穿越煤层长瓦斯隧道施工通风技术研究

许丹丹

(中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136)

1 工程概况

杉树陀隧道全长4 732 m，分进出口工区同时掘进，进口工区长2 100 m，采用无轨出碴方式；出口工区长2 632 m，有平导，采用有轨出碴方式。隧道进口段通过背斜砂岩、页岩夹1～3层薄层劣煤的含煤地层，埋深达150 m，洞身中部主要通过石灰岩、白云岩、泥质灰岩、泥灰岩夹页岩地层，埋深浅，灰岩中的溶洞可能有瓦斯聚集；在ZK33+751处穿过二叠系含煤地层，上覆地层封盖条件较好，煤层长15 m，厚4.15 m，瓦斯含量7.85 m3/t，瓦斯压力1.75 MPa，最大涌出量15.25 m3/min，逸出危险性大，如何解决好隧道施工通风是保证其施工安全的关键。因此，对穿越煤层长瓦斯隧道施工通风技术进行深入研究，提出风量大、安全保证系数高、施工进度快、资金投入少、经济效益好的穿越煤层长瓦斯隧道通风施工方法，以保证瓦斯隧道施工安全，具有重要的工程应用价值。

2 瓦斯隧道施工通风特点

(1)瓦斯在一定条件下能燃烧和爆炸，施工通风除要有足够的风量将其稀释到允许浓度外，还需保持一定的风速，以避免瓦斯在顶板形成层状积聚，这是瓦斯隧道通风最大的特点[1]。

(2)瓦斯隧道一般设计有辅助导坑，在辅助导坑同正洞贯通前，隧道是只有一个出口或入口的单独巷道，此时仅能采用风管式通风；当辅助导坑同正洞贯通以后，洞内各通道形成贯通风流，此时有多种通风方式可选择，这是瓦斯隧道施工通风的又一特点。

(3)瓦斯隧道施工受许多因素的影响，施工方法、施工机具及施工人员等是经常变化的，施工条件变了，通风就要及时调整，这是瓦斯隧道施工通风的第三个特点。为了给这种调整提供条件，在通风设计时，必须留有足够的富余量。

(4)风机和风管的外形尺寸及布置方式受狭窄的施工场地限制；安装、维护作业受后面工序的干扰；风管易被损坏[2]。对于瓦斯隧道，为确保良好的通风效果，必须要有有效的管理措施与方法，把风管漏风减少到最小。

3 瓦斯隧道施工通风方法

3.1 风机和风管选择

(1)确定风量。瓦斯隧道所需通风量包括排出瓦斯、柴油机尾气所需通风量和爆破作业、喷混凝土作业所需通风量。排出瓦斯所需通风量要结合最危险的瓦斯涌出形式确定。瓦斯涌出有四种形式[3-4]：①常规涌出。瓦斯从煤层及岩层的微小孔隙通道持续缓慢排出。②非常规涌出。煤层及岩层空洞中存在的大量瓦斯在隧道开挖时携带煤块、煤粉快速大量排出。③瓦斯喷出。大量瓦斯在压力状态下从煤层及岩层中的裂隙短时或长时间喷出。④瓦斯与煤突出。在隧道开挖中，由于开挖面的煤壁短时间被破坏，煤层及岩层深处的大量瓦斯与煤瞬间涌出，这种瓦斯涌出危害极大。因此，排出瓦斯所需通风量计算时采用第四种形式按式(1)进行计算。

Q1=100V/M

(1)

式中：Q1为排出瓦斯所需通风量，m3/min；M为瓦斯体积分数，%；V为瓦斯排出量，m3/min。杉树陀隧道施工通风中防爆瓦斯浓度要求为：一翼团风或总回风中瓦斯体积分数低于0.75%，其他风流中瓦斯体积分数低于0.5%。

爆破作业所需通风量按式(2)进行计算。

Q2=0.368P/RαT

(2)

式中：Q2为爆破作业所需通风量，m3/min；P为爆破后产生的一氧化碳等有害物质量，m3；R为通风效率，通常R=1；α为一氧化碳含量控制值；T为通风时间，min。P=AΔLβX，其中A为隧道断面净面积；ΔL为隧道一次开挖进尺，m；β为炸药单位用量，kg/m3；X为炸药产生的一氧化碳有害物质含量，m3/kg。

柴油机尾气所需通风量按式(3)进行计算。

Q3=∑HGqGαG

(3)

式中：Q3为柴油机尾气所需通风量，m3/min；HG为使用柴油机的额定功率，W；qG为使用柴油机所需通风量，m3/(min·W)；αG为使用柴油机的工作效率。αG=(∑wnt)/wnt,其中w为同类柴油机功率值，W；n为同类柴油机台数，台；t为同类柴油机在T内的工作时间，min。

正常情况下湿喷混凝土作业和钻孔工序同时进行，爆破、出碴时一般不进行湿喷混凝土作业，而湿喷混凝土所产生的烟尘远远小于爆破和出碴产生的烟尘，因此，如果洞内通风能够满足后者，前者自然能够满足。由上可得瓦斯隧道所需要的总通风量Q总=Q1+Q2+Q3，式中各项通风量均取最大值。

(2)风机选择。通风机的选择取决于通风系数和瓦斯隧道所需的总通风量，具体还应结合以下三个方面：一是所选择的风管的类型；二是瓦斯隧道的辅助导坑的设计情况；三是瓦斯隧道已拟定好的独头巷道施工长度。通风机选择依据公式(4)进行。

Q机=αQ总

(4)

式中：α为通风系数，一般取2；Q机为通风机的通风能力。

(3)风管选择。隧道施工风管的选择很重要，尤其是瓦斯隧道所需供风量大，宜选择大直径风管。可对柔性风管和刚性风管相比较，施工时结合实际情况按表1进行选择。施工时应注意，瓦斯隧道通常同时采用吸出式、压入式两种通风方式，一般情况下柔性风管和刚性风管同时使用，且使用的数量有很大差距。

表1 风管技术统计结果

3.2 通风方式确定

瓦斯隧道通风必须能够确保以下两点：第一是掌子面通风好，能够有效降低瓦斯浓度至允许范围内；第二是洞内其余部位空气无回流、无层状积聚[5]。瓦斯隧道可根据隧道掘进长度的不同而采取不同的通风方式：(1)在独头巷道施工长度小于1 000 m的情况下，可采用图1压入式通风方式。压入式通风风流的有效射程较远，工作面时刻被新鲜空气冲刷，稀释瓦斯及排除烟尘较快，其污风沿巷道全长排出，当风量一定时，如果巷道过长易造成瓦斯在洞内回流或聚集，时间长了存在安全隐患，因此巷道越长越不安全。(2)独头巷道施工长度在1 000～2 000 m时，可采用图2混合式通风方式。为有效减少开挖面附近的瓦斯浓度，开挖面附近通风用压入式；在开挖面后则采用吸出式通风，以避免发生污风循环，引起瓦斯聚集或回流，吸出式通风即新风从巷道口流入，污风经风管吸出洞外，缺点是必须用刚性风管。(3)在瓦斯隧道掘进长度超2 000 m时，一般设计有平导、横洞或斜井，此时可采用图3巷道式通风方式。巷道式通风方式即正洞与辅助导坑共同构成通风回路。其特点是过风面积大，阻力小，可加速空气流动速度，迅速降低瓦斯浓度，提高通风效率，节约通风动力，但由于风管要经过横通道，安装和管理不便。

图1 压入式通风

图2 混合式通风

图3 巷道式通风

(4)综合考虑前面3种通风方式，最终决定杉树陀瓦斯隧道进口工区1 000 m以内单线独头巷道采用压入式通风方式；进口工区1 150～2 100 m范围内采用混合式通风方式，采用大直径风管通风，见图4；出口工区1 200 m以内单线独头巷道采用压入式通风方式；出口工区1 460～2 632 m范围内采用巷道式通风方式，均采用大直径风管通风，见图5。洞内作业时，即便瓦斯浓度在允许范围内，也应连续通风，强制排出洞内各类施工机械设备放出的废气，保证洞内的空气新鲜。因检修、停电等原因停风时，必须撤出人员，切断电源。

图4 杉树陀瓦斯隧道进口通风

图5 杉树陀瓦斯隧道出口通风

3.3 风机与风管安装

(1)风机安装。将风机水平安放在预制好的支架上，调平、调整方向，用螺栓固定。风机安装应符合设计及使用要求。电气控制柜安设在干燥无尘且便于风机操作的地方，接通电源。分别启动2台电机(包括备用电机)，检查电机旋转方向是否与箭头所指的方向一致。

(2)风管安装。不同类型的风管安装方法不同，柔性风管较轻，但安装困难；刚性风管较重，但安装简单，下面重点介绍柔性风管的安装方法。①风管运输。风管的基本材料为维、涤纶增强塑布，距离短时可人工运输，距离长时可用小型运输车运输，运输过程中避免在锋利物上拖拉，以防刺破。②检查修补。使用前先检查风管质量，发现破损、漏洞、缺吊环或脱胶等缺陷时，应先修补后安装。③位置选择。风管一般挂于隧道起拱线部位和拱顶，选择时要结合衬砌台车的不同类型而定，尽可能减少互相干扰。④锚栓预埋。固定吊铁线的预埋件要提前安装，间距以5～10 m为宜，并设置在同一水平直线上，吊挂线每100 m用紧线器拉直定位，将铁线每间隔8 m固定在预埋件上。⑤吊挂安装。按包覆式捆绑法连接风管，接头处进风管在内，出风管在外，进出风管都有反边，反边长度与接头宽度一致，接头必须绑扎结实，严密平整，每层风管至少由两道软铁丝固定，见图6；拉链式接头内封帘必须在出风口，外封帘在进风口，见图7。⑥分段调直。每挂完一节风管，要连同接头一起向延伸方向将风管调直、拉紧，然后再挂下一节风管，最后在管路的出风口配接一短节带钢圈的风管，以保障出风口的有效射流作用。⑦整体调直。全部风管挂好后，应从风机出口开始，间断性高速送风，使整条风管做到无褶皱、无扭曲。⑧调试使用。风管与风机联好后启动风机，调试运行，并检查风机、风管有无异常，发现问题及时修正。

图6 钢圈式接头接法

图7 拉链式接头接法

(3)洞外固定式通风机宜布置在隧道洞外距洞口20～30 m范围内，但应与其他管线分开，单独设立于一侧；洞内移动式通风机宜布置在场地宽阔、空气流通、无干扰的部位。软风管最好悬挂于拱腰处，风管末端距工作面最佳距离为20～25 m，最大不宜超过30 m。

3.4 风机、风管的保护和维修

(1)风管和风机应专职管理，定期排放风管内的积尘、积水，以免因积水损坏风管吊鼻。在风机出风口宜配一节有分流窗的减压硬管，启动风机前开放分流窗，待风管鼓起后再关闭。爆破作业时，应在放炮前关闭风机，炮响后再启动风机，以避免因爆破冲击破坏风管。(2)避免将电线、电缆、照明灯等压在风管上，风管周围不能堆放尖锐物件。动力线路、照明线路不应安装在风管同一侧。(3)检查接头，如有尖刺、变形、开裂等缺陷，应修理后再使用，拉链式风管需平时打蜡，使拉链无阻卡现象。(4)通风软管二次复用时，应撤出洞外进行修补。修补时将破洞周边清洗干净，晒干后，用聚氯乙烯胶均匀涂在破洞周边3～5 cm处，同时涂补塑料布，涂胶厚度为0.1～0.15 mm，待胶液微黏手时进行黏合，并施以压力，静态凝固48 h，也可进行热补(手拿轻便式热焊枪)。风管布为合成纤维与塑料复合制成，不宜存放在烈日曝晒下的场所，否则易老化损坏。(5)通风软管的修补。修补前应先将破损处擦拭干净，不得带灰尘、泥土、油污等。待破损处干净、干燥后涂专用胶黏剂，在清洁风管布上涂同样厚度的胶黏剂，然后附于破损处，用手压紧粘牢。

4 结语

(1)施工中应及时对开挖面、爆破20 m范围内、局部塌方冒顶、隧道总回风、各种作业台车和机械附近20 m内、电动机及其开关附近20 m内等风流中的瓦斯含量以及隧道中各临时站点如变电所、水泵站、水仓等处的瓦斯含量进行重点检测，以确保隧道施工安全。

(2)该通风技术采用大直径风管，实现了大风量供风，有效解决了瓦斯隧道所需供风量大这一难题。同时大直径风管通风每延米增加的费用仅100～150元，与中小直径风管相比较每月可节约18～30万元，既可实现大风量供风，又可节约资源。

(3)采用该通风技术能够迅速将瓦斯浓度降至允许范围内，消除安全隐患，通风效果好，施工进度快，掘进长度超过2 000 m时，Ⅲ、Ⅳ级围岩月进尺可达到150～180 m，比以往同级围岩的瓦斯隧道提高30～50 m，保证了施工安全，提高了施工效率。