高瓦斯引水隧洞瓦斯涌出量核定及通风系统优化调整研究

张孝广

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

0 引言

2016年7月14日上午06：17分万州新长滩引水隧洞1号施工支洞下游面2+560底板在现场施工钻孔时底部大量的气体外冒并伴有刺鼻臭鸡蛋气味，同时发现掌子面右侧下方3个炮孔有气体涌出现象，造成停工停产120余天，严重影响工期进度。因此研究该隧洞有毒有害气体气源、核算气体涌出量并预测评价，动态调整隧洞安全设防等级，为后期采取具有针对性、安全性、经济性技术措施，保障施工安全提供决策依据。国内目前引水隧洞施工过程中，由于地勘资料局限性，很少对地面勘察钻孔直接进行有毒有害气体检测，尤其在炭质页岩或浅层天然气地层中施工，由于其储藏分布特征分散、随机，在地质构造、断层、节理发育带，通常就会溢出有毒有害气体，当后期开挖过程中突然揭露有毒有害气体地层，造成开挖空间气体浓度超标，对现场施工环境构成威胁[1-3]。通过本隧道瓦斯涌出量核定及提出相应通风系统优化措施，指导现场施工，确保安全生产具有重要意义，同时为类似引水隧洞施工积累一定施工经验。

1 工程概况

1.1 有毒有害气体概况

截止2016年7月13日，新长滩电站引水系统工程1号支洞下游掌子面开挖至2+560，1号支洞上游掌子面开挖至1+793，2号支洞上游掌子面开挖至2+786。1号支洞下游掌子面与2#支洞上游掌子面相距226m实现贯通，如图1。现场检测结果为：正常通风情况下，硫化氢浓度≥100ppm(规范允许浓度<6.6ppm)、瓦斯浓度≥5%(规范允许浓度<1%)，因现场缺少其它有害物质检测设备，是否有其它有毒有害气体暂不能确定[4]。为确保施工人员及设备安全，将1号支洞上、下游工作面已全部停工，洞内作业人员已全部撤离至洞外，洞内24h持续通风。

1.2 气源分析

隧址区域地处四川盆地东北边缘，地貌以方斗山背斜为界，方斗山背斜以西属川东平行岭谷部分，呈现出一山一谷一台相间的地貌景观。区内地热资源受地质构造控制，分布于方斗山背斜两翼、七曜山背斜北西翼，龙驹坝背斜两翼，其次为铁锋山背斜两翼、假角山背斜南东翼。各背斜轴部主要为三叠系嘉陵江组碳酸盐岩及巴东组的碳酸盐岩夹碎屑岩；翼部为三叠系须家河组长石石英砂岩夹碳质页岩或煤层及侏罗系砂岩、泥岩不等厚互层[5-7]。

综合地质勘察资料、开挖揭露及现场踏勘走访情况，该隧洞地勘资料显示1号支洞工区上覆岩层均不含煤系地层，但附近有乡镇煤矿，长滩镇地热资源相对丰富，自然出露的天然温泉水质含有硫化氢。根据《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120-2019)：“由于瓦斯的来源除煤系地层外还有油页岩及含天然气、石油地层，所以本规范将后者统称含瓦斯地层，与煤系地层一起作为瓦斯地质的工作对象”[8]。该隧洞施工期间的有毒有害气体涌出来源，可能为深部煤层瓦斯或天然气经长期释放并运移至隧洞岩体裂隙内，经断层、地层裂隙向上运移，在开挖爆破时涌出至掌子面风流中。

图1 万州新长滩引水系统工程1#与2#支洞平面示意图Fig.1 Schematic plan of No.1 and No.2 branch tunnels of wanzhou new long beach water diversion system project

2 检测评价

本文通过对新长滩电站引水系统工程1号支洞选择4个全断面进行有毒有害气体浓度及风量测定，并采集气样进行实验室分析，如图1。经相关公式核算正常通风条件下绝对瓦斯涌出量大小，并依据规程判定瓦斯危险等级，为后期施工提供决策依据。

2.1 测点布置

1号检测断面位于1号支洞洞口向里约50m八字口处，断面里程为2+201(已完成初支)，测量断面面积约为15.37m2。

2号检测断面位于1号支洞与主洞交叉口向里约20m处，断面里程为2+221(已完成初支)，测量断面面积约为26.79m2。

3号检测断面位于1号支洞下游风筒出风口向里约10m处，断面里程为2+405(已完成初支)，测量断面面积约为26.46m2。

4号检测断面位于1号支洞下游掌子面退后约10m处，断面里程为2+550(已完成初支)，测量断面面积约为26.84m2。

每个测定断面设置5个测点，分别位于隧洞拱顶(5)、左拱肩(3)、右拱肩(4)、左拱脚(1)、右拱脚(2)处，如图2。每班测定时各测点测定3次，取其均值为该点当班测定结果，见表1。

2.2 实验室分析

2016年7月14日新长滩电站引水系统工程1号支洞下游隧洞掌子面(桩号2+560)有毒有害气体涌出点孔口附近采集4个气样，并采用气相色谱仪(美国安捷伦)进行实验室气样成份分析，见表2。从气样分析检验结果来看，1号支洞下游掌子面采集的4个气样中均含有甲烷成份，且甲烷浓度最高为1.32%，并根据现场瓦斯检测数据，新长滩电站引水系统工程1号支洞下游隧洞掘进时涌出的气体中含有瓦斯，判定新长滩电站引水系统工程1号支洞工区为瓦斯工区。

表2 1号支洞下游掌子面气样分析检验

2.3 涌出量核算

某班某断面各测点的瓦斯浓度测定结果的平均值为该班该断面瓦斯浓度的测定结果；考虑到所测巷道断面为25m2左右，风速测定采用全断面线路法，每班每断面测定3次，取平均为该班该断面风速。

(1)风量计算。

Q=(S-S1-S2)×60×V

式中：

Q—风量，m3/min；

S—隧洞断面，m2；

V—风速，m/s；

S1—测风员所占面积为0.4，m2；

S2—1号支洞下游隧洞风筒所占面积为0.5，m2。

(2)绝对瓦斯涌出量。

Q绝=风量×浓度=Q×P

式中：

P—瓦斯实测加权平均浓度，%。

(3)某班某断面绝对瓦斯涌出量计算。

QW=S0×(V1+V2+V3)÷3×60×(P1+P2+P3+P4+P5)÷5÷100

式中：

QW—当班该断面瓦斯涌出量，m3/min；

S0—该断面有效面积，即隧洞断面减去风筒及测定人员所占面积，m2；

V1、V2、V3—当班该断面各次测定风速，m/s；

P1-P5—当班该断面各测点测定的瓦斯浓度。

(4)某日某断面绝对瓦斯涌出量计算。

Q1=(Q11+Q12+Q13)/3

式中：

Q1—1号断面当日瓦斯涌出量，m3/min；

Q11、Q12、Q13—1号断面早、中、晚班瓦斯涌出量，m3/min。

(5)某日某工区绝对瓦斯涌出量计算。

Q=Qij/(i×j)=(Q1早+Q1中+Q1晚+Q2早+Q2中+Q2晚+Q3早+Q3中+Q3晚+Q4早+Q4中+Q4晚)/12

式中：

Q—当日某工区绝对瓦斯涌出量，m3/min；

Qij—当日某工区总瓦斯涌出量，m3/min；

i—1#、2#、3#、4#断面；

j—早、中、晚3班。

(6)工区绝对瓦斯涌出量。

比较某工区某天的测定结果，取该工区某天中最大者为该工区绝对瓦斯涌出量，进而确定该工区瓦斯等级[9]。

2.4 预测评价

根据数据相关参数及核算公式对新长滩电站引水系统工程1号支洞下游隧洞工区瓦斯涌出量进行核算，见表3。

由表3可以看出，新长滩电站引水系统工程1号支洞工区绝对瓦斯涌出量为1.88m3/min，依据《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120-2019)中“低瓦斯和高瓦斯工区可按绝对瓦斯涌出量进行判定”。该1号支洞下游隧洞2+560-2+786段判定为高瓦斯工区。

表3 1号支洞下游隧洞瓦斯涌出量核算

3 防治技术措施

3.1 总体思路

利用现有通风系统加强1号支洞上、下游作业面通风，将1号支洞内各气体浓度降至要求限值以下，1号支洞新增1台风机和1趟风筒，在三岔口处接1号支洞下游原有风筒。三岔口附近50m范围内有毒有害气体浓度降至要求限值以下，具备安全作业条件后，安设1套有毒有害气体自动监控系统，同时将1号支洞下游进行临时密闭。密闭后期，在密闭墙处临时拆除下游风筒，停止向下游作业面供风，单独向1号支洞上游作业面供风。洞口建立移动抽放泵站抽排密闭空间内有毒有害气体至洞外，然后恢复1号支洞上游作业面施工。

总体路线：调整通风系统—建立气体自动监控系统—密闭1号支洞下游—抽排密闭气体—恢复1号支洞上游施工—恢复2号支洞上游施工。

3.2 密闭前硫化氢临时处置

1号支洞下游作业面是反坡施工，隧洞内裂隙水均汇聚到掌子面附近区域，导致目前掌子面底板3个有毒有害气体涌出点均浸泡在积水中，涌出的硫化氢经积水区域后涌向洞内。根据硫化氢易溶于水，易与石灰水、碱水反应生成氢硫酸的特点，可直接在积水处加入大量石灰，搅拌使其中和反应充分，或者通过隧洞内现有的高压水管向洞内输送石灰水。

鉴于目前1号支洞下游作业面有毒有害气体浓度依然超限，人员不可冒险进洞处置，隧洞洞口外修建1个3×3×1m3的储水池，在水池内混入14kg石灰，与水充分搅拌均匀，利用洞外高压水泵经供水管将石灰水直接压入洞内掌子面积水处。高压水泵进水口处设置过滤网，防治石灰堵塞。

3.3 密闭前通风系统优化调整

鉴于1号支洞2个工作面未形成独立供风系统，而是采用三叉风筒同时向1号支洞2个工作面供风，不符合相关规范要求。如需进行洞内密闭墙作业，必须先进行以下优化和调整：

(1)利用现有通风系统加强1号支洞上、下游作业面通风，将1号支洞各气体浓度降至要求限值以下，具备安全作业环境。

(2)将三岔口处下游风筒拆断并临时绑扎，1号支洞洞口外新增1台2×55kw対旋式轴流通风机，并新增250m长直径Ф0.8m风筒，从新增风机处接到1号支洞三岔口处，与下游拆断的风筒接通，向下游工作面独立供风，如图3。

图3 1号支洞通风系统优化调整后平面图Fig.3 Plan of ventilation system optimization and adjustment of No.1 branch hole

3.4 监控系统布设

在通风系统改造调整完毕后，在1号支洞安设1套监控系统，自动监控洞内有毒有害气体情况，保障密闭墙施工期间作业人员的安全，如图4。

自动监测采用KJ90矿用安全监控系统，对隧洞内总回风处、三岔口处及开挖掌子面处分别布设瓦斯、硫化氢、一氧化碳、氧气、风速等传感器对各参数的变化情况进行实时监测和记录，并结合人工监测数据比对分析，提前对隧洞内施工环境概况预测预警，以确保施工安全。

图4 1号支洞气体自动监控系统布置示意图Fig.4 Layout of gas automatic monitoring system in No.1 branch hole

3.5 密闭施工及工序优化调整

密闭工作开展前，新增1台风机保障1号支洞2个作业面独立供风，并加强1号支洞上、下游通风，将1号支洞与主洞交岔口附近50m范围内有毒有害气体浓度降至要求限值以下，在交岔口处具备安全作业条件后，方可进洞施工密闭墙。

在垒砌砖墙前期，1号支洞上、下游不得停风，必须持续通风。墙体砌到后期仅留有拱顶风筒口大小时，关闭下游供风风机，继续运行上游供风风机，将下游供风风筒在密闭墙处拆断，快速将墙体遗留的风筒缺口封堵密闭。密闭施工完毕后通过后期洞口建立移动抽放泵站抽排密闭空间内有毒有害气体至洞外排放，如图5。

图5 1号支洞下游密闭施工后通风系统图Fig.5 Diagram of ventilation system after closed construction downstream of No.1 branch hole

鉴于目前1号支洞下游掌子面与2号支洞上游掌子面未开挖段2+560-2+786相距仅226m，且2号支洞上游隧洞内暂未检测出有毒有害气体。在保证2号支洞通风系统优化调整完毕后，方可进行超前地质预报工作，利用超前钻探手段进行全程钻探，释放瓦斯等有毒有害气体后方可恢复开挖工作，如图6。

图6 2号支洞通风系统优化调整后平面图Fig.6 Plan of ventilation system optimization and adjustment of No.2 branch hole

4 结论

(1)通过现场检测及实验室分析评估该1号支洞工区瓦斯绝对涌出量核算为高瓦斯隧洞，应严格按照高瓦斯隧洞管理。

(2)复工前对通风系统优化调整，加装瓦斯自动监控系统，合理布局施工工序，保障施工安全，具有一定经济性、安全性和可操作性。

(3)鉴于本测定为停工状态下检测评估，未完全反应正常施工状态下瓦斯涌出状态，现场施工过程中应随时进行瓦斯人工和自动监测；同时加强超前地质预报和地质钻探工作，钻孔搭接长度不小于5m，防止误穿裂隙造成有毒有害气体涌出事故，所有进入隧洞人员复工前进行有毒有害气体防治专题培训会，落实安全组织保障措施、组织机构与职责、工期安排、相关安全培训、突发性事故应急救援预案及演练等内容。