減小掌子面爆破產生的飛石對風筒造成的損壞，將末端10m范圍內的風筒更換為橡膠材質。

風機將風壓入后，回風沿著主洞上游、斜井排放至洞外，最終達到壓入風量與回風量相同的目的，此通風方式簡單經濟、穩固可靠。對于斜井避車洞及主洞調車洞等瓦斯易于積聚至高濃度的部位，增加功率10kW的射流風機來增加通風量。

按照上述的通風排放方式進行施工，保證隧道通風效果達標，瓦斯濃度低于災害濃度。

3.2 臨時封閉門

高瓦斯隧洞按照正常施工安排，主洞上、下游會產生必不可避免的交叉，造成相互干擾，在下游起點位置安裝封閉門，暫停下游施工，達到獨頭掘進、通風。臨時封閉門采用型鋼和鋼筋骨架，敷設1mm鐵皮，與巖面接觸四周采用泡沫膠進行封閉。

3.3 備用電源

隧道供電線路為農網改造，為避免施工過程中停電致使洞口通風機停止運行，在斜井口安裝備用電源，備用電源為500kVA的發電機一臺，線路連接雙電源自動轉換開關，配備1名專業電工進行日常維護、保養、試運行，并做好相應記錄。發生供電線路故障停電后，確保在10分鐘內啟動發電機發電，恢復通風機及洞內照明等設備運行，保證隧道內供風量。

3.4 備用通風機

備用一套2×75KW同等性能的備用通風機，并保持良好的使用狀態，在主風機出現故障時將通風管換到備用通風機上保證施工通風正常進行，同時搶修主通風機。

3.5 局部特殊區域通風

3.5.1 風筒分支排放法

針對塌方部位，在風筒上增加‘三通’，或安裝一根直徑小于原風筒的分支當做內筒，向塌方部位空洞內持續送風，防止瓦斯積聚導致濃度超標。

3.5.2 壓風排除法

在原有高壓風管上連接若干個支管，每個支管上安裝噴嘴，噴嘴可吹出高壓風，利用噴嘴吹出的高壓風將積聚的瓦斯吹散稀釋。當掌子面發生塌方或涌水造成塌腔時，也可以采用此方法防止瓦斯積聚[2]。

4 高瓦斯隧洞檢測監控

高瓦斯隧洞施工期間，設置瓦斯檢測、監控系統，瓦斯檢測監控、系統分為兩部分，包括瓦斯自動監控系統與人工檢測測系統，將檢測與監控列為重要施工工序進行管理，由施工現場負責人主管，根據瓦斯濃度、風速/風量雙指標組織安全施工管理。

4.1 檢測儀器配備、布置及管理

隧道內按規定安裝瓦斯自動檢測報警斷電系統，實行瓦斯電閉鎖。

（1）手持式

①光干涉瓦斯檢測儀

由瓦檢員配備，定期進行檢測。

②便攜式瓦斯檢測報警儀

由班組長、司機、入洞檢查管理人員配備，隨時檢測。

③有害氣體檢測儀

與便攜式瓦斯檢測報警儀配合使用。

（2）固定式

①甲烷傳感器（瓦斯自動檢測報警斷電裝置）

垂直懸掛在隧道拱頂，距離拱頂不大于30cm，距離側墻不小于20cm。

（3）監控系統

在掌子面安裝低濃度瓦斯傳感器，設定好報警點，持續檢測瓦斯濃度，當濃度超標時，傳感器、地面中心站同時發出聲光警報；當濃度超過設定好的斷電指標時，通過饋電斷電器自動控制洞外的磁力開關實現洞內斷電。

（4）監控系統傳感器布置

主洞距開挖掌子面5m處布設甲烷傳感器3個（分別布設在拱頂及拱腰位置）；距開挖掌子面15m處布設甲烷傳感器1個；開挖洞段支洞每500m左右、主洞每200m左右拱頂下設甲烷傳感器1個。隨著隧洞不斷掘進傳感器同時前移增設。

（5）傳感器的布置安裝要求

各種傳感器的安裝應符合《煤礦安全規程》及《鐵路瓦斯隧道技術規范》的相關規定，并應滿足下列要求：

①開挖工作面傳感器布置要求

a.甲烷傳感器報警濃度：0.5%CH4。

b.自動斷電濃度：1.5%CH4。

c.允許復電濃度：0.5%CH4。

d.斷電范圍：開挖工作面中全部電氣設備。

使用該設備斷電的開挖工作面，只允許人工復電。人工進行復電前，必須由瓦檢員進行瓦斯濃度檢查，確定瓦斯濃度在允許范圍之后，方可由專業電工進行人工復電。

②回風區傳感器布置要求

瓦斯隧洞回風區，報警濃度為0.5%CH4，瓦斯斷電濃度為1.5%CH4，復電濃度為0.5%CH4，斷電范圍為回風區全部電氣設備。

③其它：傳感器應自由懸掛于距拱頂不大于0.3m處，其迎風流和背風流0.5m之內不有阻擋物；傳感器懸掛處支護要良好，無滴水，臺車、機械行走過程等不會損壞傳感器。

（6）設備管理

①所有檢測設備必須定期進行調試、校正，每月至少1次，由煤礦專業部門人員進行調試與校正。甲烷傳感器、便攜式甲烷檢測報警儀等采用載體催化元件的甲烷檢測設備，每隔7日進行一次校準氣樣和空氣樣調校，并按照甲烷超限狀態測試斷電功能。如發現設備出現故障，及時進行維修，設備故障期間采取相應的安全措施。

②將檢測設備及電纜的檢查列為日常工作，每日必須仔細檢查，對比便攜式甲烷檢測報警儀或便攜式光學甲烷檢測儀與甲烷傳感器讀數，判斷二者誤差，若大于允許誤差，暫時以濃度大的讀數作為當前濃度采取相應措施，并在6小時能完成設備調校，確定問題設備并維修。

③便攜式甲烷檢測報警儀日常充電、收發及維護必須由專人負責并記錄，每次檢查前將隔爆罩上的灰塵、雜物清理干凈，發放給檢測人員之前，須檢查便攜式甲烷檢測報警儀的零點和電壓或電源欠壓值，如有異常嚴禁發放使用。

（7）傳感器的移動及保護

掌子面傳感器必須隨掘進開挖而跟隨移動以保證合適的吊掛位置，掌子面開挖掘進時必須將掌子面傳感器后移一定的距離并加以保護，掘進完成后要及時將掌子面的傳感器復位。掌子面傳感器的移動及復位工作由當班電工負責，在移動掌子面照明燈具時同時完成。

4.2 瓦斯檢測程序

（1）瓦斯檢測流程

隧洞內檢測人員按規定頻率進行瓦斯濃度檢測，隨時隨地抽檢洞內瓦斯濃度，在掘進前、掘進過程中、掘進完成后均進行檢查。

圖2 隧洞內瓦斯檢測流程圖

（2）瓦斯檢測步驟

瓦斯檢測步驟分為4步：

（3）瓦斯重點檢測地點

①掌子面及掌子面附近30m范圍內的風流；

②斷面尺寸變化的交界處，其上部容易積聚瓦斯的地方；

③洞內風機20m范圍內的風流中；

④總回風流中；

⑤避車洞等擴大洞室；

⑥機械、電氣設備及其開關附近20m范圍內；

⑦局部通風不良地段。

（4）數據的收集、分析、應用

隧洞施工中，要做好檢測數據的記錄、收集工作，積累大量的原始數據，為施工人員通過數據的分析，指導安全生產提供可靠的依據。

4.3 瓦斯檢測頻率和范圍

（1）增加瓦斯檢測頻率，加強打炮眼、安放炸藥、引爆前及引爆后等階段的瓦斯巡回檢測。

（2）根據隧道內瓦斯濃度安排檢測頻率，瓦斯濃度低于0.5%時，每隔0.5～1小時檢查一次；瓦斯濃度高于0.5%時，全程檢查，瓦檢員不得離開掌子面，檢測數據異常及時組織人員撤離并報告。

（3）當檢測發現瓦斯濃度高于1%時，需加強通風，稀釋空氣中瓦斯含量，在其降低至安全允許值以下后，方可安排瓦檢員進入隧道內檢查；瓦檢員檢測時需佩戴全套安全防護裝備。

（4）對隧道內瓦斯濃度限值嚴格按照超限處理措施執行。

（5）施工過程中，專職檢測人員均現場檢測瓦斯濃度，當開挖面及其后方的瓦斯濃度達到0.5%時,則發出警報,隧洞內即處于警戒防爆作業狀態；當瓦斯濃度上升到1%時,切斷開挖面處除風機以外的一切設備電源；當洞內瓦斯濃度達到1.5%時,作業隊長須立即下達停工和全員撤出待避的命令。為了能及時發現和處理情況，要求工班長、瓦斯檢測安全員、爆破工配備便攜式瓦斯檢測儀。

5 實施效果

高瓦斯引水隧洞開挖施工過程中根據施工條件獨頭施工、獨頭通風，2臺75KW軸流通風機壓入式通風，風速、風量均能滿足施工要求，實現通排風簡單、穩定、可靠，降低洞內瓦斯濃度，同時采用人工和自動檢測設備相結合的方式對洞內瓦斯逸出情況進行實時檢測，確保了工程安全順利施工，高瓦斯洞段按期完成開挖施工任務。

6 結語

高瓦斯引水隧洞開挖時通風是關鍵，不管是低瓦斯隧道、高瓦斯隧道還是瓦斯突出隧道，如果能夠保證足夠的風量和風速，保證洞內任何瓦斯易積聚角落瓦斯濃度均低于0.5%，則絕對不可能發生任何的瓦斯安全事故。通風降低瓦斯濃度，是排除瓦斯安全隱患的最根本、最徹底的解決措施。監測監控是重點，施工過程中存不存在瓦斯安全隱患，實行何種施工方案，最終都需要瓦斯監測的結果來說明。根據瓦斯監測的濃度，來判斷瓦斯逸出情況，采取相應的措施，制定應急預案和管理制度。瓦斯監測在空間上要全面、準確，在時間上要及時、持久。高瓦斯引水隧洞通風與檢測監控技術對類似工程有一定借鑒指導意義和推廣價值。