穿越煤層長瓦斯隧道施工通風技術研究

許丹丹

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

1 工程概況

杉樹陀隧道全長4 732 m，分進出口工區同時掘進，進口工區長2 100 m，采用無軌出碴方式；出口工區長2 632 m，有平導，采用有軌出碴方式。隧道進口段通過背斜砂巖、頁巖夾1～3層薄層劣煤的含煤地層，埋深達150 m，洞身中部主要通過石灰巖、白云巖、泥質灰巖、泥灰巖夾頁巖地層，埋深淺，灰巖中的溶洞可能有瓦斯聚集；在ZK33+751處穿過二疊系含煤地層，上覆地層封蓋條件較好，煤層長15 m，厚4.15 m，瓦斯含量7.85 m3/t，瓦斯壓力1.75 MPa，最大涌出量15.25 m3/min，逸出危險性大，如何解決好隧道施工通風是保證其施工安全的關鍵。因此，對穿越煤層長瓦斯隧道施工通風技術進行深入研究，提出風量大、安全保證系數高、施工進度快、資金投入少、經濟效益好的穿越煤層長瓦斯隧道通風施工方法，以保證瓦斯隧道施工安全，具有重要的工程應用價值。

2 瓦斯隧道施工通風特點

(1)瓦斯在一定條件下能燃燒和爆炸，施工通風除要有足夠的風量將其稀釋到允許濃度外，還需保持一定的風速，以避免瓦斯在頂板形成層狀積聚，這是瓦斯隧道通風最大的特點[1]。

(2)瓦斯隧道一般設計有輔助導坑，在輔助導坑同正洞貫通前，隧道是只有一個出口或入口的單獨巷道，此時僅能采用風管式通風；當輔助導坑同正洞貫通以后，洞內各通道形成貫通風流，此時有多種通風方式可選擇，這是瓦斯隧道施工通風的又一特點。

(3)瓦斯隧道施工受許多因素的影響，施工方法、施工機具及施工人員等是經常變化的，施工條件變了，通風就要及時調整，這是瓦斯隧道施工通風的第三個特點。為了給這種調整提供條件，在通風設計時，必須留有足夠的富余量。

(4)風機和風管的外形尺寸及布置方式受狹窄的施工場地限制；安裝、維護作業受后面工序的干擾；風管易被損壞[2]。對于瓦斯隧道，為確保良好的通風效果，必須要有有效的管理措施與方法，把風管漏風減少到最小。

3 瓦斯隧道施工通風方法

3.1 風機和風管選擇

(1)確定風量。瓦斯隧道所需通風量包括排出瓦斯、柴油機尾氣所需通風量和爆破作業、噴混凝土作業所需通風量。排出瓦斯所需通風量要結合最危險的瓦斯涌出形式確定。瓦斯涌出有四種形式[3-4]：①常規涌出。瓦斯從煤層及巖層的微小孔隙通道持續緩慢排出。②非常規涌出。煤層及巖層空洞中存在的大量瓦斯在隧道開挖時攜帶煤塊、煤粉快速大量排出。③瓦斯噴出。大量瓦斯在壓力狀態下從煤層及巖層中的裂隙短時或長時間噴出。④瓦斯與煤突出。在隧道開挖中，由于開挖面的煤壁短時間被破壞，煤層及巖層深處的大量瓦斯與煤瞬間涌出，這種瓦斯涌出危害極大。因此，排出瓦斯所需通風量計算時采用第四種形式按式(1)進行計算。

Q1=100V/M

(1)

式中：Q1為排出瓦斯所需通風量，m3/min；M為瓦斯體積分數，%；V為瓦斯排出量，m3/min。杉樹陀隧道施工通風中防爆瓦斯濃度要求為：一翼團風或總回風中瓦斯體積分數低于0.75%，其他風流中瓦斯體積分數低于0.5%。

爆破作業所需通風量按式(2)進行計算。

Q2=0.368P/RαT

(2)

式中：Q2為爆破作業所需通風量，m3/min；P為爆破后產生的一氧化碳等有害物質量，m3；R為通風效率，通常R=1；α為一氧化碳含量控制值；T為通風時間，min。P=AΔLβX，其中A為隧道斷面凈面積；ΔL為隧道一次開挖進尺，m；β為炸藥單位用量，kg/m3；X為炸藥產生的一氧化碳有害物質含量，m3/kg。

柴油機尾氣所需通風量按式(3)進行計算。

Q3=∑HGqGαG

(3)

式中：Q3為柴油機尾氣所需通風量，m3/min；HG為使用柴油機的額定功率，W；qG為使用柴油機所需通風量，m3/(min·W)；αG為使用柴油機的工作效率。αG=(∑wnt)/wnt,其中w為同類柴油機功率值，W；n為同類柴油機臺數，臺；t為同類柴油機在T內的工作時間，min。

正常情況下濕噴混凝土作業和鉆孔工序同時進行，爆破、出碴時一般不進行濕噴混凝土作業，而濕噴混凝土所產生的煙塵遠遠小于爆破和出碴產生的煙塵，因此，如果洞內通風能夠滿足后者，前者自然能夠滿足。由上可得瓦斯隧道所需要的總通風量Q總=Q1+Q2+Q3，式中各項通風量均取最大值。

(2)風機選擇。通風機的選擇取決于通風系數和瓦斯隧道所需的總通風量，具體還應結合以下三個方面：一是所選擇的風管的類型；二是瓦斯隧道的輔助導坑的設計情況；三是瓦斯隧道已擬定好的獨頭巷道施工長度。通風機選擇依據公式(4)進行。

Q機=αQ總

(4)

式中：α為通風系數，一般取2；Q機為通風機的通風能力。

(3)風管選擇。隧道施工風管的選擇很重要，尤其是瓦斯隧道所需供風量大，宜選擇大直徑風管。可對柔性風管和剛性風管相比較，施工時結合實際情況按表1進行選擇。施工時應注意，瓦斯隧道通常同時采用吸出式、壓入式兩種通風方式，一般情況下柔性風管和剛性風管同時使用，且使用的數量有很大差距。

表1 風管技術統計結果

3.2 通風方式確定

瓦斯隧道通風必須能夠確保以下兩點：第一是掌子面通風好，能夠有效降低瓦斯濃度至允許范圍內；第二是洞內其余部位空氣無回流、無層狀積聚[5]。瓦斯隧道可根據隧道掘進長度的不同而采取不同的通風方式：(1)在獨頭巷道施工長度小于1 000 m的情況下，可采用圖1壓入式通風方式。壓入式通風風流的有效射程較遠，工作面時刻被新鮮空氣沖刷，稀釋瓦斯及排除煙塵較快，其污風沿巷道全長排出，當風量一定時，如果巷道過長易造成瓦斯在洞內回流或聚集，時間長了存在安全隱患，因此巷道越長越不安全。(2)獨頭巷道施工長度在1 000～2 000 m時，可采用圖2混合式通風方式。為有效減少開挖面附近的瓦斯濃度，開挖面附近通風用壓入式；在開挖面后則采用吸出式通風，以避免發生污風循環，引起瓦斯聚集或回流，吸出式通風即新風從巷道口流入，污風經風管吸出洞外，缺點是必須用剛性風管。(3)在瓦斯隧道掘進長度超2 000 m時，一般設計有平導、橫洞或斜井，此時可采用圖3巷道式通風方式。巷道式通風方式即正洞與輔助導坑共同構成通風回路。其特點是過風面積大，阻力小，可加速空氣流動速度，迅速降低瓦斯濃度，提高通風效率，節約通風動力，但由于風管要經過橫通道，安裝和管理不便。

圖1 壓入式通風

圖2 混合式通風

圖3 巷道式通風

(4)綜合考慮前面3種通風方式，最終決定杉樹陀瓦斯隧道進口工區1 000 m以內單線獨頭巷道采用壓入式通風方式；進口工區1 150～2 100 m范圍內采用混合式通風方式，采用大直徑風管通風，見圖4；出口工區1 200 m以內單線獨頭巷道采用壓入式通風方式；出口工區1 460～2 632 m范圍內采用巷道式通風方式，均采用大直徑風管通風，見圖5。洞內作業時，即便瓦斯濃度在允許范圍內，也應連續通風，強制排出洞內各類施工機械設備放出的廢氣，保證洞內的空氣新鮮。因檢修、停電等原因停風時，必須撤出人員，切斷電源。

圖4 杉樹陀瓦斯隧道進口通風

圖5 杉樹陀瓦斯隧道出口通風

3.3 風機與風管安裝

(1)風機安裝。將風機水平安放在預制好的支架上，調平、調整方向，用螺栓固定。風機安裝應符合設計及使用要求。電氣控制柜安設在干燥無塵且便于風機操作的地方，接通電源。分別啟動2臺電機(包括備用電機)，檢查電機旋轉方向是否與箭頭所指的方向一致。

(2)風管安裝。不同類型的風管安裝方法不同，柔性風管較輕，但安裝困難；剛性風管較重，但安裝簡單，下面重點介紹柔性風管的安裝方法。①風管運輸。風管的基本材料為維、滌綸增強塑布，距離短時可人工運輸，距離長時可用小型運輸車運輸，運輸過程中避免在鋒利物上拖拉，以防刺破。②檢查修補。使用前先檢查風管質量，發現破損、漏洞、缺吊環或脫膠等缺陷時，應先修補后安裝。③位置選擇。風管一般掛于隧道起拱線部位和拱頂，選擇時要結合襯砌臺車的不同類型而定，盡可能減少互相干擾。④錨栓預埋。固定吊鐵線的預埋件要提前安裝，間距以5～10 m為宜，并設置在同一水平直線上，吊掛線每100 m用緊線器拉直定位，將鐵線每間隔8 m固定在預埋件上。⑤吊掛安裝。按包覆式捆綁法連接風管，接頭處進風管在內，出風管在外，進出風管都有反邊，反邊長度與接頭寬度一致，接頭必須綁扎結實，嚴密平整，每層風管至少由兩道軟鐵絲固定，見圖6；拉鏈式接頭內封簾必須在出風口，外封簾在進風口，見圖7。⑥分段調直。每掛完一節風管，要連同接頭一起向延伸方向將風管調直、拉緊，然后再掛下一節風管，最后在管路的出風口配接一短節帶鋼圈的風管，以保障出風口的有效射流作用。⑦整體調直。全部風管掛好后，應從風機出口開始，間斷性高速送風，使整條風管做到無褶皺、無扭曲。⑧調試使用。風管與風機聯好后啟動風機，調試運行，并檢查風機、風管有無異常，發現問題及時修正。

圖6 鋼圈式接頭接法

圖7 拉鏈式接頭接法

(3)洞外固定式通風機宜布置在隧道洞外距洞口20～30 m范圍內，但應與其他管線分開，單獨設立于一側；洞內移動式通風機宜布置在場地寬闊、空氣流通、無干擾的部位。軟風管最好懸掛于拱腰處，風管末端距工作面最佳距離為20～25 m，最大不宜超過30 m。

3.4 風機、風管的保護和維修

(1)風管和風機應專職管理，定期排放風管內的積塵、積水，以免因積水損壞風管吊鼻。在風機出風口宜配一節有分流窗的減壓硬管，啟動風機前開放分流窗，待風管鼓起后再關閉。爆破作業時，應在放炮前關閉風機，炮響后再啟動風機，以避免因爆破沖擊破壞風管。(2)避免將電線、電纜、照明燈等壓在風管上，風管周圍不能堆放尖銳物件。動力線路、照明線路不應安裝在風管同一側。(3)檢查接頭，如有尖刺、變形、開裂等缺陷，應修理后再使用，拉鏈式風管需平時打蠟，使拉鏈無阻卡現象。(4)通風軟管二次復用時，應撤出洞外進行修補。修補時將破洞周邊清洗干凈，曬干后，用聚氯乙烯膠均勻涂在破洞周邊3～5 cm處，同時涂補塑料布，涂膠厚度為0.1～0.15 mm，待膠液微黏手時進行黏合，并施以壓力，靜態凝固48 h，也可進行熱補(手拿輕便式熱焊槍)。風管布為合成纖維與塑料復合制成，不宜存放在烈日曝曬下的場所，否則易老化損壞。(5)通風軟管的修補。修補前應先將破損處擦拭干凈，不得帶灰塵、泥土、油污等。待破損處干凈、干燥后涂專用膠黏劑，在清潔風管布上涂同樣厚度的膠黏劑，然后附于破損處，用手壓緊粘牢。

4 結語

(1)施工中應及時對開挖面、爆破20 m范圍內、局部塌方冒頂、隧道總回風、各種作業臺車和機械附近20 m內、電動機及其開關附近20 m內等風流中的瓦斯含量以及隧道中各臨時站點如變電所、水泵站、水倉等處的瓦斯含量進行重點檢測，以確保隧道施工安全。

(2)該通風技術采用大直徑風管，實現了大風量供風，有效解決了瓦斯隧道所需供風量大這一難題。同時大直徑風管通風每延米增加的費用僅100～150元，與中小直徑風管相比較每月可節約18～30萬元，既可實現大風量供風，又可節約資源。

(3)采用該通風技術能夠迅速將瓦斯濃度降至允許范圍內，消除安全隱患，通風效果好，施工進度快，掘進長度超過2 000 m時，Ⅲ、Ⅳ級圍巖月進尺可達到150～180 m，比以往同級圍巖的瓦斯隧道提高30～50 m，保證了施工安全，提高了施工效率。