云台山隧道防瓦斯施工技术

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【摘 要】 本文以山西省晋城至侯马高速公路云台山隧道为工程实例，介绍了瓦斯隧道的施工方法、施工工艺以及瓦斯隧道的揭煤施工、通风管理等，可为类似工程施工提供参考。

【关键词】 公路隧道 防瓦斯突出 石门揭煤 通风管理

1 工程概况

晋城至侯马高速公路云台山隧道位于山西省晋城市沁水县境内，右线全长3249米，左线全长3374米，采用双洞单向行车双车道（上下行分离）形式。我公司负责其中左线ZK59+708～LK61+300长1592m和右线YK59+706～YK61+300长1594m的施工。该隧道地质主要为Q3d坡积物，岩性以亚砂土为主，厚度5～10m，多呈硬塑状，层间结合局部较差，节理发育，呈块、碎状镶嵌结构。左线ZK60+166～ZK60+650和右线YK60+190～YK60+700段分别从已经关停多年的关门煤矿采空区中穿越，煤层、采空区位于隧道上方40m至下方10m，有瓦斯存在的可能。在ZK60+670～+840、YK60+680～+840段穿越15#主要煤层，地质勘探资料显示：15#煤层为含瓦斯煤层，厚度约2.3m，瓦斯溢出量一般不超过0.5m3/min，但有突出可能。为保证施工安全，该段隧道按瓦斯隧道进行施工。

2 瓦斯隧道施工工艺及方法

2.1 防瓦斯灾害施工原则

“加强通风、勤测瓦斯、严禁火源”是瓦斯隧道施工的三条基本原则，是防止瓦斯燃烧爆炸的关键。施工时在有瓦斯溢出的部位要加强通风，采用具有防爆型性能的设备，严禁火源，在工地醒目处设置标牌；并采取有效措施稀释瓦斯浓度，尽量控制在0.5%以下，使之不能遇火燃烧；建立完善的防尘供水系统，采用湿式凿岩。

施工前要及早探明瓦斯地段的出露里程、部位，防止瓦斯聚集，降低瓦斯在空气中尤其是隐蔽部位的浓度，并根据瓦斯隧道工区瓦斯涌出量、瓦斯含量划分出瓦斯工区。在非瓦斯工区及低瓦斯工区，仍采用一般隧道的施工方法进行开挖、支护衬砌等作业，但要定时检测，加强通风，严格操作和安全规定；在有煤层和高瓦斯、瓦斯突出的区段正洞采用上、下长台阶法施工，分上、下半断面两次揭煤，以防发生煤与瓦斯突出的危险。

2.2 施工工艺

瓦斯隧道施工工艺如图1所示。

2.3 施工方法

2.3.1 瓦斯工区的划分

瓦斯工区是根据瓦斯隧道瓦斯的涌出量和压力情况进行划分的，如表1所示。 一般分为：非瓦斯工区、一般瓦斯工区、严重瓦斯工区、煤层与瓦斯突出危险工区。

瓦斯涌出量、瓦斯含量可通过计算得出，即：

Q涌=Q×C%

式中： Q涌——瓦斯涌出量 m3/min

Q——风量 m3/min

C——平均瓦斯浓度 %（现场实时监测取平均值）

瓦斯压力采用北京中矿天安的JPMD6型瓦斯压力测定仪通过钻孔进行测定。

云台山隧道在施工至ZK60+170、YK60+185时，隧道中出现了瓦斯，随着掘进的进行，隧道撑子面的瓦斯浓度和压力逐渐升高，当钻孔至ZK60+689.5、YK60+690时探到煤层，瓦斯平均浓度和压力达峰值，揭煤之后瓦斯浓度和压力逐渐下降，至ZK60+836、YK60+840时瓦斯浓度下降为0。根据监测数据将云台山隧道工区划分如下：见表2，并以此为依据进行施工组织。

2.3.2 煤层超前探测

为有效地预测煤层的位置，防止在隧道掘进中误撞煤层。依据施工设计图中设计煤层桩号位置，在距设计煤层20m的地方，即：ZK60+650、YK60+660开始利用长钎前探煤层，并测定瓦斯压力和浓度，经多次前探，在ZK60+689、YK60+690位置处见煤。见煤后改用水平钻机详细探定煤层，在距初探煤层10m（垂直距离）的撑子面钻3个孔，置钻机于隧道上部中间位置，其中一孔沿隧道中线水平前探，另外两孔各朝顶板和侧面钻探，穿透顶板、开挖界线，发现煤层并穿透，测出瓦斯浓度、瓦斯压力，采集煤样测定煤的坚固系数。根据测得数据采用瓦斯压力法结合钻屑指标法进行判断瓦斯和煤层的突出情况。在监测过程中水平钻机前探煤层的1#、2#、3#孔，封孔测压，经7天观测左右洞瓦斯压力均超过0.74Mpa；同时利用WTC3瓦斯突出参数仪采用等容解吸法，通过连续自动测定煤样罐中瓦斯解吸压力，左右洞撑子面ZK60+678.616、YK60+678.8处测得的煤样K1值分别为0.61、0.67均大于上限值0.5；同时15#煤层煤的坚固系数经测定为4.7，有突出危险。三项指标都显示15#煤层突出的危险性，因此在施工中必须采用钻孔排放瓦斯的措施。

根据见煤钻杆长度，通过计算得出：15#煤层在隧道左右线的倾角为分别为55°和56°，煤层走向和隧道左右洞中心线的夹角分别为57°和58°，为左线煤层厚度2.37m，右线煤层厚度2.45m；含煤里程为ZK60+689.5～ZK60+694.5，YK60+690～YK60+695.2。如图2所示（以左洞为例）

2.3.3 瓦斯的排放

由于已确定15#煤层突出的危险性，在施工至距煤层垂直距离3m时采用钻孔排放瓦斯。钻孔以钻机中心点为起始点向四周辐射，每孔深度穿过煤层并进入顶（底）板岩层0.5m后终孔。排放孔布置根据煤层走向以及钻机位置，设定其水平和仰（俯）角度。在左右洞分上下断面钻孔排放瓦斯，左洞经过7天，右洞经过9天后，瓦斯压力数值分别为0.3和0.24，K1值分别为0.32、0.28达到掘进要求。

2.3.4 石门揭煤

石门揭煤采用微震动爆破法，根据煤层的倾斜情况揭开石门时从开挖工作面到煤层间保留有2m的岩柱。在接近煤层时严格控制超欠挖，每循环进尺按1.0m控制，在全煤层中掘进应少钻孔、少装药，且必须采用电煤钻钻孔，爆破过程中严格控制装药量（装药系数和普通爆破相同），减少爆破对周围煤层和岩层的扰动，防止煤与瓦斯的突出，造成隧道的坍塌。

微震动爆破的炸药用量和炮眼数量计算依据如下公式：

炸药量计算：Q=S·L·G （kg）

炮眼布置数量计算：N=5·S2·f2 （个）

式中：S——隧道掘进断面积（m2）

L——爆破进尺深度（米）

G——爆破单位岩体炸药消耗量，根据岩层的坚固系数和前期实际爆破效果取值为1.06kg/m3

f—岩石坚固性系数，图纸标明8.6

2.3.5 瓦斯监测

云台山隧道瓦斯工区瓦斯监测采用“双保险”措施，即：采用遥控自动化监测系统（煤矿瓦斯监测系统）与人工现场监测相结合。遥控自动化系统由洞口监测中心（配置主控计算机）和洞内各工作面瓦斯浓度测设探头、风速探头、自动报警器以及远程断电仪组组成。通过各探头和洞口监测中心随时了解洞内各处瓦斯浓度和风速情况，如发现超标立即报警并通过断电器关闭洞内电器电源。各工作面和瓦斯情况能及时被监控人员掌握，特别是揭煤放炮期间，监测人员可以随时观察到炮后瓦斯浓度变化曲线和涌出量，但因自动监测系统的探头必须与开挖面保持一定的距离，所以还须人工配合检查。装药前，放炮前，爆破后均要进行瓦斯检查（即一炮三检查），以使开挖过程中瓦斯浓度监测不间断。

隧道瓦斯自动监测点只在瓦斯工区布设，一般设在拱顶，一般瓦斯工区20m一处，严重瓦斯工区10m一处，瓦斯突出工区5m一处，但在断面变化交界处上部、导坑上部、衬砌与未衬砌交界处上部以及衬砌台车附近、各个预留洞室和人（车）行横洞、机械电子设备及其开关附近20m范围内、不良地质地段和局部通风不良地段等死角处适当调整位置，优先布设。并以人工监测配合。

2.3.6 瓦斯隧道的通风

瓦斯隧道洞内通风是保障正常施工的重要因素，也是隧道施工的基础，通风的任务主要体现在，向洞内连续不断地输送足够的新鲜空气，保证洞内施工人员生存的氧气，冲淡并排出洞内煤层涌出的或者是施工中产生的有毒、有害气体、粉尘和水蒸气，调节洞内空气条件，给洞内作业人员创造良好的生产工作环境，保证设备、仪器、仪表的正常运转。

云台山隧道左右洞各用两台FD-1NO.6/30型压入式风机通风，洞内通风以达到洞内工作人员最多时能保证每人每分钟有4m3以上的新鲜空气使用为宜。各工作面瓦斯深度允许值及超限处理措施如表2所示。瓦斯地段的通风设专人负责管理。负责通风系统各种设备的管理和维修，并按要求定期测试洞内风速、风量、气温、气压、瓦斯浓度等。停电后恢复通电前首先要检查瓦斯浓度，当隧道中电器设备处瓦斯浓度不超过1%，二氧化碳不超过1.5%，方可恢复通电，否则，应进行瓦斯排放处理。

3 结语

云台山隧道施工中采用上述所述的防瓦斯施工技术，安全顺利地完成了瓦斯工区的施工，没有发生一例安全事故。在保证施工安全、进度的同时，还大大节约了成本。随着我国基础设施建设的快速发展，穿越煤层、含有瓦斯的隧道工程将越来越多，希望本文阐述的施工技术能为类似工程设计施工提供参考。

参考文献：

[1]中华人民共和国铁道部.铁路瓦斯隧道技术规范[M].北京：中国铁道出版社，2003.4-13、25-28.

[2]国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程（2011修定版）[M].北京：煤炭工业出版社，2005.41-58.

[3]丁睿.瓦斯隧道建设关键技术[M].北京：人民交通出版社，2010.146-173.