低瓦斯隧道安全施工技术

低瓦斯隧道安全施工技术“铁路客运专线隧道施工安全技术培训”讲义低瓦斯隧道安全施工技术铁道第二勘察设计院张祉道二○○六年二月低瓦斯隧道安全施工技术根据瓦斯逸出量的多少和瓦斯压力的高低，可把瓦斯隧道分为高瓦斯隧道、低瓦斯隧道和瓦斯突出隧道三个类型，无论哪种类型，都要搞好安全生产。

既使是低瓦斯隧道，也存在安全陷患，搞得不好就会出大事故甚至特大事故。

因此掌握瓦斯隧道安全施工技术非常重要。

一、有关瓦斯知识1. 定义广义——凡从围岩或煤层渗入隧道的有害气体，均称为瓦斯。

其主要成分为甲烷（沼气CH4）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2），还有少量的硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、氢气（H2）、二氧化硫（SO2）及其它碳氢化物和稀有气体。

狭义——单指甲烷（CH4），包括煤层甲烷和石油甲烷。

2. 瓦斯生成、成分及性质瓦斯生成植物及其它生物在高温缺氧条件下，有机物化学分解生成瓦斯。

在植物变成煤的过程中，随着煤的变质，生成的瓦斯越来越多。

其过程是：泥炭→褐煤→无烟煤化学反应式：纤维素甲烷二氧化碳水烟煤4C6H10O5-----微生物7CH4↑+8CO2↑+3H2O+C9H6O烟煤无烟煤甲烷水3C9H6O---2C13H4+CH4↑+3H2O广义瓦斯主要成分四部分组成：（1）沼气（CH4）及同系物，H2，H2S等可燃气体；（2） CO、NO、H2S、NH3含硫气体、乙醛等有毒气体；（3） CO2、N2、Ar（氩气）等，基本上为化学不活泼的惰性气体；（4） Rn （氡）、Tn（钍）、Ac（锕）等放射性气体；上述四部分中沼气（CH4）是最主要成分，其它气体含量极少。

沼气物理性质无色、无味、无臭、无毒；密度0.716 kg/m3(空气为1.2 kg/m3);微溶于水(20℃时,100 m3能溶解于3.5 m3);比空气轻,渗透能力比空气强,能很容易透过裂隙岩体;特殊场合:混有乙烷、丙烷时有麻醉性，产生头昏现象；混有H2S时有臭鸡蛋味；混有芳香族气体时有苹果味。

3.瓦斯爆炸与燃烧（1）瓦斯爆炸及燃烧先决条件：适当的浓度；火源；氧浓度。

瓦斯爆炸化学反应式：CH4+2O2→CO2+H2O+198.4千卡/克分子1份瓦斯+2份氧时反应最充分，但在空气中含氧仅20%,所以1份瓦斯+10份空气反应最充分所以,最猛烈的瓦斯爆炸发生在瓦斯浓度1∶11时 ,即9.1%(说明:瓦斯燃烧点、爆炸点与空气中氧浓度,火源温度有关,上图只是一般的通常值)4. 煤尘爆炸煤是可燃的,煤的粉尘(极小颗粒)由于与空气接触面积大,更易燃烧,燃烧的速度快、温度高，空气急速膨胀，就形成爆炸，煤尘爆炸判别式：Va =%10MA100Vadddaf≥--时，有爆炸危险式中：Vdaf——煤的挥发分，%；Ad——灰分，%；M——水分，%。

ad（均为煤样化验测定值）当巷道空气中煤尘含量小于30~40g/m3时，不会发生爆炸。

二、铁路和公路瓦斯隧道与煤矿巷道的不同特点相同点（1）都是地下工程；（2）都进行钻爆作业；（3）巷道中有煤或瓦斯存在，都有危险性。

不同点（1）工程目的不同。

铁路和公路隧道的修建是形成通道，而煤矿建设的目的是进入煤体采煤。

（2）工程范围内煤与瓦斯的数量不同煤与瓦斯是不良地质现象，所以交通隧道定线时都是尽量避绕煤层，避不开一定要穿过煤层时，尽量使隧道轴线垂直于煤层，以最短长度穿越。

所以，很多瓦斯隧道洞身只有极小长度有煤，有时只是很薄的煤层（煤线或鸡窝煤），隧道长度的绝大部分是岩石，煤层只占极小比例，而且有时煤质低劣，无开采价值，含瓦斯也不多；而煤矿则不同，不是避绕而是哪儿有煤往哪开巷道；很多巷道直接在煤层中，而且煤质一般较好，所以煤矿的瓦斯含量一般都比较大。

比如：低瓦斯矿的标准是瓦斯涌出量小于40 m3/min，而低瓦斯隧道的标准是0.5 m3/min,同样都是属于低瓦斯等级，煤矿的瓦斯涌出量是交通隧道的80倍。

（3）煤层巷道灵活性大，而交通隧道一旦线路位置确定之后，隧道的平面位置和标高都基于固定，不能随便移动。

煤矿的运输大巷多在岩石中，但它的位置灵活，可以选择最有利的位置和方向；而交通隧道不同，有时位置很不利，如南昆线家竹箐隧道，隧道与煤层夹角只14°，既使不厚的煤层，隧道穿煤长度也很大，如17#煤层真厚度10.7 m,但隧道穿煤长度84.8 m,增加了施工难度。

（4）交通隧道断面大，煤矿巷道断面小。

公路隧道可达100多m2，则煤矿巷道大多数很小，只几个m2，既使通过架线机车的运输大巷道也只有20多m2。

（5）交通隧道有支护，有衬砌，能封闭瓦斯，而煤矿巷道大多数不支护，允许长期放出瓦斯。

（6）交通隧道施工时严防坍塌，一旦坍方处理代价高、时间长；煤矿巷道施工时也避免坍方，但一旦坍方，断面小，处理的代价也小。

煤矿有时还人工制造小坍方，比如揭露瓦斯压力大的煤层时，采用震动放炮，加大药量，人工诱导小型突出。

（7）通风系统不同煤矿通风系统很复杂，煤矿巷道多，而且不在一个平面上，煤矿的通风是网路通风，而交通隧道只是一根管道，通风较为简单。

（8）瓦斯防灾经验和施工装备不同煤炭部门有多年的防止瓦斯灾害经验，规章制度比较健全，正规的煤矿施工设备都是防爆的。

在组织机构上，配备通风专业人员和机电专业人员、有矿山救护队，这些都有利于防灾救灾。

而铁路和公路施工单位大多是多数临时组建综合性的建筑单位，关于瓦斯的经验不多、设备不完善，组织机构不固定（项目经理部人员变化大）。

这些，不利于瓦斯防灾。

小结交通隧道有利之处是大多数隧道通过煤层少、瓦斯涌出量小，而且衬砌及时，可以封闭瓦斯减少逸出，通风巷道管路也比较简单。

但不利之处也不少，如开挖断面大，隧道与煤层的相对关系不允许随意改变，施工装备防爆性能差，施工队伍不是专门化，技术管理和技术教育不够等等。

我们交通隧道的施工要发扬优势、纠正劣势，以最小的代价保证生产安全。

三、瓦斯隧道几种灾害瓦斯隧道施工时，可能发生7种灾害：（1）煤与瓦斯突出——在地应力和瓦斯压力的共同作用下，很短的时间中破碎的煤、岩和瓦斯从洞壁突然抛出，伴有猛烈的声响和巨大的动能，同时释放出大量的瓦斯。

有时伴随瓦斯爆炸，造成二次破坏。

“突出”事故的伤亡和损失一般都是很渗重的。

（2）煤突然倾出——在重力作用下松软的煤层突然坍下，同时有大量瓦斯释放，坍下的煤以煤块形式堆积。

（3）煤突然压出——一部分煤在构造应力或放炮振动影响下，整体抛出，但位移距离不大，压出的煤或呈小块状，或呈有大量裂隙的大块状。

（4）岩石与瓦斯突出——原因与煤与瓦斯突出相似，有时还加上掘进放炮的的振动作用。

大多数发生在破碎的砂岩中，放炮时，发生岩石破坏，抛出的现象，在抛出的砂岩岩块中含有大量的砂粒和粉尘，洞壁上形成空洞（不一定与爆破洞穴同一位置），与此同时，洞内瓦斯大量增加。

（5）瓦斯爆炸——达到爆炸浓度的瓦斯（一般在5%~16%之间）与火源接触（一般需要512℃以上），并且坑道内有氧气存在（含量12%以上），就会发生猛烈爆炸，有时会造成大量伤亡。

（6）煤尘爆炸——当煤质中挥发物占总可燃物（固定炭加挥发物）10%以上，且形成的小颗粒煤尘悬浮在空气中，当空气中煤尘含量较多（30g/m3以上），遇700℃以上的火源，即会发生煤尘爆炸，煤尘爆炸的后果比瓦斯爆炸更严重，因为煤层爆炸会产生大量一氧化碳（CO）使人中毒，很多人不是炸死而是被毒死。

（7）巷道坍塌——煤系地层除少数外，大多数强度很低，尤其是煤中的软分层，用手即可捻成粉碎，所以巷道稳定性差，容易产生坍塌事故。

名词瓦斯涌出：掘进放炮以后，瓦斯从洞壁暴露面，从爆下的岩块和煤块中均匀释放的现象。

(在邻近煤层的掌子面附近经常有瓦斯涌出。

)瓦斯喷出：在20 m长的巷道范围内，从洞壁裂隙、孔洞或炮眼中涌出大量瓦斯，当喷出强度达到1 m3/min，喷出时间8 h以上时，称之谓瓦斯喷出。

我国瓦斯灾害的发生是频繁的，尤其是近几年在采煤行业，经常发生瓦斯爆炸。

去年一年煤矿各种事故死亡人数5 986人，其中由瓦斯爆炸和突出死亡2 157人。

在铁路和公路隧道方面，安全形势好得多。

其主要原因，除了施工单位比较正规，管理也比较正规之外（煤矿是私人小煤窑多），铁路和公路隧道通过煤层少，而且大多数是薄煤层、煤层，瓦斯不严重是主要原因。

建国以来，交通隧道（主要是铁路隧道）的瓦斯事故不多，较大的有：①贵昆线岩脚寨铁路隧道。

隧道长2 714 m，铁道兵六师施工，穿过7层煤，薄者0.1 m,厚者8.92 m,瓦斯涌出强度150 m3/h,压力0.4 MPa。

1959年1月27日下导坑掘进距洞口242 m 处,火雷管点火及电灯接线引起二次瓦斯爆炸,并形成坍方,共死34人,伤65人；同年6月26日，电闸拉火又引起瓦斯爆炸,坑道坍方7处。

从1月27日~6月26日半年中，共发生瓦斯爆炸6次，由于处置不当，死伤惨重（总计死伤220人）。

②达成铁路炮台山隧道。

全长3 078 m，位于成都郊区的金堂县境内，铁15局施工，全隧道不通过煤层，但隧道下方2 000~3 000 m处有煤，瓦斯沿地层裂隙上升到地表浅层，形成储气构造。

1994年4月3日平导掘进到距洞口808 m 处，灯炮爆裂引发瓦斯燃烧，死1人，伤3人。

次日，汽车进洞运风管，由于汽车打火，又引起瓦斯爆炸，死12人。

事故后实测，隧道瓦斯逸出强度为3.54 m3/h。

③都汶高速公路董家山隧道。

双洞,长4 111 m+4 081 m,中铁一局施工进口，中铁二局施工出口。

该隧道多次通过煤层，但煤层都很薄，瓦斯压力0.172~0.67 MPa,勘测资料认定为低瓦斯隧道，施工中又委托煤炭专业单位鉴定，仍定为低瓦斯隧道，因此施工中允许使用非防爆设备，采用汽车进洞出碴、进料。

2005年12月上旬，隧道右洞进口掌子面发生坍方（如下图）。

由于该处位于背斜核部、裂隙发育、裂隙中含有煤层瓦斯，坍方又促使瓦斯大量涌出。

12月22日，衬砌台车上的不防爆插座打火，引起瓦斯爆炸，当场死44人，伤11人。

爆炸气流充满1500巷道并冲出洞口，并将洞外几十吨重台车推动几十米。

四、瓦斯隧道设计、施工的有关规范及参考资料1.《铁路瓦斯隧道技术规范》TB10120-20022.《铁路隧道施工规范》TB10204-20023.《公路隧道施工技术规范》JTJ024-944.《煤矿安全规程》（国家安全生产监督管理局、国家煤矿安全监察局2005年）5.《防治煤与瓦斯突出细则》（煤炭工业出版社1995年）6.《煤矿安全规程》读本（煤炭工业出版社2005年）施工铁路隧道时，当然以铁路规范为准。

施工公路隧道时，以设计文件和公路规范为准。

其它的只是参考。

前面已说明，由于交通隧道与煤矿巷道和条件有很大的不同，所以煤矿部门的规定只能作为参考。

五、瓦斯隧道及工区分类瓦斯隧道：凡隧道通过的地层中预计含有瓦斯或检出瓦斯、即属于瓦斯隧道（与瓦斯地段长度占全隧道比例大小无关）。