谈铁路煤层高瓦斯隧道分级管理

高 飞 （中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215000）

1 引言

近年来，随着国内铁路建设市场的蓬勃发展，穿越煤系地层或邻近煤系地层的瓦斯隧道越来越多。在隧道施工中大量出现的瓦斯对隧道施工安全影响极大，而不同的瓦斯等级直接影响着隧道施工的工期、工艺、工序、设备材料及管理措施等。铁道部在2002年实行的《铁路瓦斯隧道技术规范》为瓦斯隧道的勘测、设计、施工及验收过程提供了技术标准，但是，这一分级方法过于简单笼统，无法准确的根据不同隧道内瓦斯的实际分布情况进行合理资源调配。因此，在高瓦斯隧道施工中对瓦斯等级进行划分就尤其必要。科学、合理、准确的瓦斯工区等级划分能够有效的制定应急救援预案，为瓦斯隧道施工安全提供技术支撑，同时能有效控制工程投资及施工成本。本文依托新白沙沱隧道高瓦斯施工经验，对不同的施工段落具体采用的瓦斯防治措施进行研究，旨在为类似隧道施工提供参考。

2 工程概况

2.1 隧道工程概况

新白沙沱隧道全长9974m，最大埋深600m，设置3‰、4‰和-3‰的人字坡。为全线最长的新建单线隧道也是唯一的控制性工程。隧区地形为喀斯特地貌，主要地层由土层、灰岩、页岩、煤层。隧道设置3座辅助坑道：1#横洞全长195m，为6.5%顺坡，为双车道断面；2#横洞全长150m，为2%顺坡，为单车道断面；出口平导位于正洞左侧30m位置，全长2288m，3‰上坡施工，设置7个横通道，为单车道断面。设计共分3个工区进行施工，分别是进口工区（1973m）、1#横洞工区（3653m）、出口工区（4348m）。进口工区设计无瓦斯段落及煤层段落；出口工区正洞及平导进洞200m左右即进入高瓦斯段落；1#横洞转入正洞2300m进入高瓦斯段落。

2.2 瓦斯及煤层情况

新白沙沱隧道将数次穿越吴家坪煤系，煤层及煤系地层均含有大量瓦斯，加之区内矿井瓦斯等级皆为高瓦斯对隧道影响较大，据既有白沙沱4号隧道施工图设计及竣工资料，二叠系吴家坪组（P2W）含煤地层段（K152+334.92～K152+529.92 及 K152+934.92～154+194.92）具高瓦斯煤，具突出威胁，二叠系下统梁山组（P1I）煤系地层段（K152+779.9～K152+979.92 及K153+229.92～K153+529.92）不具突出危险。

煤层自燃与煤尘爆炸问题：据煤炭科学研究院总院重庆分院对测区内盈胜煤矿送交的煤样经煤尘爆炸性和煤炭自燃倾向等级进行鉴定，结果为煤尘具爆炸性危险，煤的自燃倾向为3类，即不易自燃。

结合既有线附近相同地层隧道施工经验，隧道瓦斯工区段落见表1、表2。

2.3 新白沙沱隧道设计各工区定义

进口工区：设计施工段落内无煤系地层、无瓦斯段落，定义为高瓦斯工区；1#横洞工区：设计第一个瓦斯段落为高瓦斯段落，距离交叉口2426m，总共穿越2段煤系地层，揭煤施工2次，定义为高瓦斯工区。出口工区：出口平导进洞203m进入高瓦斯段落，出口正洞进洞260m进入高瓦斯段落。总共平导穿越4段煤系地层，揭煤施工4次；出口正洞穿越7层煤系地层，揭煤施工6次。出口工区定义为高瓦斯工区。

3 高瓦斯隧道施工分级管理应用背景

在项目施工前期，本隧道出口及横洞工区均全部按照高瓦斯隧道工区进行组织施工，其中对机电设备改装、瓦斯监测系统+人工瓦斯检测、通风管理、洞内不动火施工、瓦斯隧道爆破施工等均按照规范要求实施。其一是在未进入瓦斯地段时按照高瓦斯隧道爆破施工要求采用等级不低于三级的煤矿许用含水炸药和煤矿毫秒电雷管（只有5段＜130ms，实现整体光面爆破困难），完成单位爆破作业量增加30%左右炸药、雷管数量，同时增加了钻孔约20%左右，因断面较大，Ⅱ、Ⅲ级围岩需采用台阶法施工（全断面施工需分2次进行爆破），综上所述，极大的增加了施工组织难度和施工成本。其二是专业通风管理，按照高瓦斯隧道要求必须不间断通风，与普通隧道通风费用相比增加60%。为确保高瓦斯隧道施工安全及施工进度，减少不必要的施工投入，对高瓦斯隧道各工区划分及工区内各段落施工分级管理非常必要。

新白沙沱隧道正洞瓦斯段落 表1

新白沙沱隧道出口平导瓦斯段落 表2

4 规范定义瓦斯等级划分

《铁路瓦斯隧道技术规范》中对瓦斯隧道、瓦斯段落和瓦斯工区的定义。

①瓦斯隧道规定只要隧道内存在瓦斯，不论瓦斯瓦斯浓度高低、瓦斯出现在任何段落均定义为瓦斯隧道。根据隧道内各施工工区的最高级，瓦斯隧道可分为低瓦斯隧道、高瓦斯隧道和瓦斯突出隧道3种。瓦斯隧道分级主要由设计阶段依据地表深孔钻探的瓦斯涌出量和瓦斯压力，并结合周边环境的调查来确定。

②瓦斯工区瓦斯工区的划分按瓦斯涌出量和瓦斯压力分为四类：当全工区未监测到瓦斯时为非瓦斯工区；当瓦斯绝对涌出量小于0.5m3/min时为低瓦斯工区；当瓦斯绝对涌出量大于或等于0.5m3/min时为高瓦斯工区；当瓦斯压力大于或等于0.74MPa、具有突出危险时，为瓦斯突出工区。

③对于瓦斯工区划分，要求在施工阶段根据开挖后揭示的实际情况进行修正，尤其是对于煤层突出危险的判断，必须在开挖工作面进行现场检验和核实。但由于现场施工中对瓦斯难以进行压力和绝对涌出量的测定，而主要是通过监测瓦斯浓度。按照瓦斯浓度结合设计瓦斯段落划分、煤层分布、已检测煤层指标对其进行高瓦斯隧道施工进行分级管理。

5 高瓦斯隧道施工分级管理

5.1 取消不必要的瓦斯工区

应更具设计资料、地质调查资料、周边煤矿情况对瓦斯工区进行划分。整个工区施工所在区段内无煤层、瓦斯段落，在与存在明确瓦斯段落工区贯通前按照非瓦斯工区进行施工管理。其中施工注意以下两点：

①在此施工中注意现场对施做超前水平钻孔和加深炮孔，管理人员携带便携式瓦检仪进行检测；

②若与瓦斯工区贯通后建议对其贯通面进行封闭处理，否则按照相应瓦斯工区等级对本工区进行改造，切要提前改造。

5.2 高瓦斯工区不同段落管理

①进入第一个瓦斯区段100m前按照非瓦斯工区管理，但整个工区配置按照高瓦斯工区设置（如图1所示），主要注意事项及要求如下：

图1 瓦斯工区管理示意图

a.瓦斯检测采用人工光瓦进行检测，检测频率4小时检查一次，注意爆破“一炮三检”，要求瓦检员必须为具有专业瓦检员取证人员；

b.爆破采用普通2#岩石乳化炸药，要求采用正向起爆方式；

b.不要求移动设备防爆改装；

c.固定设备比如衬砌台车、喷溅车采用防爆型，后期进入瓦斯段落前仍需要改装；

d.若第一个瓦斯段落距离洞口大于1000m时，洞内电缆在高压进洞时（进洞800m）进行防爆型更换，尤其高压电缆及变压器、防爆开关、综保开关等，避免进入高瓦斯段落时一次更换量大及重复投入；

e.通风风筒直接采用双抗风筒（防静电、阻燃），且保证风筒抗压要求（大于7MPa），风机要求“三专两闭锁”，但不要求不间断通风；

f.洞口值班室设置瓦检室、门禁系统、防静电系统，严格瓦斯进洞管理制。

②施工穿过低瓦斯区段进入非瓦斯区段但未至高瓦斯段落，距离高瓦斯段落100m前，按照低瓦斯管理（如图2所示），主要注意事项及要求如下。

图2 瓦斯工区管理示意图

a.瓦斯检测采用人工+瓦斯自动检测系统监测检测；

b.不要求移动设备防爆改装；

c.施工爆破根据此段落围岩及瓦斯情况：若为一般无煤系地层且掌子面瓦斯浓度小于0.5%，采用普通乳化炸药爆破施工；若掌子面瓦斯浓度在大于0.5%，采用三级煤矿许用含水炸药及煤矿许用电雷管；在煤层区域及揭煤施工严格采用相应等级的煤矿许用炸药及电雷管，必须采用正向装药，水炮泥封孔。

③施工穿过高瓦斯段落进入非瓦斯区段施工要求（如图3所示）。

图3 瓦斯工区管理示意图3

a.加强瓦斯检测，尤其“一炮三检”，瓦检频率调整为2h检查1次，采用人工+瓦斯自动检测系统监测检测；

b.进洞电器及机械设备必须采用防爆型或尽行防爆改装；

c.施工爆破根据此段落围岩及瓦斯情况：若为一般无煤系地层且掌子面瓦斯浓度小于0.5%，采用普通乳化炸药爆破施工；若掌子面瓦斯浓度大于0.5%，采用三级煤矿许用含水炸药及煤矿许用电雷管；在煤层区域及揭煤施工严格采用相应等级的煤矿许用炸药及电雷管，必须采用正向装药，水炮泥封孔。

d.通风严格按照高瓦斯通风管理，采用专业通风，风筒直接采用双抗风筒（防静电、阻燃），且保证风筒抗压要求（大于7MPa），风机要求“三专两闭锁”，24h不间断通风。

④高瓦斯工区高瓦斯段落严格按照《铁路瓦斯隧道技术规范》要求组织施工。

6 瓦斯隧道施工主要注意事项

6.1 瓦斯隧道常见数值规定及处理措施

①瓦斯爆炸的三个条件

瓦斯爆炸必须具备三个基本条件，缺一不可。一是空气中瓦斯浓度达到5%～16%；二是要有温度为650℃～750℃的引爆火源；三是空气中氧含量不低于12%。

②瓦斯爆炸界限（见图4）

图4 瓦斯爆炸界限示意图

③隧道内瓦斯浓度限定及处理措施

序号 地点 限值 超限处理措施1 低瓦斯工区任意处 0.5% 超限处20m范围内立即停工，查明原因，加强通风监测2 局部瓦斯积聚（体积大于0.5m3） 2.0%超限处附近20m停工，断电，撤人，进行处理，加强通风1.0% 停止电钻钻孔1.5%超限处附近20m停工，断电，撤人，进行处理，加强通风等4 回风巷或工作面回风流中 1.0% 停工，撤人，处理5 放炮地点附近20m风流中 1.0% 严禁装药放炮6 煤层放炮后工作在风流中 1.0% 继续通风，不得进入7 局扇及电气开关10m范围内0.5% 停机，通风，处理8 3 开挖工作面风流中及开关附近20m范围内 1.5%停止运转，撤出人员，切断电源，进行处理9 竣工后洞内任何处 0.5% 查明渗漏点，进行整治电动机

④爆破瓦斯浓度要求

a.洞内爆破管理应严格执行“一炮三检制”（装药前、爆破前、爆破后都必须检查爆破地点附近的瓦斯,当瓦斯浓度超过0.75%不准爆破）和“三人连锁放炮制”，必须采用正向装药水炮泥封孔。

b.爆破后，待工作面的炮烟吹散（通风时间不少于15min），爆破工、瓦检员、安全员、班组长必须首先巡视爆破地点，检查通风、瓦斯、煤尘、拒爆、残爆等情况。如有危险情况，必须立即处理。在瓦斯浓度小于1%，二氧化碳浓度小于1.5%,并解除警戒后，作业人员方可进入开挖工作面作业。

⑤高瓦斯隧道通风要求

a.通风机必须设置两路电源并装设风电闭锁装置。停电后，须在10min内启动备用电源，实行24h不间断通风。

b.在衬砌台车附近及其它瓦斯易于聚集的空间，设置空气引射器、气动（电动）局扇（局部通风机）等设备，以达到局部风速不小于1m/s，防止瓦斯聚集。

c.因检修、停电的原因停风时，必须撤出人员，切断电源，恢复通风前，必须检查瓦斯浓度。当停风区中瓦斯浓度不超过1%，并在压入式局部通风机及其开关地点附近10m以内风流中的瓦斯浓度均不超过0.5%时，方可人工开动局部通风机。

⑥测量设备要求

高瓦斯瓦斯工区使用的光电测距仪及其他有电源的设备，应采用防爆型，当采用非防爆型时，在仪器设备20m范围内瓦斯浓度必须小于0.75%。

6.2 高瓦斯隧道施工主要注意事项

6.2.1 门禁管理

必须在洞口设置火种、电源（电池）电器、进洞人员安全检查站和静电释放装置。严禁携带火种、电池电源、穿着产生静电的服装进入瓦斯工区；进入高瓦斯、瓦斯突出工区人员必须携带隔绝式自救器，非防爆型车辆不得进入。

6.2.2 瓦斯检测

①高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道必须采用自动和人工两套瓦斯监测预警系统；低瓦斯隧道必须进行瓦斯检测。

②瓦斯自动监测系统、瓦斯检测仪器设备，必须具有生产许可证、产品合格证、安全鉴定证、安全标志；安装后必须经过项目上级安监部门或专业机构验收合格后方可投入使用；且必须由专业人员定期实施调试、校验；必须具有瓦斯超限断电功能，断电范围符合规定。

③管理人员和现场带班人员必须携带便携式甲烷检测报警仪进入隧道。

④瓦斯监控必须实行24h不间断值班制度；煤与瓦斯突出危险作业地段，必须派专人全过程检测。

6.2.3 瓦斯隧道通风

①通风系统必须采用防爆型风机并设置备用通风机、阻燃型防静电风管，风机距洞口不小于20m，风管口到开挖工作面应小于5m。风机必须设置两路电源并装有风电闭锁装置。

②在易形成瓦斯聚积部位，必须采取局扇通风或封闭处理。

③必须保证隧道24h不间断通风；需停机时，必须按程序提前申请并报批。

④通风必须实行“三专两闭锁”。

6.2.4 瓦斯隧道探测

瓦斯隧道施工过程中，必须遵照设计及规范要求实施地质复查和超前探测。新白沙沱隧道采用超前地质钻探+加深炮孔方式，在整个隧道贯通进行超前瓦斯探测，在瓦斯检测时要对超前水品钻孔内瓦斯浓度进行测量。

6.2.5 瓦斯隧道机电设备

①高瓦斯和瓦斯突出工区的施工机械和电气设备必须是防爆型；施工机械防爆改装，必须委托有相应资质单位实施改装，改装后必须经有资质的机构进行防爆试验和验收。

②高压固定电缆和开挖工作面的电缆必须采用铜芯。

③开挖工作面必须采用ExdⅠ型矿用防爆照明灯，移动照明必须使用防爆矿灯。

④所有进洞线路，包括动力电缆、照明电缆、瓦斯监控系统电缆及通信电缆均必须在洞口安装避雷器。

6.2.6 瓦斯隧道动火管理

①瓦斯隧道内及隧道口20 m范围内为禁火区，所有动火作业均需按照动火管理制度执行；

②动火作业应接受项目部安全员、瓦检员的监督和检查。作业前清除一切可燃物、助燃物，瓦检员对瓦斯进行测定，瓦斯限值降到规定浓度时才可进行动火作业，同时加强隧道通风。作业过程中，瓦检员应随时对动火区域20m范围内进行瓦斯检查，出现异常情况，安全员、瓦检员有权停止动火作业。

③“三把锁”制度：首先对动火小型工具进行严格管理，并用3把锁锁闭，专职瓦检员、安全员、监理人员各持一把钥匙，当必须使用时，应严格执行动火申请审批程序。施工时瓦检员、安全员、监理人员必须全过程监测瓦斯浓度，同时对作业地点强化局部通风措施，保证该范围内瓦斯浓度不超过0.5%。必须在作业区10m范围内配备不少于2具灭火器材，安全员跟班作业，确保万无一失。施工现场20m范围不得有可燃物，并设应急水管。作业完成后由专人检查，对现场进行降温，确认无残火后方可结束作业。其次需要动火的特种工序施工时，现场专职瓦检员、安全员、监理人员必须三到位，否则禁止作业。最后需要动火的特种工序施工结束后，对施工中可能产生高温、产生明火的电气焊、防水板爬焊机和超声波热熔焊机、止水带热硫化焊接等小型机具设备进行锁闭，并采取“三把锁”制度。

7 结束语

瓦斯隧道施工安全风险巨大，管理制度落实到位尤为重要，应使全体参建人员充分认识并掌握瓦斯的特性，了解瓦斯的危害，采取科学防范措施。通过对新白沙沱隧道进行瓦斯分级管理，并按照《铁路瓦斯隧道技术规范》要求落实相应管理措施，不但确保了该高瓦斯隧道施工期间的安全，同时大大控制了施工及管理费用，提高了控制性工程的施工进度，为后续的类似工程提供了有价值的借鉴意义。