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        臺(tái)階式瓦斯排放技術(shù)在C1煤層中的應(yīng)用

        2019-03-26 08:11:22
        鐵道建筑技術(shù) 2019年11期
        關(guān)鍵詞:防突掌子面瓦斯

        姜 游

        (中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司 山東青島 266555)

        1 工程概況

        歐家灣隧道全長(zhǎng)1 895 m,最大埋深約326 m,為單線隧道,設(shè)計(jì)為11.1‰的單面上坡。隧區(qū)屬低、中山侵蝕地貌,地形連綿起伏,陡峻,溝壑、谷溪縱橫,洞身主要穿越三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)叮L(zhǎng)興組(P2l+c)、二疊系下統(tǒng)棲霞+茅口組(P1q+m)、二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)。巖性為泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥巖及灰?guī)r等。隧道施工時(shí)有遇巖溶暗河、涌水涌泥的可能性。不良地質(zhì)為煤層瓦斯、巖溶、仰坡順層。隧道施工有可能遇煤與瓦斯突出的問(wèn)題,煤塵有爆炸性、煤自燃傾向性,為高瓦斯隧道,對(duì)隧道施工有較大影響。

        2 C1煤層瓦斯?fàn)顩r

        2.1 C1煤層賦存與瓦斯參數(shù)狀況

        根據(jù)歐家灣隧道設(shè)計(jì)資料,線路穿越二疊系煤系地層,該地層約有7~10層煤,厚薄不一,其中可采煤層兩層,均位于龍?zhí)督M上部。隧道布置勘探地質(zhì)探孔3個(gè),其中一號(hào)探孔揭示兩層煤:第一層在深度140.7~141.2 m范圍,厚度約為0.5 m(C1);第二層在深度141.88~143.18 m范圍,厚度約為1.3 m(C1)。二號(hào)探孔揭示兩層煤:第一層在深度146.9~148.2 m范圍,厚度1.3 m(C1);第二層在深度227~227.5 m范圍,厚度約為0.5 m(C2)。三號(hào)孔揭示三層煤:第一層在深度132.7~135 m范圍,厚度2.3 m(C1);第二層在深度135.6~135.9 m范圍,厚度0.3 m(C1);第三層在深度137.6~139 m范圍,厚度約為1.4 m(C1)。

        該隧道施工至310 m時(shí),超前地質(zhì)探孔發(fā)現(xiàn)煤層瓦斯,成功探測(cè)到C1煤層。以煤礦石門(mén)揭煤的“四位一體”為基礎(chǔ)[1],對(duì)煤層取樣進(jìn)行瓦斯含量等參數(shù)測(cè)定。賦存狀況和瓦斯參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 C1煤層賦存狀況

        2.2 區(qū)域突出危險(xiǎn)性類(lèi)型

        根據(jù)《防突規(guī)定》和C1煤層區(qū)域取樣化驗(yàn)的結(jié)果分析,C1煤層瓦斯含量未超過(guò)臨界值,該區(qū)域劃為無(wú)突出危險(xiǎn)性區(qū)。分析比較見(jiàn)表2。

        表2 取樣分析煤層瓦斯參數(shù)預(yù)測(cè)區(qū)域類(lèi)型

        根據(jù)《防突規(guī)定》和歐家灣揭煤施工安全專(zhuān)項(xiàng)方案,結(jié)合C1煤層區(qū)域預(yù)測(cè)結(jié)果為區(qū)域無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū),可不采取區(qū)域防突措施,直接進(jìn)行掌子面局部防突措施。

        按《防突規(guī)定》煤層厚度≤0.3 m時(shí),可直接采取遠(yuǎn)距離爆破揭開(kāi)煤層;煤層厚度>0.3 m時(shí),必須采取本措施。對(duì)瓦斯涌量超過(guò)警戒值,設(shè)計(jì)了富含瓦斯地層瓦斯排放施工方案及參數(shù)[2]。

        3 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)及排放孔設(shè)計(jì)

        3.1 工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

        C1煤層區(qū)域預(yù)測(cè)為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)后,按揭煤方案流程進(jìn)行開(kāi)挖,掌子面施工至距離煤層法線5 m控制位置。按揭煤方案流程對(duì)C1煤層進(jìn)行了工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。鉆探布設(shè)5個(gè)探孔,孔位布置見(jiàn)圖1。

        圖1 孔位布置(單位:cm)

        超前鉆探探孔參數(shù)見(jiàn)表3,探孔揭示煤層情況見(jiàn)表4,按揭煤方案流程對(duì)C1煤層危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

        表3 超前鉆探探孔參數(shù)

        表4 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性工作面預(yù)測(cè)結(jié)果

        表5 C1煤層危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果

        工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果為有突出危險(xiǎn),按揭煤方案流程進(jìn)入下一步工作程序,即工作面瓦斯排放。

        3.2 C1煤層瓦斯排放孔設(shè)計(jì)

        按《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》(2009-8-1),當(dāng)工作面預(yù)測(cè)為突出危險(xiǎn)工作面時(shí),必須采取工作面的防突措施。結(jié)合歐家灣揭煤方案工作面防突措施為鉆孔瓦斯排放方式。

        排放孔采用臺(tái)階式設(shè)置,控制范圍為隧道拱墻輪廓線外5 m、仰拱下2 m,排放孔直徑75 mm??椎组g距為2 m、行距2 m,孔深為穿越煤層不小于0.5 m。為加快排放孔施工進(jìn)度,掌子面上臺(tái)階開(kāi)挖至距煤層5 m法線位置后,上下臺(tái)階同時(shí)打孔排放。排放孔設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2~圖5。

        圖2 排放孔孔口立面布置(單位:cm)

        圖3 排放孔孔口縱向布置(單位:cm)

        圖4 排放孔平面布置(單位:cm)

        排放孔施工:采用ZY1250鉆機(jī)進(jìn)行施工,施鉆時(shí)鉆孔采用梅花形布置。分兩批間隔施鉆,第一批排放孔施工后觀測(cè)排放效果,進(jìn)而優(yōu)化第二批鉆孔參數(shù)。

        圖5 排放孔孔底布置(單位:cm)

        3.3 揭煤掌子面防突措施效果檢驗(yàn)

        (1)檢驗(yàn)方法:采用鉆屑瓦斯解析指標(biāo)法進(jìn)行效果檢驗(yàn)。檢測(cè)K1值,當(dāng)檢測(cè)值小于臨界值0.4 mL/(g·min1/2)時(shí),且施鉆時(shí)無(wú)噴孔、頂鉆或其他突出異?,F(xiàn)象,即為無(wú)突出危險(xiǎn)掌子面,否則仍為突出危險(xiǎn)掌子面,必須進(jìn)行補(bǔ)充排放措施,并再次進(jìn)行措施效果檢驗(yàn)直到措施有效。

        (2)施工:當(dāng)掌子面距離煤層法線最小5 m時(shí),進(jìn)行施工掌子面煤層防突出措施的效果檢驗(yàn),檢驗(yàn)孔5個(gè),直徑75 mm,分別位于掌子面上部、下部、中部及兩側(cè)。采用ZY1250鉆機(jī)施工,進(jìn)入煤層后每鉆進(jìn)1 m采集一次孔口排出的粒徑1~3 mm煤層鉆屑,測(cè)試K1。

        (3)最后驗(yàn)證:掌子面開(kāi)挖至煤層2 m法線位置時(shí),進(jìn)行揭煤掌子面防突措施效果最后驗(yàn)證。判定為無(wú)突出危險(xiǎn)掌子面時(shí),可開(kāi)挖至煤層最小法線距離1.5 m時(shí)進(jìn)行掌子面揭煤流程。

        4 瓦斯隧道施工管理要點(diǎn)

        瓦斯爆炸需要同時(shí)具備三個(gè)條件,限制了其中的一個(gè)必要條件,就避免了瓦斯爆炸的產(chǎn)生[3],而加強(qiáng)通風(fēng)是最有效的途徑。瓦斯隧道采取以強(qiáng)化通風(fēng)系統(tǒng)配置和管理為主導(dǎo)的施工組織方案,既可保證高瓦斯隧道的安全施工[4],又能達(dá)到節(jié)省投資的目的。

        4.1 科學(xué)通風(fēng)設(shè)計(jì)

        根據(jù)勘察、設(shè)計(jì)及調(diào)研資料,按隧道內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)、預(yù)測(cè)工作面瓦斯?jié)舛取⒂泻怏w濃度、粉塵濃度、最小風(fēng)速、空氣質(zhì)量等安全作業(yè)環(huán)境指標(biāo),并充分考慮有效通風(fēng)長(zhǎng)度、隧道斷面面積、掘進(jìn)工法、循環(huán)進(jìn)尺、開(kāi)挖面大小、運(yùn)輸方式等施工環(huán)境條件進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì),確定所需最大通風(fēng)量,建立配置科學(xué)、經(jīng)濟(jì)合理、高效穩(wěn)定的通風(fēng)系統(tǒng)。

        4.2 通風(fēng)系統(tǒng)的配置

        (1)通風(fēng)方式選擇:通風(fēng)方式受制于隧道獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度,故不再區(qū)分非瓦斯工區(qū)、低瓦斯工區(qū)、高瓦斯工區(qū)和瓦斯突出工區(qū),而根據(jù)瓦斯地段距離洞口的長(zhǎng)度以及通風(fēng)系統(tǒng)的有效通風(fēng)長(zhǎng)度確定采用壓入式、混合式、巷道式或聯(lián)合采用不同的通風(fēng)方式。通風(fēng)方式必須根據(jù)不同的施工階段動(dòng)態(tài)優(yōu)化、比選確定,各階段應(yīng)銜接,并納入施工組織設(shè)計(jì)。

        (2)通風(fēng)機(jī)必須設(shè)兩路電源,并設(shè)風(fēng)電閉鎖裝置[5]。當(dāng)一路電源停止供電時(shí),另一路應(yīng)在15 min內(nèi)接通,保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)[6]。如建立雙電源有困難,必須設(shè)置備用發(fā)電機(jī),其發(fā)電量應(yīng)滿足通風(fēng)機(jī)的需要[7]。

        (3)瓦斯隧道須配置一套同等性能的備用通風(fēng)機(jī),并保持良好的使用狀態(tài)。

        (4)對(duì)瓦斯易于積聚的坍腔、模板臺(tái)車(chē)附近、斷面變化處空間、襯砌模板臺(tái)車(chē)附近區(qū)域,應(yīng)配置防爆型氣動(dòng)風(fēng)機(jī)或局扇風(fēng)機(jī)等設(shè)備,實(shí)施局部通風(fēng),消除瓦斯積聚。

        (5)瓦斯突出隧道掘進(jìn)工作面附近如采用局部通風(fēng)機(jī),均應(yīng)實(shí)行三專(zhuān)(專(zhuān)用變壓器、專(zhuān)用開(kāi)關(guān)、專(zhuān)用線路)供電、風(fēng)電閉鎖、瓦斯電閉鎖裝置[8]。

        (6)必須采用抗靜電、阻燃的風(fēng)管[9]。

        4.3 強(qiáng)化通風(fēng)管理

        強(qiáng)化通風(fēng)管理在預(yù)防瓦斯事故中的重要作用,通過(guò)規(guī)范通風(fēng)檢測(cè)和管理工作,以通風(fēng)風(fēng)速、瓦斯?jié)舛葍蓚€(gè)指標(biāo)進(jìn)行雙控管理,使掌子面有足夠的供風(fēng)量,盡快稀釋溢出瓦斯,降低瓦斯?jié)舛龋WC施工安全。

        (1)必須成立專(zhuān)門(mén)的通風(fēng)管理組織機(jī)構(gòu),配備專(zhuān)業(yè)通風(fēng)工程師,負(fù)責(zé)通風(fēng)系統(tǒng)的管理、巡視及檢修工作,保證通風(fēng)系統(tǒng)各項(xiàng)性能、技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

        (2)應(yīng)配置風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)溫、風(fēng)壓等參數(shù)檢測(cè)儀,人工定期測(cè)定氣象參數(shù)、風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)并做詳細(xì)記錄,定期統(tǒng)計(jì)分析檢測(cè)數(shù)據(jù)。

        (3)風(fēng)管口到開(kāi)挖工作面的距離應(yīng)小于5 m。風(fēng)管應(yīng)及時(shí)安裝,保證平直和接頭密封;被損壞的風(fēng)管應(yīng)及時(shí)拆換、補(bǔ)修;風(fēng)管百米漏風(fēng)率不應(yīng)大于2%。

        (4)全斷面開(kāi)挖時(shí)風(fēng)速不小于0.15 m/s,分部開(kāi)挖風(fēng)速不小于0.25 m/s;采用提高風(fēng)速法消除瓦斯積聚時(shí),風(fēng)速不得小于0.5 m/s。

        (5)瓦斯隧道應(yīng)保證連續(xù)通風(fēng),無(wú)特殊理由,不得停風(fēng)。因風(fēng)機(jī)檢修、停電等原因停風(fēng)時(shí),停風(fēng)前必須確保洞內(nèi)所有人員已經(jīng)撤離,并切斷一切洞內(nèi)電源[10]。對(duì)于采用巷道通風(fēng)方式的工作面,在恢復(fù)停風(fēng)區(qū)內(nèi)局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)前,必須檢查瓦斯?jié)舛取.?dāng)停風(fēng)區(qū)中瓦斯?jié)舛炔怀^(guò)1%,并在局部通風(fēng)機(jī)及其開(kāi)關(guān)地點(diǎn)附近10 m以?xún)?nèi)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛染怀^(guò)0.5%時(shí),方可人工開(kāi)動(dòng)局部通風(fēng)機(jī)[11];如果停風(fēng)區(qū)中瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1%,必須制定排除瓦斯的安全措施[12]。只有經(jīng)檢查證實(shí)停風(fēng)區(qū)中瓦斯?jié)舛炔怀^(guò)1%時(shí),方可人工恢復(fù)局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)坑道中一切電氣設(shè)備的供電,瓦斯?jié)舛仍谝?guī)定限值以?xún)?nèi)時(shí),方可恢復(fù)正常作業(yè)[13]。

        (6)專(zhuān)業(yè)通風(fēng)工程師每天對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)必須作例行檢查,通風(fēng)工必須做好日常巡查,同時(shí)每天對(duì)掌子面、臺(tái)階法施工的下導(dǎo)坑處、掛防水板處、綁扎二襯鋼筋處、二次襯砌臺(tái)階等地點(diǎn)測(cè)風(fēng)一次,并根據(jù)需要隨時(shí)測(cè)風(fēng),做好記錄。

        (7)每7 d在壓入式風(fēng)管進(jìn)出口測(cè)量一次風(fēng)速、風(fēng)壓,并計(jì)算漏風(fēng)率。

        (8)通風(fēng)方式改變后,必須立即組織測(cè)風(fēng),根據(jù)測(cè)風(fēng)結(jié)果,科學(xué)合理配置通風(fēng)系統(tǒng),以風(fēng)定產(chǎn),嚴(yán)禁超通風(fēng)能力掘進(jìn)作業(yè),杜絕無(wú)風(fēng)、微風(fēng)作業(yè)。發(fā)現(xiàn)掌子面風(fēng)速、風(fēng)量不達(dá)標(biāo)時(shí),必須停工整改。

        (9)建立通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行管理檔案。檔案包括各種檢查記錄、調(diào)試記錄、測(cè)量記錄、維護(hù)記錄、運(yùn)行記錄等。

        4.4 瓦斯檢測(cè)與監(jiān)測(cè)

        (1)必須成立專(zhuān)門(mén)的瓦斯檢測(cè)管理組織機(jī)構(gòu),配備專(zhuān)業(yè)工程師和瓦檢員,負(fù)責(zé)瓦斯檢測(cè)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝及調(diào)試和運(yùn)行,保證通風(fēng)系統(tǒng)各項(xiàng)性能、技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求[14]。

        (2)對(duì)于低瓦斯隧道,可采用便攜式瓦檢儀進(jìn)行人工檢測(cè);對(duì)于高瓦斯和瓦斯突出隧道,在采用便攜式瓦檢儀進(jìn)行人工檢測(cè)的同時(shí),應(yīng)配置瓦斯自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),安裝高、低濃度瓦檢儀及瓦斯自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警斷電裝置。

        (3)鉆眼、噴錨、出渣運(yùn)輸、安裝格柵鋼架、掌子面塌穴、塌方處理、二襯澆筑等工序作業(yè)過(guò)程中,洞內(nèi)任一處瓦斯?jié)舛缺仨毥抵?.5%以下才能施工。

        其它情況下具體瓦斯?jié)舛劝踩刂浦笜?biāo)及超限處理措施詳見(jiàn)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》。

        4.5 機(jī)電防爆配置

        (1)對(duì)于低瓦斯隧道,采用非防爆機(jī)電設(shè)備配置方案,加強(qiáng)通風(fēng)檢測(cè)與管理,避免瓦斯積聚,將洞內(nèi)各處瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下。

        (2)對(duì)于高瓦斯隧道,采用半防爆機(jī)電設(shè)備配置方案,洞內(nèi)固定敷設(shè)的電纜、照明、通信、信號(hào)、變壓器、局部通風(fēng)機(jī)、局扇、電機(jī)、配電箱、開(kāi)關(guān)等采用防爆型;加強(qiáng)通風(fēng),將洞內(nèi)各處瓦斯?jié)舛冉抵?.5%以下,移動(dòng)機(jī)械和電氣設(shè)備可采用非防爆型。

        其它要求按《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》規(guī)定執(zhí)行。

        4.6 其它輔助配套措施

        (1)洞內(nèi)爆破嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢制”(裝藥前、放炮前、放炮后)、“三人連鎖放炮制”(放炮員、班組長(zhǎng)、瓦檢員),確保瓦斯?jié)舛刃∮?.5%后方可施工。

        (2)應(yīng)配置人員定位管理系統(tǒng),洞口進(jìn)行封閉式管理。在隧道洞口設(shè)置進(jìn)出門(mén)禁,進(jìn)出隧道必須進(jìn)行刷卡登記,以便于洞內(nèi)人員管理,并接受例行安全檢查;嚴(yán)禁帶火機(jī)、火柴、手機(jī)及非防爆器材等進(jìn)洞;嚴(yán)禁穿易產(chǎn)生靜電的服裝和鞋子進(jìn)入瓦斯隧道。

        (3)推廣光面爆破技術(shù),減少超欠挖,減少初支風(fēng)阻,避免瓦斯局部積聚。

        (4)避免掌子面及掌子面后方初支塌方事故的發(fā)生,杜絕因塌方帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        煤層瓦斯隧道揭煤的關(guān)鍵是控制煤層瓦斯?jié)舛?,而隧道因受空間制約布設(shè)排放孔時(shí)掌子面鉆孔間距很近,容易導(dǎo)致掌子面附近孔堵塞,或者受煤層與隧道夾角的影響鉆孔很長(zhǎng),增加施工成本。歐家灣隧道采用臺(tái)階式多孔排放,既解決了單個(gè)掌子面工作面小、所有孔布置在一個(gè)掌子面較密以及減少了部分鉆孔,從而節(jié)約了成本,又提高了瓦斯排放效率,為瓦斯隧道施工安全可靠性提供技術(shù)保障,對(duì)預(yù)防事故發(fā)生具有重要意義。

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