我國瓦斯隧道施工技術進展及主要問題探討

黃 飛, 鐘小鳳, 羅太友, 李樹清, 羅亞飛, 劉 磊, 龍其畢

(1. 湖南科技大學資源環境與安全工程學院, 湖南 湘潭 411201; 2. 湖南科技大學南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室, 湖南 湘潭 411201; 3. 貴陽景爍安全科技有限公司, 貴州 貴陽 550081)

0 引言

近年來,隨著我國交通強國戰略實施的步伐加快,隧道工程項目逐年增多,建設總里程不斷增加。據統計,截至2022年底,全國公路隧道24 850處,總里程達到2 678.43萬m,其中瓦斯隧道數量逐年增加[1]。由于地質條件的復雜性和瓦斯的易燃易爆特性,瓦斯隧道極易發生瓦斯事故,如巖腳寨、董家山、七扇巖、華鎣山、扎西等隧道在修建過程中發生過多起瓦斯事故,給人民的生命財產安全造成極大威脅[2-3]。

國內學者對此展開了大量研究。20世紀90年代的研究集中于瓦斯自身特性和瓦斯隧道設計施工中存在的瓦斯災害問題[4-6]。2000年以來,工程人員開始探索瓦斯隧道施工過程中的瓦斯涌出機制及防治措施[7-8]。隨著施工經驗的不斷積累,2010年之后,有學者和工程人員依托具體瓦斯隧道實際工程,對復雜地質條件下的瓦斯隧道綜合施工技術和安全管理措施進行研究[9-13]。但上述研究主要基于個別瓦斯隧道工程實例,缺少對國內瓦斯隧道最新發展現狀的概括總結,施工動態調整機制的研究成果也較為匱乏。

鑒于此,本文對國內最新瓦斯隧道建設現狀、施工關鍵技術以及存在的主要問題進行分析與探討,以期為后續的瓦斯隧道施工提供參考。

1 我國瓦斯隧道總體概況

1.1 我國瓦斯隧道建設現狀

1.1.1 瓦斯隧道數量、里程及分布情況

瓦斯是指從煤(巖)層中逸出的各種有害氣體的總稱,其主要成分是甲烷,它一般以吸附態賦存在煤系地層或巖層中[2]。在隧道設計施工過程中,隧道內任意部位出現瓦斯,即被認為是瓦斯隧道。據不完全統計,1949—2022年,我國修建的瓦斯隧道共有500處,總里程超286萬m,其中3 km以上的瓦斯隧道有297處。1949—2022年我國瓦斯隧道數量和總里程統計如圖1所示。由圖可知,我國瓦斯隧道數量和總里程總體呈上升趨勢。其中,2017—2019年瓦斯隧道建設數量相較于2014—2016年有所減少;2020—2022年瓦斯隧道數量迅速增多,相較于2017—2019年隧道數量增加了125處,總里程增加了約52萬m。

圖1 1949—2022年我國瓦斯隧道數量和總里程統計圖

從隧道瓦斯等級方面來看,現行鐵路規范和公路規范將瓦斯隧道分為微瓦斯、低瓦斯、高瓦斯和瓦斯突出4類。在統計的具有明確瓦斯等級的隧道中,高瓦斯隧道占總數的48.23%,低瓦斯隧道占比45.39%,微瓦斯隧道占比4.25%,瓦斯突出隧道占比2.13%,如圖2所示。

圖2 1949—2022年不同等級瓦斯隧道數量

從隧道分布情況來看,瓦斯隧道大多位于中西部地區,如圖3所示。由圖可知,瓦斯隧道數量超過50處的省市分別是四川省、重慶市、貴州省、云南省,其中四川省的瓦斯隧道數量最多,占總數的47.6%。

圖3 瓦斯隧道地域分布圖

綜上所述,我國瓦斯隧道具有里程長、瓦斯等級高、多分布于中西部地區等特點。

1.1.2 瓦斯隧道事故統計與分析

瓦斯隧道施工潛在瓦斯突出、燃燒、爆炸及中毒窒息等災害事故。王海洋等[3]統計分析了我國部分瓦斯隧道的事故及其影響因素。在此基礎上,本文根據網絡公開報道、文獻資料與工程現場資料,統計出1959—2021年我國共發生47起瓦斯事故,如圖4所示。

(a) 瓦斯事故類型統計圖

(b) 瓦斯事故數量及死亡人數統計圖

鑒于時間跨度較大,本文將統計到的瓦斯事故發生時間劃分為3個典型時期,如圖4(a)所示。

從事故數量上來看,2000—2010年我國瓦斯事故數量較多,2011年以后瓦斯事故發生次數呈減少趨勢;從事故類型來看,1959—2021年我國瓦斯隧道發生瓦斯燃燒事故12起、瓦斯爆炸事故21起、瓦斯突出事故13起、瓦斯中毒窒息事故1起,分別占總事故數的25.5%、44.7%、27.7%、2.1%。由此可知,隧道內最易發生瓦斯爆炸事故,瓦斯突出事故和瓦斯燃燒事故次之,瓦斯中毒窒息事故很少發生。

從事故傷亡情況來看,在所統計的瓦斯事故中,造成人員傷亡的共22起,死亡人數超過160人,如圖4(b)所示。由此可知,1959—2000年國內瓦斯隧道修建過程中發生過多起瓦斯事故,造成大量人員傷亡,其中,2001—2003年隧道瓦斯事故數量和死亡人數較少;2004—2006年瓦斯事故數量和死亡人數迅速增加;2010年之后瓦斯事故數量和死亡人數總體呈下降趨勢。

1.2 瓦斯隧道施工規范發展歷程

20世紀90年代國內對于瓦斯隧道的研究處于起步階段,最初瓦斯隧道施工主要依據《鐵路瓦斯隧道技術暫行規定》。隨著國家對瓦斯隧道施工安全的重視程度不斷加大,相關規范逐漸增多,其更新發展歷程如圖5所示。其中,2002年鐵道部頒布了我國鐵路行業第1部較完整的瓦斯隧道施工技術規范,即TB 10120—2002《鐵路瓦斯隧道技術規范》[14](簡稱《規范》(2002));公路行業的第1部地方標準是2014年由貴州省交通運輸廳印發的JTT 52/03—2014《貴州省高速公路瓦斯隧道施工技術指南(試行)》[15](以下簡稱《指南》(2014));直至2020年,中華人民共和國交通運輸部頒布了我國第1部公路行業標準JTG/T 3374—2020《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》[16](簡稱《規范》(2020))。截至目前,市政工程、水利工程和其他基建行業暫無瓦斯隧道施工標準,相關體系仍在不斷完善。

2 瓦斯隧道施工技術發展情況

2.1 瓦斯隧道超前探測技術

2.1.1 瓦斯隧道超前探測技術規范發展情況

隧道瓦斯多賦存于煤層內,業界通過超前物探的方式可以粗略探明隧道煤層地質產狀信息,隨后通過超前鉆孔的方式可更精確地獲悉煤層瓦斯參數,為瓦斯隧道設計和施工提供依據。

《規范》(2002)率先提出采用地質勘探和瓦斯預測的方法對鐵路隧道的瓦斯工區進行超前探測,為我國瓦斯隧道超前探測技術的發展奠定了基礎。《指南》(2014)介紹了公路隧道開挖階段常采用的超前探測方法。《規范》(2020)補充完善了彈性波反射法、瞬變電磁法、炮眼鉆孔加深和超前水平鉆孔等探測方法及具體實施要求。此類規范的發布實施為進一步優化超前探測設計方案、降低瓦斯災害發生率奠定了重要基礎。

圖5 瓦斯隧道施工規范發展歷程

2.1.2 超前探測技術的工程應用及發展情況

在實際工程中,常同時采用多種預測方法進行綜合預報,本文收集到了部分瓦斯隧道所采用的超前探測方法,詳見表1。根據表中統計數據可知,地質雷達法、超前鉆探法和地震波反射法是我國瓦斯隧道施工中應用最為廣泛的超前探測技術,其中超前鉆探法是瓦斯地質探測的主要手段[17-18]。

20世紀50年代,在成昆線建設期間我國開始研究隧道施工中的超前物探技術,如涼風埡瓦斯隧道施工中主要以地質法探測山體結構[19]。20世紀60～70年代超前探測技術發展不明顯。20世紀80年代以后,超前探測技術在瓦斯隧道施工中得到了初步應用,針對瓦斯隧道開始采用兩兩結合的預報方法,例如: 大瑤山瓦斯隧道首先引進超前水平鉆探技術和淺層地震波反射法[20],楊家峪隧道[21]、縉云山隧道[22]、云臺山隧道[23]、中梁山隧道[24]采用地震波反射法為主、地質雷達法為輔的方法提高地質預報的準確性。進入21世紀以來,瓦斯隧道普遍采用含多種方法的綜合探測技術,例如: 銅鑼山隧道[25]、龍泉山隧道[26]、季家坡隧道[27]、董家山隧道[28]和龍溪隧道[29]。 2020年,李好[30]研發了新型防爆地震儀,它能完全適用于各類瓦斯隧道地震波反射法超前地質預報工作,使地震波反射法實現本質安全;2021年,張平松等[31]提出2種可探測瓦斯突出、沖擊地壓、突水等動力災害問題的超前探測技術體系,并指出未來超前探測技術應融合5G 通訊、大數據、云平臺等智能技術;2022年,曹安等[32]采用Matlab 軟件分析煤層特征,為瓦斯隧道超前探測煤層提供了一種新的手段。

2.2 電氣設備與施工機械防爆技術

2.2.1 設備防爆技術的規范變更情況

隧道瓦斯工區的防爆技術對于抑制瓦斯爆炸災害具有至關重要的作用。《規范》(2002)結合煤礦瓦斯防爆技術提出了隧道不同瓦斯工區的防爆設備。《指南》(2014)新增了微瓦斯工區的設備防爆規定,并且詳述了瓦斯工區內的設備用電要求與非防爆型行走式作業機械的使用條件。《規范》(2020)細化了不同瓦斯工區內電氣設備的選型要求,并嚴格規定了機械設備的防爆預警功能和檢修充電方式。

2.2.2 設備防爆技術的現場應用及發展情況

瓦斯工區設備防爆技術主要包括電氣設備防爆技術和機械設備防爆技術2類。電氣設備防爆技術主要包括電氣設備選型、電纜布設以及照明燈具選型等方面。機械設備防爆技術分為主動防爆改裝和被動防爆改裝,施工中常采用主動防爆改裝。當前國內施工機械防爆改裝主要有3種形式: 車載瓦-電閉鎖改裝、電氣隔爆改裝和綜合防爆改裝。

不同時期瓦斯隧道采用的防爆改裝形式占比如圖6所示。由圖可知,2005—2017年采用電氣隔爆改裝的瓦斯隧道數量逐漸減少,采用車載瓦-電閉鎖改裝的瓦斯隧道數量不斷增加,采用綜合防爆改裝的瓦斯隧道數量總體較少。據文獻資料可知,我國高瓦斯鐵路隧道多采用電氣隔爆改裝,而高瓦斯公路隧道多采用車載瓦-電閉鎖改裝,僅少量瓦斯突出隧道采用綜合防爆改裝形式[33]。

圖6 不同時期瓦斯隧道采用的防爆改裝形式占比

由圖山寺瓦斯隧道和華鎣山瓦斯隧道中的施工機械防爆改裝[34-35]可知,車輛防爆改裝主要是從進氣系統、控制系統、排氣系統和電氣系統入手,通過安裝進氣控制閥、檢測閥、阻燃器、防爆發電機等方式,達到設備防爆的目的,如圖7所示。在此基礎上,劉戎等[36]設計了一種智能化防爆裝置,該裝置在瓦斯爆炸下限的基礎上增加了10倍的安全系數,具有更高的實用價值與經濟效益。王棟[37]從管理方面著手,提出了隧道瓦斯工區無軌運輸的安全風險防控配套管理措施。

圖7 車輛防爆改裝系統

總體來看,設備防爆技術在瓦斯隧道工程領域得到了較好的應用與發展。具體來說,瓦斯隧道防爆技術呈現3個發展趨勢: 1)防爆原理由被動向主動發展; 2)改裝方式由單一向綜合發展; 3)工程應用由煤礦有軌防爆向無軌防爆發展。

2.3 瓦斯隧道通風技術

2.3.1 瓦斯隧道通風技術規范發展情況

高效通風技術是瓦斯隧道修建的安全保障,一是可以有效排出瓦斯氣體,二是可以提供適宜的作業環境。鑒于此,所有的瓦斯隧道規范對于通風技術均作了詳細的規定,并不斷完善改進,主要表現在以下7個方面。

1)風量要求。瓦斯工區施工時的通風量、需風量應按爆破排煙、工作的最多人數、作業機械、最小風速及絕對瓦斯涌出量分別計算,取其最大值作為需風量。需風量、風筒直徑和風壓的計算值是后續風管及風機選型的重要依據,如圖8所示。

2)風管選型。早期規范并未明確規定風管直徑,直至《指南》(2014)中增加限定詞“大直徑”,而《規范》(2020)則嚴格規定風管直徑不宜小于1.2 m。目前工程上普遍采用直徑1.8 m的風管。

3)風機選型。瓦斯工區內使用的局部通風機、射流風機均應采用礦用防爆型,對于高瓦斯工區則設置雙風機,一用一備。

4)風管布置。《規范》(2002)和《指南》(2014)規定風管安裝必須平順,且風口到開挖工作面的距離應小于5 m; 而《規范》(2020)將風管送風口到開挖工作面的距離調整為不宜大于10 m。

5)風機布置。為避免污風循環,壓入式通風機應裝設在距洞口20 m洞外或洞內新鮮風流中;而《規范》(2020)將壓入式通風機距回風排污口的距離調整為30 m。

6)通風方式。瓦斯隧道主要采用壓入式、抽出式、巷道式和混合式4種方式通風,其中壓入式通風最為普遍。

7)風速要求。通風風速通常是指隧道內回風流的斷面平均風速,瓦斯工區的類別決定通風風速的最低要求。《規范》(2020)中規定微、低瓦斯工區隧道內通風風速分別不應小于0.15、0.25 m/s,高瓦斯工區及瓦斯突出工區隧道內通風風速不應小于0.5 m/s。

圖8 瓦斯隧道施工通風方案設計流程

2.3.2 瓦斯隧道通風技術工程應用及發展情況

收集到的我國部分瓦斯隧道修建時所采用的通風方式如表2所示。由表可知,目前國內瓦斯隧道施工通風方式中應用最廣泛的是壓入式通風[38]。該方式在圓梁山、徐家灣、新涼風埡等瓦斯隧道[39-41]施工中取得了良好的通風效果。對于一些長大隧道和高瓦斯隧道則通常采用巷道式通風和混合式通風,例如: 天臺寺、云頂高瓦斯隧道采用全負壓巷道式通風; 大茶山隧道采用洞外壓入式、洞內抽出式及全負壓巷道式通風相結合的方式進行通風[42-44]。

表2 我國部分瓦斯隧道修建時采取的通風方式

除此之外: 工程現場應用的通風系統也在不斷優化更新,例如: 通風機制造技術、PLC技術、變頻節能技術和有源控制技術的深入研究進一步促進了通風系統的發展,逐步解決了隧道內通風系統“監而不控,控而不及”的問題[45]。

國內關于瓦斯隧道通風的科研文獻較多。2006年,青山瓦斯隧道[46]施工采用了射流通風技術,成功解決了多作業面通風問題。隨著科技強國戰略的提出與實施,國內各項技術的研究開始向智能化發展。從2010年開始,工程人員開始細分瓦斯隧道施工階段,提出了瓦斯隧道分階段施工通風方案[43],數值模擬軟件也開始應用于瓦斯隧道施工通風技術的研究中[47]。近年來,瓦斯隧道施工通風方案的適用性不斷增加。2021年,一種針對多階段、多次揭煤、多工作面的新型施工通風方案應用于長大瓦斯隧道施工中[48]。王林峰等[38]、王閱章[49]利用Fluent軟件進行正交試驗數值模擬研究,提出了瓦斯隧道施工通風優化設計方案。

由上述發展現狀可知,瓦斯隧道施工通風方式逐漸多樣化,通風系統由低能高噪向高效環保方向發展,通風方案設計方法由工程經驗法轉變為“數值模擬+測量試驗”為主,通風技術的發展趨于智能化。

2.4 隧道揭煤防突技術

2.4.1 隧道揭煤防突技術規范發展情況

隧道掌子面揭煤類似于煤礦石門揭煤,該過程中的突出危險不可忽視。目前,隧道掌子面揭煤防突主要借鑒了煤礦的“四位一體”防突技術,即突出危險性預測、防突措施、防突措施效果檢驗以及安全防護措施。

1)突出危險性預測。《規范》(2002)中規定應在距煤層垂距 5 m 處的開挖工作面打瓦斯測壓孔,或在距煤層垂距不小于 3 m 處的開挖工作面進行突出危險性預測;而《指南》(2014)建議將打設測壓孔時工作面距離煤層的垂距調整為不小于10 m,將進行突出危險性預測的開挖工作面距煤層的垂距調整為不小于7 m。

2)防突措施。早期規范中只有鉆孔排放措施,《指南》(2014)新增了預抽瓦斯、超前管棚、煤體固化等防突措施;《規范》(2020)又新增了水力沖孔防突措施。

3)防突措施效果檢驗。在鐵路瓦斯隧道中防突措施效果檢驗應在距煤層垂距2 m的巖柱以外進行,而在公路瓦斯隧道中檢驗應在距煤層垂距5 m以外的工作面進行。

4)安全防護措施。起初規范中并未明確規定揭煤作業中的安全防護措施,直到2019年才正式列出相關內容。

2.4.2 隧道揭煤防突技術的現場應用與發展情況

隧道工程界在借鑒煤礦揭煤防突技術的過程中,逐漸認識到瓦斯隧道施工與煤礦開采在工程性質、斷面面積、施工工藝和瓦斯治理方式等多方面存在差異。圍繞這些差異,研究人員分別在隧道瓦斯突出危險性預測、瓦斯抽排技術與揭煤施工方法等方面開展了研究。

1)隧道煤層突出危險性預測對于隧道揭煤施工設計極為重要。然而由于隧道施工與煤礦開采存在諸多方面的差異,煤礦開采中所采用的預測體系不完全適用于隧道施工。為了更精確地預測隧道煤層的突出危險性,研究人員采用突變理論、屬性數學理論、層次分析法和三級模糊綜合評價法等非線性數學方法[50-52]進行了預測,取得了一定的預測效果。

2)瓦斯抽排是隧道揭煤防突的核心措施,瓦斯抽排的效果與效率直接影響隧道揭煤的安全性與經濟性。目前,隧道抽放施工常采用穿層網格預抽技術,其可以對多煤層實現整體一次性抽放。另外,大量學者開始對隧道瓦斯抽放系統與鉆孔布置方式進行優化設計,成果如圖9(a)與9(b)所示,并取得了良好的抽放效果[53-56]。但是,隧道煤層普遍具有透氣性差、抽放難度大等問題。圍繞這一難題,研究人員開始采用水力割縫等方式來增加隧道煤層的透氣性,如圖9(c)所示,結果表明這些增透措施能夠極大提高瓦斯抽采效率[57-59]。

3)揭煤施工是隧道安全穿越煤層的關鍵技術。早期,我國瓦斯隧道主要借鑒煤礦的石門揭煤方法,采用全斷面方式揭穿煤層[60]。隨著隧道開挖斷面和橫向跨度的不斷增大,研究人員開始研究針對大斷面隧道的特殊揭煤防突技術[61-63],采用圖9(d)所示的六部法分次揭開煤層,可以降低對圍巖的擾動,減小瓦斯突出風險。同時,考慮到隧道斷面較大,揭煤防突的臨界安全巖柱與煤礦石門揭煤存在一定差異,研究人員采用數值模擬等手段對隧道揭煤防突的安全巖柱厚度進行了研究,獲得了最佳的安全巖柱[64-66],并在此基礎上提出了揭煤取樣的新工藝[67],為瓦斯隧道安全高效揭煤提供了新思路和新方法。

(a) 隧道瓦斯抽采系統及鉆孔布置圖 (b) 煤層底部旋噴圍樁及樁內釋放孔布置圖

(c) 射流割縫導向系統圖 (d) 某隧道揭煤步驟圖(單位: m)

由于地質條件復雜、地勘資料無法全面覆蓋等原因,現場施工過程中經常會出現掌子面瓦斯體積分數無預見性超限,給隧道施工帶來巨大挑戰。本文在重慶雞鳴瓦斯隧道的工程實踐基礎上,提出了針對隧道突遇煤層的揭煤防突工作流程(如圖10所示),增加了突遇煤層瓦斯后的處置措施。該技術流程已成功應用于雞鳴隧道,取得了較好的效果,進一步完善了隧道揭煤流程。

圖10 隧道揭煤防突工作流程

2.5 瓦斯監測與監控技術

2.5.1 瓦斯監測與監控技術規范變更情況

《指南》(2014)明確規定,隧道瓦斯監測需采用自動監測與人工檢測相結合的方式,對于微瓦斯與低瓦斯工區宜采用人工檢測為主的方式,對于高瓦斯與瓦斯突出工區應采用自動監測為主、人工檢測為輔的瓦斯監測方式。在此基礎上,《規范》(2020)將低瓦斯工區的瓦斯監測方式更改為“宜采用自動監測與人工檢測相結合的方式”,提高了低瓦斯工區的瓦斯監測精度。

2.5.2 瓦斯監測與監控技術的工程應用及發展情況

當前,瓦斯隧道主要采用煤礦行業的瓦斯監測與監控系統,包括有毒有害氣體監測、人員定位管理、視頻監控與門禁系統等。其中,瓦斯體積分數是該系統監測的重點內容,也是隧道安全施工的保障。本文通過數值模擬發現,瓦斯氣體從隧道掌子面不同位置涌出后,向洞外擴散的路徑大致可以劃分為3個階段。第1階段為瓦斯聚集階段,具體表現為瓦斯自掌子面涌出后在一定軸向距離L處聚集于風筒對側的拱腰處(L為隧道內某斷面與掌子面的距離),形成圓餅狀的瓦斯分布范圍;第2階段為瓦斯擴散階段,具體表現為瓦斯自風筒對側的拱腰聚集處向隧道中上部擴散,形成條帶狀的瓦斯分布范圍;第3階段為瓦斯穩定分布階段,具體表現為瓦斯自中上部條帶狀分布區域向隧道拱頂擴散,最終聚集于隧道拱頂稍微偏向風筒對側處,直至排出洞外[68-70]。

根據上述模擬結果,本文提出對隧道內瓦斯傳感器的位置進行適當修正,從而更加準確地掌握隧道內瓦斯聚集的程度,避免瓦斯超標帶來的危害。瓦斯傳感器布置示意如圖11所示。在原有瓦斯傳感器T1、T2和T3的基礎上,在風管對側與掌子面的距離l為0.4H～1.3H且小于10 m的斷面處增加1臺瓦斯傳感器T(H為隧道設計高度)。該傳感器緊貼隧道壁面,距離隧道底面的高度h為0.2H～0.5H。該傳感器通過線纜與鉆爆臺車上的T3傳感器連接,然后通過無線收發器向隧道洞外傳遞信號。位于鉆爆臺車上的瓦斯傳感器T3從距離拱頂0.3 m降低至距離拱頂0.2H以內。除此之外,T1、T2瓦斯傳感器在原設計位置的基礎上向風管對側偏移0.5 m。

(a) 隧道瓦斯傳感器布置平面圖

(c) 其他監測斷面瓦斯傳感器布置圖

雖然目前已有許多學者對瓦斯隧道的監測工作進行了相關研究[70-72],物聯網技術、感知層技術等正在興起,工程領域內的瓦斯智能管控平臺也在不斷完善,但是國內關于瓦斯隧道安全監控系統的研究不夠深入,主要存在如下問題: 定位范圍及精度受限、監測設備成本高、未形成與隧道工程特點相符的瓦斯監測體系等。

3 瓦斯隧道施工主要問題探討

3.1 基于絕對瓦斯涌出量的瓦斯工區等級評價方法

瓦斯工區等級是隧道設計與施工的基礎依據,也是施工安全與成本控制的關鍵因素。目前,施工階段的隧道瓦斯工區等級評定指標主要采用絕對瓦斯涌出量Q絕。對于雙車道隧道施工,當0 m3/min1.5 m3/min時,評定為高瓦斯工區。由此可見,絕對瓦斯涌出量的檢測結果將直接影響瓦斯工區等級的劃分。

根據中華人民共和國交通運輸部等現行規范的規定,隧道絕對瓦斯涌出量可通過式(1)計算獲得。

Q絕=Avω。

(1)

式中:A為隧道斷面面積, m2;v為該斷面處的平均風速,m/s;ω為該斷面處的平均瓦斯體積分數,%。其中,平均風速v與平均瓦斯體積分數ω可通過圖12所示的方法檢測獲取。

對于平均風速,選取風流穩定的隧道斷面,首先,按照圖12(a)所示的布局分別檢測出1—12方格內的風速vi(i=1,2,3,…,12);然后,通過算術平均法計算出該斷面的平均風速v。對于平均瓦斯體積分數,在上述同一斷面處按照圖12(b)所示的布局分別檢測出1—6位置的瓦斯體積分數ωj(j=1,2,3,…,6),同樣采用算術平均法計算出平均瓦斯體積分數。最后,將檢測獲取的平均風速與平均瓦斯體積分數代入式(1)中計算獲得絕對瓦斯涌出量。在工程實踐中,隧道寬度通常在10 m以上,高度通常在8 m以上,斷面面積可達百余m2。采用圖12的布局來檢測平均風速與平均瓦斯體積分數時,其空間布局很難精確定位;同時,測試非常耗時,期間經常有工程車輛出入。因此,現行規范所規定的隧道絕對瓦斯涌出量檢測方法幾乎不能有效開展。

(a) 風速測點布置示意圖

(b) 瓦斯體積分數測點布置示意圖

鑒于上述檢測難題,工程界對上述方法進行了改進,只檢測隧道拱頂下方約30 cm處的風速與瓦斯體積分數,并將該點的檢測值作為該斷面的平均風速與平均瓦斯體積分數。通過多次現場檢驗與數值模擬分析發現,該方法所獲取的絕對瓦斯涌出量與真實值的誤差可達1個數量級以上。目前,瓦斯隧道施工大多采取這種以點代面的方法來獲取絕對瓦斯涌出量,進而評定瓦斯工區等級,極其不利于瓦斯隧道的安全施工與成本控制。

綜上可知,采用現行規范所規定的方法和工程實踐中的簡化方法均難以準確獲取大斷面隧道的絕對瓦斯涌出量,進而難以準確評定瓦斯工區等級。因此,大斷面隧道絕對瓦斯涌出量檢測原理與技術手段是制約瓦斯工區等級評定的瓶頸。為了克服該難題,眾多研究者嘗試采用噸煤瓦斯體積、瓦斯壓力、鉆孔瓦斯體積分數等煤層瓦斯參數,并借助熵權物元可拓模型等非線性數學模型來間接預測大斷面隧道絕對瓦斯涌出量,獲得了較好的測試結果[73-77]。但這種間接預測方法對基礎參數與數學模型的依賴程度較高,且計算過程復雜,較難快速應用于工程現場。

3.2 隧道施工階段瓦斯工區等級動態調整機制

隧道瓦斯工區等級評定借鑒了煤礦瓦斯等級鑒定方法。但煤礦瓦斯等級鑒定的區域是開采巷道,包括進風巷、回采工作面、回風巷等。這些巷道的壁面主要為煤炭,回采過程中的瓦斯涌出量相對較穩定。雖然隧道穿越煤層施工類似于煤礦石門揭煤,但該過程中的絕對瓦斯涌出量隨著揭露煤層的情況而呈現明顯的波動特征。

圖13示出天城壩隧道穿越煤層過程中掌子面瓦斯體積分數隨時間的變化規律。依據設計文件并結合現場監測參數,天城壩隧道施工自0時刻起進入煤層,歷時202 d穿過煤層。期間,隧道施工全部按照高瓦斯工區設計,風機一直按照設計的最大絕對瓦斯涌出量進行送風,電氣設備與燃油機械嚴格按照最高防爆級別進行改裝,動火作業全程實行審批制度,其他安全保障措施全程提升至最高級別。雖然天城壩隧道施工安全系數有所提高,但是隧道施工周期和施工成本也大幅增加。

圖13 天城壩隧道穿越煤層過程中掌子面瓦斯體積分數隨時間的變化曲線

由圖13可以看出,施工期間瓦斯體積分數呈現較大波動性,202 d中共有37 d瓦斯體積分數超過規定的臨界值0.5%,約占設計高瓦斯工區施工總時長的18%,其中達到高瓦斯工區的天數只有3 d,占總時長的1%左右,其余34 d為低瓦斯工區。由此可知,施工過程中真正的高瓦斯工區時長非常短,而絕大部分時間(約占總時長的82%)均為微瓦斯工區施工。

另外,在隧道揭煤的不同施工工序掌子面的瓦斯體積分數也有很大差異。本文選取天城壩隧道揭煤過程中的6個掌子面(編號為1#,2#,3#,…,6#),分析6個掌子面在打鉆、放炮、出渣、立架與噴漿過程中的瓦斯體積分數變化規律,結果如圖14所示。由圖可知,6個掌子面的總瓦斯體積分數有較大波動,與圖13規律一致。每個掌子面施工過程中,放炮后的瓦斯體積分數最高,而立架與噴漿過程中的瓦斯體積分數普遍較低。

圖14 不同施工工序時掌子面瓦斯體積分數變化規律

綜上可知,隧道穿越煤層過程中瓦斯涌出量具有波動性,全程按照高瓦斯工區設計與施工并不科學,將極大增加施工成本并延誤施工工期。針對這一問題,已有研究者從施工階段、作業順序、資源配置等方面開展了隧道瓦斯工區等級動態調整研究[78-79],給出了一些建議和方法。但這些方法尚不夠全面,目前仍需要更加系統的隧道瓦斯工區等級動態調整機制。未來可以基于多個瓦斯隧道工程實例,分析研究隧道瓦斯工區等級劃分的影響因素,尋求新的評價指標,完善瓦斯工區等級劃分評價體系,以便于今后瓦斯隧道內施工方案的動態調整,在保證施工安全的前提下實現工程經濟效益最大化。

4 結論與展望

本文對我國瓦斯隧道施工現狀進行了統計分析,并對瓦斯隧道施工關鍵技術的應用及發展情況開展了討論,在此基礎上提出了制約瓦斯隧道安全高效施工的主要問題,主要結論如下。

1)我國瓦斯隧道的主要特征為:瓦斯工區里程長、瓦斯等級高、多分布于中西部地區;瓦斯隧道事故危害性大,主要事故類型為瓦斯燃燒、瓦斯爆炸、瓦斯突出、瓦斯中毒窒息,其中瓦斯爆炸事故最易發生。今后應加強瓦斯隧道瓦斯爆炸事故的預防。隨著瓦斯隧道相關規范的頒布實施以及施工技術的進步,國內瓦斯事故發生率總體呈下降趨勢。

2)隧道瓦斯工區關鍵施工技術主要有超前探測技術、電氣設備與施工機械防爆技術、安全通風技術、揭煤防突技術、瓦斯監測技術等,各項技術在工程實踐中取得了許多階段性成果,但是總體信息化、自動化程度不高。

3)鑒于隧道的施工特征,隧道絕對瓦斯涌出量測定方法與隧道施工瓦斯工區等級動態調整機制仍是制約隧道安全高效施工的主要問題。

瓦斯隧道一直是我國中西部地區交通建設的控制性工程,其施工與運營階段均會存在瓦斯風險。目前亟需從煤礦瓦斯防治基礎理論與技術出發,綜合考慮隧道施工特征,開展隧道瓦斯防治專題研究,并應借助大數據、物聯網等先進的信息技術,推進施工機械設備的一體化、智能化,實現智能建造;還應進一步完善瓦斯隧道設計與施工規范,為我國瓦斯隧道的安全高效施工提供理論與技術支撐。