高瓦斯引水隧洞瓦斯涌出量核定及通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整研究

張孝廣

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

0 引言

2016年7月14日上午06：17分萬州新長灘引水隧洞1號施工支洞下游面2+560底板在現(xiàn)場施工鉆孔時底部大量的氣體外冒并伴有刺鼻臭雞蛋氣味，同時發(fā)現(xiàn)掌子面右側(cè)下方3個炮孔有氣體涌出現(xiàn)象，造成停工停產(chǎn)120余天，嚴(yán)重影響工期進(jìn)度。因此研究該隧洞有毒有害氣體氣源、核算氣體涌出量并預(yù)測評價(jià)，動態(tài)調(diào)整隧洞安全設(shè)防等級，為后期采取具有針對性、安全性、經(jīng)濟(jì)性技術(shù)措施，保障施工安全提供決策依據(jù)。國內(nèi)目前引水隧洞施工過程中，由于地勘資料局限性，很少對地面勘察鉆孔直接進(jìn)行有毒有害氣體檢測，尤其在炭質(zhì)頁巖或淺層天然氣地層中施工，由于其儲藏分布特征分散、隨機(jī)，在地質(zhì)構(gòu)造、斷層、節(jié)理發(fā)育帶，通常就會溢出有毒有害氣體，當(dāng)后期開挖過程中突然揭露有毒有害氣體地層，造成開挖空間氣體濃度超標(biāo)，對現(xiàn)場施工環(huán)境構(gòu)成威脅[1-3]。通過本隧道瓦斯涌出量核定及提出相應(yīng)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化措施，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，確保安全生產(chǎn)具有重要意義，同時為類似引水隧洞施工積累一定施工經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 有毒有害氣體概況

截止2016年7月13日，新長灘電站引水系統(tǒng)工程1號支洞下游掌子面開挖至2+560，1號支洞上游掌子面開挖至1+793，2號支洞上游掌子面開挖至2+786。1號支洞下游掌子面與2#支洞上游掌子面相距226m實(shí)現(xiàn)貫通，如圖1?，F(xiàn)場檢測結(jié)果為：正常通風(fēng)情況下，硫化氫濃度≥100ppm(規(guī)范允許濃度<6.6ppm)、瓦斯?jié)舛取?%(規(guī)范允許濃度<1%)，因現(xiàn)場缺少其它有害物質(zhì)檢測設(shè)備，是否有其它有毒有害氣體暫不能確定[4]。為確保施工人員及設(shè)備安全，將1號支洞上、下游工作面已全部停工，洞內(nèi)作業(yè)人員已全部撤離至洞外，洞內(nèi)24h持續(xù)通風(fēng)。

1.2 氣源分析

隧址區(qū)域地處四川盆地東北邊緣，地貌以方斗山背斜為界，方斗山背斜以西屬川東平行嶺谷部分，呈現(xiàn)出一山一谷一臺相間的地貌景觀。區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源受地質(zhì)構(gòu)造控制，分布于方斗山背斜兩翼、七曜山背斜北西翼，龍駒壩背斜兩翼，其次為鐵鋒山背斜兩翼、假角山背斜南東翼。各背斜軸部主要為三疊系嘉陵江組碳酸鹽巖及巴東組的碳酸鹽巖夾碎屑巖；翼部為三疊系須家河組長石石英砂巖夾碳質(zhì)頁巖或煤層及侏羅系砂巖、泥巖不等厚互層[5-7]。

綜合地質(zhì)勘察資料、開挖揭露及現(xiàn)場踏勘走訪情況，該隧洞地勘資料顯示1號支洞工區(qū)上覆巖層均不含煤系地層，但附近有鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦，長灘鎮(zhèn)地?zé)豳Y源相對豐富，自然出露的天然溫泉水質(zhì)含有硫化氫。根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120-2019)：“由于瓦斯的來源除煤系地層外還有油頁巖及含天然氣、石油地層，所以本規(guī)范將后者統(tǒng)稱含瓦斯地層，與煤系地層一起作為瓦斯地質(zhì)的工作對象”[8]。該隧洞施工期間的有毒有害氣體涌出來源，可能為深部煤層瓦斯或天然氣經(jīng)長期釋放并運(yùn)移至隧洞巖體裂隙內(nèi)，經(jīng)斷層、地層裂隙向上運(yùn)移，在開挖爆破時涌出至掌子面風(fēng)流中。

圖1 萬州新長灘引水系統(tǒng)工程1#與2#支洞平面示意圖Fig.1 Schematic plan of No.1 and No.2 branch tunnels of wanzhou new long beach water diversion system project

2 檢測評價(jià)

本文通過對新長灘電站引水系統(tǒng)工程1號支洞選擇4個全斷面進(jìn)行有毒有害氣體濃度及風(fēng)量測定，并采集氣樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，如圖1。經(jīng)相關(guān)公式核算正常通風(fēng)條件下絕對瓦斯涌出量大小，并依據(jù)規(guī)程判定瓦斯危險(xiǎn)等級，為后期施工提供決策依據(jù)。

2.1 測點(diǎn)布置

1號檢測斷面位于1號支洞洞口向里約50m八字口處，斷面里程為2+201(已完成初支)，測量斷面面積約為15.37m2。

2號檢測斷面位于1號支洞與主洞交叉口向里約20m處，斷面里程為2+221(已完成初支)，測量斷面面積約為26.79m2。

3號檢測斷面位于1號支洞下游風(fēng)筒出風(fēng)口向里約10m處，斷面里程為2+405(已完成初支)，測量斷面面積約為26.46m2。

4號檢測斷面位于1號支洞下游掌子面退后約10m處，斷面里程為2+550(已完成初支)，測量斷面面積約為26.84m2。

每個測定斷面設(shè)置5個測點(diǎn)，分別位于隧洞拱頂(5)、左拱肩(3)、右拱肩(4)、左拱腳(1)、右拱腳(2)處，如圖2。每班測定時各測點(diǎn)測定3次，取其均值為該點(diǎn)當(dāng)班測定結(jié)果，見表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)室分析

2016年7月14日新長灘電站引水系統(tǒng)工程1號支洞下游隧洞掌子面(樁號2+560)有毒有害氣體涌出點(diǎn)孔口附近采集4個氣樣，并采用氣相色譜儀(美國安捷倫)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室氣樣成份分析，見表2。從氣樣分析檢驗(yàn)結(jié)果來看，1號支洞下游掌子面采集的4個氣樣中均含有甲烷成份，且甲烷濃度最高為1.32%，并根據(jù)現(xiàn)場瓦斯檢測數(shù)據(jù)，新長灘電站引水系統(tǒng)工程1號支洞下游隧洞掘進(jìn)時涌出的氣體中含有瓦斯，判定新長灘電站引水系統(tǒng)工程1號支洞工區(qū)為瓦斯工區(qū)。

表2 1號支洞下游掌子面氣樣分析檢驗(yàn)

2.3 涌出量核算

某班某斷面各測點(diǎn)的瓦斯?jié)舛葴y定結(jié)果的平均值為該班該斷面瓦斯?jié)舛鹊臏y定結(jié)果；考慮到所測巷道斷面為25m2左右，風(fēng)速測定采用全斷面線路法，每班每斷面測定3次，取平均為該班該斷面風(fēng)速。

(1)風(fēng)量計(jì)算。

Q=(S-S1-S2)×60×V

式中：

Q—風(fēng)量，m3/min；

S—隧洞斷面，m2；

V—風(fēng)速，m/s；

S1—測風(fēng)員所占面積為0.4，m2；

S2—1號支洞下游隧洞風(fēng)筒所占面積為0.5，m2。

(2)絕對瓦斯涌出量。

Q絕=風(fēng)量×濃度=Q×P

式中：

P—瓦斯實(shí)測加權(quán)平均濃度，%。

(3)某班某斷面絕對瓦斯涌出量計(jì)算。

QW=S0×(V1+V2+V3)÷3×60×(P1+P2+P3+P4+P5)÷5÷100

式中：

QW—當(dāng)班該斷面瓦斯涌出量，m3/min；

S0—該斷面有效面積，即隧洞斷面減去風(fēng)筒及測定人員所占面積，m2；

V1、V2、V3—當(dāng)班該斷面各次測定風(fēng)速，m/s；

P1-P5—當(dāng)班該斷面各測點(diǎn)測定的瓦斯?jié)舛取?/p>

(4)某日某斷面絕對瓦斯涌出量計(jì)算。

Q1=(Q11+Q12+Q13)/3

式中：

Q1—1號斷面當(dāng)日瓦斯涌出量，m3/min；

Q11、Q12、Q13—1號斷面早、中、晚班瓦斯涌出量，m3/min。

(5)某日某工區(qū)絕對瓦斯涌出量計(jì)算。

Q=Qij/(i×j)=(Q1早+Q1中+Q1晚+Q2早+Q2中+Q2晚+Q3早+Q3中+Q3晚+Q4早+Q4中+Q4晚)/12

式中：

Q—當(dāng)日某工區(qū)絕對瓦斯涌出量，m3/min；

Qij—當(dāng)日某工區(qū)總瓦斯涌出量，m3/min；

i—1#、2#、3#、4#斷面；

j—早、中、晚3班。

(6)工區(qū)絕對瓦斯涌出量。

比較某工區(qū)某天的測定結(jié)果，取該工區(qū)某天中最大者為該工區(qū)絕對瓦斯涌出量，進(jìn)而確定該工區(qū)瓦斯等級[9]。

2.4 預(yù)測評價(jià)

根據(jù)數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)及核算公式對新長灘電站引水系統(tǒng)工程1號支洞下游隧洞工區(qū)瓦斯涌出量進(jìn)行核算，見表3。

由表3可以看出，新長灘電站引水系統(tǒng)工程1號支洞工區(qū)絕對瓦斯涌出量為1.88m3/min，依據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120-2019)中“低瓦斯和高瓦斯工區(qū)可按絕對瓦斯涌出量進(jìn)行判定”。該1號支洞下游隧洞2+560-2+786段判定為高瓦斯工區(qū)。

表3 1號支洞下游隧洞瓦斯涌出量核算

3 防治技術(shù)措施

3.1 總體思路

利用現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)加強(qiáng)1號支洞上、下游作業(yè)面通風(fēng)，將1號支洞內(nèi)各氣體濃度降至要求限值以下，1號支洞新增1臺風(fēng)機(jī)和1趟風(fēng)筒，在三岔口處接1號支洞下游原有風(fēng)筒。三岔口附近50m范圍內(nèi)有毒有害氣體濃度降至要求限值以下，具備安全作業(yè)條件后，安設(shè)1套有毒有害氣體自動監(jiān)控系統(tǒng)，同時將1號支洞下游進(jìn)行臨時密閉。密閉后期，在密閉墻處臨時拆除下游風(fēng)筒，停止向下游作業(yè)面供風(fēng)，單獨(dú)向1號支洞上游作業(yè)面供風(fēng)。洞口建立移動抽放泵站抽排密閉空間內(nèi)有毒有害氣體至洞外，然后恢復(fù)1號支洞上游作業(yè)面施工。

總體路線：調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)—建立氣體自動監(jiān)控系統(tǒng)—密閉1號支洞下游—抽排密閉氣體—恢復(fù)1號支洞上游施工—恢復(fù)2號支洞上游施工。

3.2 密閉前硫化氫臨時處置

1號支洞下游作業(yè)面是反坡施工，隧洞內(nèi)裂隙水均匯聚到掌子面附近區(qū)域，導(dǎo)致目前掌子面底板3個有毒有害氣體涌出點(diǎn)均浸泡在積水中，涌出的硫化氫經(jīng)積水區(qū)域后涌向洞內(nèi)。根據(jù)硫化氫易溶于水，易與石灰水、堿水反應(yīng)生成氫硫酸的特點(diǎn)，可直接在積水處加入大量石灰，攪拌使其中和反應(yīng)充分，或者通過隧洞內(nèi)現(xiàn)有的高壓水管向洞內(nèi)輸送石灰水。

鑒于目前1號支洞下游作業(yè)面有毒有害氣體濃度依然超限，人員不可冒險(xiǎn)進(jìn)洞處置，隧洞洞口外修建1個3×3×1m3的儲水池，在水池內(nèi)混入14kg石灰，與水充分?jǐn)嚢杈鶆?，利用洞外高壓水泵?jīng)供水管將石灰水直接壓入洞內(nèi)掌子面積水處。高壓水泵進(jìn)水口處設(shè)置過濾網(wǎng)，防治石灰堵塞。

3.3 密閉前通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整

鑒于1號支洞2個工作面未形成獨(dú)立供風(fēng)系統(tǒng)，而是采用三叉風(fēng)筒同時向1號支洞2個工作面供風(fēng)，不符合相關(guān)規(guī)范要求。如需進(jìn)行洞內(nèi)密閉墻作業(yè)，必須先進(jìn)行以下優(yōu)化和調(diào)整：

(1)利用現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)加強(qiáng)1號支洞上、下游作業(yè)面通風(fēng)，將1號支洞各氣體濃度降至要求限值以下，具備安全作業(yè)環(huán)境。

(2)將三岔口處下游風(fēng)筒拆斷并臨時綁扎，1號支洞洞口外新增1臺2×55kw対旋式軸流通風(fēng)機(jī)，并新增250m長直徑Ф0.8m風(fēng)筒，從新增風(fēng)機(jī)處接到1號支洞三岔口處，與下游拆斷的風(fēng)筒接通，向下游工作面獨(dú)立供風(fēng)，如圖3。

圖3 1號支洞通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整后平面圖Fig.3 Plan of ventilation system optimization and adjustment of No.1 branch hole

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)布設(shè)

在通風(fēng)系統(tǒng)改造調(diào)整完畢后，在1號支洞安設(shè)1套監(jiān)控系統(tǒng)，自動監(jiān)控洞內(nèi)有毒有害氣體情況，保障密閉墻施工期間作業(yè)人員的安全，如圖4。

自動監(jiān)測采用KJ90礦用安全監(jiān)控系統(tǒng)，對隧洞內(nèi)總回風(fēng)處、三岔口處及開挖掌子面處分別布設(shè)瓦斯、硫化氫、一氧化碳、氧氣、風(fēng)速等傳感器對各參數(shù)的變化情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和記錄，并結(jié)合人工監(jiān)測數(shù)據(jù)比對分析，提前對隧洞內(nèi)施工環(huán)境概況預(yù)測預(yù)警，以確保施工安全。

圖4 1號支洞氣體自動監(jiān)控系統(tǒng)布置示意圖Fig.4 Layout of gas automatic monitoring system in No.1 branch hole

3.5 密閉施工及工序優(yōu)化調(diào)整

密閉工作開展前，新增1臺風(fēng)機(jī)保障1號支洞2個作業(yè)面獨(dú)立供風(fēng)，并加強(qiáng)1號支洞上、下游通風(fēng)，將1號支洞與主洞交岔口附近50m范圍內(nèi)有毒有害氣體濃度降至要求限值以下，在交岔口處具備安全作業(yè)條件后，方可進(jìn)洞施工密閉墻。

在壘砌磚墻前期，1號支洞上、下游不得停風(fēng)，必須持續(xù)通風(fēng)。墻體砌到后期僅留有拱頂風(fēng)筒口大小時，關(guān)閉下游供風(fēng)風(fēng)機(jī)，繼續(xù)運(yùn)行上游供風(fēng)風(fēng)機(jī)，將下游供風(fēng)風(fēng)筒在密閉墻處拆斷，快速將墻體遺留的風(fēng)筒缺口封堵密閉。密閉施工完畢后通過后期洞口建立移動抽放泵站抽排密閉空間內(nèi)有毒有害氣體至洞外排放，如圖5。

圖5 1號支洞下游密閉施工后通風(fēng)系統(tǒng)圖Fig.5 Diagram of ventilation system after closed construction downstream of No.1 branch hole

鑒于目前1號支洞下游掌子面與2號支洞上游掌子面未開挖段2+560-2+786相距僅226m，且2號支洞上游隧洞內(nèi)暫未檢測出有毒有害氣體。在保證2號支洞通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整完畢后，方可進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，利用超前鉆探手段進(jìn)行全程鉆探，釋放瓦斯等有毒有害氣體后方可恢復(fù)開挖工作，如圖6。

圖6 2號支洞通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整后平面圖Fig.6 Plan of ventilation system optimization and adjustment of No.2 branch hole

4 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場檢測及實(shí)驗(yàn)室分析評估該1號支洞工區(qū)瓦斯絕對涌出量核算為高瓦斯隧洞，應(yīng)嚴(yán)格按照高瓦斯隧洞管理。

(2)復(fù)工前對通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，加裝瓦斯自動監(jiān)控系統(tǒng)，合理布局施工工序，保障施工安全，具有一定經(jīng)濟(jì)性、安全性和可操作性。

(3)鑒于本測定為停工狀態(tài)下檢測評估，未完全反應(yīng)正常施工狀態(tài)下瓦斯涌出狀態(tài)，現(xiàn)場施工過程中應(yīng)隨時進(jìn)行瓦斯人工和自動監(jiān)測；同時加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和地質(zhì)鉆探工作，鉆孔搭接長度不小于5m，防止誤穿裂隙造成有毒有害氣體涌出事故，所有進(jìn)入隧洞人員復(fù)工前進(jìn)行有毒有害氣體防治專題培訓(xùn)會，落實(shí)安全組織保障措施、組織機(jī)構(gòu)與職責(zé)、工期安排、相關(guān)安全培訓(xùn)、突發(fā)性事故應(yīng)急救援預(yù)案及演練等內(nèi)容。