王棟

（中鐵隧道勘測設計研究院，河南洛陽471009）

天坪隧道施工中硫化氫氣體防治技術探討

王棟

（中鐵隧道勘測設計研究院，河南洛陽471009）

結合天坪隧道的施工實踐分析了瓦斯隧道中硫化氫氣體的成因，介紹了現場采取的加強通風、完善監(jiān)控系統、堿液稀釋等防治措施，指出堿液稀釋是降低隧道中硫化氫氣體濃度的根本措施。對隧道中硫化氫氣體濃度進行監(jiān)測發(fā)現，拱腰和拱底硫化氫氣體濃度較大，距掌子面15～40 m區(qū)段硫化氫氣體濃度大大超過了《煤礦安全規(guī)程》（2016）的規(guī)定。采取在開挖臺架附近增加局部風機并延長通風時間等措施，顯著降低了掌子面出渣期間及回風區(qū)段硫化氫氣體的濃度。

隧道；硫化氫；防治技術；應用效果

在穿越煤系地層的隧道施工中會出現硫化氫（H2S）、氡氣等有毒氣體。這些有毒氣體不僅危害人體的健康，而且因不可預見、突發(fā)燃燒、爆炸等，會給施工造成災難性的破壞。林海等［1］對我國硫化氫職業(yè)中毒現狀、原因與對策進行了分析，介紹了當前硫化氫中毒的預防措施；張少杰等［2］對煤礦硫化氫氣體超標情況進行了研究，分析了煤層中硫化氫的成因及治理辦法；馬慶亮［3］針對煤礦掘進工作面硫化氫氣體的大量涌出情況，采取自動監(jiān)控系統、完善通風系統等措施，并對比了改進前后硫化氫氣體涌出情況；郝俊鎖［4］對蘭渝鐵路隧道地質特征進行了分析，針對施工揭示的天然氣涌出規(guī)律提出了預防措施；邵俊江等［5］建立了公路隧道施工中有害氣體監(jiān)測系統，提出了有害氣體的治理與安全措施；還有大量文獻［6-10］均介紹了含有害氣體地段的施工經驗?？傮w而言，國內的專家學者對煤礦和隧道中出現的硫化氫氣體的研究主要集中在成因、監(jiān)控系統和通風方式的改造與完善等方面。本文針對天坪瓦斯隧道施工過程中出現硫化氫氣體的現象，從氣體成因、探測、應用措施、變化規(guī)律、效果分析5個方面分別對隧道中硫化氫氣體進行了探討，以期為以同類隧道施工提供借鑒。

1　硫化氫氣體概況

天坪隧道位于貴州省北部，重慶與貴州省交界地段。隧道全長13 978.252 m，隧道設置“一個平導+一座斜井+一個橫洞（主副井）。其中，橫洞工區(qū)負責承擔DK128+997—DK124+860段4137 m正洞、PDK128+240—PDK124+640段3 600 m平導的施工任務。隧道在DK127+710—DK127+850段穿越龍?zhí)督M煤系地層，連續(xù)穿越C6，C5，C3煤層，層厚分別為1.33，2.45，2.6 m，瓦斯含量高，壓力大，施工風險極大。橫洞主井負責正洞的開挖，副井負責平導的開挖。平導超前開挖進行揭煤工作，在超前地質鉆孔（3#）鉆探至PDK127+853里程時鉆孔涌水中散發(fā)出濃烈的刺鼻味道（臭雞蛋味），水質較為渾濁，現場作業(yè)人員出現眼睛紅腫、流淚不止等不良反應。對現場氣體檢測后發(fā)現，除存在少量的瓦斯（主要成分為甲烷）外，主要的有毒氣體為硫化氫，濃度達到46×10-6，遠遠超過《煤礦安全規(guī)程》［11］第135條規(guī)定的井下硫化氫氣體濃度不得超過6.6×10-6。通常情況下，人聞到硫化氫氣味時的濃度為（0.2～0.3）×10-6；在（20～30）×10-6時則出現強烈臭味；當達到（100～150）× 10-6時，將會出現嗅覺麻痹；當濃度達到1 000×10-6時，人在數秒內就會死亡。天坪隧道硫化氫氣體濃度檢測結果及人員生理反應情況見表1。

2　成因分析

在煤化作用早期，含硫有機物腐敗分解，從而形成硫化氫。因煤化作用早期煤層或泥炭中含有大量的水分，占據了相當多的煤巖孔隙，此時在煤層中吸附的原生生物氣很少，大部分生物成因硫化氫、二氧化碳等溶解在地層水中，在后來的壓實和煤化作用下從煤層中逸散。因此，一般認為早期生成的原始生物成因硫化氫氣體不能被大量地保留在煤層內。

在煤化作用后期，煤層中含硫有機化合物在熱力作用下，含硫分子鍵斷裂形成硫化氫，又稱為裂解型硫化氫。這種方式形成的硫化氫濃度一般＜1%。煤在熱力作用下會形成熱解瓦斯和裂解瓦斯。煤層和圍巖中含硫有機質和硫酸鹽巖發(fā)生熱化學分解（裂解）作用和熱化學還原作用，均可生成硫化氫氣體。煤和圍巖中含硫有機質和硫酸鹽巖中硫含量越高，可產生的硫化氫氣體越多。

表1　天坪隧道硫化氫氣體檢測結果

3　硫化氫氣體防治措施

3.1硫化氫氣體預防措施

在硫化氫氣體溢出時，現場除了應采取應急安全避險管理措施外，還應采取超前鉆孔探測硫化氫氣體濃度，同時配合人工隨時檢測硫化氫氣體溢出量，避免造成不必要的停工和人員傷亡。

3.1.1超前鉆孔探測

按設計全程采用超前鉆孔，正常情況下鉆探長度30 m，搭接5 m；距離設計煤層100 m時，搭接長度應不小于20 m；鉆孔時安裝氣渣分離器。同時還需鉆探超長地質孔2次，對地質情況及煤層、瓦斯、硫化氫情況進行探測。

1）第一批鉆孔布置在距離煤層50 m位置，主要布置3個地質鉆孔，1#鉆孔方向平行于平導中線，鉆孔深度132 m，穿透所有煤層并進入最后一層煤底板0.5 m；2#，3#孔與平導中線成25°夾角，鉆孔深度分別為127，152 m，穿透煤系地層進入底板巖層至少2 m，鉆孔孔徑為108 mm。探測孔鉆探過程中，派專業(yè)的氣體檢測人員定時檢測孔口的有害氣體。超前探孔布置見圖1。

圖1　超前探孔布置（單位：cm）

2）如果發(fā)現探測孔氣體超標，必須打排放孔，將賦存在掌子面前方的硫化氫氣體提前排放［12］，防止有毒有害氣體突然涌出造成人員傷亡。通常情況下，排放孔孔深根據掌子面圍巖地質情況確定，一般排放孔直徑108 mm，30 m打設一環(huán)，預留5 m，橫向間距為1.5 m，豎向間距為1.8 m，上下斷面排放孔間距控制在3 m。具體布置情況見圖2。

3.1.2人工檢測

由專職的瓦斯檢測員對隧道內硫化氫氣體進行檢測，檢測儀器為T40便攜式硫化氫檢測儀（測量范圍為0～500×10-6），人工檢測硫化氫時，除“一炮三檢”外，每班至少檢測2次。當發(fā)現檢測出的硫化氫氣體異常時，應隨時檢測。

其檢測地點主要在：①工作面有水流出的地方；②隧道水平鉆孔孔口及其附近；③工作面風流和隧道回風流中。炮后檢測工作面硫化氫氣體時，瓦檢員應在響炮通風30 min后，帶好防護用品進入掌子面檢測硫化氫，如遇到工作面風流或隧道回風流中硫化氫氣體超標，立即退出。

3.1.3應急安全管理措施

在隧道中出現硫化氫氣體后，現場采取的應急措施主要有：①根據人工檢測結果，決定掌子面是否停工，人員是否撤離現場；②加大隧道內的風量，降低硫化氫氣體濃度，確保現場施工安全；③隧道洞口設置管制哨及警示標志，進出隧道人員須登記姓名，嚴禁非施工人員入內。

3.2硫化氫氣體治理措施

3.2.1加強通風

一般情況下，隧道施工作業(yè)面所需通風量根據隧道內同時工作的最多人數所需要的通風量、一次起爆炸藥量所產生的有害氣體降低到允許濃度所需要的通風量、隧道內同時作業(yè)的內燃機械產生的有害氣體稀釋到允許濃度所需要的通風量、瓦斯涌出量最大時所需的通風量、小斷面隧道風速不小于0.25 m/s，取其中的最大值作為隧道施工作業(yè)面的需風量。通過計算，要保證天坪隧道平導正常施工，掌子面最大需風量應為1 176 m3/min。

掌子面足夠的風量是加快稀釋有毒氣體的必要條件之一?，F場測得，風管出口風量為1 215 m3/min，大于掌子面所需風量。掌子面供風量滿足需求，但為防止掌子面局部積聚硫化氫，在隧道開挖臺架（距離掌子面20 m）附近增設1臺55 kW局部風機（由于硫化氫的密度大于空氣密度，越低的地方，硫化氫濃度越高），風向由掌子面向外，增大掌子面風流交換的速度，保證掌子面及開挖臺架附近的通風效果。此外，對已經貫通的橫通道砌墻封堵，防止污風形成循環(huán)，以使硫化氫濃度降低到能夠安全生產為止。還要建立完善的通風系統，專人負責風機及風管的日常維護工作，保證通風效果。

在自動監(jiān)測的同時，洞內瓦斯檢測人員每人配備1臺便攜式硫化氫檢測儀，對隧道內的硫化氫氣體進行實時檢測。對隧道硫化氫氣體溢出段進行全面監(jiān)控，主要監(jiān)控部位為隧道底部和離地面1.5 m高處。便攜式硫化氫檢測儀、硫化氫傳感器一旦報警，應立即停止現場作業(yè)，撤除掌子面所有作業(yè)人員。

洞口總控制室在作好檢測的同時，應作好檢測記錄，及時分析反饋信息，指導施工。

3.2.2堿液稀釋

硫化氫氣體微溶于水，應加強對鉆孔排水和施工廢水的處理，在隧道中建立專用的排水系統，將地下水統一由中心水溝排放，防止地下水漫流而導致硫化氫氣體四處逸散。經硫化氫污染的廢水主要是酸性廢水，可放入生石灰進行中和處理。隧道施工中采取的具體方法：①在鉆孔時，通過巖層打注1%～2%堿液，預先吸收巖層中的硫化氫氣體。②工作面必須拋撒碳酸鈉或生石灰，每班炮后拋撒一次，控制工作面的硫化氫氣體濃度。③爆破作業(yè)時，盡量使用裝有蘇打水的水袋對爆破孔進行封堵；及時排除隧道內的積水，并往水中投放碳酸鈉或生石灰，防止水中的硫化氫揮發(fā)，二次污染隧道空氣。從現場應用來看，堿液稀釋方便操作，能從根本上對圍巖內及施工廢水中硫化氫起到稀釋作用，是優(yōu)先采取的措施。

3.2.3完善監(jiān)控系統

為保證隧道施工安全，按照《煤礦安全規(guī)程》（2016）和《煤礦安全監(jiān)控系統通用技術要求》（AQ-6021—2006）必須對洞內硫化氫氣體進行實時監(jiān)測，隨時掌握洞內硫化氫氣體濃度的變化情況，以便能及時調整通風風量。因此在已有的KJ70瓦斯自動監(jiān)控系統的基礎上，增設了硫化氫傳感器，對隧道內瓦斯、硫化氫、一氧化碳氣體進行監(jiān)測，對掌子面、開挖臺架及凹陷區(qū)域進行24 h監(jiān)測，并實現超限報警斷電功能。

圖2　硫化氫氣體排放孔布置（單位：cm）

4　現場應用效果

在掌子面硫化氫氣體涌出后，對掌子面的有害氣體濃度進行了檢測。為準確掌握硫化氫氣體的涌出規(guī)律，采用五點法對回風流、距掌子面不同距離的硫化氫氣體進行了檢測。硫化氫氣體平均濃度隨距掌子面距離的變化曲線見圖3。

從圖3可以看出，距掌子面15～40 m區(qū)段硫化氫氣體濃度較大，硫化氫氣體濃度最大達到34×10-6，大大超過了《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定。這是因為掌子面放炮前開挖臺架要移離掌子面大約25 m，風管出風口緊靠開挖臺架，回風阻力增大，造成涌出的硫化氫氣體聚集在開挖臺架附近。建議及時增大風量，在臺架附近增加局部風機，加快風流的交換速度。另外還可以看出，硫化氫氣體在拱腰和拱底的濃度值較大，因此現場人工和自動檢測硫化氫氣體時，應加大對回風區(qū)、凹陷區(qū)、機械設備區(qū)域及拱底和拱腰的檢測力度。

隧道開挖過程中，各個工序下硫化氫氣體濃度也不盡相同。硫化氫氣體濃度在各工序的變化曲線見圖4。

圖3　硫化氫氣體平均濃度隨距掌子面距離變化曲線

圖4　硫化氫氣體濃度在各工序的變化曲線

從圖4可以看出，在放炮后和出渣期間硫化氫氣體的濃度最大。這主要是因為放炮后圍巖遭到破壞，賦存于圍巖中的硫化氫氣體得到了釋放；其次硫化氫氣體密度大于空氣密度，出渣時掩埋于掌子面底部的硫化氫氣體再次得到釋放，造成出渣時硫化氫氣體的濃度遠遠大于其他工序。因此含有硫化氫氣體的隧道放炮后及出渣期間在加大風量的同時，還應延長通風時間，保證掌子面的通風效果。

在采取上述一系列措施后，對治理前硫化氫氣體濃度最大的地點和硫化氫氣體涌出量最大的工序硫化氫氣體濃度進行了檢測，結果見表2。經對比發(fā)現，掌子面出渣期間及回風流中的硫化氫氣體得到了很好治理，硫化氫氣體濃度大大降低，避免了對工作人員的傷害，保證了施工的安全順利進行。

表2　硫化氫氣體治理前后濃度對比×10-6

5　結論與建議

1）硫化氫氣體治理的根本措施是堿液和生石灰的中和，而加強通風和檢測也是降低掌子面硫化氫氣體濃度的重要手段，三者結合效果更好。

2）硫化氫的涌出規(guī)律不同于瓦斯?，F場應加強拱底和拱腰的檢測力度，加大放炮后隧道風量的同時應延長通風時間，加快硫化氫氣體的稀釋速度，保證掌子面作業(yè)環(huán)境；且應在開挖臺架附近增加局部風機，防止硫化氫氣體積聚。

3）目前硫化氫治理措施多借鑒于煤礦，隧道施工中沒有統一的標準，治理過程中可能會出現不必要的浪費，因此需要更深一步地探索與完善，形成行之有效的方案和治理措施。

［1］林海，劉泉利，董穎博，等.我國硫化氫職業(yè)中毒現狀、原因與對策［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2012，38（7）：45-47.

［2］張少杰，田水承，劉文永，等.煤礦硫化氫成因及綜合治理技術［J］.陜西煤炭，2011（5）：77-79，84.

［3］馬慶亮.黑龍關煤業(yè)二水平運輸巷機掘過程中硫化氫氣體的監(jiān)測防治措施［J］.煤，2014，23（7）：48-49.

［4］郝俊鎖.蘭渝鐵路梅嶺關隧道地質特征與有害氣體防治的探討［J］.隧道建設，2011，31（5）：550-554，565.

［5］邵俊江，王國欣.公路隧道施工中有害氣體的治理與安全措施［J］.西部探礦工程，2006，18（3）：306-307.

［6］何春保，曹朝輝，張兆彬.不良地質狀況下華鎣山隧道施工技術［J］.鐵道建筑，2014（2）：63-66.

［7］李立民.引漢濟渭工程秦嶺隧洞主要工程地質問題分析研究［J］.鐵道建筑，2013（4）：68-70.

［8］魏二劍，文坤.瓦斯隧道施工安全控制措施探討［J］.鐵道建筑，2013（1）：39-41.

［9］朱玉峰，王靜.玉峰山隧道含硫化氫地層處治技術［J］.隧道建設，2009，29（2）：172-176.

［10］牛文強，李曉斌.淺析綜采工作面硫化氫氣體防治技術［J］.陜西煤炭，2015（2）：119-121.

［11］國家安全生產監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程［S］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2016.

［12］中華人民共和國鐵道部.TB 10120—2002鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2002.

（責任審編葛全紅）

Exploring on Prevention and Control Technologies of Hydrogen Sulphide Gas in Construction of Tianping Tunnel

WANG Dong
（Survey，Design and Research Institute of China Railway Tunnel Group，Luoyang Henan 471009，China）

By combining with the construction practice in T ianping tunnel construction，the causes of hydrogen sulphide（H2S）gas in gas tunnel were analyzed and the prevention and control technologies utilized in on-site condition including strengthening the ventilation，improving system monitor and diluting lye were introduced，which concluded that lye dilution is the essential measure for reducing the H2S gas concentration in tunnel.M onitoring the H2S gas concentration in tunnel show that the concentration in arch waist and arch bottom of the tunnel is large and the gas concentration is much more than“safety regulations for coal mines”（2016）in 15～40 m area above the tunnel face.T he measures as setting more local fans near the excavation platform and prolonging the ventilation time has significantly reduced the H2S gas concentration in return air section during the period of tunnel face slag discharge.

T unnel；Hydrogen sulphide；Prevention and control technologies；Application effect

U458

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.18

1003-1995（2016）10-0067-05

2016-03-20；

2016-07-20

王棟（1985—），男，工程師，碩士研究生。