隧道内瓦斯气体安全监测技术及其应用_崔悦震.pdf

煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 0引言 近年来， 随着我国隧道工程的快速发展， 我国的 隧道建设事业突飞猛进， 据统计[1]， 我国在铁路、 公路、 水利水电等领域已建成了近万座总长超过 7000km 的隧道。所面临隧道灾害问题 （如隧道页岩气 ） ， 不仅 日益凸显， 而且易造成人员伤亡和重大财产损失。 对于煤矿瓦斯的监控监测技术的研究也有许 多[2-4]， 瓦斯抽采技术的发展先后经历了 “局部防突措 施为主、 先抽后采、 抽采达标和区域防突措施先行” 4 个阶段展；利用 Dempster- Shafer 证据理论解决瓦斯 监测过程中的不确定性和不精确性问题； 物联网感知 技术在煤矿瓦斯监测系统中的应用； 国内外对于高瓦 斯隧道的监测技术研究不多 [5-7]，相应的技术并不成 熟， 需要有进一步的讨论说明。 有鉴于此， 必须加强对隧道页岩气进行监测。本 文主要以马嘴隧道为工程研究背景， 介绍了高瓦斯隧 道地质超前预报、 车载瓦斯监测、 自动监测及人工监 测等技术在高瓦斯隧道中的应用。 1隧道工程及页岩气概况 1.1隧道工程概况 马嘴隧道位于重庆市南川区三泉镇，为双洞隧 道。隧道设计等级为双向四车道， 设计时速 80km/h， 左线长 3666m， 右线长 3711m， 属于特长隧道， 其中隧 道左洞最大埋深 441m，隧道右洞最大埋深 434m， 净 宽 10.6m，净高 7.05m，隧道页岩气段围岩级别为Ⅳ 级， 隧道瓦斯段穿越地区主要岩性为黑色碳质页岩。 1.2隧道瓦斯概况 马嘴隧道出口段左线于 2014 年 12 月 4 日掌子 面施工至 ZK19228 里程， 右线施工至 K19260 里程 时， 发现不明可燃气体， 经用光学式瓦检仪检测， 该气 体主要成分为瓦斯， 其中该隧道出口端左线开挖面绝 对瓦斯涌出量为 0.71m3/min， 右线开挖面绝对瓦斯涌出 量为 0.46m3/min， 由此可判定马嘴隧道为高瓦斯隧道。 2马嘴隧道瓦斯监测技术 根据本隧道所涌出瓦斯的特点， 瓦斯监测采用超 前钻孔、 车载瓦斯监测及自动监测相结合的综合监测 系统。 2.1超前钻孔技术 在现有的物探方法[9-11]如地面地质调查法、 地质 隧道内瓦斯气体安全监测技术及其应用 崔悦震 1， 王 健2 （1. 石柱土家族自治县七曜山地质公园管理处 , 重庆 409100； 2. 石柱土家族自治县应急管理局 ， 重庆 409100 ） 摘要 本文以南道高速马嘴隧道为工程研究背景， 根据隧道施工中遇到的瓦斯问题， 详细介绍了超 前探孔法中钻探程序、 超前钻孔及炮眼的布置， 车载瓦斯监测系统与自动监测系统的构成、 工作原理 及布置方法， 该套综合监测技术可有效降低该隧道瓦斯浓度。为保证页岩气隧道的安全施工， 提出了 相应的应对措施， 以期对类似瓦斯隧道的施工提供一定的借鉴意义。 关键词 隧道 ； 瓦斯 ； 监测技术 中图分类号 U458文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0068- 04 Application of Technology in High Gas Tunnel Monitoring CUI Yuezhen1， WANGJian2 （1. Shizhu Tujia Autonomous CountyQiqishan Geopark Management Office , Chongqing 409100 , China； 2. Shizhu Tujia Autonomous CountyEmergencyManagement Bureau , Chongqing 409100 , China ） Abstract Under the engineering research background of Mazui tunnel of Nandao expressway, according to the gas problem encountered in tunnel construction, the drillingprogram, advanced drillinghole and borehole layout ofthe advanced exploration, the structure, work- ing principle and arrangement of vehicle gas monitoring system and automatic monitoring system were introduced in detail. The inte- grated monitoring technology can reduce the concentration of gas in the tunnel effectively. In order to ensure the safety construction in shale gas tunnel, correspondingcountermeasures are put forward, soas toprovide reference for the construction ofsimilar gas tunnel. Keywords high gas tunnel ； advanced geological prediction ； vehicle gas monitoring； automatic monitoring； artificial gas monitoring 68 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 雷达、 TSP 等超前地质预报技术中，地质雷达预报地 质情况的范围有限且受隧道内施工因素的干扰； 地面 地质调查法很难预报复杂地形地貌隧道的地质情况； TSP 探测费用高， 还需专门的探测人员及存在多解性 等特点。由于物探手段对页岩气的探测能力非常有 限， 因此， 超前地质预报主要采取超前水平钻探， 通过 超前钻孔标定存在页岩气段段落， 掌握掌子面附近页 岩气分布的具体状况。 钻探程序 施工炮眼前钻凿超深炮眼→检测超深 炮眼内瓦斯情况 （存在瓦斯 ） →超前水平钻探。 1 ） 超深炮眼 在掌子面开挖前， 需先进行超深炮 孔的施工， 全断面炮孔数不少于 11 个， 炮孔的直径为 φ42mm， 与爆破炮眼直径相同， 深度为 8.0m， 钻孔布 置如图 1 所示。超深炮孔施工完毕后， 需要对所凿炮 眼进行瓦斯检验， 当在超深钻孔中检测出瓦斯气体时 就必须在爆破开挖前进行超前水平钻孔探测。 图 1超前炮眼布置示意图 （a ） （b ） 图 2超前钻孔布置图 2 ） 超前钻探 超前水平钻孔探测施工时需要在全 断面布置 7 个孔径为 φ80mm， 钻孔外倾角为 10的 探孔， 如图 2 （a ） 所示， 每次进行钻探的长度为 30m， 开挖 25m，保留 5m岩柱进行下一循环钻探，如图 2 （b ） 所示。 当在钻探过程中发现明显的顶钻、 喷孔等瓦 斯动力现象时， 主要采取钻孔排放措施， 即掌子面掘 进至距离页岩气聚积位置 5m 处时， 停止掘进， 在涌 出孔附近施作排放孔， 进行页岩气排放， 将页岩气压 力降至 0.74MPa 以下、 单孔页岩气涌出量小于 5L/min （0.005m3/min ） ， 若 48h 内 不 能 将 岩 气 压 力 降 至 0.74MPa 以下、单孔页岩气涌出量 小 于 5L/min （0.005m3/min ） ， 则采取注浆封堵措施。 3 ） 注浆封堵 注浆封堵瓦斯分为局部注浆堵气方 式和全断面注浆堵气方式。 当每个断面排放孔中页岩 气气压不小于 0.74MPa 或者涌出量不小于 5L/min 的 孔的个数不大于这个断面排放孔数的 30且位置比 较分散时， 采用局部注浆堵气的方式进行处理； 反之 则采用全部断面注浆堵气的方式进行处理。 2.2车载瓦斯监控系统 考虑到该隧道现场施工的情况， 车载瓦斯监控系 统采用 KZJ001- F 煤矿监测分站和 KG9701A 低浓度 甲烷传感器。 2.2.1 系统结构 主要是由系统维护与配置管理中心、 控制分站和 检测控制器三部分组成， 如图 3 所示。 图 3车载瓦斯监控系统系统结构 2.2.2系统工作原理 工作时系统主要采集机械工作区环境瓦斯气体 浓度等参数， 然后控制分站会根据采集浓度值用控制 逻辑中心进行分析处理。 当检测到施工机械工作区中 环境瓦斯浓度达到 0.3，控制分站将信号传达给报 警器， 报警器随之发出报警信号， 提醒工作人员现场 工作环境存在危险， 应当立即停止工作， 等相关工作 人员查明原因并解除危险后再继续工作； 当检测到施 工机械工作区域中环境瓦斯浓度达到 0.5，此时控 制分站通过控制机械的断油熄火控制系统和断电控 制系统， 使机械停止工作， 实现机械闭锁， 防止工作人 69 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 员重新启动机械， 造成爆炸事故。当瓦斯浓度降到安 全范围之内方可进行正常工作。 2.2.3系统安装方法 控制分站安装位置可以根据机械自身的结构特 点进行选择， 既可安装在驾驶室、 机械底部和侧面， 也 可安装在驾驶室与车箱连接处等。 传感器根据其功能 应安装在驾驶室顶部通风处。 由于机械在工作时是一 个剧烈振动的载体， 因此安装在机械上的相关设备需 要作加固与防振设计， 如图 4 所示。 图 4车载瓦斯监控系统的安装方法 2.3自动监控系统 由于瓦斯气体构成和赋存状态复杂， 产生的危害 性极大， 该隧道选用 KJ- 90 型煤矿综合监控系统， 如 图 5 所示。 该系统由地面中心站、 监控分站、 传感器及 控制器组成。系统在工作时主要是采集瓦斯浓度， 风 速和负压等参数， 当一氧化碳、 硫化氢、 甲烷、 一氧化 氮及其他参数超过正常范围或者出现其他异常情况 时，传感器及控制器会将获得的情况反馈给报警器， 报警器就会发出报警信号， 系统立即切断电源， 实现 风、 电、 瓦斯闭锁功能， 达到瓦斯隧道安全生产的目 的。 图 5KJ90 监测系统结构图 2.3.1 自动监控系统工作原理 本系统主要是采集隧道的瓦斯浓度、 风速及风机 运行等参数， 在洞口机房进行 24 小时不间断监测； 并 在以上参数异常的情况下自动报警，并切断工作电 源， 达到隧道安全生产的目的。 2.3.2 自动监控系统布置 地面中心站设置在离隧道口最近的值班室内， 该 中心机房主要配备的设备是装有 KJ90 监控软件的监 控主机、 数据接口和 UPS 电源等， 另外在监控中心机 房和隧道口各设一台信号避雷器以便更好地保护监 控设备； 在洞口附近安放两台监控分站， 在掘进工作 面分别放置三台瓦斯传感器、 两台风速传感器、 两台 CO传感器、 一台 CO2传感器和一台 H2S传感器。 图 6掌子面传感器安装的位置 CH4传感器和 CO 传感器应垂直悬挂在隧道掌 子面上方风流稳定、 拱顶中央位置， 距顶板不得大于 20cm， 并且不能影响行人行车和隧道正常施工； 洞口 处甲烷传感器的安装位置与掌子面处的相类似； 二氧 化碳、 硫化氢传感器应该悬挂在掌子面左右两侧拱脚 处， 离地面距离不超过 20cm。 风速传感器应垂直悬挂 在隧道掌子面后方 5～10m 且风流稳定的位置，以避 免受到掌子面涡流回风的影响。 风速传感器安装在垂 直悬挂在洞口以里约 50m， 距离拱顶约 2m 且风流稳 定处， 前后 100m 范围内不得有大型障碍物阻风。掌 子面传感器安装位置如图 6 所示。 当低瓦斯工区瓦斯浓度超过 0.5时，超限处 20m 范围内立即停止施工并查明原因，加强通风检 测； 局部瓦斯浓度超过 2.0时， 超限处 20m附近立即 停止施工并切断电源， 组织工作人员撤离， 进行加强 通风处理； 开挖工作面风流中、 放炮地点附近 20m 风 流中瓦斯浓度超过 1.0时，超限处立即停止施工并 切断电源， 组织工作人员撤离， 查明工作原因， 加强通 风； 竣工后洞内任何处瓦斯浓度超过 0.5时， 查明渗 漏点， 进行整治。 当瓦斯浓度下降到在正常范围之内， 方可进行正常工作。 2.4人工瓦斯监测 该系统是对车载瓦斯监控系统和自动监控系统 的补充， 由于工作人员可以随处移动， 能检测到上述 机器检测的遗漏点， 比较灵活方便。人工瓦斯监控需 要配备专职瓦检员； 在进入到瓦斯工作区域时， 需携 带光干涉式甲烷测定器， H2S、 CO、 N2等有毒有害气体 检测仪， 保证生产施工的安全 3防治措施 为保证隧道施工的顺利进行， 除了加强隧道页岩 70 ChaoXing （上接第 67 页 ） 3 ） 改进型二次封孔技术所封钻孔在平均单孔瓦 斯抽采浓度、抽采纯流量和有效抽采时间方面分别 提高了 10.3， 1.3L/min 和 22.2d，具有良好的封孔 效果。 参考文献 [1] 程远平, 付建华, 俞启香. 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 [J]. 采矿与安全工程学报, 2009, 26 （2） 127- 139. 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[6] 陈曦, 柳海宁, 刘志双, 等. 煤矿用聚氨酯煤岩体加固剂 的研究进展[J]. 洁净煤技术，2011, 17 （4） 108- 112. 作者简介 申潞杰 （1987-） ， 男， 山西省长治县人， 2008 年 7 月毕业 于山西煤炭职业技术学院， 助理工程师。 （收稿日期 2019- 4- 15） 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 气监测外， 还须从机械设备、 供电、 通风及隧道施工等 方面加强防治。 1 ） 隧道运输方式采用无轨运输 挖掘机、 装载机、 运渣自卸汽车及砼运输车必须进行防爆改装， 挖掘机 辅助装载机挖、 装， 使用自卸汽车运输， 二次衬砌采用 防爆模板台车衬砌， 在洞外集中搅拌砼经防爆砼运输 车运输， 由泵送入模； 2 ） 隧道供电方式采用双电源，供电系统做到三 专、 两闭锁， 同时设置接地保护； 所有电气设备必须防 爆， 电缆及照明设备必须防爆。 3 ） 隧道通风采用独头压入式， 风筒抗静电、 阻燃， 风量根据隧道剩余长度及洞内作业强度进行计算， 然 后选择合适风机，为减小页岩气体与风筒间的摩擦， 掌子面附近许安装喷水系统。 4 ） 页岩气段采用湿式钻孔， 采用矿用炸药及电雷 管起爆， 光面爆破。 隧道开挖之后立即支护封闭成环， 及时完成二衬作业， 减少页岩气的涌出。 4结论 1 ） 对于高瓦斯隧道， 应建立超前地质预报， 车载 瓦斯监控系统， KJ- 90 型煤矿自动监控系统及人工监 测综合监测系统， 可全天候不间断进行监测， 防止高 瓦斯隧道发生爆炸事故，在马嘴隧道施工中运用成 功， 效果明显。 2 ） 瓦斯隧道在机械设备、 供电、 通风及隧道施工 等方面加强防治与管理， 也是保障隧道施工安全的必 要条件。 参考文献 [1] 康小兵,许模.我国瓦斯隧道现状建设综述[J].人民长江学 报,2011,42 （3） 30- 33. [2] 程远平,付建华,俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J]. 采矿与安全工程学报,2009,62 （2） 127- 139. [3] 邵良杉,付贵祥,基于数据融合理论的煤矿瓦斯动态预测 技术[J].煤炭学报,2008,33 （5） 551- 555. [4] 王军号,孟祥瑞.物联网感知技术在煤矿瓦斯监测系统中 的应用[J].煤炭科学技术,2011,39 （7） 64- 69. 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