公路隧道瓦斯涌出量不均衡系數(shù)研究★

楊紅運(yùn)，陳 顏，張澤南，丁永超，馮 森

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400041； 2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川 成都 610091；3.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司大橋工程分公司，四川 成都 610041)

隨著國(guó)家“一帶一路”與“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)正逐漸由交通大國(guó)向交通強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變。目前，交通隧道等基礎(chǔ)設(shè)施工程逐漸由我國(guó)東部地區(qū)向地質(zhì)條件復(fù)雜的西部山區(qū)轉(zhuǎn)移[1-2]。而西南諸省煤系地層發(fā)育，且非煤系地層瓦斯分布廣泛，是我國(guó)瓦斯隧道分布最多的省份。21世紀(jì)以來，瓦斯隧道數(shù)量呈現(xiàn)出一種爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，而特長(zhǎng)瓦斯隧道數(shù)量占據(jù)瓦斯隧道1/2以上，且分類等級(jí)也較高。資料統(tǒng)計(jì)[3-4]，在進(jìn)行瓦斯隧道施工時(shí)，鑒于公路隧道瓦斯防治經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)瓦斯涌出情況認(rèn)識(shí)不夠深刻，導(dǎo)致瓦斯燃燒、爆炸、突出事故頻發(fā)。分析原因認(rèn)為，絕對(duì)瓦斯涌出量作為公路瓦斯隧道分類指標(biāo)，部分參數(shù)沿用煤礦巷道指標(biāo)，對(duì)于不同斷面大小的隧道均采用一種分類標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致瓦斯隧道等級(jí)高，引起系列安全、成本問題。其中，瓦斯涌出不均衡系數(shù)是一項(xiàng)非常重要的參數(shù)，在實(shí)際施工過程中，該系數(shù)受施工、地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存等條件影響較大，是一個(gè)不斷變化的值[5]。而針對(duì)該方面研究，馮森[6]以重遵復(fù)線桐梓隧道為依托工程通過研究得到瓦斯工區(qū)分類指標(biāo)建議值。武磊[7]分析了隧道瓦斯來源、評(píng)估參數(shù)、瓦斯涌出量及瓦斯災(zāi)害類型，提出了預(yù)警方法。俞劍等[8]分析了非煤系地層瓦斯在隧道開挖作用下的涌出特征，并應(yīng)用于預(yù)測(cè)七曜山隧道瓦斯涌出量。

基于以上研究，結(jié)合隧道與煤礦巷道的區(qū)別，以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步研究隧道瓦斯涌出量不均衡系數(shù)。

1 公路瓦斯隧道分類現(xiàn)狀

瓦斯隧道施工，瓦斯治理過程中，通常依據(jù)現(xiàn)行的《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》《煤礦安全規(guī)程》等煤礦相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作。多年經(jīng)驗(yàn)表明，鐵路、公路隧道設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異，鐵路瓦斯隧道分類標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)不適合公路隧道；與煤礦井巷系統(tǒng)相比，公路隧道的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、斷面形狀、平縱線形、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工方式、施工設(shè)備與人員組成等區(qū)別較大；另外，公路瓦斯隧道在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、施工技術(shù)水平、瓦斯防治經(jīng)驗(yàn)等方面相對(duì)煤礦落后。

1.1 公路隧道瓦斯工區(qū)及分類標(biāo)準(zhǔn)

《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》指出，公路隧道瓦斯工區(qū)是指在瓦斯隧道掘進(jìn)過程中，隧道施工區(qū)段內(nèi)檢測(cè)有非機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生的瓦斯時(shí)，則洞口至開挖掌子面的施工區(qū)段為瓦斯工區(qū)。瓦斯隧道在進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，隨著掌子面的不斷變化，在一個(gè)施工工區(qū)內(nèi)可能一次或多次穿越瓦斯地層，因此瓦斯工區(qū)與非瓦斯工區(qū)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，如圖1所示。

在公路瓦斯隧道施工中多以施工工區(qū)中瓦斯?jié)舛葹榭刂浦笜?biāo)，同時(shí)瓦斯?jié)舛扰c通風(fēng)量有關(guān)，故在絕對(duì)瓦斯涌出量控制指標(biāo)中需要將瓦斯?jié)舛扰c通風(fēng)量進(jìn)行同時(shí)考慮。在進(jìn)行瓦斯隧道施工作業(yè)時(shí)，最簡(jiǎn)單的方法就是采用瓦斯?jié)舛燃巴L(fēng)風(fēng)速進(jìn)行分類。當(dāng)采用通風(fēng)風(fēng)速及瓦斯?jié)舛茸鳛榉诸愔笜?biāo)時(shí)，規(guī)定了瓦斯工區(qū)內(nèi)任意一處平均風(fēng)速的下限值與瓦斯?jié)舛鹊纳舷拗怠ＭL(fēng)風(fēng)速的限值是根據(jù)工程調(diào)研與大量的煤礦工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合瓦斯礦井及鐵路隧道建設(shè)所滿足的最低通風(fēng)要求確定，如表1所示。

表1 公路隧道瓦斯工區(qū)等級(jí)劃分指標(biāo)

1.2 公路隧道瓦斯工區(qū)絕對(duì)涌出量

公路隧道不同于礦井巷道，隧道斷面相對(duì)較大，鉆爆法隧道洞內(nèi)機(jī)械作業(yè)設(shè)備多且工序復(fù)雜，隧道多采用風(fēng)筒供風(fēng)，且新鮮風(fēng)流與污濁風(fēng)流同處于一個(gè)半封閉空間內(nèi)，安全隱患大，因此需要考慮多因素對(duì)隧道瓦斯工區(qū)分類的影響，進(jìn)而把發(fā)生瓦斯事故的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。所以將絕對(duì)瓦斯涌出量作為隧道瓦斯工區(qū)分類指標(biāo)，這樣相比僅考慮風(fēng)速及瓦斯?jié)舛茸鳛榉诸悩?biāo)準(zhǔn)更科學(xué)合理。絕對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算見式(1)。

(1)

其中，QCH4為隧道內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量,m3/min；ω為允許的最高瓦斯?jié)舛?見表1)；α為瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.5～2.0，一般取1.5；V為隧道回風(fēng)流內(nèi)最低風(fēng)速(見表1)；A為隧道回風(fēng)流斷面積，取70 m2。

將表1數(shù)據(jù)代入式(1)，保守取值得到公路瓦斯隧道類別劃分標(biāo)準(zhǔn)值，見表2。

表2 公路隧道瓦斯工區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量對(duì)比表

1.3 公路隧道瓦斯工區(qū)分類標(biāo)準(zhǔn)問題分析

瓦斯隧道等級(jí)分類是由瓦斯工區(qū)的最高級(jí)別決定，決定瓦斯工區(qū)等級(jí)的因素有隧道回風(fēng)流內(nèi)風(fēng)量、回風(fēng)流斷面平均瓦斯?jié)舛取⑼咚褂砍霾痪庀禂?shù)、隧道回風(fēng)流內(nèi)平均風(fēng)速、隧道回風(fēng)流斷面積等。因此對(duì)于隧道瓦斯工區(qū)劃分指標(biāo)的影響因素，需要做以下幾點(diǎn)探討與分析：

1)隧道斷面積不同，分類標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該不同，斷面越大，分類標(biāo)準(zhǔn)的絕對(duì)瓦斯含量也應(yīng)該越大。目前公路隧道，不論斷面大小均執(zhí)行一套分類標(biāo)準(zhǔn)，顯然不合理。

2)瓦斯涌出不均衡系數(shù)，類似安全系數(shù)，目前按照經(jīng)驗(yàn)取值為1.5～2.0，對(duì)于不同煤層和不同斷面形式的隧道，取值沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)給出的瓦斯分類指標(biāo)值較大，反映出安全性過高、經(jīng)濟(jì)性差的現(xiàn)狀。

綜上所述，隧道瓦斯工區(qū)分類標(biāo)準(zhǔn)在分類理論及計(jì)算方法欠妥。

2 隧道瓦斯涌出不均衡性案例分析

隧道掘進(jìn)相當(dāng)于煤礦石門、平巷掘進(jìn)，瓦斯來源有掌子面爆落煤塊、新暴露煤壁、僅施作噴混凝土初支段洞壁。

為了進(jìn)一步分析公路隧道瓦斯涌出隨空間變化關(guān)系，對(duì)西南某隧道掘進(jìn)過程掌子面(傳感器位于開挖臺(tái)車，上距拱頂25 cm)、二襯臺(tái)車(傳感器上距拱頂25 cm)、隧道洞口(傳感器距離洞口50 m，上距拱頂25 cm)進(jìn)行了長(zhǎng)期瓦斯監(jiān)測(cè)，瓦斯?jié)舛入S時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示。

由圖2分析可知：

1)受掘進(jìn)爆破及掌子面渦流、二襯臺(tái)車凸起影響，5個(gè)月 數(shù)據(jù)顯示掌子面與二襯臺(tái)車處瓦斯?jié)舛茸兓l率高，變化幅度大。掌子面瓦斯?jié)舛仍黾踊蛘呓档停r臺(tái)車處瓦斯?jié)舛扔邢嗤兓厔?shì)，較明顯的如4月左右洞，5月、6月左洞瓦斯?jié)舛茸兓闆r；同時(shí)也存在相反的變化趨勢(shì)，較明顯如6月右洞，7月、8月左右洞瓦斯?jié)舛茸兓闆r，基本無規(guī)律可循。

分析認(rèn)為隧道沿風(fēng)筒口至掌子面附近出流的風(fēng)流，會(huì)產(chǎn)生貼壁效應(yīng)，同時(shí)通風(fēng)區(qū)域會(huì)形成射流區(qū)、沖擊回流區(qū)、渦流區(qū)等，風(fēng)流紊亂，使掌子面附近瓦斯?jié)舛确植疾痪鶆颍瑫r(shí)瓦斯與回風(fēng)風(fēng)流不斷混合，逐漸運(yùn)移至二襯臺(tái)車處；由于二襯臺(tái)車進(jìn)行二襯和防水板鋪設(shè)，易造成瓦斯積聚，使二襯臺(tái)車處瓦斯?jié)舛绕毡檩^掌子面高。

2)因風(fēng)流進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)，洞口瓦斯?jié)舛日w變化幅度不大，相對(duì)比較平穩(wěn)、均衡，隧道瓦斯涌出不均衡性較小。同時(shí)也說明瓦斯與回風(fēng)流充分混合，且保證隧道內(nèi)瓦斯能被通風(fēng)風(fēng)流充分稀釋；但部分月份約有波動(dòng)，為隧道瓦斯涌出量增加或者減小引起。

3 公路隧道瓦斯涌出不均衡系數(shù)

3.1 瓦斯不均衡系數(shù)來源及特點(diǎn)

煤礦首先使用瓦斯涌出不均衡系數(shù)概念。煤礦生產(chǎn)過程中，瓦斯涌出量不固定，時(shí)大時(shí)小，且不均勻。為了便于通風(fēng)、瓦斯管理，使用瓦斯涌出不均衡系數(shù)，其值是最大絕對(duì)瓦斯涌出量與平均絕對(duì)瓦斯涌出量的比值。

α=Qmax/Q均

(2)

其中，α為給定時(shí)間內(nèi)的瓦斯涌出不均衡系數(shù)，其值越大，說明瓦斯涌出不均勻程度越大，若等于1，說明瓦斯涌出均勻穩(wěn)定;Qmax為給定時(shí)間內(nèi)最大瓦斯涌出量，m3/min；Q均為給定時(shí)間內(nèi)平均瓦斯涌出量，m3/min。

煤礦巷道分開拓巷道、準(zhǔn)備巷道和回采巷道。其中，開拓巷道、準(zhǔn)備巷道一般是位于巖層中的巖巷，當(dāng)需要與其他巷道連接時(shí)，可能垂直或大角度穿過煤層，即石門揭煤，此時(shí)就類似于隧道穿過煤層；回采巷道一般位于煤層中，為煤巷或者半煤巖巷，煤層幾乎裸露于巷道兩幫。

相比較而言，煤礦回采巷道主要沿著煤層掘進(jìn)，受構(gòu)造、賦存條件、成煤過程、采煤活動(dòng)等不同因素影響，有以下特點(diǎn)：

1)巷道穿越斷層、背斜、向斜等構(gòu)造時(shí)，巖層封閉或斷裂破壞，瓦斯存在聚集和消失的可能，導(dǎo)致巷道瓦斯涌出量增加或者減少。

2)煤層群開采過程，巷道上覆煤層、同煤層不同采區(qū)的開采導(dǎo)致巷道圍巖破壞，周圍采空區(qū)瓦斯可能涌入巷道，巷道煤層瓦斯可能滲透入采空區(qū)，導(dǎo)致巷道瓦斯涌出量增加或者減少。

3)巷道掘進(jìn)過程可能遇到瓦斯異常集聚區(qū)，也將導(dǎo)致巷道瓦斯涌出量增加。

煤礦回采巷道瓦斯涌出主要來源于巷道周邊煤(巖)幫涌出、落煤塊瓦斯涌出、新暴露煤壁瓦斯涌出、圍巖瓦斯?jié)B入等。

回采巷道瓦斯涌出不均衡性特別突出，瓦斯涌出量也比開拓巷道、準(zhǔn)備巷道瓦斯涌出量大，測(cè)定過程巷道瓦斯涌出量時(shí)常發(fā)生變化。但是，由于回采巷道兩幫瓦斯相對(duì)比較均勻，其瓦斯涌出不均衡性主要體現(xiàn)在掘進(jìn)工作面。根據(jù)AQ 1018—2006礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法，煤礦掘進(jìn)工作面(回采巷道掘進(jìn)，石門揭煤)的瓦斯涌出不均衡系數(shù)取Ka=1.2～1.5或?qū)嶋H計(jì)算值。

3.2 公路隧道瓦斯涌出不均衡系數(shù)分析

目前，公路隧道瓦斯涌出不均衡性存在下列特點(diǎn):

1)公路瓦斯隧道瓦斯工區(qū)分類采用絕對(duì)瓦斯涌出量作為分類指標(biāo)，它與通風(fēng)量、風(fēng)速及隧道斷面等有關(guān)，同時(shí)現(xiàn)有的隧道建設(shè)技術(shù)水平相比從前有了較大的提高，隧道通風(fēng)能力也較從前有了相當(dāng)大的改進(jìn)。對(duì)比10年間瓦斯隧道通風(fēng)能力，目前的通風(fēng)能力得到較大提高，基本上是10年前的2.0倍～3.3倍。而絕對(duì)瓦斯涌出量的容許值與隧道的通風(fēng)量成正比，所以可以相應(yīng)提高瓦斯隧道工區(qū)的分界值。

2)煤礦回采巷道多位于煤層內(nèi)，沿煤層走向布置，而公路隧道垂直于或基本垂直于煤層走向，以最短距離穿過煤層，類似于煤礦石門揭煤過程。對(duì)于公路隧道，瓦斯工區(qū)內(nèi)部的瓦斯涌出量相對(duì)于煤礦巷道較均衡，瓦斯工區(qū)涌出不均衡系數(shù)相較于煤礦較小。

3)瓦斯隧道瓦斯涌出段位于二襯臺(tái)車與掌子面段，即隧道施作噴混凝土洞壁段。煤礦回采巷道瓦斯涌出段幾乎為巷道長(zhǎng)度，長(zhǎng)度可達(dá)2 000 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過隧道瓦斯涌出段距離。

4)煤礦巷道斷面小，一般不超過18 m2；公路隧道斷面大，雙線公路隧道的開挖斷面目前已超過110 m2。礦井作業(yè)面較多，而隧道一般采用獨(dú)頭掘進(jìn)施工，往往在一個(gè)掌子面進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)區(qū)域瓦斯涌出不均衡系數(shù)較小。煤礦是多工作面同時(shí)作業(yè)；公路隧道一般單工作面作業(yè)。隧道的瓦斯?jié)舛却蠖嫉陀卩徑旱V。

4 結(jié)論與建議

結(jié)合隧道與煤礦巷道的區(qū)別，煤礦巷道瓦斯涌出不均衡特性，瓦斯隧道實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建議隧道瓦斯涌出不均衡系數(shù)取《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》規(guī)定最低值α=1.2或?qū)崪y(cè)。對(duì)于公路瓦斯隧道瓦斯工區(qū)分級(jí)采用絕對(duì)瓦斯涌出量作為分級(jí)指標(biāo)，它與通風(fēng)量、風(fēng)速及隧道斷面等有關(guān)，而現(xiàn)有瓦斯隧道通風(fēng)能力也有所提高，建議現(xiàn)有瓦斯隧道工區(qū)的分界值也可以相應(yīng)提高。