铁路瓦斯隧道安全设计_施工与管理_张民庆

出：“根据计算， 一个工区的瓦斯涌出量不大于 0.5 m3/min 时， 采用普通的通风设备即可把洞内瓦斯浓 度降到 0.3%以下”。 结合我国铁路瓦斯隧道施工经 验， 建议应按瓦斯浓度来明确施工阶段瓦斯分级标 准。
施工阶段应根据实际监测的瓦斯浓度， 及时确 定或调整设计阶段划分的瓦斯工区级别。 在通风条 件下瓦斯浓度小于 0.5%、停风 1 h 后瓦斯浓度小于 1%时，为低瓦斯工区，反之为高瓦斯工区。
设计阶段
施工阶段
瓦斯级别 瓦斯涌出量 瓦斯压力 /（m3/min） /MPa
瓦斯浓度 /（%）
非瓦斯
0
0
0
低瓦斯
0～0.5
0～0.15
0～0.5
高瓦斯
≥0.5 0.15～0.74
≥0.5
瓦斯突出
≥0.74 发生瓦斯突出现象
（2） 探煤层。 通过超前钻孔探明煤层分布位置、 煤层厚度等。
钻机应采用防爆型，钻孔直径应大于 76 mm。在 非煤系地层中超前钻孔数量 1 个，煤层中 3 个（其中 1 个取芯）。
第 49 卷第 3 期(总第 344 期) 2012 年 6 月出版
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Vol . 49 ， No . 3 ， Total . No . 344 Jun . 2012
现代隧道技术
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Table 1 The grading of coal mines or tunnels with a presence of gas in foreign countries
国别
行业
低瓦斯
高瓦斯
备注
前苏联
矿井
＜10 m3/t
≥10 m3/t
采用吨煤相对瓦斯涌出量评价
波兰
矿井
＜15 m3/t
≥15 m3/t
中 图 分 类 号 ：U452.2+5；U455.1
文 献 标 识 码 ：A
1引言
瓦斯爆炸是煤矿、铁路、公路等地下工程建设中 最严重的灾害之一， 施工中极易发生灾难性的人员 伤亡和经济损失。 如煤矿方面，1942 年 4 月 26 日辽 宁本溪煤矿发生瓦斯爆炸，死亡 1549 人；2007 年 12 月 6 日山西洪洞煤矿发生瓦斯爆炸， 死亡 105 人； 2009 年 11 月 21 日 黑龙 江 鹤 岗 新 兴 煤 矿 发 生 瓦 斯 爆炸，死亡 108 人；2010 年 3 月 31 日河南伊川煤矿 发生瓦斯爆炸，死亡 108 人。据国家安监总局和国家 煤矿安全监察局统计，仅 2011 年上半年，我国煤矿 共发生瓦斯事故 62 起， 死亡 245 人。 在铁路方面， 1959 年 1 月 27 日滇黔铁路岩脚寨隧道发生瓦斯爆 炸，死亡 34 人；1994 年 4 月 3 日达成铁路炮台山隧 道发生瓦斯爆炸，死亡 13 人。 公路方面，2005 年 12 月 22 日四川都汶高速公路董家山隧道发生瓦斯爆 炸，死亡 44 人。瓦斯爆炸灾害损失极其惨重，后果极 其严重， 因此瓦斯隧道施工安全越来越被人们所关 注。
（1） 瓦斯渗出
修改稿返回日期： 2012-02-12 作者简介： 张民庆(1970– )，男，教授级高级工程师，主要从事隧道及地下工程监控量测、注浆防水的科研、设计和施工工作，
E-maail：zskzmq888@.
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摘 要 瓦斯爆炸是煤矿、铁路、公路等地下工程建设中最严重灾害之一，施工中极易发生灾害性的人员伤亡
和经济损失。 文章在总结铁路近 10 年瓦斯隧道施工经验与教训的基础上，从瓦斯分类、施工与管理、结构及运营设
计等方面提出了有益的建议，可供在《铁路瓦斯隧道技术规范》修订时参考。
关键词 瓦斯隧道 安全设计 施工 管理
＜0.25%
≥0.25%
通风条件下瓦斯浓度
矿井
＜10 m3/t
≥10 m3/t
采用吨煤相对瓦斯含量评价
中国
铁路隧道
＜0.5 m3/min ＜0.15 MPa
≥0.5 m3/min ≥0.15 MPa
采用全工区绝对瓦斯涌出量评价 采用瓦斯压力评价
中国台湾 铁路隧道
＜0.25%
≥0.25%
通风条件下瓦斯浓度
采用吨煤相对瓦斯涌出量评价
德国
矿井
＜20 m3/t
≥20 m3/t
采用吨煤相对瓦斯涌出量评价
印度
矿井
＜10 m3/t
≥10 m3/t
采用吨煤相对瓦斯涌出量评价
日本
矿井
＜0.5% ＜3%
≥0.5% ≥3%
通风条件下瓦斯浓度 停风 1h 瓦斯浓度
英国
矿井
＜1.25%
≥1.25%
通风条件下瓦斯浓度
美国
矿井
铁路瓦斯隧道安全设计、施工与管理 文 章 编 号 ：1009-6582（2012）03-0025-07
现代隧道技术
MODERN TUN NELLING TECHNOLOGY
铁路瓦斯隧道安全设计、施工与管理
张民庆 1 黄鸿健 1 孙国庆 2
（1 铁道部工程管理中心，北京 100844； 2 中铁隧道集团有限公司，洛阳 471009）
根据以上分析，针对铁路瓦斯隧道，在确保施工 安全的基础上， 明确设计阶段和施工阶段的瓦斯分 级标准，如表 2 所示。
3.2 瓦斯预报
瓦斯隧道灾害后果极其严重，风险高。 因此，必 须在地质调查的基础上，采取最直观、最准确的超前 钻探法进行预报， 从而评价隧道瓦斯的严重程度及 对工程的影响，提出技术措施。
以上建议标准既能方便现场应用， 且与瓦斯爆 炸界限（瓦斯浓度 5%）来比，相当于安全系数取 5～ 10，可 以 规 避 瓦 斯 爆 炸 ，因 此 是 安 全 可 靠 的 。 同 时 ，建 议将瓦斯地段分级修改为非瓦斯地段、低瓦斯地段、 高瓦斯地段和瓦斯突出地段，从而使瓦斯地段、瓦斯 工区和瓦斯隧道相互关联。
（2） 瓦斯喷出 对于非煤系地层中赋存的“鸡窝状”瓦斯，隧道 开挖时瓦斯由岩层裂隙的空洞中喷出， 通常喷出时 有较大的响声和压力。 （3） 瓦斯突出 在煤系地层中赋存的大量瓦斯， 浓度高、 压力 大，隧道开挖时瓦斯突然猛烈突出，时间由几分种到 几小时，瓦斯突出时有巨大的轰响声，一般同时会夹 带煤块或岩石。
CH4+2O2→CO2+2H2O+833.28J/mol （1） 瓦斯爆炸必须具备三个条件：瓦斯浓度、氧气浓 度、高温火源。 （1） 瓦斯浓度 当空气中瓦斯浓度为 5%～15%时， 遇火后能引 起爆炸；当瓦斯浓度为 9.5%时 ，此时氧气 与瓦斯完 全反应，爆炸威力最大。 （2） 氧气浓度 空气中的氧气浓度降低时， 瓦斯爆炸界限随之 缩 小 ，当 氧 气 浓 度 减 少 到 12%以 下 时 ，瓦 斯 失 去 爆 炸性。 （3） 高温火源 高温火源是引起瓦斯爆炸的必要条件之一。 瓦 斯的引火温度为 650℃～750℃，并随瓦斯浓度、火源 性质及混合气体压力等因素影响而变化。抽烟、电气 火花、违章放炮、煤炭自燃、明火作业等都易引起瓦
3.3 瓦斯隧道安全施工等级管理
《铁路瓦斯隧道技术规范》中规定的施工状况所 对应的瓦斯安全浓度数据繁多、复杂，这给现场安全 管理带来不便。结合国内铁路瓦斯隧道的经验，应建 立安全施工等级管理体系（表 3），从而确保瓦斯隧 道安全施工。
4 瓦斯通风与监测
《铁路瓦斯隧道技术规范》中明确要求“隧道内 非瓦斯工区和低瓦斯工区的电气设备与作业机械可
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铁路瓦斯隧道安全设计、施工与管理
在非煤系地层岩石裂隙中吸附的瓦斯， 由于浓 度低、压力小，隧道开挖时瓦斯缓慢、均匀、持续渗 出，延续时间长，渗出时常常发出“嘶嘶”的声音。
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表 1 世界各国瓦斯矿井或隧道分级
随着铁路建设的大发展， 越来越多的瓦斯隧道 成为控制铁路安全建设的关键和重点工程。据统计， 2005 年至 2011 年间，中铁第二勘察设计院（简称铁
二院）承担设计铁路瓦斯隧道 78 座，其中低瓦斯隧 道 61 座（占 78%）、高瓦斯隧道 17 座（占 22%）。
针对瓦斯隧道的设计与施工，铁道部于 2002 年 颁布了 《TB10120-2002 铁路瓦斯隧道技术规范》， 规范对铁路瓦斯隧道的安全修建起到了举足轻重的 作用。 经过近 10 年的现场应用，多处条文也需要修 改和完善，为此，该论文对瓦斯隧道的设计、施工与 管理进行梳理，以期在规范修订时起到借鉴作用。
超前钻探主要起到两个方面的预报作用： （1） 探瓦斯。 通过超前钻孔测试瓦斯浓路瓦斯隧道瓦斯分级标准（建议） Table 2 The standard for grading railway tunnels
with gas present (recommended)
2 瓦斯性质
瓦斯的主要成份是甲烷 CH4，为无色无味气体， 比重 0.544，仅为空气的一半，因而常存在于隧道顶 部。 当空气中瓦斯浓度增加时，氧气浓度相应减少， 当瓦斯浓度大于 40%时，它能使人窒息死亡。
瓦斯具有三个基本特性：快速扩散性、可燃性和 可爆炸性。
2.1 快速扩散性
瓦斯扩散速度比空气大 1.6 倍， 很容易存储于 煤层、裂隙和松散的岩层中。瓦斯的放出主要表现为 渗出、喷出和突出三种类型。