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CH

4）、二氧化碳（CO

2

）、氮气（N

2

），还有少量的硫化氢（H

2

S）、一氧化碳

（CO）、氢气（H

2）、二氧化硫（SO

2

）及其它碳氢化物和稀有气体。

狭义——单指甲烷（CH

4

），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

4C

6H

10

O

5-----

微生物7CH

4

↑+8CO

2

↑+3H

2

O+C

9

H

6

O

烟煤无烟煤甲烷水

3C

9H

6

O---2C

1

3H

4

+CH

4

↑+3H

2

O

广义瓦斯主要成分四部分组成：

（1）沼气（CH

4）及同系物，H

2

，H

2

S等可燃气体；

（2） CO、NO、H

2S、NH

3

含硫气体、乙醛等有毒气体；

（3） CO

2、N

2

、A

r

（氩气）等，基本上为化学不活泼的惰性气体；

（4） R

n （氡）、T

n

（钍）、A

c

（锕）等放射性气体；

上述四部分中沼气（CH

4

）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H

2

S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：

CH

4+2O

2

→CO

2

+H

2

O+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：

V

a =%

10

M

A

100

V

ad

d

daf≥

-

-

时，有爆炸危险

式中：V

daf

——煤的挥发分，%；

A

d

——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，