高瓦斯引水隧洞通风与检测监控技术

高俊

中铁六局集团天津铁路建设有限公司 天津 300000

1 前言

在高瓦斯隧洞施工中如果发生瓦斯窒息、爆炸、燃烧，则会极具危害性，而发生瓦斯燃烧或爆炸所必须具备的三个条件：瓦斯要达到一定浓度、有一定温度的引火源、氧气浓度达到一定数值。通风是降低瓦斯浓度，防止瓦斯爆炸的最主要措施，通风主要有两个目的，一是冲淡和稀释瓦斯，二是防止瓦斯在角隅和洞顶滞留。前者主要与风量有关，而后者主要与风速有关。瓦斯隧道一般使用压入式风机通风，通风时风速大于1m/s，为了保证洞内瓦斯浓度不超过允许标准值，施工期间需保证24小时不间断通风。瓦斯检测监控是瓦斯隧洞施工的“眼睛”，能够及时发现瓦斯逸出情况，是否存在瓦斯积聚浓度超标，以便于及时采取措施，保证施工安全[1]。

2 工程概况

工程主体为引水隧洞，主洞全长12256.514m，隧洞为有压隧洞，开挖断面为圆拱斜墙，衬砌后成洞断面为圆形，成洞直径为3.9m。隧洞开挖钻眼过程中发生瓦斯逸出，造成施工停止。工程区位于华北古陆东北部的金岭寺——羊山盆地中部，盆地内堆积了侏罗系和白垩系火山沉积地层，断层和褶皱构造发育，节理裂隙发育。断裂构造是瓦斯运移的主要通道。根据地层生成和沉积条件，工程区内具备油层气生、储、盖的条件。瓦斯气体生层主要为侏罗系下统北票组地层的沉积岩，储层主要为侏罗系上部沉积的砂岩、砂砾岩，盖层为白垩系的火成岩，综合判定该洞段为高瓦斯工区，掌子面单位时间瓦斯最大涌出量估算值预测为0.72m/min。

3 高瓦斯隧洞通风

3.1 通风方式

本标段C1#高瓦斯隧洞，斜井长度1632m，主洞上游施工长度1292m，计算得出独头掘进最长距离2924m。按照正常施工安排，主洞上、下游会产生必不可避免的交叉，造成相互干扰，所以在下游起点位置安装封闭门，暂停下游施工，达到独头掘进、通风的效果。

图1 瓦斯洞段通风系统示意图

根据现场已具备的施工条件，为确保高瓦斯隧道通风达标，通过通风量计算，考虑场地制约的因素，最终确定通风方式为压入式通风。在距离斜井入口25m位置安装2台功率75kW的压入式轴流通风机，并设置1套备用，风筒采用直径1m的高性能抗静电阻燃通风管，风机口70m范围内风管需具备刚性骨架，风管安装在隧道拱顶，从斜井口延伸直至作业面5m范围内，为了减小掌子面爆破产生的飞石对风筒造成的损坏，将末端10m范围内的风筒更换为橡胶材质。

风机将风压入后，回风沿着主洞上游、斜井排放至洞外，最终达到压入风量与回风量相同的目的，此通风方式简单经济、稳固可靠。对于斜井避车洞及主洞调车洞等瓦斯易于积聚至高浓度的部位，增加功率10kW的射流风机来增加通风量。

按照上述的通风排放方式进行施工，保证隧道通风效果达标，瓦斯浓度低于灾害浓度。

3.2 临时封闭门

高瓦斯隧洞按照正常施工安排，主洞上、下游会产生必不可避免的交叉，造成相互干扰，在下游起点位置安装封闭门，暂停下游施工，达到独头掘进、通风。临时封闭门采用型钢和钢筋骨架，敷设1mm铁皮，与岩面接触四周采用泡沫胶进行封闭。

3.3 备用电源

隧道供电线路为农网改造，为避免施工过程中停电致使洞口通风机停止运行，在斜井口安装备用电源，备用电源为500kVA的发电机一台，线路连接双电源自动转换开关，配备1名专业电工进行日常维护、保养、试运行，并做好相应记录。发生供电线路故障停电后，确保在10分钟内启动发电机发电，恢复通风机及洞内照明等设备运行，保证隧道内供风量。

3.4 备用通风机

备用一套2×75KW同等性能的备用通风机，并保持良好的使用状态，在主风机出现故障时将通风管换到备用通风机上保证施工通风正常进行，同时抢修主通风机。

3.5 局部特殊区域通风

3.5.1 风筒分支排放法

针对塌方部位，在风筒上增加‘三通’，或安装一根直径小于原风筒的分支当做内筒，向塌方部位空洞内持续送风，防止瓦斯积聚导致浓度超标。

3.5.2 压风排除法

在原有高压风管上连接若干个支管，每个支管上安装喷嘴，喷嘴可吹出高压风，利用喷嘴吹出的高压风将积聚的瓦斯吹散稀释。当掌子面发生塌方或涌水造成塌腔时，也可以采用此方法防止瓦斯积聚[2]。

4 高瓦斯隧洞检测监控

高瓦斯隧洞施工期间，设置瓦斯检测、监控系统，瓦斯检测监控、系统分为两部分，包括瓦斯自动监控系统与人工检测测系统，将检测与监控列为重要施工工序进行管理，由施工现场负责人主管，根据瓦斯浓度、风速/风量双指标组织安全施工管理。

4.1 检测仪器配备、布置及管理

隧道内按规定安装瓦斯自动检测报警断电系统，实行瓦斯电闭锁。

（1）手持式

①光干涉瓦斯检测仪

由瓦检员配备，定期进行检测。

②便携式瓦斯检测报警仪

由班组长、司机、入洞检查管理人员配备，随时检测。

③有害气体检测仪

与便携式瓦斯检测报警仪配合使用。

（2）固定式

①甲烷传感器（瓦斯自动检测报警断电装置）

垂直悬挂在隧道拱顶，距离拱顶不大于30cm，距离侧墙不小于20cm。

（3）监控系统

在掌子面安装低浓度瓦斯传感器，设定好报警点，持续检测瓦斯浓度，当浓度超标时，传感器、地面中心站同时发出声光警报；当浓度超过设定好的断电指标时，通过馈电断电器自动控制洞外的磁力开关实现洞内断电。

（4）监控系统传感器布置

主洞距开挖掌子面5m处布设甲烷传感器3个（分别布设在拱顶及拱腰位置）；距开挖掌子面15m处布设甲烷传感器1个；开挖洞段支洞每500m左右、主洞每200m左右拱顶下设甲烷传感器1个。随着隧洞不断掘进传感器同时前移增设。

（5）传感器的布置安装要求

各种传感器的安装应符合《煤矿安全规程》及《铁路瓦斯隧道技术规范》的相关规定，并应满足下列要求：

①开挖工作面传感器布置要求

a.甲烷传感器报警浓度：0.5%CH4。

b.自动断电浓度：1.5%CH4。

c.允许复电浓度：0.5%CH4。

d.断电范围：开挖工作面中全部电气设备。

使用该设备断电的开挖工作面，只允许人工复电。人工进行复电前，必须由瓦检员进行瓦斯浓度检查，确定瓦斯浓度在允许范围之后，方可由专业电工进行人工复电。

②回风区传感器布置要求

瓦斯隧洞回风区，报警浓度为0.5%CH4，瓦斯断电浓度为1.5%CH4，复电浓度为0.5%CH4，断电范围为回风区全部电气设备。

③其它：传感器应自由悬挂于距拱顶不大于0.3m处，其迎风流和背风流0.5m之内不有阻挡物；传感器悬挂处支护要良好，无滴水，台车、机械行走过程等不会损坏传感器。

（6）设备管理

①所有检测设备必须定期进行调试、校正，每月至少1次，由煤矿专业部门人员进行调试与校正。甲烷传感器、便携式甲烷检测报警仪等采用载体催化元件的甲烷检测设备，每隔7日进行一次校准气样和空气样调校，并按照甲烷超限状态测试断电功能。如发现设备出现故障，及时进行维修，设备故障期间采取相应的安全措施。

②将检测设备及电缆的检查列为日常工作，每日必须仔细检查，对比便携式甲烷检测报警仪或便携式光学甲烷检测仪与甲烷传感器读数，判断二者误差，若大于允许误差，暂时以浓度大的读数作为当前浓度采取相应措施，并在6小时能完成设备调校，确定问题设备并维修。

③便携式甲烷检测报警仪日常充电、收发及维护必须由专人负责并记录，每次检查前将隔爆罩上的灰尘、杂物清理干净，发放给检测人员之前，须检查便携式甲烷检测报警仪的零点和电压或电源欠压值，如有异常严禁发放使用。

（7）传感器的移动及保护

掌子面传感器必须随掘进开挖而跟随移动以保证合适的吊挂位置，掌子面开挖掘进时必须将掌子面传感器后移一定的距离并加以保护，掘进完成后要及时将掌子面的传感器复位。掌子面传感器的移动及复位工作由当班电工负责，在移动掌子面照明灯具时同时完成。

4.2 瓦斯检测程序

（1）瓦斯检测流程

隧洞内检测人员按规定频率进行瓦斯浓度检测，随时随地抽检洞内瓦斯浓度，在掘进前、掘进过程中、掘进完成后均进行检查。

图2 隧洞内瓦斯检测流程图

（2）瓦斯检测步骤

瓦斯检测步骤分为4步：

（3）瓦斯重点检测地点

①掌子面及掌子面附近30m范围内的风流；

②断面尺寸变化的交界处，其上部容易积聚瓦斯的地方；

③洞内风机20m范围内的风流中；

④总回风流中；

⑤避车洞等扩大洞室；

⑥机械、电气设备及其开关附近20m范围内；

⑦局部通风不良地段。

（4）数据的收集、分析、应用

隧洞施工中，要做好检测数据的记录、收集工作，积累大量的原始数据，为施工人员通过数据的分析，指导安全生产提供可靠的依据。

4.3 瓦斯检测频率和范围

（1）增加瓦斯检测频率，加强打炮眼、安放炸药、引爆前及引爆后等阶段的瓦斯巡回检测。

（2）根据隧道内瓦斯浓度安排检测频率，瓦斯浓度低于0.5%时，每隔0.5～1小时检查一次；瓦斯浓度高于0.5%时，全程检查，瓦检员不得离开掌子面，检测数据异常及时组织人员撤离并报告。

（3）当检测发现瓦斯浓度高于1%时，需加强通风，稀释空气中瓦斯含量，在其降低至安全允许值以下后，方可安排瓦检员进入隧道内检查；瓦检员检测时需佩戴全套安全防护装备。

（4）对隧道内瓦斯浓度限值严格按照超限处理措施执行。

（5）施工过程中，专职检测人员均现场检测瓦斯浓度，当开挖面及其后方的瓦斯浓度达到0.5%时,则发出警报,隧洞内即处于警戒防爆作业状态；当瓦斯浓度上升到1%时,切断开挖面处除风机以外的一切设备电源；当洞内瓦斯浓度达到1.5%时,作业队长须立即下达停工和全员撤出待避的命令。为了能及时发现和处理情况，要求工班长、瓦斯检测安全员、爆破工配备便携式瓦斯检测仪。

5 实施效果

高瓦斯引水隧洞开挖施工过程中根据施工条件独头施工、独头通风，2台75KW轴流通风机压入式通风，风速、风量均能满足施工要求，实现通排风简单、稳定、可靠，降低洞内瓦斯浓度，同时采用人工和自动检测设备相结合的方式对洞内瓦斯逸出情况进行实时检测，确保了工程安全顺利施工，高瓦斯洞段按期完成开挖施工任务。

6 结语

高瓦斯引水隧洞开挖时通风是关键，不管是低瓦斯隧道、高瓦斯隧道还是瓦斯突出隧道，如果能够保证足够的风量和风速，保证洞内任何瓦斯易积聚角落瓦斯浓度均低于0.5%，则绝对不可能发生任何的瓦斯安全事故。通风降低瓦斯浓度，是排除瓦斯安全隐患的最根本、最彻底的解决措施。监测监控是重点，施工过程中存不存在瓦斯安全隐患，实行何种施工方案，最终都需要瓦斯监测的结果来说明。根据瓦斯监测的浓度，来判断瓦斯逸出情况，采取相应的措施，制定应急预案和管理制度。瓦斯监测在空间上要全面、准确，在时间上要及时、持久。高瓦斯引水隧洞通风与检测监控技术对类似工程有一定借鉴指导意义和推广价值。