田 霞，毛 燕

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 煤層探測(cè)及煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)

煤層探測(cè)及煤與瓦斯突出的研究表明，煤層畸變、分岔、煤厚突變處是最易發(fā)生突出現(xiàn)象的部位，而施工中若誤揭煤層則會(huì)誘發(fā)災(zāi)難性事故。因此，了解煤層的賦存形態(tài)，通過(guò)標(biāo)志層判定煤層就尤為重要。在開(kāi)挖工作面距預(yù)測(cè)煤層位置10 m以外，于上部導(dǎo)坑打3孔超前鉆孔，詳細(xì)記錄巖芯，尋找標(biāo)志層，確定煤層編號(hào)，及記錄煤層空間位置及煤層厚度。根據(jù)“煤規(guī)”規(guī)定，超前鉆孔必須穿透煤層全厚并進(jìn)入底板巖層（底板標(biāo)志層）不小于0.5 m，其終孔位置應(yīng)控制在開(kāi)挖輪廓外5 m左右。

為掌握煤層變化情況，隧道下部導(dǎo)坑也需打1～2孔超前鉆孔，與上部導(dǎo)坑之鉆孔相互印證。

開(kāi)挖面掘進(jìn)至已定位煤層凈距為5 m時(shí)，首次揭煤前作2個(gè)預(yù)測(cè)孔，對(duì)煤與瓦斯賦存條件、突出程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，以確定防突措施。通常首次預(yù)測(cè)確定煤層具有突出性后，該層煤即為突出煤層。

由于煤與瓦斯突出的機(jī)理十分復(fù)雜，因此，在其它部位施工時(shí)，仍應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)性預(yù)測(cè)孔預(yù)測(cè)。對(duì)煤與瓦斯突出的預(yù)測(cè)方法多種多樣，而又各有局限性，除常用的鉆屑指標(biāo)法外，還有“鉆孔瓦斯涌出初速度法”、“綜合指標(biāo)R值法”以及近年發(fā)展的“聲發(fā)射預(yù)測(cè)”、“紅外測(cè)溫預(yù)測(cè)”、“氦、氬同位素預(yù)測(cè)”等等。施工中，經(jīng)常采用多種預(yù)測(cè)方式，以期全面地、多角度地進(jìn)行煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)，提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。但預(yù)測(cè)仍以常用的鉆屑指標(biāo)法為主，以鉆屑解析指標(biāo)作為判定是否突出及突出程度的基本參數(shù)列于表1。

此外，在鉆孔時(shí)利用所測(cè)瓦斯涌出初速度gh·k及利用每米鉆孔最大鉆屑量、最大瓦斯涌出初速度確定的R值，也可作為預(yù)測(cè)突出的指標(biāo)。

表1 鉆屑指標(biāo)法臨界值

2 防止煤與瓦斯突出的措施

2.1 抽放與排放的選擇

對(duì)于突出煤層，降低煤層瓦斯壓力是至關(guān)重要的措施。一般對(duì)于局部防突多采用抽放或排放。采用抽放時(shí)，由于負(fù)壓可使鉆孔數(shù)量大為減少，按技術(shù)要求抽放負(fù)壓應(yīng)不小于13 kPa，抽放率應(yīng)達(dá)到25%才能有效地止住突出。然而，由于突出煤層多具有透氣性系數(shù)低，往往遠(yuǎn)小于0.001 MD（達(dá)西），故抽放效果難以保證。另?yè)?jù)美國(guó)洛杉機(jī)地鐵在粉細(xì)砂層內(nèi)進(jìn)行的抽、排放試驗(yàn)資料，抽放與自然排放對(duì)相鄰監(jiān)測(cè)井中的有害氣體濃度，由此而論，隧道抽放瓦斯效果還需設(shè)一套空氣注入系統(tǒng)方可快速有效，這顯然會(huì)增加工程投資。

排放范圍為隧道開(kāi)挖輪廓以外5 m。排放步驟與隧道開(kāi)挖步驟相適應(yīng)，由距煤層凈距5 m處掌子面施作排放鉆孔。實(shí)際上，考慮先揭煤之施工部分開(kāi)挖面的排放鉆孔，則排放鉆孔可減少10%以上。排放至瓦斯壓力小于本礦區(qū)最小突出瓦斯壓力值后，即可揭煤。

2.2 揭煤工程措施

揭煤采用金屬骨架支護(hù)，震動(dòng)放炮揭開(kāi)石門(mén)，爭(zhēng)取一次揭開(kāi)煤層。在煤與瓦斯突出事故中，揭開(kāi)石門(mén)導(dǎo)致突出所占比例雖不高，但其強(qiáng)度卻很大，因此，首次揭煤應(yīng)引起高度重視。而在煤層中掘進(jìn)，煤與瓦斯的動(dòng)力現(xiàn)象多為小型突出或壓出、傾出為主。由于掘進(jìn)過(guò)程中破壞了原有應(yīng)力場(chǎng)，二次應(yīng)力的產(chǎn)生及集中作用，巖體受爆破影響后的弱化作用，都為煤層彈性?xún)?chǔ)能的釋放提供了條件，煤與瓦斯的突出多發(fā)生于開(kāi)挖爆破后。因此，安全揭煤首先要對(duì)周邊煤體進(jìn)行適當(dāng)加固，限制開(kāi)挖后應(yīng)力場(chǎng)的變化范圍，結(jié)合防突采用的金屬骨架，采用不同外插角的自進(jìn)式錨桿。其中，大外插角者，以超前加固巖（煤）體、封閉開(kāi)挖范圍以外煤體裂隙，以縮小巖體松弛區(qū)，防止大變形的發(fā)生，減少瓦斯涌入坑道的數(shù)量。小外插角者，作為揭煤之金屬骨架防止煤與瓦斯的突出，同時(shí)也是作為保證施工安全的超前小管棚。

2.3 防止煤與瓦斯突出的備用措施

布設(shè)較密集的排放鉆孔本已起到了煤體的卸壓作用，若排放效果不理想時(shí)，還可利用這些排放孔進(jìn)行水力沖孔，誘導(dǎo)煤層噴孔現(xiàn)象，形成有控制的連續(xù)的小型突出，通過(guò)煤與瓦斯的大量噴出，使排放范圍內(nèi)具有突出危險(xiǎn)性的煤體失去突出能力，同時(shí)水能加強(qiáng)煤體的可塑性，降低其彈性?xún)?chǔ)能，減緩釋放速度，達(dá)到防止突出的目的。

首次和擴(kuò)大揭煤作業(yè)流程：對(duì)每層煤均應(yīng)實(shí)施超前鉆孔和預(yù)測(cè)孔，對(duì)煤與瓦斯突出做危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，有突出危險(xiǎn)的做實(shí)施性防突設(shè)計(jì)，采用鉆孔排放瓦斯，排放完后做排放效果檢驗(yàn)，效果若不理想，繼續(xù)做鉆孔排放，重復(fù)上述幾步排放效果仍然不明顯的話(huà)，要做抽放或者用水力沖，直至達(dá)到排放效果，然后做金屬拱架、超前錨桿、注漿加固巖體等安全措施，做好這些措施，就可以揭露開(kāi)采煤層。

2.4 加強(qiáng)通風(fēng)

為保證施工安全，施工通風(fēng)十分重要。根據(jù)“煤規(guī)”，洞內(nèi)風(fēng)速要保證不小于0.25 m/s，風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔坏贸^(guò)1%。

如每個(gè)通風(fēng)工區(qū)共安裝主風(fēng)機(jī)2臺(tái)（BK40—6—No.18型，一臺(tái)備用），局扇5臺(tái)（DXB88—1型，另備用5臺(tái)），供電為雙回路制。值得研究的是，設(shè)計(jì)按煤礦的做法，主風(fēng)機(jī)為全能力備用，然而，當(dāng)主風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)首先保證的是洞內(nèi)瓦斯不得超限，按炸藥用量確定的主風(fēng)機(jī)排放瓦斯的能力過(guò)剩。因此，建議在瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)按一次最大炸藥消耗確定主風(fēng)機(jī)，而按排放瓦斯要求能力配置主風(fēng)機(jī)的備用風(fēng)機(jī)，可節(jié)省工程投資。

3 含裂隙瓦斯 油氣及硫化氫氣體地層的施工防災(zāi)措施

1）加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)工作，采用超前鉆探、TSP202地震波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)襲用及綜合物探，超前查明小型儲(chǔ)氣構(gòu)造、裂隙發(fā)育帶、溶蝕發(fā)育帶等瓦斯易于儲(chǔ)集的地質(zhì)條件，防止誤揭。

2）對(duì)異常點(diǎn)采用鉆探驗(yàn)證，對(duì)氣囊采用抽放、排放或注漿封閉等措施，防止有害氣體的大量涌入。待瓦斯被封閉或排放枯竭后，再行掘進(jìn)。

3）加強(qiáng)施工通風(fēng)，是保證施工安全的有力措施。除按瓦斯允許濃度要求進(jìn)行通風(fēng)外，還需保證坑道內(nèi)硫化氫濃度不大于66 ppm的要求。

4）由于賦存裂隙瓦斯的巖體相對(duì)較堅(jiān)硬，鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生熱量較大，因此必須堅(jiān)持采用水鉆，以防不測(cè)。利用硫化氫溶于水的特性，在坑道內(nèi)噴霧灑水可有效降低硫化氫濃度。

4 瓦斯隧道防爆施工機(jī)械配套及供配電設(shè)備

4.1 設(shè)備配套原則及技術(shù)要求

1）施工機(jī)械及電氣設(shè)備

a）鑒于以?xún)?nèi)燃機(jī)為主動(dòng)力的機(jī)具目前還難以解決防爆問(wèn)題，故瓦斯隧道應(yīng)采用以電力為動(dòng)力的有軌運(yùn)輸及與其配套的施工機(jī)械。

b）機(jī)械設(shè)備的工作效率應(yīng)能保證所要求的隧道施工進(jìn)度。

c）進(jìn)入隧道的施工機(jī)械及電氣設(shè)備應(yīng)具有防爆或隔爆性能，機(jī)具外表應(yīng)有明顯的“KA”“KB”“KH”“EX”或“MA”等標(biāo)志。

2）供配電系統(tǒng)

a）對(duì)瓦斯隧道的施工用電，根據(jù)“煤規(guī)”第481條規(guī)定，應(yīng)設(shè)有兩回路電源線(xiàn)路，當(dāng)一路電源發(fā)生故障停止供電時(shí)，另一回路仍能負(fù)擔(dān)隧道用電的全部負(fù)荷。但根據(jù)鐵路隧道的具體情況，架設(shè)兩回路線(xiàn)路有困難時(shí)，亦可就近建設(shè)發(fā)電站作為備用電源。

b）瓦斯隧道內(nèi)供電系統(tǒng)，應(yīng)作到“三專(zhuān)”“兩閉鎖”，即專(zhuān)用變壓器、專(zhuān)用開(kāi)關(guān)、專(zhuān)用供電線(xiàn)路和瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)與供電的閉鎖、局扇通風(fēng)與供電的閉鎖，以保證瓦斯隧道安全施工。

c）瓦斯隧道內(nèi)供電配電電壓應(yīng)符合“煤規(guī)”及“鐵路瓦斯隧道技術(shù)暫行規(guī)定”的要求。

d）電壓波動(dòng)范圍，高壓為額定值的±5%，低壓為額定值的±10%。

e）頻率波動(dòng)范圍為（50+17）Hz。

f）隧道內(nèi)敷設(shè)的電纜應(yīng)符合“煤規(guī)”第444條規(guī)定：高壓電纜應(yīng)使用有屏蔽的監(jiān)視型橡套電纜，低壓電纜應(yīng)使用不延燃橡套電纜，各種電纜的分支連接，必須使用與電纜配套的防爆連接器、接線(xiàn)器和插銷(xiāo)。

4.2 瓦斯隧道挖、裝、運(yùn)及施工通風(fēng)的機(jī)械配套

機(jī)械配套模式適合普通機(jī)械化水平的施工單位，當(dāng)然，如果有防爆型的小斷面（導(dǎo)坑）鉆孔臺(tái)車(chē)，也可以代替7655氣腿式鑿巖機(jī)或YT-28鑿巖機(jī)，但我國(guó)鐵路施工單位一般不具備此種條件。從施工速度的要求來(lái)看，由于煤系地層不允許大斷面深孔大藥量爆破，為防止煤層突出以及從保持巷道穩(wěn)定出發(fā)，應(yīng)采用“小斷面、短進(jìn)尺、弱爆破”方式，因此采用鉆孔臺(tái)車(chē)的優(yōu)越性并不突出。

施工通風(fēng)使用主扇時(shí)，應(yīng)在通風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)安裝一套有同等能力的備用風(fēng)機(jī)。

S8D梭式礦車(chē)裝碴及卸碴操作方便，受到工人歡迎，長(zhǎng)隧道當(dāng)運(yùn)距大于1 km以上時(shí)單口配置數(shù)量宜增加到10臺(tái)以上。

4.3 供配電

1）外部電源。“煤規(guī)”418條及“鐵路瓦斯隧道技術(shù)暫行規(guī)定”10.2.1條規(guī)定，瓦斯隧道施工必須要求具備雙回路外部電源，但一般鐵路隧道建設(shè)工期短，又地處荒山僻野，要具備互相獨(dú)立的兩套外部電源，在工期和投資上都是不現(xiàn)實(shí)的。通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，決定在隧道的洞口瓦斯工區(qū)各建一座柴油機(jī)發(fā)電站，每座電站容量480 kW（4臺(tái)120 kW機(jī)組），當(dāng)外部電源發(fā)生故障，要求電站在10 min內(nèi)可開(kāi)動(dòng)供電。備用電站的供電范圍可僅限于通風(fēng)主扇及局扇、瓦斯抽放泵站、抽水泵站、照明系統(tǒng)這幾個(gè)重要部位。

2）電壓。瓦斯隧道洞內(nèi)各級(jí)配電和機(jī)電設(shè)備額定電壓，限制如下：高壓不大于10 000 V；低壓不大于380 V；照明、手持用電設(shè)備、電話(huà)、信號(hào)供電不大于127 V；遠(yuǎn)距離控制線(xiàn)路不大于36 V。

3）照明供電。鐵路瓦斯隧道施工時(shí)，由于施工機(jī)械工作引起電壓降及“漏電保護(hù)”、“風(fēng)電”、“瓦電閉鎖”動(dòng)作時(shí)，均會(huì)間斷性地引起洞內(nèi)停電，影響正常的照明。為保證正常工作照明及險(xiǎn)情時(shí)人員的安全撤出和險(xiǎn)情處理，采用了單獨(dú)的照明系統(tǒng)。其設(shè)置是：在洞外設(shè)照明專(zhuān)用變壓器降壓后經(jīng)礦用防爆主電纜送入洞內(nèi)，在各相應(yīng)地段設(shè)置照明及信號(hào)專(zhuān)用ZXZ8—2.5Ⅱ型綜合保護(hù)裝置，將380 V三相中性點(diǎn)不接地電源降壓為127 V，用分支電纜、防爆接線(xiàn)盒接入KBY—20防爆防塵熒光燈燈具及防爆投光燈、防爆白熾燈，滿(mǎn)足了道路和施工照明需要。該“綜合保護(hù)器”除常規(guī)保護(hù)外，另有高靈敏度可調(diào)漏電保護(hù)裝置，當(dāng)照明燈具、電纜等因絕緣變低超限或受損破壞漏電等情況時(shí)，能可靠地動(dòng)作，停止供電，以保證防爆要求和人身安全。

4）供電設(shè)備的“三專(zhuān)”“兩閉制”。

a）“三專(zhuān)”—專(zhuān)用變壓器、專(zhuān)用開(kāi)關(guān)、專(zhuān)用線(xiàn)路

根據(jù)“煤規(guī)”要求，對(duì)瓦斯隧道施工的重要機(jī)電設(shè)備，必須實(shí)行“三專(zhuān)”措施，以確保安全施工。其措施是：“由10 kV電力T接干線(xiàn)10/6 kV洞口專(zhuān)用變壓器，由配電室KYGG—6型礦用開(kāi)關(guān)柜經(jīng)VGSP6 kV礦用監(jiān)屏橡套電纜送電至洞內(nèi)KBSGZY隔爆動(dòng)力專(zhuān)用移動(dòng)變電站，降壓為380 V后，再由各防爆饋電開(kāi)關(guān)及防爆電纜完成向各工點(diǎn)的供配電。”

b）“兩閉鎖”—指“瓦電閉鎖”與“風(fēng)電閉鎖”。

瓦斯隧道施工中，在煤系地段因?yàn)橥L(fēng)不良或其它原因，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)大量瓦斯集聚超限，此時(shí)如操作電氣或機(jī)械設(shè)備，可能會(huì)因漏電、短路、操作電弧等原因產(chǎn)生火花、引燃、引爆瓦斯，故采取在區(qū)域供電主開(kāi)關(guān)處設(shè)置AXJ—2型瓦斯斷電儀，將其探頭設(shè)在有瓦斯突出及工作面適當(dāng)?shù)胤?。?dāng)瓦斯超限時(shí)，該探頭能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)經(jīng)斷電儀控制迅速切斷供電主開(kāi)關(guān)；瓦斯?jié)舛任唇档揭髽?biāo)準(zhǔn)時(shí)，斷電儀能控制主開(kāi)關(guān)不會(huì)合閘送電，從而保證了施工和人身安全，也即是實(shí)現(xiàn)瓦斯超限時(shí)與供電主開(kāi)關(guān)的閉鎖功能。

瓦斯隧道施工中，因停電、放炮等原因各局扇及機(jī)電設(shè)備要停止使用，這時(shí)，可能某些部位瓦斯會(huì)聚集超限，當(dāng)恢復(fù)供電后，如同時(shí)啟動(dòng)機(jī)電設(shè)備和局扇，或在局扇之前啟動(dòng)機(jī)電設(shè)備，均可能會(huì)因機(jī)電設(shè)備、電纜線(xiàn)路的漏電、短路、操作產(chǎn)生火花電弧、引燃、引爆瓦斯。因此，必須是局扇先行啟動(dòng)供風(fēng)，稀釋瓦斯達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，動(dòng)力設(shè)備才能啟動(dòng)操作。在局部和動(dòng)力設(shè)備主開(kāi)關(guān)間設(shè)有電氣閉鎖線(xiàn)路，即“風(fēng)電閉鎖”。任何情況下，局扇停止，則動(dòng)力設(shè)備即停止工作；風(fēng)扇啟動(dòng)時(shí)，其它動(dòng)力設(shè)備不會(huì)同時(shí)啟動(dòng)，以保證安全。此一安全措施，也即“風(fēng)動(dòng)閉鎖”。

5）其它安全措施。

a）洞外電力變壓器由RW4—10跌落式熔斷器作常規(guī)保護(hù)。

b）洞內(nèi)6 kV開(kāi)關(guān)柜對(duì)6 kV電纜作漏電時(shí)的斷電保護(hù)。

c）洞內(nèi)移動(dòng)式變電站為中性不接地礦用專(zhuān)變，設(shè)有高靈敏度漏電保護(hù)，并實(shí)施“瓦電”、“風(fēng)電”閉鎖。

d）所有供電裝置均為中性接地供電，能將漏電電流限制為最小引燃電流，消除跨步電壓及雜散電流。

e）設(shè)置獨(dú)立的接地保護(hù)網(wǎng)，所有機(jī)電設(shè)備外殼與保護(hù)網(wǎng)都采用大于16 mm2的軟銅線(xiàn)連接。

f）為防止洞外雜散電流經(jīng)鋼軌進(jìn)入洞內(nèi)，洞口位置的鋼軌連接處設(shè)置絕緣接頭，并將洞外軌端接地。

5 結(jié)語(yǔ)

在隧洞施工中，遇到穿越煤層和瓦斯地段的情況屢見(jiàn)不鮮，施工過(guò)程中，從最初做好監(jiān)測(cè)，預(yù)報(bào)工作，從而及早采取措施防止突出情況的發(fā)生，而對(duì)于不可遇見(jiàn)裂隙含瓦斯、油氣、硫化氫等地層，選擇合理的機(jī)電設(shè)備、供、配電措施，從而用技術(shù)手段避免災(zāi)害的發(fā)生或者將災(zāi)害發(fā)生率降低到最小。

［參 考 標(biāo) 準(zhǔn)］

［1］DL5195-2004，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范.

［2］MT/T692-1997，煤炭瓦斯抽放技術(shù)規(guī)范.

［3］DL/T5397-2007，水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范.