论文部分内容阅读
【摘 要】 随着我国西部开发的实施，许多瓦斯隧道正在或将要被修建。为了保障瓦斯隧道的施工安全，有必要开展瓦斯隧道施工管理及控制研究。本文概述了隧道瓦斯涌出的方式，并从两个方面分析了煤与瓦斯的突出原因，针对性的提出了几条隧道施工安全风险控制方法，为以后的施工提供了理论基础。
【关键词】 瓦斯；隧道施工；风险管理；风险控制
1.引言
瓦斯隧道可分为两种类型：煤系地层瓦斯隧道和非煤系地层瓦斯隧道。工程中将直接穿越煤层的瓦斯隧道称为煤系地层瓦斯隧道，将不穿越煤层的瓦斯隧道称为非煤系地层瓦斯隧道。
随着西部大开发战略的实施，西部地区新建高等级公路、铁路、综合水电枢纽、市政工程等星罗棋布，隧道数量越来越多[1]，长度越来越长，險道穿越煤系地层或非煤系地层、油由、气田或位于这些储气地质构造之上方，都可能成为瓦斯險道，工程施工过程中必须可能出现的风险慎加防范，确保隧道施工安全。
2.隧道瓦斯涌出的方式
瓦斯涌出是指地下工程开挖、掘进过程中，煤系地层中的瓦斯涌向已开挖空间的现象。涌入开挖空间的瓦斯量称为瓦斯涌出量，可以用绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量两种方法表示。瓦斯的涌出形式主要有三种。
2.1 普通涌出
指的是在工作面和其他开挖暴露面上，瓦斯缓慢、均匀、经常性地涌出。它与开挖煤系地层暴露的时间长短，以及煤与岩石的破碎程度有；时间越长，煤层和岩层越破碎，瓦斯涌出量越大；反之，则小。
2.2 瓦斯喷出
指的是瓦斯从煤或岩石空洞、裂隙、破碎带中大量、突然涌出的现象。涌出的瓦斯量可由几立方米到几十万立方米，延续时间短则几天，多则几年，常伴有顿顿声，有时还喷出水柱。
2.3 煤与瓦斯突出
这是一种特殊的、危害性极大的瓦斯涌出形式。
隧道煤与瓦斯突出是指在險道掘进过程中煤与瓦斯的突然喷出，在短时间内从煤层深处排出大量的煤、岩流和瓦斯，产生巨大的冲击波[2]，这种能量能破坏工作面，摧毁隧道设结构、机械设备，发生瓦斯燃烧、爆炸，造成作业人员窒息、被埋入煤和岩流等重大事故。
3.煤与瓦斯的突出的原因分析
煤与瓦斯突出机理，是指煤与瓦斯突出发生的原因、条件及其发生、发展过程。煤和瓦斯突出的本质是当人们在煤系地层进行施工时，挖掘或采掘工作引发了煤系地层的地质动力突发性现象，这种现象的机理可以从内因和外因两个方面考虑。
3.1 内因分析
（1）煤与瓦斯突出与煤层瓦斯含量和丰度
首先，煤与瓦斯突出与煤层瓦斯含量和丰度密切相关。瓦斯含量和丰度越高的煤层越有可能发生煤与瓦斯突出，而煤层瓦斯含量和丰度主要取决于瓦斯的形成条件（即煤层煤化程度或称变质程度）和保存条件（即封闭条件，最主要的影响因素是煤层上覆地层的厚度）。研究表明，在我国，煤层时代越老，煤化程度越高；从石炭纪开始，到第三纪的煤层中，煤层瓦斯含量、丰度按照地层的新老顺序，总体上出现递减趋势。
（2）煤与瓦斯突出与地应力场
煤与瓦斯突出的另一个主要内因是煤和围岩中形成的高弹性形变能，这种形变能是地应力集中形成的高应力积累产生的。地震局和煤矿部门的资料显示，我国煤与瓦斯突出的矿井集中分布在地应力较高的华南区，很好地印证了这种理论。
（3）煤与瓦斯突出与其他地质因素
从中国煤矿煤与瓦斯突出的具体部位看，高瓦斯煤层、构造煤、特殊的构造部位是控制煤与瓦斯突出的主要地质因素[3]。同地应力场的影响相似，在特殊构造部位处，局部地应力局部集中形成了煤和围岩的高弹性形变能，而聚集在这些部位的高浓度瓦斯也是这些部位容易发生瓦斯突出的原因。
3.2 外因分析
（1）穿越掘进的石门巷道
据统计，从1949-1990年的40年中，我国共发生千吨以上的大型、特大型煤和瓦斯突出共约50次，其中90%发生在石门穿煤层的巷道掘进过程中。煤和瓦斯突出的本质是挖掘或采掘工程造成的局部围压锐减，它诱发了石门处煤层中某些特殊部位里储存的巨大内部潜能的突然、集中释放。这种现象容易发生在石门穿煤层掘进过程中。因为掘进工作使煤壁变得薄弱，无法继续承受积聚在其中的巨大内能，于是这些能量在薄弱处集中，在某一时刻突然释放，形成煤与瓦斯突出。
（2）掘进速度
由于快速掘进不利于瓦斯释放，因此，故意放慢掘进速度，让瓦斯得到充分释放，是一种规避煤与瓦斯突出有效的措施。
4.隧道施工安全风险控制方法
4.1 隧道施工通风
（1）通风的目的
隧道施工时通风时采取通风可以消除有毒有害气体和煤尘岩尘等固体颗粒的影响和危害，以保证隧道施工安全的最主要的技术手段之一。通风的目的在于：一是提供给隧道内作业人员呼吸所需要的氧气；二是稀释隧道内各种有毒有害气体和固体颗粒的浓度，保证空气的情节和防止瓦斯、煤尘爆炸；三是调节隧道内空气的温度、湿度；四是创造良好的作业环境，保障隧道内作业人员的健康和安全。
（2）通风的方式和方法
隧道施工通风可以根据风井的布置、供风的范围、风流通过路径来划分。根据进、出口风井的布置不同，隧道通风方式可以分为中央式、对角式和混合式三种，一般采用中央式；根据风流所供风的范围分为全风压通风和局部通风两种，一般采用局部通风；根据风流通过的路劲分为巷道式通风、斜井通风和竖井通风三种，高瓦斯隧道宜采用巷道式通风。
4.2 隧道瓦斯隔离
铜锣山隧道施工中，采取了以下三点瓦斯隔离措施：
（1）初期支护作业
隧道开挖需要严格控制欠挖，以确保二次衬砌，尤其是台车处的模筑混凝土厚度不小于40cm。隧道开挖后必须及时初喷，封闭裸露围岩；钢架必须紧贴岩面，严禁拱架脱空；喷射砼必须全部采用湿喷技术，保证喷射硷的厚度和强度[4]，含瓦斯地段的喷射混凝土厚度不应小于l0cm，喷射硷必须喷射密实，严禁初支与岩面间出现空洞。其主要作用是防治瓦斯聚积，及时封闭瓦斯。 （2）二次衬砌砼施工
衬砌钢筋在绑扎或焊接作业时，在与防水板之间必须采取隔离措施，防止防水板和瓦斯隔离板损坏。
在气密性砼施工时，砼中掺入粉煤灰、减水剂、引气剂或气密剂时，采取控制砼的水灰比，控制砼中水泥用量等措施，增加砼的密实性并减小因水化热引起的砼温度应力和收缩，气密剂的用量应该使砼的透气性满足设计要求。砼浇筑过程中，不得破坏、损伤防水板，施工缝接头严防漏浆，确保接缝质量。二次衬砌的施工缝有环向和纵向施工缝两种，环向施工缝采用中埋式橡胶止水带（一般为钢边止水带），纵向施工缝采用外贴式橡胶止水带，防水板铺设应超前二次衬砌施工20-25m，并设临时挡板，防止机械损伤或电火花灼伤防水板。
4.3 火源控制
（1）防止明火
防止明火的重点是对施工人员进行安全教育；施工人员进洞时前往值班室签字，值班人员对施工人员进行检查，确保不让烟草、点火工具、化纤衣服、手机物品进洞；此外，严禁在洞内存放烃类燃料，如果需要使用可燃性材料，需要将其装入防爆的容器中。
（2）防止出现爆破火焰
爆破组工人均接受煤矿部门的培训教育，并安排专人管理炸药、监督爆破工序，做到严格管理：隧道严禁使用产生火焰的爆破器材、过期变质、没有合格标识的炸药和电雷管（采用上下台阶法开挖）；瓦斯工区钻孔爆破作业时，应严格控制爆破工艺流程，并采用爆破前、装药时、放炮后监测瓦斯的“一炮三检”制度。
5.结语
由于隧道工程的风险难以精确定义，瓦斯隧道安全风险影响因素较多且具有随机性和不可预见性，对于瓦斯隧道施工安全风险需要加强管理。现场实践证明，施工通风、瓦斯隔离版和气密性混凝土等瓦斯隔离措施、火源控制、瓦斯监控可以即成为一个灾害防治技术体系，可以作为今后现场施工的重要举措。
参考文献
[1] 姚振武. 高瓦斯隧道施工指南：以家竹箐險道为例[M]. 北京：人民交通出版社，2008.3
[2] 姜洪亮. 紫坪铺隧道瓦斯灾害研究[D]. 成都：西南交通大学，2010
[3] 康小兵. 非煤系地层瓦斯隧道形成机制研究[J]. 现代隧道技术，2011（03）
[4] 丁睿. 瓦斯隧道建设关键技术[M]. 北京：人民交通出版社，2010.5
【关键词】 瓦斯；隧道施工；风险管理；风险控制
1.引言
瓦斯隧道可分为两种类型：煤系地层瓦斯隧道和非煤系地层瓦斯隧道。工程中将直接穿越煤层的瓦斯隧道称为煤系地层瓦斯隧道，将不穿越煤层的瓦斯隧道称为非煤系地层瓦斯隧道。
随着西部大开发战略的实施，西部地区新建高等级公路、铁路、综合水电枢纽、市政工程等星罗棋布，隧道数量越来越多[1]，长度越来越长，險道穿越煤系地层或非煤系地层、油由、气田或位于这些储气地质构造之上方，都可能成为瓦斯險道，工程施工过程中必须可能出现的风险慎加防范，确保隧道施工安全。
2.隧道瓦斯涌出的方式
瓦斯涌出是指地下工程开挖、掘进过程中，煤系地层中的瓦斯涌向已开挖空间的现象。涌入开挖空间的瓦斯量称为瓦斯涌出量，可以用绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量两种方法表示。瓦斯的涌出形式主要有三种。
2.1 普通涌出
指的是在工作面和其他开挖暴露面上，瓦斯缓慢、均匀、经常性地涌出。它与开挖煤系地层暴露的时间长短，以及煤与岩石的破碎程度有；时间越长，煤层和岩层越破碎，瓦斯涌出量越大；反之，则小。
2.2 瓦斯喷出
指的是瓦斯从煤或岩石空洞、裂隙、破碎带中大量、突然涌出的现象。涌出的瓦斯量可由几立方米到几十万立方米，延续时间短则几天，多则几年，常伴有顿顿声，有时还喷出水柱。
2.3 煤与瓦斯突出
这是一种特殊的、危害性极大的瓦斯涌出形式。
隧道煤与瓦斯突出是指在險道掘进过程中煤与瓦斯的突然喷出，在短时间内从煤层深处排出大量的煤、岩流和瓦斯，产生巨大的冲击波[2]，这种能量能破坏工作面，摧毁隧道设结构、机械设备，发生瓦斯燃烧、爆炸，造成作业人员窒息、被埋入煤和岩流等重大事故。
3.煤与瓦斯的突出的原因分析
煤与瓦斯突出机理，是指煤与瓦斯突出发生的原因、条件及其发生、发展过程。煤和瓦斯突出的本质是当人们在煤系地层进行施工时，挖掘或采掘工作引发了煤系地层的地质动力突发性现象，这种现象的机理可以从内因和外因两个方面考虑。
3.1 内因分析
（1）煤与瓦斯突出与煤层瓦斯含量和丰度
首先，煤与瓦斯突出与煤层瓦斯含量和丰度密切相关。瓦斯含量和丰度越高的煤层越有可能发生煤与瓦斯突出，而煤层瓦斯含量和丰度主要取决于瓦斯的形成条件（即煤层煤化程度或称变质程度）和保存条件（即封闭条件，最主要的影响因素是煤层上覆地层的厚度）。研究表明，在我国，煤层时代越老，煤化程度越高；从石炭纪开始，到第三纪的煤层中，煤层瓦斯含量、丰度按照地层的新老顺序，总体上出现递减趋势。
（2）煤与瓦斯突出与地应力场
煤与瓦斯突出的另一个主要内因是煤和围岩中形成的高弹性形变能，这种形变能是地应力集中形成的高应力积累产生的。地震局和煤矿部门的资料显示，我国煤与瓦斯突出的矿井集中分布在地应力较高的华南区，很好地印证了这种理论。
（3）煤与瓦斯突出与其他地质因素
从中国煤矿煤与瓦斯突出的具体部位看，高瓦斯煤层、构造煤、特殊的构造部位是控制煤与瓦斯突出的主要地质因素[3]。同地应力场的影响相似，在特殊构造部位处，局部地应力局部集中形成了煤和围岩的高弹性形变能，而聚集在这些部位的高浓度瓦斯也是这些部位容易发生瓦斯突出的原因。
3.2 外因分析
（1）穿越掘进的石门巷道
据统计，从1949-1990年的40年中，我国共发生千吨以上的大型、特大型煤和瓦斯突出共约50次，其中90%发生在石门穿煤层的巷道掘进过程中。煤和瓦斯突出的本质是挖掘或采掘工程造成的局部围压锐减，它诱发了石门处煤层中某些特殊部位里储存的巨大内部潜能的突然、集中释放。这种现象容易发生在石门穿煤层掘进过程中。因为掘进工作使煤壁变得薄弱，无法继续承受积聚在其中的巨大内能，于是这些能量在薄弱处集中，在某一时刻突然释放，形成煤与瓦斯突出。
（2）掘进速度
由于快速掘进不利于瓦斯释放，因此，故意放慢掘进速度，让瓦斯得到充分释放，是一种规避煤与瓦斯突出有效的措施。
4.隧道施工安全风险控制方法
4.1 隧道施工通风
（1）通风的目的
隧道施工时通风时采取通风可以消除有毒有害气体和煤尘岩尘等固体颗粒的影响和危害，以保证隧道施工安全的最主要的技术手段之一。通风的目的在于：一是提供给隧道内作业人员呼吸所需要的氧气；二是稀释隧道内各种有毒有害气体和固体颗粒的浓度，保证空气的情节和防止瓦斯、煤尘爆炸；三是调节隧道内空气的温度、湿度；四是创造良好的作业环境，保障隧道内作业人员的健康和安全。
（2）通风的方式和方法
隧道施工通风可以根据风井的布置、供风的范围、风流通过路径来划分。根据进、出口风井的布置不同，隧道通风方式可以分为中央式、对角式和混合式三种，一般采用中央式；根据风流所供风的范围分为全风压通风和局部通风两种，一般采用局部通风；根据风流通过的路劲分为巷道式通风、斜井通风和竖井通风三种，高瓦斯隧道宜采用巷道式通风。
4.2 隧道瓦斯隔离
铜锣山隧道施工中，采取了以下三点瓦斯隔离措施：
（1）初期支护作业
隧道开挖需要严格控制欠挖，以确保二次衬砌，尤其是台车处的模筑混凝土厚度不小于40cm。隧道开挖后必须及时初喷，封闭裸露围岩；钢架必须紧贴岩面，严禁拱架脱空；喷射砼必须全部采用湿喷技术，保证喷射硷的厚度和强度[4]，含瓦斯地段的喷射混凝土厚度不应小于l0cm，喷射硷必须喷射密实，严禁初支与岩面间出现空洞。其主要作用是防治瓦斯聚积，及时封闭瓦斯。 （2）二次衬砌砼施工
衬砌钢筋在绑扎或焊接作业时，在与防水板之间必须采取隔离措施，防止防水板和瓦斯隔离板损坏。
在气密性砼施工时，砼中掺入粉煤灰、减水剂、引气剂或气密剂时，采取控制砼的水灰比，控制砼中水泥用量等措施，增加砼的密实性并减小因水化热引起的砼温度应力和收缩，气密剂的用量应该使砼的透气性满足设计要求。砼浇筑过程中，不得破坏、损伤防水板，施工缝接头严防漏浆，确保接缝质量。二次衬砌的施工缝有环向和纵向施工缝两种，环向施工缝采用中埋式橡胶止水带（一般为钢边止水带），纵向施工缝采用外贴式橡胶止水带，防水板铺设应超前二次衬砌施工20-25m，并设临时挡板，防止机械损伤或电火花灼伤防水板。
4.3 火源控制
（1）防止明火
防止明火的重点是对施工人员进行安全教育；施工人员进洞时前往值班室签字，值班人员对施工人员进行检查，确保不让烟草、点火工具、化纤衣服、手机物品进洞；此外，严禁在洞内存放烃类燃料，如果需要使用可燃性材料，需要将其装入防爆的容器中。
（2）防止出现爆破火焰
爆破组工人均接受煤矿部门的培训教育，并安排专人管理炸药、监督爆破工序，做到严格管理：隧道严禁使用产生火焰的爆破器材、过期变质、没有合格标识的炸药和电雷管（采用上下台阶法开挖）；瓦斯工区钻孔爆破作业时，应严格控制爆破工艺流程，并采用爆破前、装药时、放炮后监测瓦斯的“一炮三检”制度。
5.结语
由于隧道工程的风险难以精确定义，瓦斯隧道安全风险影响因素较多且具有随机性和不可预见性，对于瓦斯隧道施工安全风险需要加强管理。现场实践证明，施工通风、瓦斯隔离版和气密性混凝土等瓦斯隔离措施、火源控制、瓦斯监控可以即成为一个灾害防治技术体系，可以作为今后现场施工的重要举措。
参考文献
[1] 姚振武. 高瓦斯隧道施工指南：以家竹箐險道为例[M]. 北京：人民交通出版社，2008.3
[2] 姜洪亮. 紫坪铺隧道瓦斯灾害研究[D]. 成都：西南交通大学，2010
[3] 康小兵. 非煤系地层瓦斯隧道形成机制研究[J]. 现代隧道技术，2011（03）
[4] 丁睿. 瓦斯隧道建设关键技术[M]. 北京：人民交通出版社，2010.5