低瓦斯隧道安全ppt课件.ppt

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1、低瓦斯隧道安全施工技术,主讲 张祉道铁道第二勘察设计院,铁路客运专线隧道施工安全技术培训,主 要 内容,1 有关瓦斯知识 2 铁路和公路瓦斯隧道与煤矿巷道的不同特点 3 瓦斯隧道几种灾害 4 瓦斯隧道设计、施工的有关规范及参考资料 5 瓦斯隧道及工区分类 6 低瓦斯隧道安全施工技术,概 述,根据瓦斯逸出量的多少和瓦斯压力的高低，可把瓦斯隧道分为高瓦斯隧道、低瓦斯隧道和瓦斯突出隧道三个类型，无论哪种类型，都要搞好安全生产。既使是低瓦斯隧道，也存在安全陷患，搞得不好就会出大事故甚至特大事故。因此掌握瓦斯隧道安全施工技术非常重要。,一、有关瓦斯知识,1 定义 广义凡从围岩或煤层渗入隧道的有害气体，均

2、称为瓦斯。其主要成分为甲烷（沼气CH4）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2），还有少量的硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、氢气（H2）、二氧化硫（SO2）及其它碳氢化物和稀有气体。狭义单指甲烷（CH4），包括煤层甲烷和石油甲烷。,2 瓦斯生成、成分及性质 瓦斯生成植物及其它生物在高温缺氧条件下，有机物化学分解生成瓦斯。在植物变成煤的过程中，随着煤的变质，生成的瓦斯越来越多。其过程是： 泥炭褐煤无烟煤化学反应式： 纤维素 甲烷 二氧化碳 水 烟煤4C6H10O5 微生物 7CH4+8CO2+3H2O+C9H6O 烟煤 无烟煤 甲烷 水3C9H6O 2C13H4+CH4+3H2O,广义瓦斯主要成分

3、,四部分组成：（1） 沼气（CH4）及同系物，H2，H2S等可燃气体；（2） CO、NO、H2S、NH3含硫气体、乙醛等有毒气体；（3） CO2、N2、Ar（氩气）等，基本上为化学不活泼的惰性气体；（4） Rn（氡）、Tn（钍）、Ac（锕）等放射性气体；上述四部分中沼气（CH4）是最主要成分，其它气体含量极少。,沼气物理性质,无色、无味、无臭、无毒；密度0.716 kg/m3(空气为1.2 kg/m3);微溶于水(20时,100 m3能溶解于3.5 m3);比空气轻,渗透能力比空气强,能很容易透过裂隙岩体;特殊场合:混有乙烷、丙烷时有麻醉性，产生头昏现象；混有H2S时有臭鸡蛋味；混有芳香族气体

4、时有苹果味。,3.瓦斯爆炸与燃烧,瓦斯爆炸及燃烧先决条件：适当的浓度；火源；氧浓度。瓦斯爆炸化学反应式：CH4+2O2CO2+H2O+198.4千卡/克分子1份瓦斯+2份氧时反应最充分，但在空气中含氧仅20%,所以1份瓦斯+10份空气反应最充分所以,最猛烈的瓦斯爆炸发生在瓦斯浓度111时 ,即9.1%(说明:瓦斯燃烧点、爆炸点与空气中氧浓度,火源温度有关,上图只是一般的通常值),4. 煤尘爆炸,煤是可燃的,煤的粉尘(极小颗粒)由于与空气接触面积大,更易燃烧,燃烧的速度快、温度高，空气急速膨胀，就形成爆炸，煤尘爆炸判别式：Va=时，有爆炸危险式中：Vdaf煤的挥发分，%；Ad灰分，%；Mad水分

5、，%。（均为煤样化验测定值）当巷道空气中煤尘含量小于3040g/m3时，不会发生爆炸。,二、铁路和公路瓦斯隧道与煤矿巷道的不同特点,相同点（1） 都是地下工程；（2） 都进行钻爆作业；（3） 巷道中有煤或瓦斯存在，都有危险性。,不同点（1） 工程目的不同。 铁路和公路隧道的修建是形成通道，而煤矿建设的目的是进入煤体采煤。（2） 工程范围内煤与瓦斯的数量不同 煤与瓦斯是不良地质现象，所以交通隧道定线时都是尽量避绕煤层，避不开一定要穿过煤层时，尽量使隧道轴线垂直于煤层，以最短长度穿越。所以，很多瓦斯隧道洞身只有极小长度有煤，有时只是很薄的煤层（煤线或鸡窝煤），隧道长度的绝大部分是岩石，煤层只占极小

6、比例，而且有时煤质低劣，无开采价值，含瓦斯也不多；而煤矿则不同，不是避绕而是哪儿有煤往哪开巷道；很多巷道直接在煤层中，而且煤质一般较好，所以煤矿的瓦斯含量一般都比较大。比如：低瓦斯矿的标准是瓦斯涌出量小于40 m3/min，而低瓦斯隧道的标准是0.5 m3/min,同样都是属于低瓦斯等级，煤矿的瓦斯涌出量是交通隧道的80倍。,（3） 煤层巷道灵活性大，而交通隧道一旦线路位置确定之后，隧道的平面位置和标高都基于固定，不能随便移动。煤矿的运输大巷多在岩石中，但它的位置灵活，可以选择最有利的位置和方向；而交通隧道不同，有时位置很不利，如南昆线家竹箐隧道，隧道与煤层夹角只14，既使不厚的煤层，隧道穿煤

7、长度也很大，如17#煤层真厚度10.7 m,但隧道穿煤长度84.8 m,增加了施工难度。（4） 交通隧道断面大，煤矿巷道断面小。公路隧道可达100多m2，则煤矿巷道大多数很小，只几个m2，既使通过架线机车的运输大巷道也只有20多m2。（5） 交通隧道有支护，有衬砌，能封闭瓦斯，而煤矿巷道大多数不支护，允许长期放出瓦斯。（6） 交通隧道施工时严防坍塌，一旦坍方处理代价高、时间长；煤矿巷道施工时也避免坍方，但一旦坍方，断面小，处理的代价也小。煤矿有时还人工制造小坍方，比如揭露瓦斯压力大的煤层时，采用震动放炮，加大药量，人工诱导小型突出。,（7） 通风系统不同 煤矿通风系统很复杂，煤矿巷道多，而且不

8、在一个平面上，煤矿的通风是网路通风，而交通隧道只是一根管道，通风较为简单。（8） 瓦斯防灾经验和施工装备不同 煤炭部门有多年的防止瓦斯灾害经验，规章制度比较健全，正规的煤矿施工设备都是防爆的。在组织机构上，配备通风专业人员和机电专业人员、有矿山救护队，这些都有利于防灾救灾。而铁路和公路施工单位大多是多数临时组建综合性的建筑单位，关于瓦斯的经验不多、设备不完善，组织机构不固定（项目经理部人员变化大）。这些，不利于瓦斯防灾。,小结 交通隧道有利之处是大多数隧道通过煤层少、瓦斯涌出量小，而且衬砌及时，可以封闭瓦斯减少逸出，通风巷道管路也比较简单。但不利之处也不少，如开挖断面大，隧道与煤层的相对关系不

9、允许随意改变，施工装备防爆性能差，施工队伍不是专门化，技术管理和技术教育不够等等。我们交通隧道的施工要发扬优势、纠正劣势，以最小的代价保证生产安全。,三、瓦斯隧道几种灾害,瓦斯隧道施工时，可能发生7种灾害：（1） 煤与瓦斯突出在地应力和瓦斯压力的共同作用下，很短的时间中破碎的煤、岩和瓦斯从洞壁突然抛出，伴有猛烈的声响和巨大的动能，同时释放出大量的瓦斯。有时伴随瓦斯爆炸，造成二次破坏。“突出”事故的伤亡和损失一般都是很渗重的。（2） 煤突然倾出在重力作用下松软的煤层突然坍下，同时有大量瓦斯释放，坍下的煤以煤块形式堆积。（3） 煤突然压出一部分煤在构造应力或放炮振动影响下，整体抛出，但位移距离不大

10、，压出的煤或呈小块状，或呈有大量裂隙的大块状。,（4） 岩石与瓦斯突出原因与煤与瓦斯突出相似，有时还加上掘进放炮的的振动作用。大多数发生在破碎的砂岩中，放炮时，发生岩石破坏，抛出的现象，在抛出的砂岩岩块中含有大量的砂粒和粉尘，洞壁上形成空洞（不一定与爆破洞穴同一位置），与此同时，洞内瓦斯大量增加。（5） 瓦斯爆炸达到爆炸浓度的瓦斯（一般在5%16%之间）与火源接触（一般需要512以上），并且坑道内有氧气存在（含量12%以上），就会发生猛烈爆炸，有时会造成大量伤亡。（6） 煤尘爆炸当煤质中挥发物占总可燃物（固定炭加挥发物）10%以上，且形成的小颗粒煤尘悬浮在空气中，当空气中煤尘含量较多（30g/

11、m3以上），遇700以上的火源，即会发生煤尘爆炸，煤尘爆炸的后果比瓦斯爆炸更严重，因为煤层爆炸会产生大量一氧化碳（CO）使人中毒，很多人不是炸死而是被毒死。（7） 巷道坍塌煤系地层除少数外，大多数强度很低，尤其是煤中的软分层，用手即可捻成粉碎，所以巷道稳定性差，容易产生坍塌事故。,名词瓦斯涌出：掘进放炮以后，瓦斯从洞壁暴露面，从爆下的岩块和煤块中均匀释放的现象。(在邻近煤层的掌子面附近经常有瓦斯涌出。)瓦斯喷出：在20 m长的巷道范围内，从洞壁裂隙、孔洞或炮眼中涌出大量瓦斯，当喷出强度达到1 m3/min，喷出时间8 h以上时，称之谓瓦斯喷出。,瓦斯事故教训,贵昆线岩脚寨铁路隧道。隧道长2 7

12、14 m，铁道兵六师施工，穿过7层煤，薄者0.1 m,厚者8.92 m,瓦斯涌出强度150 m3/h,压力0.4 MPa。1959年1月27日下导坑掘进距洞口242 m处,火雷管点火及电灯接线引起二次瓦斯爆炸,并形成坍方,共死34人,伤65人；同年6月26日，电闸拉火又引起瓦斯爆炸,坑道坍方7处。从1月27日6月26日半年中，共发生瓦斯爆炸6次，由于处置不当，死伤惨重（总计死伤220人）。达成铁路炮台山隧道。全长3 078 m，位于成都郊区的金堂县境内，铁15局施工，全隧道不通过煤层，但隧道下方2 0003 000 m处有煤，瓦斯沿地层裂隙上升到地表浅层，形成储气构造。1994年4月3日平导掘

13、进到距洞口808 m处，灯炮爆裂引发瓦斯燃烧，死1人，伤3人。次日，汽车进洞运风管，由于汽车打火，又引起瓦斯爆炸，死12人。事故后实测，隧道瓦斯逸出强度为3.54 m3/h。,都汶高速公路董家山隧道。双洞,长4 111 m+4 081 m,中铁一局施工进口，中铁二局施工出口。该隧道多次通过煤层，但煤层都很薄，瓦斯压力0.1720.67 MPa,勘测资料认定为低瓦斯隧道，施工中又委托煤炭专业单位鉴定，仍定为低瓦斯隧道，因此施工中允许使用非防爆设备，采用汽车进洞出碴、进料。2005年12月上旬，隧道右洞进口掌子面发生坍方（如下图）。由于该处位于背斜核部、裂隙发育、裂隙中含有煤层瓦斯，坍方又促使瓦斯

14、大量涌出。12月22日，衬砌台车上的不防爆插座打火，引起瓦斯爆炸，当场死44人，伤11人。爆炸气流充满1500巷道并冲出洞口，并将洞外几十吨重台车推动几十米。,四、瓦斯隧道设计、施工的有关规范及参考资料,1.铁路瓦斯隧道技术规范TB10120-20022.铁路隧道施工规范TB10204-20023.公路隧道施工技术规范JTJ024-944.煤矿安全规程（国家安全生产监督管理局、国家煤矿安全监察局2005年）5.防治煤与瓦斯突出细则（煤炭工业出版社1995年）6.煤矿安全规程读本（煤炭工业出版社2005年）,五、瓦斯隧道及工区分类,瓦斯隧道： 凡隧道通过的地层中预计含有瓦斯或检出瓦斯、即属于瓦斯

15、隧道（与瓦斯地段长度占全隧道比例大小无关）。,工区分类,非瓦斯工区(工区内不出现瓦斯) 瓦斯工区 低瓦斯工区(预计或实测全工区瓦斯涌出小于或等于0.5 m3/min)高瓦斯工区（预计或实测全工区瓦斯涌出强度大于0.5 m3/min） 瓦斯突出工区(预计可能或实际已发生煤与瓦斯或岩石与瓦斯突出),说明：低瓦斯工区与低瓦斯煤矿不同，低瓦斯煤矿瓦斯涌出量的上限是40 m3/min，而铁路隧道低瓦斯工区瓦斯上限是0.5 m3/min，仅是前者1/40。所以，判断是否属于低瓦斯隧道的标准是很严格的，只有隧道通过煤很少、煤不厚、瓦斯含量也低的隧道才能列入低瓦斯隧道，在公路和铁路隧道中，这种情况很多。过去对

16、瓦斯隧道不分高瓦斯还是低瓦斯，一律要求采用防爆设备，如一个3 000 m的隧道，只通过一次煤线而且瓦斯不严重，也要求采用全套防爆设备。2002年以后，铁道部新颁布的瓦斯隧道规范把低瓦斯隧道分出来，允许在一定安全措施的前提下，使用不防爆机具设备，这对于降低造价、提高修建速度是很有意义的。,六、低瓦斯隧道安全施工技术,1. 搞好低瓦斯隧道安全施工的重要性 （1） 低瓦斯隧道在铁路和公路的瓦斯隧道中，数量最多、比例最大；（2） 低瓦斯隧道中瓦斯涌出量小，洞内瓦斯浓度低，有时甚至量不出来。不论设计方还是施工方，容易忽视；（3） 铁路规范规定，低瓦斯隧道不要求使用防爆的机具和电气设备，很多人以为与普通隧

17、道没有区别；（4） 低瓦斯隧道一般不会出事故、在南昆线以后，内昆、水柏、渝怀等很多铁路的低瓦斯隧道都正常施工，没有出事故，已经产生了麻痹思想，但低瓦斯隧道搞不好一样会爆炸，一样会出事故，有必要强调它的安全生产重要性，有必要针对低瓦斯隧道的特点研究其安全生产技术。,2. 低瓦斯隧道灾害事故种类 低瓦斯隧道在通过煤系地层（即含煤地层，包括煤线、鸡窝煤、薄层煤以及煤层前后的含瓦斯岩层一般为砂岩、泥岩、页岩等沉积岩）时，易发生的事故只有三种： （1） 瓦斯爆炸； （2） 瓦斯燃烧； （3） 巷道坍方。,3. 瓦斯浓度管理标准（1） 工区内任何地点、任何时刻的瓦斯浓度不大于0.3%；（2） 任何地点瓦斯

18、浓度达到0.4%时，应即刻报警，找出原因，及时处理；（3） 任何地点瓦斯浓度超过0.5%，应在前后20 m范围内立即停工，切断电气设备电源，查找原因并加强通风，观测浓度变化；（4） 开挖面瓦斯涌出，且浓度超过0.5%时，掌子面至二次模筑衬砌起点之间立即断电、停工撤人，如加强通风后浓度仍降不下来，则全工区停电撤人立即研究处理办法。（两个方案：a、如瓦斯涌出强度超过0.5 m3/min，改按高瓦斯工区处理、设备换装；b、增加通风设备，加强通风，等待瓦斯涌出衰减）。,低瓦斯隧道的瓦斯浓度正常值是0.3%，上限值是0.5%，与瓦斯爆炸下限浓度5%相比，小得很多，这是因为：（1） 5%是理想条件下的数据

19、，由于隧道中条件复杂，瓦斯爆炸下限有时会有所降低，比如：空气中煤尘浓度达到5 g/m3时，瓦斯爆炸下限可降为3%；有电火花发生时，因其温度较一般火焰高，700可引爆浓度3.25%瓦斯；（2） 测定人员有读数误差，仪表本身也有一定误差；（3） 隧道中的瓦斯泄漏点及浓度千变万化无一定规律，而且泄漏的速度也不均匀，检测浓度不一定是最高浓度；,（4） 一般规定，凡事故严重，可能产生人员伤亡时，安全系数应大一些（比如：竖井人员提升钢绳安全系数规定为9），5%的爆炸浓度取安全系数为10，即得到低瓦斯隧道施工的上限浓度0.5%；（5） 上限浓度0.5%适合低瓦斯工区的非防爆装备（0.5%浓度瓦斯遇火源不会燃

20、烧和爆炸），同时一般的通风设备也很容易使低瓦斯工区的瓦斯降到安全浓度（如风机供风量500 m3/min时，瓦斯稀释后的浓度为0.5/500=0.1%,小于0.5%）,4. 洞内易引起瓦斯爆炸的危险地点 （1） 煤层附近的掌子面 （2） 拱顶坍穴（3） 拱顶以下3040 cm范围（4） 巷道转角 （5） 避人洞、避车洞、横通道 （6） 停留的大型设备背风处,5. 瓦斯检测,（1） 瓦斯检测设备瓦斯自动断电报警器（如：AWJ-6型）；便携式瓦检仪（光干涉如：SWJ-A型、催化型如AZJ-91型）；凡重要地点（如开挖面、煤层附近、衬砌台车前方等），人员难于攀登地点（如坍穴顶部），均应设置自动断电报警

21、器的探头。,（2） 检测地点开挖工作面风流中；未成洞段及已成洞段的拱顶下沿；衬砌台车前方；塌方、凹陷、裂隙、风流死角；地质破碎、地层变化、溶洞；进洞汽车、装碴机车头上(机头上固定设置瓦测仪)；停放的大型设备后方风流死角；洞内电焊地点；洞电通风机、电机及开关附近；避人车洞、横通道内；其它通风不良处,（3） 检测频率开挖面在打眼后，放炮前、放炮后各检测一次（即“一炮三检测”）；其余时间及地点每班至少2次；有异常现象时每小时1次；特殊情况时应旁站不间断量测。,（4） 检测设备标定及检修每5天校正便携式报警器或瓦斯传感器（探头）一次；每7天校正瓦斯自动断电报警器一次；每15天校正光干涉瓦斯测定仪一次；

22、每天应对照各种不同类型瓦检仪表读数，其误差不应超过允许值。每次通过煤层，应测量总回风风速及瓦斯浓度，计算出洞内瓦斯涌出总量（其它时间每月至少测量一次），并重新判定工区的瓦斯等级。,6. 关于瓦电闭锁和风电闭锁在设计时判定隧道是否属于低瓦斯隧道的依据是地质勘察资料，但由于技术水平和设备限制，地质工作往往存在或大或小的误差。为了确保隧道开挖时即使突然出现大量瓦斯，仍不会发生爆炸事故。在隧道中安装“两闭频”是非常必要的，所谓“两闭频”即“瓦电闭锁”和“风电闭锁”。“瓦电闭锁”前已述，洞内重要位置均应布置探头，长期不间断监测瓦斯。当探头测得风流中瓦斯浓度超标时，可立即自动启动断电报警器，切断规定范围的

23、电器设备电源，并产生声光报警。“风电闭锁”当隧道内通风机由于某种原因不能运转供风时，自动切断停风区全部电气设备电源。,7. 隧道内过煤层前的超前探测定义：20 m范围内瓦斯涌出强度大于0.5 m3/min的地段为高瓦斯区为防止隧道掘进时误穿高瓦斯区，在距煤层设计位置20 m（垂距）时，打超前钻孔三个，并取岩芯，钻孔直径不小于76。通过开挖面的超前钻孔，可以了解：煤层位置、煤样的吨煤含瓦斯量、瓦斯溢出速度、瓦斯压力，瓦斯动力现象（顶钻、夹钻、喷孔等），判断将要揭露的煤层是否与设计资料一致。如一致，可正常掘进；如不一致，应向设计、监理、业主方提出研究处理办法,8. 过煤层钻爆作业按照规范，低瓦斯工

24、区有以下特殊要求：（1） 全工区采用煤矿许用炸药；（2） 全工区采用煤矿许用瞬发或毫秒电雷管；最后一段延时不大于130 ms。,9. 灯具及电缆 根据铁路瓦斯隧道技术规范8.1.1条，低瓦斯工区的电气设备和作业机械可使用非防爆型，但对于照明灯具，又规定采用防爆型（8.3.3条），似乎有些矛盾。据我在一些隧道实地观察，觉得可以这样处理：（1） 靠近掌子面的未成洞地段，是洞内瓦斯浓度最高段落，应采用EXDI型矿用防爆照明灯，防止掌子面掘进时突然涌出大量瓦斯，发生事故。（2） 已成洞地段，瓦斯已封闭，衬砌中溢出瓦斯量甚少，可采用一段非防爆灯具，但在成洞地段地点的起点（模板台车前方），应设置瓦电闭锁探

25、头，一旦瓦斯浓度超标，应立即切断灯具电源。（3） 洞内高压和低压电缆规格，应按规范办理，电缆芯线与电气设备连接必须使用齿形压板或线鼻子；（4） 工地移动照明，应采用矿灯，或防爆应急灯。,10. 施工通风 低瓦斯工区可以用独头巷道风管压入式通风，也可以用巷道式通风。当采用巷道式通风时，开挖面附近还应布置局扇（压入式）。目前射流风机常常作为隧道通风的辅助风机，比如：布置在掌子面附近防止瓦斯停留（因压入式通风管端部常常距开挖面太远），布置在横通道内作为主风机形成巷道全风压风流。洞内风机及开关应使用防爆型。,11. 电源 低瓦斯工区不要求设置两套互为独立的供电系统，但主通风机应有二路电源，直接由变电所

26、馈出并来自不同变压器，当一路停电时，另一路在15 min内接通供电。,12. 支护施工巷道开挖暴露煤层后，应尽快施作锚喷初期支护，用掺气密剂的喷砼覆盖煤层和有瓦斯涌出的岩面、喷砼厚度不小于15 cm。当巷道变形喷砼表面出现开裂，还应进行补喷、补喷厚度至少5 cm。当洞壁喷砼不能有效减小瓦斯溢出时，可采用： （1） 对洞壁径向注浆，封堵瓦斯渗漏通道（用C-S浆，注浆厚度3 m） （2） 提前施做瓦斯隔离层和二次衬砌（气密性砼），厚度不小于40 cm，衬砌接缝应进行气密处,13. 其它 （1） 施工通风应24 h不间断，通风机应有备用；（2） 低瓦斯工区也应进行火源管理，严禁火源进洞，洞内及洞口20 m范围禁烟，洞口设检查岗，洞内不得储存易燃品（油类等），进洞人员不得穿易产生静电服装，进出洞人员应登记；（3） 所有施工人员均需岗前培训，合格后发给上岗证才能进洞；（4） 各工区应建立必要的安全生产制度，如瓦斯检测登记制度，瓦斯检测工作细则、瓦斯仪表校正检修制度、电气设备检查和修理保养制度、煤层采样试验规程、超前探孔施工作业细则等；（5） 关于瓦斯隧道安全施工内容很多，有的也很细，这里不能一一介绍，不详之处，请参看前面列举的一些参考资料和规范，但以铁路瓦斯隧道技术规范为主。,谢谢,