崔悅震，王 健

（1.石柱土家族自治縣七曜山地質(zhì)公園管理處,重慶 409100；2.石柱土家族自治縣應(yīng)急管理局，重慶 409100）

0 引 言

近年來，隨著我國隧道工程的快速發(fā)展，我國的隧道建設(shè)事業(yè)突飛猛進(jìn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，我國在鐵路、公路、水利水電等領(lǐng)域已建成了近萬座總長超過7000km的隧道。所面臨隧道災(zāi)害問題（如隧道頁巖氣），不僅日益凸顯，而且易造成人員傷亡和重大財(cái)產(chǎn)損失。

對于煤礦瓦斯的監(jiān)控監(jiān)測技術(shù)的研究也有許多[2-4]，瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展先后經(jīng)歷了“局部防突措施為主、先抽后采、抽采達(dá)標(biāo)和區(qū)域防突措施先行”4個(gè)階段展；利用Dempster-Shafer證據(jù)理論解決瓦斯監(jiān)測過程中的不確定性和不精確性問題；物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)在煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用；國內(nèi)外對于高瓦斯隧道的監(jiān)測技術(shù)研究不多[5-7]，相應(yīng)的技術(shù)并不成熟，需要有進(jìn)一步的討論說明。

有鑒于此，必須加強(qiáng)對隧道頁巖氣進(jìn)行監(jiān)測。本文主要以馬嘴隧道為工程研究背景，介紹了高瓦斯隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、車載瓦斯監(jiān)測、自動監(jiān)測及人工監(jiān)測等技術(shù)在高瓦斯隧道中的應(yīng)用。

1 隧道工程及頁巖氣概況

1.1 隧道工程概況

馬嘴隧道位于重慶市南川區(qū)三泉鎮(zhèn)，為雙洞隧道。隧道設(shè)計(jì)等級為雙向四車道，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，左線長3666m，右線長3711m，屬于特長隧道，其中隧道左洞最大埋深441m，隧道右洞最大埋深434m，凈寬10.6m，凈高7.05m，隧道頁巖氣段圍巖級別為Ⅳ級，隧道瓦斯段穿越地區(qū)主要巖性為黑色碳質(zhì)頁巖。

1.2 隧道瓦斯概況

馬嘴隧道出口段左線于2014年12月4日掌子面施工至ZK19+228里程，右線施工至K19+260里程時(shí)，發(fā)現(xiàn)不明可燃?xì)怏w，經(jīng)用光學(xué)式瓦檢儀檢測，該氣體主要成分為瓦斯，其中該隧道出口端左線開挖面絕對瓦斯涌出量為0.71m3/min，右線開挖面絕對瓦斯涌出量為0.46m3/min，由此可判定馬嘴隧道為高瓦斯隧道。

2 馬嘴隧道瓦斯監(jiān)測技術(shù)

根據(jù)本隧道所涌出瓦斯的特點(diǎn)，瓦斯監(jiān)測采用超前鉆孔、車載瓦斯監(jiān)測及自動監(jiān)測相結(jié)合的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 超前鉆孔技術(shù)

在現(xiàn)有的物探方法[9-11]如地面地質(zhì)調(diào)查法、地質(zhì)雷達(dá)、TSP等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)中，地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)地質(zhì)情況的范圍有限且受隧道內(nèi)施工因素的干擾；地面地質(zhì)調(diào)查法很難預(yù)報(bào)復(fù)雜地形地貌隧道的地質(zhì)情況；TSP探測費(fèi)用高，還需專門的探測人員及存在多解性等特點(diǎn)。由于物探手段對頁巖氣的探測能力非常有限，因此，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要采取超前水平鉆探，通過超前鉆孔標(biāo)定存在頁巖氣段段落，掌握掌子面附近頁巖氣分布的具體狀況。

鉆探程序：施工炮眼前鉆鑿超深炮眼→檢測超深炮眼內(nèi)瓦斯情況（存在瓦斯）→超前水平鉆探。

1）超深炮眼：在掌子面開挖前，需先進(jìn)行超深炮孔的施工，全斷面炮孔數(shù)不少于11個(gè)，炮孔的直徑為φ42mm，與爆破炮眼直徑相同，深度為8.0m，鉆孔布置如圖1所示。超深炮孔施工完畢后，需要對所鑿炮眼進(jìn)行瓦斯檢驗(yàn)，當(dāng)在超深鉆孔中檢測出瓦斯氣體時(shí)就必須在爆破開挖前進(jìn)行超前水平鉆孔探測。

圖1 超前炮眼布置示意圖

圖2 超前鉆孔布置圖

2）超前鉆探：超前水平鉆孔探測施工時(shí)需要在全斷面布置7個(gè)孔徑為φ80mm，鉆孔外傾角為10°的探孔，如圖2（a）所示，每次進(jìn)行鉆探的長度為30m，開挖25m，保留5m巖柱進(jìn)行下一循環(huán)鉆探，如圖2（b）所示。當(dāng)在鉆探過程中發(fā)現(xiàn)明顯的頂鉆、噴孔等瓦斯動力現(xiàn)象時(shí)，主要采取鉆孔排放措施，即掌子面掘進(jìn)至距離頁巖氣聚積位置5m處時(shí)，停止掘進(jìn)，在涌出孔附近施作排放孔，進(jìn)行頁巖氣排放，將頁巖氣壓力降至0.74MPa以下、單孔頁巖氣涌出量小于5L/min（0.005m3/min），若 48h內(nèi)不能將巖氣壓力降至0.74MPa以下、單孔頁巖氣涌出量小于5L/min（0.005m3/min），則采取注漿封堵措施。

3）注漿封堵：注漿封堵瓦斯分為局部注漿堵氣方式和全斷面注漿堵氣方式。當(dāng)每個(gè)斷面排放孔中頁巖氣氣壓不小于0.74MPa或者涌出量不小于5L/min的孔的個(gè)數(shù)不大于這個(gè)斷面排放孔數(shù)的30%且位置比較分散時(shí)，采用局部注漿堵氣的方式進(jìn)行處理；反之則采用全部斷面注漿堵氣的方式進(jìn)行處理。

2.2 車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)

考慮到該隧道現(xiàn)場施工的情況，車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)采用KZJ001-F煤礦監(jiān)測分站和KG9701A低濃度甲烷傳感器。

2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主要是由系統(tǒng)維護(hù)與配置管理中心、控制分站和檢測控制器三部分組成，如圖3所示。

圖3 車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.2 系統(tǒng)工作原理

工作時(shí)系統(tǒng)主要采集機(jī)械工作區(qū)環(huán)境瓦斯氣體濃度等參數(shù)，然后控制分站會根據(jù)采集濃度值用控制邏輯中心進(jìn)行分析處理。當(dāng)檢測到施工機(jī)械工作區(qū)中環(huán)境瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.3%，控制分站將信號傳達(dá)給報(bào)警器，報(bào)警器隨之發(fā)出報(bào)警信號，提醒工作人員現(xiàn)場工作環(huán)境存在危險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)立即停止工作，等相關(guān)工作人員查明原因并解除危險(xiǎn)后再繼續(xù)工作；當(dāng)檢測到施工機(jī)械工作區(qū)域中環(huán)境瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.5%，此時(shí)控制分站通過控制機(jī)械的斷油熄火控制系統(tǒng)和斷電控制系統(tǒng)，使機(jī)械停止工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械閉鎖，防止工作人員重新啟動機(jī)械，造成爆炸事故。當(dāng)瓦斯?jié)舛冉档桨踩秶畠?nèi)方可進(jìn)行正常工作。

2.2.3 系統(tǒng)安裝方法

控制分站安裝位置可以根據(jù)機(jī)械自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行選擇，既可安裝在駕駛室、機(jī)械底部和側(cè)面，也可安裝在駕駛室與車箱連接處等。傳感器根據(jù)其功能應(yīng)安裝在駕駛室頂部通風(fēng)處。由于機(jī)械在工作時(shí)是一個(gè)劇烈振動的載體，因此安裝在機(jī)械上的相關(guān)設(shè)備需要作加固與防振設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的安裝方法

2.3 自動監(jiān)控系統(tǒng)

由于瓦斯氣體構(gòu)成和賦存狀態(tài)復(fù)雜，產(chǎn)生的危害性極大，該隧道選用KJ-90型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)由地面中心站、監(jiān)控分站、傳感器及控制器組成。系統(tǒng)在工作時(shí)主要是采集瓦斯?jié)舛?，風(fēng)速和負(fù)壓等參數(shù)，當(dāng)一氧化碳、硫化氫、甲烷、一氧化氮及其他參數(shù)超過正常范圍或者出現(xiàn)其他異常情況時(shí)，傳感器及控制器會將獲得的情況反饋給報(bào)警器，報(bào)警器就會發(fā)出報(bào)警信號，系統(tǒng)立即切斷電源，實(shí)現(xiàn)風(fēng)、電、瓦斯閉鎖功能，達(dá)到瓦斯隧道安全生產(chǎn)的目的。

圖5 KJ90監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3.1 自動監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)主要是采集隧道的瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速及風(fēng)機(jī)運(yùn)行等參數(shù)，在洞口機(jī)房進(jìn)行24小時(shí)不間斷監(jiān)測；并在以上參數(shù)異常的情況下自動報(bào)警，并切斷工作電源，達(dá)到隧道安全生產(chǎn)的目的。

2.3.2 自動監(jiān)控系統(tǒng)布置

地面中心站設(shè)置在離隧道口最近的值班室內(nèi)，該中心機(jī)房主要配備的設(shè)備是裝有KJ90監(jiān)控軟件的監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)接口和UPS電源等，另外在監(jiān)控中心機(jī)房和隧道口各設(shè)一臺信號避雷器以便更好地保護(hù)監(jiān)控設(shè)備；在洞口附近安放兩臺監(jiān)控分站，在掘進(jìn)工作面分別放置三臺瓦斯傳感器、兩臺風(fēng)速傳感器、兩臺CO傳感器、一臺CO2傳感器和一臺H2S傳感器。

圖6 掌子面?zhèn)鞲衅靼惭b的位置

CH4傳感器和CO傳感器應(yīng)垂直懸掛在隧道掌子面上方風(fēng)流穩(wěn)定、拱頂中央位置，距頂板不得大于20cm，并且不能影響行人行車和隧道正常施工；洞口處甲烷傳感器的安裝位置與掌子面處的相類似；二氧化碳、硫化氫傳感器應(yīng)該懸掛在掌子面左右兩側(cè)拱腳處，離地面距離不超過20cm。風(fēng)速傳感器應(yīng)垂直懸掛在隧道掌子面后方5～10m且風(fēng)流穩(wěn)定的位置，以避免受到掌子面渦流回風(fēng)的影響。風(fēng)速傳感器安裝在垂直懸掛在洞口以里約50m，距離拱頂約2m且風(fēng)流穩(wěn)定處，前后100m范圍內(nèi)不得有大型障礙物阻風(fēng)。掌子面?zhèn)鞲衅靼惭b位置如圖6所示。

當(dāng)?shù)屯咚构^(qū)瓦斯?jié)舛瘸^0.5%時(shí)，超限處20m范圍內(nèi)立即停止施工并查明原因，加強(qiáng)通風(fēng)檢測；局部瓦斯?jié)舛瘸^2.0%時(shí)，超限處20m附近立即停止施工并切斷電源，組織工作人員撤離，進(jìn)行加強(qiáng)通風(fēng)處理；開挖工作面風(fēng)流中、放炮地點(diǎn)附近20m風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^1.0%時(shí)，超限處立即停止施工并切斷電源，組織工作人員撤離，查明工作原因，加強(qiáng)通風(fēng)；竣工后洞內(nèi)任何處瓦斯?jié)舛瘸^0.5%時(shí)，查明滲漏點(diǎn)，進(jìn)行整治。當(dāng)瓦斯?jié)舛认陆档皆谡７秶畠?nèi)，方可進(jìn)行正常工作。

2.4 人工瓦斯監(jiān)測

該系統(tǒng)是對車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)和自動監(jiān)控系統(tǒng)的補(bǔ)充，由于工作人員可以隨處移動，能檢測到上述機(jī)器檢測的遺漏點(diǎn)，比較靈活方便。人工瓦斯監(jiān)控需要配備專職瓦檢員；在進(jìn)入到瓦斯工作區(qū)域時(shí)，需攜帶光干涉式甲烷測定器，H2S、CO、N2等有毒有害氣體檢測儀，保證生產(chǎn)施工的安全

3 防治措施

為保證隧道施工的順利進(jìn)行，除了加強(qiáng)隧道頁巖氣監(jiān)測外，還須從機(jī)械設(shè)備、供電、通風(fēng)及隧道施工等方面加強(qiáng)防治。

1）隧道運(yùn)輸方式采用無軌運(yùn)輸：挖掘機(jī)、裝載機(jī)、運(yùn)渣自卸汽車及砼運(yùn)輸車必須進(jìn)行防爆改裝，挖掘機(jī)輔助裝載機(jī)挖、裝，使用自卸汽車運(yùn)輸，二次襯砌采用防爆模板臺車襯砌，在洞外集中攪拌砼經(jīng)防爆砼運(yùn)輸車運(yùn)輸，由泵送入模；

2）隧道供電方式采用雙電源，供電系統(tǒng)做到三專、兩閉鎖，同時(shí)設(shè)置接地保護(hù)；所有電氣設(shè)備必須防爆，電纜及照明設(shè)備必須防爆。

3）隧道通風(fēng)采用獨(dú)頭壓入式，風(fēng)筒抗靜電、阻燃，風(fēng)量根據(jù)隧道剩余長度及洞內(nèi)作業(yè)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，然后選擇合適風(fēng)機(jī)，為減小頁巖氣體與風(fēng)筒間的摩擦，掌子面附近許安裝噴水系統(tǒng)。

4）頁巖氣段采用濕式鉆孔，采用礦用炸藥及電雷管起爆，光面爆破。隧道開挖之后立即支護(hù)封閉成環(huán)，及時(shí)完成二襯作業(yè)，減少頁巖氣的涌出。

4 結(jié) 論

1）對于高瓦斯隧道，應(yīng)建立超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，KJ-90型煤礦自動監(jiān)控系統(tǒng)及人工監(jiān)測綜合監(jiān)測系統(tǒng)，可全天候不間斷進(jìn)行監(jiān)測，防止高瓦斯隧道發(fā)生爆炸事故，在馬嘴隧道施工中運(yùn)用成功，效果明顯。

2）瓦斯隧道在機(jī)械設(shè)備、供電、通風(fēng)及隧道施工等方面加強(qiáng)防治與管理，也是保障隧道施工安全的必要條件。