王慶國(guó)

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西渭南 714000）

1 煤層瓦斯的特征

1.1 瓦斯成分及物理力學(xué)性質(zhì)

隧道遇到瓦斯多出現(xiàn)在煤系地層。瓦斯成分主要是甲烷(CH4)(亦稱沼氣)，其它還有二氧化碳(CO2)和氮(N2)，有時(shí)還有少 量 的 氫 (H2)、 硫 化 氫(H2S)、 一 氧 化 碳 (CO)、 氧(O2)、 乙 烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)等氣體。

瓦斯是一種無色、無味、無臭的氣體，與碳化氫或硫化氫混合在一起時(shí)，則發(fā)出類似蘋果的香味。瓦斯比空氣輕，因而常漂浮聚集在隧道洞室的上半部；瓦斯難溶于水，滲透性很強(qiáng)，擴(kuò)散速度大，能從洞室周圍地層中通過巖層裂隙滲透到洞室中來；瓦斯有燃燒性，當(dāng)濃度小于5%時(shí)，遇火能燃燒，火焰為藍(lán)色到亮青色，濃度大于16%時(shí)，不能直接燃燒，如引到新鮮空氣中能緩慢燃燒；瓦斯有爆炸性，當(dāng)空氣中瓦斯?jié)舛仍?%～16%時(shí)，遇火源便會(huì)爆炸，含量在9.5%左右時(shí)爆炸最為猛烈。

1.2 瓦斯的賦存狀態(tài)

煤中瓦斯的賦存狀態(tài)一般有吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)2種。固體表面的吸附作用可以分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種類型，煤對(duì)瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子間相互吸引的結(jié)果。在被吸附瓦斯中，通常又將進(jìn)入煤體內(nèi)部的瓦斯稱為吸收瓦斯，把附著在煤體表面的瓦斯稱為吸著瓦斯，吸收瓦斯和吸著瓦斯統(tǒng)稱為吸附瓦斯。在煤層賦存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%～90%，游離瓦斯量占10%～20%；在吸附瓦斯量中又以煤體表面吸著的瓦斯量占多數(shù)。

在煤體中，吸附瓦斯和游離瓦斯在外界條件不變的條件下處于動(dòng)平衡狀態(tài)，吸附狀態(tài)的瓦斯分子和游離狀態(tài)的瓦斯分子處于不斷的交換之中；當(dāng)外界的瓦斯壓力和溫度發(fā)生變化或給予沖擊和振蕩、影響了分子的能量時(shí)，則會(huì)破壞其動(dòng)平衡，而產(chǎn)生新的平衡狀態(tài)。因此，瓦斯吸附分子和游離分子是在不斷地交換之中，在瓦斯緩慢的流動(dòng)過程中，不存在游離瓦斯易放散、吸附瓦斯不易放散的問題；但是，在突出過程的短暫時(shí)間內(nèi)，游離瓦斯會(huì)首先放散，然后吸附瓦斯迅速加以補(bǔ)充。

1.3 瓦斯放出的形式

瓦斯的涌出：從煤層或巖層中均勻緩慢地釋放出來，延續(xù)時(shí)間很久，有時(shí)帶有一種嘶聲。

瓦斯的噴出：大量瓦斯在壓力狀態(tài)下，從煤巖裂縫中噴出，噴出的時(shí)間有長(zhǎng)有短，放出時(shí)常伴隨著嘶嘶聲、吹哨聲或破碎聲，能于短時(shí)間內(nèi)放出大量沼氣，有造成爆炸和生命窒息的危險(xiǎn)。

瓦斯突出：在較大壓力狀態(tài)下，在很短時(shí)間內(nèi)，瓦斯突然大量噴出，并伴隨大量煤粉和巖塊拋出，稱為瓦斯突出。瓦斯突出之前，一般都出現(xiàn)一些預(yù)兆，如發(fā)出聲響，地層壓力增大，支撐被壓變形，有臭味、酸味或酒味，坑壁被擠出、塌落，頂板、底板鼓起，煤質(zhì)變得松軟，顏色由亮變黑，失掉光澤等，同時(shí)氣溫降低，有較顯著發(fā)冷感覺。

2 隧道瓦斯地段揭煤施工方法

2.1 超前探測(cè)

不同的隧道，其瓦斯含量及壓力與煤系地層的長(zhǎng)度、在隧道中所處位置和所占長(zhǎng)度比例及隧道本身長(zhǎng)度有關(guān)，且差異很大?！惰F路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》要求將瓦斯隧道合理地劃分為非瓦斯工區(qū)、低瓦斯工區(qū)、高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū)。

接近突出煤層前，必須對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)示的各突出煤層位置進(jìn)行超前探測(cè)，標(biāo)定各突出煤層準(zhǔn)確位置，掌握其賦存情況及瓦斯?fàn)顩r。

(1)初步探測(cè)：接近突出煤層前，應(yīng)在距設(shè)計(jì)煤層位置15～20 m(垂距)處的開挖工作面打超前探孔1個(gè)，初探煤層位置。

(2)精確探測(cè)：在距初探煤層位置10m(垂距)處的開挖工作面上打3個(gè)超前探孔，并取巖(煤)芯，分別探測(cè)開挖工作面前方上部及左右部位煤層位置；按各孔見煤、出煤點(diǎn)計(jì)算煤層厚度、傾角、走向及與隧道的關(guān)系，并分析煤層頂、底板巖性；掌握并收集探孔施工過程中的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

各探孔施工應(yīng)注意：

各探孔要求應(yīng)穿透煤層進(jìn)入頂(底)板不小于0.5m；

正式探孔應(yīng)取完整的巖(煤)芯，進(jìn)入煤層后宜用干鉆取樣；

各探孔直徑不宜小于76 mm；

所有鉆孔要詳細(xì)記錄巖芯資料，以利于探明煤層的相對(duì)位置，煤層傾角、厚度、走向的變化及地質(zhì)構(gòu)造和瓦斯情況等；

在鉆孔過程中要仔細(xì)觀察孔內(nèi)排出的漿液、煤屑變化情況，是否有噴孔、卡鉆、頂鉆等異常現(xiàn)象，并做好記錄；

在布孔時(shí)應(yīng)本著一孔多用的原則，探孔盡可能用作預(yù)測(cè)孔和起到瓦斯排放孔的作用。

2.2 突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

在瓦斯突出工區(qū)施工時(shí)，應(yīng)在距煤層垂距5m處的開挖工作面打瓦斯測(cè)壓孔，或在距煤層垂距不小于3m處的開挖工作面進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。

預(yù)測(cè)孔和測(cè)壓孔均布置在擬首次揭煤的斷面范圍內(nèi)，一般布置3個(gè)預(yù)測(cè)孔和1個(gè)測(cè)壓孔，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)開挖斷面大小適當(dāng)增減鉆孔數(shù)量；鉆孔要能控制開挖周邊2～3m范圍，鉆孔穿透煤層全厚，并進(jìn)入煤底板不小于0.5m。

測(cè)壓孔徑為75mm，測(cè)定瓦斯涌出的初速度后應(yīng)即時(shí)封孔，測(cè)定瓦斯壓力。預(yù)測(cè)孔開孔孔徑為60mm，見煤后孔徑改為42mm，并由孔口接煤粉，測(cè)定預(yù)測(cè)參數(shù)值，上述各孔的見煤點(diǎn)與原超前探孔見煤點(diǎn)的間距應(yīng)不小于5m。

瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)應(yīng)選用至少兩種方法，相互驗(yàn)證。石門揭煤可采用瓦斯壓力法、綜合指標(biāo)法或鉆屑指標(biāo)法，對(duì)于煤巷掘進(jìn)宜采用鉆孔瓦斯涌出初速度法、鉆屑指標(biāo)法或“R”指標(biāo)法。突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法中有任何一項(xiàng)指標(biāo)超過臨界指標(biāo)，該開挖工作面即為有突出危險(xiǎn)工作面。其預(yù)測(cè)時(shí)的臨界指標(biāo)應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定，當(dāng)無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可參照《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》中所列突出危險(xiǎn)性臨界值。

在鉆孔過程中，出現(xiàn)頂鉆、卡鉆、瓦斯和煤粉的噴孔等動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)視該開挖工作面為突出危險(xiǎn)工作面。

2.3 防突技術(shù)措施

經(jīng)預(yù)測(cè)有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)在揭煤前制定包括技術(shù)、組織、安全、通風(fēng)、搶險(xiǎn)、救護(hù)等技術(shù)組織措施。

2.3.1 加強(qiáng)通風(fēng)

隧道在掘進(jìn)過程中，預(yù)防瓦斯燃燒與爆炸的主要措施是加強(qiáng)通風(fēng)以降低瓦斯?jié)舛龋蛊湓谠试S值之下。

高瓦斯隧道的通風(fēng)裝置應(yīng)有兩套獨(dú)立的通風(fēng)機(jī)和各自獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)，所有掘進(jìn)工作面的局部風(fēng)機(jī)都應(yīng)裝設(shè)三專(專用變壓器、專用開關(guān)、專用線路)、一閉鎖(風(fēng)，電)設(shè)施，保證局部扇風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。瓦斯含量較低時(shí)，可考慮一套通風(fēng)機(jī)，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，其中一臺(tái)備用。凡備用電動(dòng)機(jī)和配套扇風(fēng)機(jī)必須在10min內(nèi)啟動(dòng)。

使用局部扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)的掘進(jìn)工作面，無論工作或交接班時(shí)，都不準(zhǔn)停風(fēng)。因檢修、停電等原因停風(fēng)時(shí)，必須撤出人員，切斷電源。在恢復(fù)通風(fēng)前，必須檢查瓦斯，局部扇風(fēng)機(jī)及其開關(guān)地點(diǎn)附近10m以內(nèi)風(fēng)流中瓦斯?jié)舛榷疾怀^0.5%時(shí)，方可人工開動(dòng)風(fēng)機(jī)。

2.3.2 防止噴出及突出

在掘進(jìn)工作面的前方或兩側(cè)鉆孔，探明是否有斷層、裂縫和溶洞及其分布位置、瓦斯貯存情況，以便采取相應(yīng)措施。

排放瓦斯：瓦斯含量不大時(shí)，使其自然排放，亦可用風(fēng)筒或管子將瓦斯引至回風(fēng)流或距工作面20m以外的坑道中，以保證工作面開挖放炮的安全。當(dāng)瓦斯量大、噴出強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，則可插管排放；當(dāng)開挖面瓦斯含量較大、裂隙多、分布廣時(shí)，可暫停開挖，封閉坑道抽放瓦斯。

在裂隙小、瓦斯含量小時(shí)，可用粘土、水泥漿或其它材料堵塞裂隙，防止瓦斯噴出。

在開挖工作面前方接近煤層2m左右，向煤層打若干Φ75～300mm的超前鉆孔排放瓦斯，鉆孔周圍形成卸壓帶，使集中應(yīng)力移向煤體深部，達(dá)到防止突出的目的。

水力沖孔：在進(jìn)行開挖之前，使用高壓水射流，在突出危險(xiǎn)煤層中，沖出若干直徑較大的孔洞，使瓦斯解吸和排放，降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力。

震動(dòng)性放炮誘導(dǎo)突出：在工作面布置較多的炮眼并裝較多的炸藥，撤出人員后遠(yuǎn)距離起爆，利用爆破時(shí)強(qiáng)大的震動(dòng)力一次揭開具有突出危險(xiǎn)性的煤層。

深孔松動(dòng)爆破：在開挖工作面向煤體深部的應(yīng)力集中帶內(nèi)布置幾個(gè)長(zhǎng)炮眼進(jìn)行爆破，其目的在于利用炸藥的能量破壞煤體前方的應(yīng)力集中帶，在工作面前方造成較長(zhǎng)的卸壓帶，從而預(yù)防突出的發(fā)生。

煤層注水：通過鉆孔將壓力水注入煤層，使煤體濕潤(rùn)以改變煤的物理機(jī)械性質(zhì)，減小或消除突出的危險(xiǎn)性。

加強(qiáng)煤與瓦斯突出的技術(shù)管理。

2.4 防突措施效果檢驗(yàn)

防突措施實(shí)施后，必須進(jìn)行效果檢驗(yàn)，以確認(rèn)防突措施是否有效。防突措施效果檢驗(yàn)應(yīng)在距煤層2.0 m垂距的巖柱以外進(jìn)行；防突措施的效果檢驗(yàn)參照《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行；防突效果檢驗(yàn)指標(biāo)的臨界值應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定，當(dāng)無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可參照《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》確定。檢驗(yàn)結(jié)果，其中任何一項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)，或在打檢驗(yàn)孔時(shí)發(fā)生噴孔、頂鉆、夾鉆等動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)，則認(rèn)為防突措施無效，必須采取補(bǔ)充防突措施；采用一次性排放時(shí)，應(yīng)檢驗(yàn)工作面前方上、中、下、左、右各部位的排放效果；當(dāng)采用分段分部分次排放時(shí)，每次只檢驗(yàn)排放部位的排放效果。

2.5 揭煤施工

揭煤施工要根據(jù)隧道斷面大小及煤層突出危險(xiǎn)程度預(yù)測(cè)結(jié)果決定揭煤方法。煤系地層大多為泥巖、頁(yè)巖、砂泥巖和煤層互層，巖性松軟、破碎，自穩(wěn)性差，故在隧道大斷面開挖時(shí)，極易坍落塌方。另一方面，在煤系地層施工必須使用煤礦用毫秒電雷管和煤礦安全炸藥。毫秒電雷管規(guī)定延期時(shí)間不得超過130ms，只能選用到5段；而煤礦安全炸藥的爆力和猛度均小于非礦用炸藥，其爆炸威力只相當(dāng)于一般巖石銨銻炸藥的80%，難以滿足隧道大斷面施工要求。

上述原因決定了在煤系地層中不宜全斷面開挖，而應(yīng)采取半斷面正臺(tái)階、先墻后拱的施工方法。在開挖上弧導(dǎo)坑前，視圍巖情況或設(shè)超前小導(dǎo)管注漿，或設(shè)超前水平錨桿補(bǔ)強(qiáng)，并短掘緊襯，襯砌緊跟工作面，以防塌方。平行導(dǎo)坑因斷面小采取全斷面開挖，但仍應(yīng)短掘緊襯。初期支護(hù)緊跟工作面能及時(shí)封閉巖面，防止瓦斯向隧道泄漏，有利于施工安全，但由于放炮距離近，使拱部受到擾動(dòng)。由于煤系地層巖石松軟，強(qiáng)度低，鑿眼容易，故只要多用風(fēng)槍，及時(shí)鑿眼放炮，在支護(hù)2小時(shí)內(nèi)大多能做到打眼放炮完成，此時(shí)混凝土尚未初凝，不致使混凝土質(zhì)量受到影響。在巖石破碎，鑿眼過程中發(fā)生卡鉆、頂鉆，或由于其它原因使鑿眼時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，則采取密炮眼、小藥量的辦法，盡量減少放炮對(duì)支護(hù)混凝土的影響。

3 安全技術(shù)措施

加強(qiáng)通風(fēng)管理，確保隧道工作面供風(fēng)量。

加強(qiáng)瓦斯檢測(cè)，保證工作面瓦斯?jié)舛炔淮笥?%，距工作面后方20m回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛炔淮笥?.75%，隧道中無瓦斯積聚。

加強(qiáng)隧道內(nèi)所有電器設(shè)備和照明線路及機(jī)具管理，必須采用礦用安全防爆電器設(shè)備，并安裝風(fēng)電及瓦斯閉鎖設(shè)施，隨時(shí)有專人檢查維修，不得失爆。

加強(qiáng)揭煤地段前后放炮管理，特別是揭煤地段爆破作業(yè)應(yīng)按設(shè)計(jì)進(jìn)行。

揭煤前的保安巖柱厚2m，在刷斜坡后，炮孔應(yīng)準(zhǔn)確無誤地按設(shè)計(jì)炮孔深度及數(shù)目布置，以防止誤穿或提前揭煤。

放炮前工作面不裝藥的炮孔(空眼)要用黃泥堵塞全孔。

在揭煤地段，進(jìn)入隧道作業(yè)人員必須佩帶個(gè)人自救器。

放炮揭煤后40min，由救護(hù)人員攜帶滅火器材首先進(jìn)入工作面，經(jīng)檢查無異常后，才能恢復(fù)供電、供風(fēng)。

加強(qiáng)揭煤地段特別是隧道與煤層交接處的支護(hù)工作。

4 結(jié)術(shù)語(yǔ)

在瓦斯隧道煤系地層施工時(shí)，通過采用上述一系列關(guān)鍵施工技術(shù)，堅(jiān)持“短進(jìn)尺，弱爆破，強(qiáng)支護(hù)，勤監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)通風(fēng)，快噴錨”的原則，揭煤、防突及瓦斯排（抽）放施工時(shí)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格執(zhí)行揭煤防突和瓦斯監(jiān)控量測(cè)的有關(guān)規(guī)定和程序，可以安全地通過瓦斯區(qū)。

[1]TB10204-2002/J163-2002，鐵道部.鐵路隧道施工規(guī)范[S].

[2]TB10120-2002/J160-2002，鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范[S].

[3]李曉紅，等.瓦斯隧道揭煤施工技術(shù)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社，2005.

[4]周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1999.

[5]吳應(yīng)明.瓦斯隧道揭煤施工方法 [J].西部探礦工程，2001，71(4):80-81.