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1、瓦斯隧道施工工法中铁二十局集团公司渝怀铁路工程指挥部一. 前言瓦斯隧道施工不可预见和无法抗拒因素多,安全隐患大,必须认真对待。但如果在施工瓦斯隧道时套用煤矿的管理模式，照搬煤矿安全规程和防治煤与瓦斯突出细则，则失之偏颇。虽然保证了施工安全，但却增加了许多不必要的投入，加大了工程成本。自1992年以来，我局连续建成了7座瓦斯隧道，无一例瓦斯事故，使我局瓦斯隧道的施工技术和管理水平日臻成熟。经过总结和提高，形成了本工法。本工法集中了我集团公司已安全建成的南昆线天生桥隧道、广渝高速公路华蓥山隧道、水柏线发耳隧道、内昆线朱嘎隧道、渝怀线白马2号隧道、白沙沱3号隧道和白沙沱4号隧道等7条瓦斯隧道的成功经
2、验和科技成果。其中南昆线天生桥隧道揭煤防瓦斯施工技术获中国铁道建筑总公司1995年科技进步二等奖；华蓥山公路隧道瓦斯及断层带施工技术研究获中国铁道建筑总公司1999年科技进步一等奖；朱嘎隧道施工技术获中国铁道建筑总公司2001年科技进步三等奖。二. 工法特点本工法紧密结合施工实际，在煤矿安全规程（以下简称煤规）、防治煤与瓦斯突出细则（以下简称细则）和铁路瓦斯隧道技术规范（以下简称技术规范）要求的基础上，对瓦斯隧道施工的关键要素进行了优化，既保证了安全,又提高了工效。本工法对瓦斯隧道施工的关键要素、资源配置、施工工艺和安全技术措施等做了详尽阐述。具有安全上可靠、技术上可行、经济上合理、操作性强的
3、特点。三. 适用范围本工法广泛适用于铁路和公路各种类型瓦斯（低瓦斯、高瓦斯和煤与瓦斯突出）隧道的施工。四. 工艺原理瓦斯隧道不同于煤矿，两者至少有以下区别：1. 煤矿以采煤为目的，井巷多沿煤层走向或倾斜方向布置；公路和铁路隧道则垂直或基本垂直于煤层走向，尽量以最短距离穿过煤层。就与煤层的关系而言，前者是面，后者是点；2. 矿山井巷断面小，一般不超过18m2；公路和铁路隧道断面大，双线公路隧道的开挖断面目前已超过120m2。3煤矿是多水平、多采区、多工作面同时作业；公路和铁路隧道则以单一的工作面直通洞外。所以，公路和铁路瓦斯隧道的瓦斯浓度大都低于邻近煤矿。如果忽视以上基本情况，在施工瓦斯隧道时照
4、搬煤矿的管理模式，虽然保证了施工安全，但也增加了许多不必要的投入。本工法对瓦斯隧道的关键要素、资源配置和安全技术措施进行了优化，使其更符合铁路和公路瓦斯隧道的施工实际。主要体现在以下方面：（一）关于双电源技术规范规定，高瓦斯工区和瓦斯突出工区供电应配置两路电源。建立双电源的目的，是为了保证洞内，特别是通过瓦斯段时的连续通风，以防因停电而使通风中断，继而造成瓦斯聚集而诱发瓦斯事故。本工法对无法配置双电源的情况制定了处置预案。（二）瓦斯检测瓦斯检测在技术规范里没有专门提出。实际上，瓦斯检测是瓦斯隧道施工中一项十分重要的工作。1.检测仪器目前瓦斯检测仪器大致可分为光干涉、热催化、热导、气敏和红外等类
5、型。和其它类型的检测仪器相比，光干涉和热催化类型的检测仪器技术成熟，性能稳定，但也有其局限性。光干涉仪器在正常的空气组分和温度条件下，灵敏度较高，准确稳定，能测CO2，改变气室可测高低浓度的瓦斯。缺点是读数不直观，受温度、压力和背景气的影响大。热催化仪器测低浓度瓦斯精度高，读数直观准确，受背景气影响小，输出信号大，缺点是不能测高浓度瓦斯。因此，本工法要求同时使用光干涉和热催化两种测量原理的仪器，以集两种仪器之所长，弥补其不足，并使检测结果相互参照，彼此验证。2.检测技术在一个施工循环中，瓦斯含量增加幅度最大的工序，是在凿眼过程中和放炮之后。这是因为炮眼可能成为与前方瓦斯层的连接通道；而放炮之后
6、，由于突然揭露出大面积的新鲜岩层，有可能使封闭的瓦斯层逐渐解放或完全暴露，致使瓦斯沿围岩裂隙缓慢渗漏甚至大量涌出。因此，加强凿眼过程中及装药前和放炮后的瓦斯检测至关重要。抓住了这个环节就抓住了检测瓦斯的“牛鼻子”。瓦斯检测需要重视的另一问题是检测的部位。由于瓦斯比空气轻，而且有很强的扩撒性，当隧道风速小到一定程度（通常认为风速不应小于1m/s）时，瓦斯将游离出来，在隧道顶层和死角处聚集，甚至局部超限达到爆炸浓度。因此本工法规定：加强凿眼过程中及装药前和放炮后的瓦斯检测，隧道顶部及顶部超挖的空洞、盲巷、避车洞等是检测的重点。（三）使用防爆电气和作业机械技术规范规定，隧道内高瓦斯工区和瓦斯突出工区
7、的电气设备和作业机械，必须使用防爆型。其实，瓦斯隧道内对固定敷设的电缆、照明、通信、信号在采用防爆型后，即使高瓦斯工区和瓦斯突出工区的移动电气设备和作业机械，也可采用非防爆型即无轨运输系统。这是因为放炮后经过通风把瓦斯浓度降低到0.5%后，非防爆的移动电气设备和作业机械即可进洞作业。在正常通风条件下，洞内瓦斯浓度将继续下降或保持相对稳定状态。即使出现因通风中断使洞内瓦斯浓度升高的情况，还可采取使这些非防爆的移动电气设备和作业机械就地熄火或开出隧道的方式来处置。本工法规定移动机械设备可采用非防爆型和无轨运输系统。在瓦斯隧道使用非防爆的移动电气设备和作业机械，即实行“半防爆”方案，使施工单位在电气
8、设备和作业机械的配置方面留有更大的选择空间，也节省了投资。（四）超前钻探超前钻探是为了准确掌握煤层的位置、产状、厚度和瓦斯储存状况。技术规范规定在距煤层1520m垂距时打超前探孔1个、在距煤层10m垂距时打超前探孔3个。显而易见，费工、费时，对施工干扰大。而采用本工法推荐的5m钻探工艺同样能达到探明煤层和瓦斯的目的。采用5m超前钻探工艺，避免了钻机的频繁移动，不中断隧道的正常掘进，简便易行，事半功倍。而且由于科学布孔，最大限度的发挥了钻孔作用。超前探孔还可兼做炮眼，节约成本，提高功效。（五）通风加强通风是排烟降尘和稀释瓦斯的最主要的手段。由于风管阻力与风管直径的5次方成反比，为减少通风阻力，应
9、尽可能选用大直径风管。但从方便施工和减少风管对衬砌台车的干扰考虑，风管直径以12001300为宜。本工法对风管直径做了相应的要求。（六）使用煤矿安全炸药和毫秒电雷管技术规范规定，瓦斯工区的爆破作业必须采用煤矿许用炸药和毫秒电雷管。煤矿许用炸药加入了食盐作消焰剂，能吸收热量，降低爆炸气体的温度，削弱瓦斯与氧的连续反应，安全性高。但其爆力和猛度只相当于一般岩石铵锑炸药的80%；毫秒电雷管总延期时间不能超过130ms，只能选用到5段，难以满足公路和铁路隧道大断面的施工要求。由于上述原因，本工法规定，在瓦斯工区掘进时，当洞内瓦斯从无到有，由小变大，浓度达到0.5%时再使用煤矿许用炸药和毫秒电雷管，而不
10、必提前使用。既保证了安全，使煤矿许用炸药和毫秒电雷管的使用更具针对性，又使煤矿许用炸药和毫秒电雷管给施工带来的不利因素降低到了最低限度。（七）瓦斯救护技术规范规定，高瓦斯工区及瓦斯突出工区应配备救护队。施工瓦斯隧道，不可预见和无法抗拒因素多。施工任何一条瓦斯隧道，都不能保证绝对不发生瓦斯事故。配备救护队的目的，就是为了及时、有效地对瓦斯事故进行救护。由于救护队是一支军事化性质的专业队伍，人员必须经过专业培训，而且要有相应的装备和器材，需花费大量的人力和财力。但救护队的服务时间又十分有限：隧道一旦穿过含瓦斯段，救护队即失去了存在的必要，大量的设备和器材将被闲置，经过专业培训的救护队员也只能被调作
11、他用。在解决这个矛盾时，施工队可与当地救护队建立协作关系。因为大凡瓦斯隧道存在的地方，附近都会有煤矿，有煤矿就必然有矿山救护队。由于施工单位不配备救护队，而是巧借当地矿山救护队这支援军作为自己的“预备队”，从而节约了大量人力和财力，也解除了施工单位的后顾之忧，使之集中精力抓施工。因此本工法规定：应与当地矿山救护队建立协作关系，必要时进行抢险和救护。五. 施工程序瓦斯隧道施工按图1所列程序进行。超前探煤煤层突出危险性预测有突出危险无突出危险安装金属骨架 加强支护防突措施安全防护措施防突措施效果检验无效远距离放炮揭煤有效补救措施图1: 瓦斯隧道施工程序六. 施工工艺（一）超前钻探（该钻探工艺不同于
12、细则和技术规范中的有关要求，也是本工法的诀窍技术之一。）1. 钻探要求根据地质预报并参考设计图提供的煤系地层里程，在接近煤层时，每次掘进都用5m钻杆进行超前探测，直至探明煤层和瓦斯情况。探测孔不应少于2个。每次放炮不得超过3m，使工作面始终保持距煤层2m以上的安全岩柱。2. 钻孔布置超前钻孔的位置可根据岩层产状确定：当掘进由煤层顶板进入煤层时，超前钻孔布置在隧道底部；反之，当掘进由煤层底板进入煤层时，超前钻孔布置在隧道顶部。见图2 超前钻孔布置图。3. 钻探过程控制在钻探过程中要仔细观察钻孔内排出的浆液和岩屑变化情况，仔细观察是否有卡钻、顶钻、瓦斯喷孔等动力现象，作好记录。当钻进速度明显加快，
13、浆液颜色变黑并有煤屑时，表明已进入煤层。（二）煤与瓦斯突出危险性预测当煤层厚度小于0.3m时，可不经过突出危险性预测，直接用远距离放炮揭穿煤层。1、预测位置及预测参数根据超前钻孔探明的煤层位置，在隧道工作面距煤层5m（垂距）时停止掘进，用钻孔取样法进行有关瓦斯参数的全面测定，包括：煤层瓦斯压力（P）、煤的瓦斯放散初速度（P）、煤的坚固性系数（f）、钻屑瓦斯解吸指标（h2或k1）、独头坑道瓦斯涌出量（q）、钻孔瓦斯涌出初速度（qm）（以上测定方法按细则或技术规范的规定进行）。在钻孔过程中要仔细观察是否有卡钻、顶钻、瓦斯喷孔现象，为综合评定煤层突出危险程度提供依据，从而有针对性的选用防突措施和安全
14、技术措施。2. 预测钻孔布置及参数的测定布置三个预测孔和一个测压孔，控制开挖周边45m的范围。各孔见煤点在设计时应考虑与原探孔见煤点的间距不小于5m。测压孔孔径75mm，测定钻孔瓦斯涌出初速度后及时封孔，进而测定瓦斯压力。预测孔孔径为60，见煤后换为42，在孔口接煤粉，用以测定预测参数值，其测定方法按细则或技术规范的规定进行。3. 预测指标临界值预测时的临界指标应根据临近煤矿的实测数据确定，如无实测数据，可采用防治煤与瓦斯突出细则规定的数据作为突出危险性临界值。预测煤层突出危险性单项指标临界值煤层突出危险性煤层破坏类型P（mm） fP（Mpa）钻 屑 解 吸 指 标瓦斯涌出初速度h2（pa）K
15、1（ml/g.min）1/2Qm（L/min）突出危险、100.50.74160湿煤200干煤0.4湿煤0.5干煤44. 突出危险性判定比照上述诸项预测指标临界值，采用综合指标法和钻屑瓦斯解吸指标法，对实测数据进行分析评估。有任何一项实测数据超过临界指标，即可判定该开挖工作面为突出危险工作面；钻探过程中如果出现瓦斯喷孔、瓦斯顶钻、卡钻等动力现象，也可判定该开挖工作面为突出危险工作面。（三）防突措施当预测无突出危险时，可不采取防突措施，直接用远距离放炮揭穿煤层；当预测有突出危险时，必须采取具有针对性、便于实施的防突措施，经检验有效后，采用远距离放炮揭穿煤层。根据瓦斯隧道的施工特点，防突措施以钻孔
16、排放为宜。在打排放钻孔前，在隧道断面中布置2个测压孔以检验排放效果。测压孔的见煤点布置在排放孔中间。1. 阻截排放钻孔当预测有突出威胁时，防突措施采用阻截钻孔排放瓦斯。在工作面距煤层2.53m处打排放钻孔。孔径75mm，钻孔穿透煤层，见煤点分布在隧道开挖周边23m处，钻孔见煤点间距3m，使排放钻孔沿隧道周边23圈呈弧形排列。2. 多排钻孔排放当预测有突出危险时，采用多排钻孔排放瓦斯。钻孔直径75mm，钻孔穿透煤层全厚，钻孔见煤点间距2m，均匀分布，控制隧道断面及周边46m的排放范围。3. 深孔松动爆破当超前钻孔排放瓦斯的效果不理想时，可采用深孔松动爆破的方法。通过在工作面前方煤体中钻孔的爆破，
17、使钻孔周围形成直径为50200 mm的破碎圈和200800 mm的松动圈，煤层和岩体产生裂隙并相互贯通，形成瓦斯排放通道，使一定范围的煤体应力释放或向煤体的前方和两侧推移，加速了煤体瓦斯排放和煤层卸压，从而起到防止煤与瓦斯突出的作用。（1）工艺及参数 采用直径42mm的炮眼，眼深812 m（可用钻机钻孔）。深孔松动爆破应控制到隧道开挖断面外1.52m的范围，孔数则应根据松动爆破的有效半径确定。 深孔松动爆破的装药长度为孔长减去5.56 m。每个药卷（特制药卷）长度为1m，每个药卷装入1个雷管。药卷必须装到孔底。 采用孔内外大串联的联线方式。装药后装入长度不小于0.4 m的水炮泥，水炮泥外侧充填
18、不小于2 m的封口炮泥。（）注意事项 深孔松动爆破的影响半径应实测确定。 深孔松动爆破应使用煤矿安全炸药和毫秒电雷管。为使松动爆破达到较好效果，应做到所有炮眼都达到同样的深度。 深孔松动爆破时，必须撤人、停电，洞外起爆。（四）防突效果检验执行防突措施后，必须进行防突效果检验，其检验方法按防治煤与瓦斯突出细则第42条规定，检验孔孔数为4个，其中隧道中间一个，位于措施孔之间，其它三个孔位于隧道上方和两侧，终孔位置应位于措施孔之间（以见煤点计）。当各预测指标的检验结果都在突出危险临界值以下时，认为措施有效，反之则认为无效，必须采取补救措施，直至检验有效时，方可揭煤。（五）安全岩柱利用前探钻孔探明的资
19、料，保留距煤层2m的安全岩柱。为使岩柱的厚度保持一致，沿岩面把岩柱刷成坡形。作为煤层的最后一道安全屏障，掘进时一定要准确控制岩柱厚度，以防误穿或提前穿煤而引发瓦斯事故。（六）金属骨架“金属骨架”是细则中的提法，意指强支护。它是一种防突措施，也是揭煤安全防护措施之一。远距离放炮前必须安装金属骨架，金属骨架的安装形式按设计图办理。（七）远距离放炮揭煤1.远距离放炮必须采用煤矿安全炸药和毫秒电雷管，毫秒电雷管的总延期时间不得超过130 ms。2.炮眼数量多于正常掘进的炮眼数量。炮眼布置采用直眼掏槽或楔形掏槽。3.装药量多于正常掘近所需炸药量，确保一次揭开煤层。4.打穿煤层的炮眼在煤层段和岩石段分段装
20、药，并用长25cm的炮泥分开。5.必须用粘土封堵炮眼，并封堵密实不漏气。6.放炮时洞内停电，洞外起爆，所有人员撤至洞外，洞口50m以内杜绝一切火源。7.远距离放炮后及时对揭煤工作面喷混凝土或衬以气密性混凝土，以利于岩体的稳定，并可封闭岩面，堵塞瓦斯排放通道。七. 供电系统瓦斯隧道应建立双电源，如无双电源，可设置备用发电机。备用发电机的发电量应满足通风机的需要。如果连备用发电机也没有，当通风中断，恢复通风时可由外向里逐步推进，直至全隧瓦斯浓度降低到1%以下后，再向洞内送电。电缆采用矿用橡套阻燃防爆电缆，并在电路中安装漏电保护装置和防爆自动馈电开关。八. 运输方式瓦斯隧道施工可采用无轨运输，但长瓦
21、斯隧道和高瓦斯隧道施工应首选有轨运输，以利通风。九. 通风(一) 通风标准：最低风速：大于1m/s；氧气含量:按体积不小于20%;瓦斯浓度：小于1%（通风机及其开关地点附近10 m以内风流中小于0.5%）；一氧化碳最高允许浓度：30mg/m3；二氧化碳：按体积小于1.5%；氮氧化物：（换算成NO2）为5mg/m3以下；粉尘最高允许浓度：每立方米空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉尘为2mg；洞内气温：小于28oc。（二）通风方式采用管道压入式，如设置有辅助导坑，则采用管道加巷道的通风方式。（三）风量计算1.有轨运输按以下3方面因素考虑，取最大值。（1）按洞内同一时间内最多人数计算 = 4 （m
22、3/min）式中 -所需通风量；4-每人每分钟所需新鲜空气（m3/ min）； -风量备用系数，取1.11.25； -同一时间内洞内最多人数； （2）按稀释和排除炮烟所需风量： 式中 -放炮后吹散炮烟所需时间，取30 min ；-全断面爆破炸药量 （按远距离放炮炸药量考虑）；-隧道净断面；-掘进隧道的独立部分长度，取300m。（3）按消除顶层瓦斯积聚所需风量： = 60 式中 -瓦斯隧道允许最低风速，取1m/s；-隧道净断面。 2.无轨运输除进行上述三项计算外，还必须进行稀释柴油机尾气中co的计算，取最大值。 =Q式中 -无轨运输所需通风量；Q-单位功率的通风量，一般取Q = 4.0m3/mi
23、nkw；-洞内作业柴油机功率的总和。（四）设备配备通风机的供风量应大于洞内所需风量，配以12001300软质双抗（抗燃烧、抗静电）风管。（五）通风操作要求风管接头要密封，吊挂要平直，避免出现褶皱。在施工过程中要及时接长风管，风管末端距工作面距离不应超过15m。采用平行导坑作回风道时，除用作回风的横通道外，其它不用的横通道应及时封闭。留作运输的横通道应设置风门，防止风流短路。十. 瓦斯检测1.检测仪器同时使用光干涉式和热催化式两种测量原理的仪器，瓦检仪器应定期进行校正。2.检测方法加强凿眼过程中及装药前和放炮后的瓦斯检测，隧道顶部及顶部超挖的空洞、盲巷、避车洞等是检测的重点。3.临界值牢记两个数
24、值：当瓦斯浓度达到1% 时，禁止打眼、装药、放炮；瓦斯浓度达到1.5% 时，撤人、停电、通风。十一. 劳力组织瓦斯隧道施工增加23名洞口值班人员，对进洞人员进行安全检查；增加34名瓦斯检测人员，对洞内瓦斯进行不间断的检测。其余劳力组织与非瓦斯隧道施工的劳力组织相同。十二. 机械电器设备1.机械设备瓦斯隧道内固定机械设备采用防爆型，移动机械设备可采用非防爆型。备用一台水平钻机，其余机械设备的配置与非瓦斯隧道的机械设备相同。2.电器设备瓦斯隧道电器设备采用防爆型，规格和性能见下表：瓦斯隧道防爆电器一览表序号电器名称规 格性 能1电 缆矿用防爆型铜芯，硫化橡胶做主绝缘层，氯丁橡胶护套2接 线 盒矿用
25、防爆型接线部分装在防爆外壳（铸铝合金外罩，密封圈密封）里，产生的火花与外界隔绝。3开 关矿用防爆型开关装在防爆外壳（铸铝合金外罩，密封圈密封）里，产生的火花与外界隔绝。4照明灯具矿用防爆型灯头和灯泡装在防爆外壳（铸铝合金灯体，钢化玻璃外罩）里，产生的火花与外界隔绝。5洞内电话安全火花型低电流，低电压，火花温度低于引燃、引爆瓦斯温度。6洞内电铃安全火花型低电流，低电压，火花温度低于引燃、引爆瓦斯温度；铃碗采用内镀铍青铜，打击时不会产生火花。3.检测仪器瓦斯隧道可采用以下检测仪器：瓦斯隧道检测仪器一览表序号仪 器 名 称单位数量生 产 厂 家1AJW-1型甲烷测定仪台4镇江煤矿专用设备厂2JCB-
26、2型甲烷测定报警器台8重庆无线电二厂3AQG-2型光干涉甲烷测定器台3抚顺煤矿安全仪器厂4ATY型瓦斯突出预测仪（必要时选用）台1煤科总院重庆分院5AJW-10型瓦斯检定器校正仪台1抚顺煤矿安全仪器厂6ACW-1型瓦斯压力测定仪台1镇江煤矿专用设备厂7中速风表个18微速风表个19秒表个1十三. 安全措施1. 对全体员工进行安全教育，普及瓦斯知识，并按岗位、分工种，分别对通风工、电工、瓦检员、放炮员等进行岗位培训。2. 洞内严禁一切火源。3. 洞内瓦斯浓度大于0.5% 时，放炮必须使用毫秒电雷管和煤矿安全炸药，毫秒电雷管的总延期时间不得超过130 ms。4. 洞内原则上不得进行电、气焊作业。特殊
27、不可避免的焊接，瓦斯浓度必须在0.5% 以下。5. 采用无轨运输时，当洞内瓦斯浓度低于0.5% 时，汽车和装载机才能进洞作业。出碴进料过程中，瓦检员要在洞内巡回检测瓦斯。当瓦斯浓度大于0.5% 时，立即通知装运司机将车辆开出隧道或就地熄火。6. 揭煤期间洞内要保持连续通风。如通风中断，恢复通风时应由外向里逐步推进，直至全隧瓦斯浓度降低到1% 以下后，再向洞内送电。7. 应与当地矿山救护队建立协作关系，必要时进行抢险和救护。十四. 效益分析1. 在瓦斯隧道使用单电源，并采用半防爆即无轨运输方案，不但节省投资，也使施工单位在设备的配备方面留有更大的选择空间。2. 采用5m超前钻探工艺，避免了使用钻
28、机对施工的干扰，不中断隧道的正常掘进，可明显的加快施工进度。3. 科学使用煤矿安全炸药和毫秒电雷管，使煤矿安全炸药和毫秒电雷管给施工带来的不利因素降低到了最低限度。十五. 工程实例1. 华蓥山隧道、发耳隧道和白马2号隧道都采用了单电源和无轨运输方案。其中发耳隧道属于高瓦斯隧道，华蓥山隧道属于煤与瓦斯突出隧道。2. 白马2号隧道和白沙沱3号、4号隧道均采用5m超前钻探工艺，取得了良好的效果。即使揭煤期间，也取得了月掘进130160m的较快进度。其中白沙沱4号隧道属于煤与瓦斯突出隧道。3. 天生桥隧道、华蓥山隧道、发耳隧道、朱嘎隧道、白马2号隧道、白沙沱3号、4号隧道都科学的使用了煤矿安全炸药和毫秒电雷管，均安全通过煤系地层。
