隧洞工程穿煤层和瓦斯地段安全施工措施

隧洞工程穿煤层和瓦斯地段安全施工措施

李建华

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摘要：隧洞工程穿越煤层和瓦斯地层是隧道建设中的重要内容，由于隧洞工程地质情况较为复杂，煤层与瓦斯地段具备高度的破裂性与不稳定性，加上存在煤尘、瓦斯等有害气体，导致施工安全问题备受关注。基于此，文章旨在对隧洞工程穿煤层与瓦斯地段的安全施工展开浅析，以确保顺利通过煤层与瓦斯地段。

关键词：隧洞工程；穿煤层；瓦斯地段；安全施工

作为现代化建设中不可或缺的基础设施，隧洞工程逐渐在各个领域受到广泛应用。穿越煤层和瓦斯地段是隧洞工程中面临的新的挑战，其中煤层具有强烈的破碎和坍塌性，易引起冲击和顶板落石事故，而瓦斯易燃易爆，会引发爆炸。伴随着近年来煤炭产业的快速发展和大型隧洞工程的不断建设，穿越煤层和瓦斯地段的隧道工程安全施工问题日益凸显。一般来说，在煤层和瓦斯地段穿越时，往往需根据地质条件结合具体施工来采取针对性的安全施工措施，实时控制与监测施工过程，以保证施工人员的生命安全，从而保障穿煤层和瓦斯地段时的施工安全与高效。

一、煤层和瓦斯地段的特点

1.煤层特点

煤层是地球上常见的沉积岩层，由大量有机质积累而成。在隧洞工程中，煤层主要组成成分为碳、氢、氧、硫等元素，由于煤的晶体结构不规则，其物理性质较为复杂。同时，煤层中含有大量的有机物，易受到氧化作用的影响，产生一定的化学反应，加上其裂纹较多，易发生安全事故，因此施工应当根据煤层特性合理选择施工材料和施工工艺。此外，煤层还具有脆性、可压缩性和易变形等特点，易受到水动力和化学作用的影响，加上煤层中一般还存有硬的岩石夹层、断层和构造变化带等复杂地质条件，在一定程度上导致隧洞的掘进与支护难上加难。

2.瓦斯地段特点

煤矿隧洞不可避免地会遇到瓦斯地段，瓦斯是煤层中产生的一种可燃气体，主要由甲烷和气体混合物组成。在隧洞工程穿越瓦斯地段时，由于瓦斯属于易燃气体，若其浓度超过限定范围，则会与空气形成可燃气体混合物，引发火灾和爆炸等危险。渗透的瓦斯还会浓缩在一定地区，形成潜在的爆炸隐患，因此隧洞工程施工期间应当加强瓦斯的隔离与控制，全面针对瓦斯爆炸危险评估和防爆设计，及时对泄漏情况做好处置，以确保施工过程中的安全。

二、煤层及煤与瓦斯突出预测

相关研究显示，煤层畸变、煤厚突变等部位最常发生突出现象，如果施工期间出现误揭煤层则会引发重要安全事故。因此，必须充分开展勘探工作，全面了解煤层的赋存形态，在预测煤层的适当以外进行超前钻孔，记录下岩心，了解煤层的空间与厚度等信息，通过标志层来判断煤层。需注意的是，超前钻孔这一步骤必须将煤层穿透，直至达到底板标志层的0.5cm处，并将终孔位置控制在开挖轮廓的5m外。同时，当开挖面掘进到与煤层的距离为5m左右时，需提前做好2个预测孔，重点检测煤与瓦斯的赋存条件与突出程度，以便制定针对性的解决措施[1]。考虑到煤与瓦斯突出的因素繁杂多样，在其他施工条件下仍然需加强关注，执行检验性的预测，一般施工较为常用的预测煤与瓦斯的方法包含钻屑指标法、综合指标R值法、红外测温预测等。为确保对煤与瓦斯突出做出准确性预测，往往会从施工的各个方位和角度采取多种预测方式进行预测，但目前仍然以钻屑指标法作为判断突出程度的重要标准。

三、控制和预防煤与瓦斯突出的针对性措施

1.合理选择抽放与排放

降低煤层瓦斯压力是应对突出煤层的关键。通常，针对局部防突往往采取抽放或排放措施，在抽放时需严格按照技术要求执行，其抽放负压不可低于13kPa，且需确保抽放率达到25%，以避免负压导致钻孔数量减少。但由于煤层突出后的透气性系数较低，无法有效保障抽放效果，若是通过设置空气注入系统来提高抽放效果，则必然会增加隧洞工程施工成本。而排放往往是在隧洞开挖轮廓的5m以外，需在距离煤层净距5m部位作排放钻孔，一般应将瓦斯压力排放至突出瓦斯压力的最小值后，才能够开展揭煤工作[2]。

2.揭煤工程相关措施

通常情况下，揭开石门而导致的煤与瓦斯突出事故并不常见，若一旦发生，其强度难以预测，因此必须对首次揭煤提高重视程度。在煤层掘进过程中，煤与瓦斯的动力现象主要以小型突出为主，一般会在开挖爆破后出现煤与瓦斯突出事故，这是由于掘进期间会导致原有的应力场被破坏，产生和集中的二次应力以及岩体的弱化均会促进煤层弹性储能的释放，从而引发突出。由此看来，安全揭煤的核心在于对周边煤体进行加固，对开挖后的应力场变化趋势进行限制，并适当采取防突的金属骨架，应用自进式锚杆，以避免出现岩体松散、岩体裂隙、瓦斯涌入等问题。大外插角的自进式锚杆具有超前加固的功能，能够限制瓦斯涌入坑道的数量，而小外插角的自进式锚杆的主要作用在于防止煤与瓦斯的突出。

3.避免煤与瓦斯突出备用措施

针对煤体可以通过布设较为密集的排放钻孔从而达到卸压效果，如果未取得较佳的排放效果，可以借助排放孔进行水利冲孔，不仅能够促进煤层喷孔，使其形成具有可控性的小型突出，并利用大量喷出的煤与瓦斯来降低排放范围内具有危险性煤体的突出能力，而且还能够通过水有效提高煤体的可塑能力，从而达到避免煤与瓦斯突出的目的。同时，在首次和扩大揭煤期间，对于每层煤都应当进行超前钻孔与预测孔，提前做好煤与瓦斯的突出危险性预测，对于存在突出风险的做好相关防突设计，并利用钻孔来进行瓦斯的排放，随后对排放效果做出检验；若排放效果不够明显，则继续进行钻孔排放，重复相关步骤，若是效果仍不理想，则可以考虑进行抽放或用水力冲，待达到排放效果后加强实施金属拱架、注浆加固等安全施工措施，以便为揭露开采煤层打下坚实的基础

[3]。

4.注重施工通风

施工通风在隧洞工程中至关重要，在穿越煤层与瓦斯地段时，其有害物质达到一定浓度后不仅会使施工人员出现中毒现象，影响施工速率，甚至可能会发生爆炸或者自燃，从而威胁工作人员的生命安全。根据相关规定，隧洞内的风速需超过0.25m/s，且风流中的瓦斯浓度不可超过1%。在隧洞工程的通风设计中，一般每个通风工区会有两台主风机和五台局扇，采取双回路制进行供电，其中主风机的选择通常取决于一次最大炸药的消耗量，如果主风机出现故障，最重要的是必须确保洞内瓦斯不可超过规定限制，避免引发严重事故。主风机的选型还应当结合隧洞的气动特性而定，充分考虑煤层瓦斯含量与煤层厚度下的安全施工要求，优先选择施工隧洞工程的主风机类型与规格。另外，对于每个通风工区还应备用一台主风机和适当数量的局扇，以满足故障时的需要，帮助有效提高通风系统的稳定性。而在备用系统的设计中，还需根据实际施工情况和瓦斯要求来确定备用风机的容量，注重与主风机进行搭配，帮助有效节省工程投资，大幅提升煤矿的安全生产水平。除此以外，在隧洞工程穿煤层与瓦斯地段过程中，还应当积极落实通风安全管理工作，加强优化通风系统，降低安全事故风险，确保隧洞工程顺利通过煤层与瓦斯地段。

5.煤层和瓦斯地段的防爆措施

隧洞工程在穿越煤层和瓦斯地段时，应当严格执行相关行业的安全规定，全面贯彻并落实防爆措施。首先，需选择经过认证和鉴定且具有防爆性能的设备，确保其防爆性能和安全性能符合国家标准和行业要求；其次在穿越煤层和瓦斯地段时正确安装带防爆保护的电气设备，若出现防爆措施不足，则应予以替换或加装。与此同时，在煤矿和瓦斯井等瓦斯环境中，应使用防爆三合一系统，帮助同时监测瓦斯浓度、温度和压力，促使在安全事故发生前及时进行报警，从而有效预防瓦斯爆炸事故的发生。另外，还可以通过瓦斯抽放的实施及采用全封闭施工技术等来降低瓦斯浓度，减少瓦斯的产生与积聚，促使从根源上降低安全事故风险，提供可靠的安全保障。

6.煤层和瓦斯地段事故应急处置措施

为确保煤层突水、瓦斯爆炸等事故发生后能够第一时间采取有效的措施进行控制，避免二次事故发生，在隧洞工程穿越煤层和瓦斯地段的施工期间加强应急处理至关重要。煤层突水是隧洞工程穿越煤层期间遇到的一种自然灾害，其主要是由于煤层中蓄水层的压力超过自然压力所致，会导致水流突然涌入隧道。煤层突水发生会严重影响隧道的安全和施工进度，首先必须立即停止隧洞掘进，通过深挖管道、封闭隔离门等措施来避免水流扩散，必要情况下还需疏散相关人员，并调用专业人员进行水文勘测，以确定煤层水涌入的原因和涌水量。与此同时，煤层瓦斯是隧道工程穿越煤层必然遭遇的难题，其中瓦斯爆炸危害性极大，会造成严重的人员伤亡和财产损失，因此应急处理措施必须做到科学、规范且到位。一旦发生瓦斯爆炸，应停止隧洞掘进，避免进一步扩大事故范围，通过现场调查与勘测明确引发爆炸的原因，制定出针对性的打击方案，并积极采取通风处理对策，以最大限度减少隧洞内的瓦斯压力，降低二次爆炸风险。

四、煤层和瓦斯地段安全监测体系建设

隧洞建设属于地下工程，其规模普遍较大，且具有一定的复杂性与风险性，尤其是穿越煤层和瓦斯地段的隧洞建设，其更是存在较大的安全风险，为最大限度保证安全施工，构建科学完善的煤层和瓦斯地段安全监测体系势在必行。

1.安全监测体系的重要性

建立完备的安全监测体系是保障隧道建设的必要条件。煤与瓦斯的存在使得隧道建设面临三种不同的安全风险，即煤层变形和瓦斯漏出、火灾和爆炸以及煤尘爆炸。煤与瓦斯的高灾害性质使得在隧道建设中必须采用特殊的工程技术和管理方法，确保施工过程中的安全性和稳定性，而建立完备的安全监测体系则是实现这一目标的重要手段。安全监测体系的建设一方面可以帮助提前探测出潜在的安全隐患，以便为安全应急救援提供精准信息，以减少灾害损失；另一方面，安全监测体系的建设还有助于监控隧道施工过程中的安全情况，以确保隧道建设的质量和效率，从而为隧道的日常保养提供有效数据支持。因此，建立完备的煤层和瓦斯地段安全监测体系，对于保障隧道建设的安全、快捷、高效具有重要的意义。

2.安全监测技术的应用

安全监测技术是建立完备的安全监测体系必不可少的一环。煤层变形和瓦斯漏出是隧道施工中存在的主要安全隐患，针对此种情况可以采取徒手测量、地面位移监测、地形测量、应变测量等技术，并积极引入现代化信息技术，比如遥感监测、全站仪、GNSS等，针对隧洞周边区域的相关数据做好采集，帮助实时监测隧洞的安全状况，明确隧洞的变化趋势，以便在风险来临时及时进行预警。对于煤层和瓦斯突出，还可以利用传感器、红外监测仪等技术实现对瓦斯浓度、流速及压力等指标的监测，帮助有效分析有害气体浓度的变化情况，以达到提前预测的效果，促使最大限度保证施工人员的生命安全。

3.安全监测指标的制定和执行

为了确保监测数据的准确性和全面性，必须制定科学的安全监测指标。在制定过程中应充分考虑隧洞工程施工期间的不同安全风险，着手于监测目的、监测内容、监测方法、监测频率、数据处理等方面，明确针对性的安全监测指标，并根据隧洞工程的实际施工情况进行灵活调整。在安全监测方案的实施期间，还需加强对监测数据的管理，确保及时、准确与可靠，定期向有关部门和人员通报监测数据；同时设立相应的监测数据分析和应急处置机制，对发现的问题及时采取措施，避免事故的发生，确保隧道建设的安全性和质量。

五、隧洞工程穿越煤层和瓦斯地段全面开展安全施工措施的意义

隧洞工程穿越煤层和瓦斯地段进行安全施工措施的重要性不可忽视。考虑到煤层和瓦斯地段的复杂地质条件会给施工人员的安全带来巨大的风险，煤层极易出现塌陷和滑动，而瓦斯地段存在瓦斯爆炸的风险，通过积极采取安全施工措施能够有效减少伤亡事故，为安全施工提供可靠保障。同时，煤层和瓦斯地段的地质条件十分复杂，往往会给施工带来一定的难度，采取安全施工措施有助于提高工程质量，并为日后隧洞的稳定运行打下良好的基础。选择适当的支护体系、钻掘和爆破技术还可以大幅提高施工效率，帮助积极应对施工过程中遇到的难题，以加快施工进度。另外，如果未在隧洞工程穿越煤层和瓦斯地段时采取安全措施，还可能会引起瓦斯泄漏与煤层水外流等问题，从而为地下水及土壤环境造成污染；并且还可能导致资源浪费，因此贯彻实施安全施工措施至关重要。

结语

隧洞施工过程中，穿越煤层与瓦斯地段的事故十分多见，其面临着较高的安全风险。施工期间应当进行详细的地质勘测，加强对煤层与瓦斯地段的监测，及早采取防止突出的安全施工措施，以保障隧洞工程的安全施工。只有通过科学的地质勘探、全面的监测和检测及有效的安全施工措施，并利用技术手段将灾害的发生概率与严重程度降到最低，才能确保隧洞工程在穿越煤层和瓦斯地段时的施工安全性与可靠性。

参考文献：

[1] 徐至任,黄飞,李树清,等.公路隧道突遇含瓦斯煤层的应急施工技术[J].矿业工程研究, 2023, 38(1):54-58.

[2]马新刚,杨凯,于海平,等.高瓦斯隧道穿越煤层的揭煤防突施工方法:CN202110112620.4[P].CN112539079A[2024-01-15].

[3]马栋,闫肃,王武现,et al.一种高瓦斯隧道穿越煤层的揭煤防突施工方法:CN201811104721.1[P].CN201811104721.1[2024-01-15].