有害气体和岩石突出条件下的隧洞开挖安全措施

黄敏富, 沈文权, 刘 文

(木里县木里河大沙湾水电开发有限责任公司,四川木里 615800)

1 木里河沙湾电站“3.27事故”概况

木里河又名理塘河,是雅砻江中游右岸的最大支流。沙湾水电站是木里河干流“一库六级”规划中的第三级电站,采用引水式开发,设计引用流量 125m3/s,设计水头 235m,装机容量 280 MW。枢纽建筑物主要由首部枢纽、引水隧洞、调压井、压力管道、厂区枢纽等几大部分组成。引水隧洞为总长 18.77km、衬砌后内径 7.2m的圆形断面有压隧洞。

2008年 3月 27日凌晨 2∶40左右,沙湾电站引水隧洞 1#施工支洞下游掌子面在完成钻孔、装药后,该作业面 10名工人撤离到安全距离实施爆破。爆炸发生后,瞬间从掌子面涌出大量有毒和窒息性的气体并向洞外高速扩散,造成了这 10人相继中毒窒息死亡的重大中毒事故。此类事故极为罕见,据笔者了解,除煤矿外,在国内水电工程中未见先例。

图1为事故救援中找到 10名遇难者的分布位置。对图 1进行分析,判断第一次发现的 9名遇难者是先行撤离的工人,最后找到的第 10名遇难者是执行点炮任务的工人。

隧洞开挖断面面积约 44m2,下游主洞和施工支洞空间体积合计达 4万余 m3,说明爆炸发生后涌出的有害气体量巨大、毒性强,导致距支洞仅200m、已快走出洞外的工人迅速失去知觉且来不及自救。

事发时上游另有 6人在作业,但这 6人未受到毒气伤害,说明因上游是封闭巷道,其内压阻滞了毒气向上游大量扩散,而是沿着施工支洞这个开放通道扩散。

图1 事故遇难者分布位置示意图

2 事故现场的地质条件和突出现象

事故调查时,在掌子面处发现本次爆破造成了大量岩石突出,爆堆总长度达 69m,其中前 45 m堆渣面较平缓,距洞顶高度仅 0.6～1.2m,后24m呈斜坡状堆积(图 2)。经测算,总计松方约2031m3(总重量约 3200多 t)。

通常隧洞开挖一个循环的正常进尺为 3m,爆破产生岩渣约 176m3,而本次事故爆出的堆渣体积是正常情况下的 11.5倍。此外,堆积物及巷道还具有以下特征:

(1)堆积物分选现象明显:里面是大块,外面是小块,再往外是细渣,然后是面粉状,在水中成浆糊状,深度达 0.3m。

(2)掌子面往外 200m和更远的地方巷帮迎掌子面侧有粉尘堆积,由里向外逐渐变薄,厚者达5mm。

(3)目测巷道帮、顶完好,未受破坏。

图2 洞内岩石突出的堆渣情况示意图

引水隧洞 1#洞段以石英砂岩为主,夹有钙、硅质板岩,局部地段裂隙发育,部分洞段地下水以滴水、渗水形式出露,围岩稳定性总体较好。事故调查组在爆出的砂岩中发现夹杂有硫和硫化物,在支洞口附近部位开挖后的岩石表面暴露有硫磺物质。

爆堆清理完毕,上方暴露出高度约 25m、直径 7～12m、口小腔大的梨形空腔(图 3)。该段地质条件:岩性为奥陶系下统人工组(O1r)灰 ～深灰色浅变质石英砂岩夹少量砂质板岩,以坚硬岩石和中等硬质为主,中 ～薄层状结构,岩石新鲜,层面裂隙上见有黄色锈染,岩层为缓倾角,岩层走向与隧洞走向呈 74°大交角,隧洞在此处埋深 450m。裂隙主要有三组,其中第 2组与第 3组裂隙在顶拱构成不利组合,塌腔洞壁干燥,无地下水出露,为缓倾角水平岩层顺层坍塌。

图3 3.27事故塌腔段现场地质素描图

参考《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》,该段地质条件和爆出的堆积物符合岩石与二氧化碳(瓦斯)突出、煤与瓦斯突出的大部分特征,可判断为“混合气体及岩石突出”。

3 事故原因分析

1#支洞下游主洞内最早于 2007年 11月开始可嗅出不明臭味气体,且在 2008年 1月发生过一名工人在放炮后进洞查炮时在掌子面被熏伤的事故。当时对该事故的认识是放炮后通风时间不足,工人过早返回掌子面,因炮烟、粉尘、岩石裂隙中缓慢逸出的有害气体等未稀释而造成工人中毒受伤。此后,采取了 24h加大通风量、放炮后通风 40min以上方可进洞等措施,并使用多种气体检测仪对《水工建筑物地下开挖工程技术规范》规定的八种气体进行跟踪检测,由于认知水平所限,各方对岩石和气体突出均无所知,否则“3.27事故”应可避免。

2008年 4月 26日,专家组在现场勘查时,从1#支洞口到下游掌子面沿程检测到:CO2:1.7%～2.9%,SO2:1.5～7.6ppm。使用进口气体检测仪检测到 H2S最高达 19.4ppm,SO2最高达 17.6 ppm。

根据多次气体检测结果和调查现象,对混合气体的主要成分(即突出的动力源)分析如下:

(1)排除气体爆炸的可能性。根据现场距掌子面 140m处吊挂的风筒完好及掌子面到洞口未发现爆炸痕迹判别未发生爆炸。

(2)排除瓦斯突出。电站工程区范围内无煤系地层和油页岩地层,不可能产生高压瓦斯,事故发生前后均未曾检测到 CH4的存在。整个巷道为白炽灯照明,不防爆,如为瓦斯突出则气流到达洞内某段范围时,CH4浓度在爆炸范围内将发生爆炸或燃烧,而现场未发现瓦斯爆燃现象。因此,可排除突出动力源为瓦斯。

(3)H2S和 SO2为突出动力源的可能性小。H2S和 SO2均是有剧毒、对眼及呼吸道粘膜有刺激作用的气体,二者在浓度达 500ppm时即可在短时间内使人致命,H2S浓度超过 600ppm时可在数秒钟内致人呼吸麻痹死亡。

假如 H2S和 SO2为突出主动力源,则混合气体中二者的浓度已不在 ppm这个数量级上。要发动 3200多 t岩石突出,至少需 5万 m3的气体,如此大量高浓度的有毒气体到达支洞外,洞口周围的植物将大量死亡,并且毒气在向上游隧洞扩散时,虽受内压阻滞,但因浓度太高仍会造成在上游作业的工人受伤。而在现场勘查时,这些现象均未发现。因此推断,H2S和 SO2不是突出的主动力源。但突出的混合气体的确含有高浓度的H2S和 SO2,主要来源于:①该段含硫矿物水解、氧化、释放的 H2S或 SO2积聚在空腔、裂隙中;②突出岩石的含硫量比正常多十倍以上,在炸药爆炸时参与反应,急速生成大量的 H2S和 SO2。

(4)CO2为突出主动力源的可能性最大。CO2是窒息性气体,当空气中 CO2含量过高时,会使人严重缺氧而窒息。空气中 CO2含量达到9%～11%时,可导致人几分钟内死亡。

在现场勘查中,检测到 CO2远比其它气体浓度高。该段地质结构较复杂,火成岩、碳酸岩中含有硫化物等,在地下裂隙水丰富的条件下,火成岩中的硫化物呈酸性,可逐步与碳酸岩发生化学反应生成 CO2,聚积在已分解的碳酸岩的岩隙中而无法释放,长期聚积则形成充满 CO2高压气体的蜂窝状气囊。这种推理能够较好的解释事故现场的各种现象,因此判断:高压的 CO2是突出的主动力源。

(5)地应力增加了岩石突出的动力。发生岩石突出的洞段距地表垂直深度达 400～460m,地应力较大,岩层裂隙较发育。虽然尚不足以产生岩爆,但地应力的存在使岩石突出更容易。

(6)炸药爆炸时,炮眼孔壁和爆出的砂岩块中夹杂的大量硫和硫化物、高压气囊中存在的硫化气体在局部高温高压下参与爆炸,从而增大了炸药爆炸的能量,其结果爆出了更多的岩石。在现场勘查时,发现突出的渣体温度较高,有烘热感,说明渣体内部发生过或正在进行放热化学反应,进一步证明了硫和硫化物参与爆炸的可能性。

综上所述,“3.27事故”岩石和有害气体突出产生的机理是:

当隧洞掘进到高压气囊附近时,由于炸药爆破诱发的动力效应,使原先约束高压气囊的岩体受到破坏而无法抵抗气体高压,或者气囊被直接打开,此时气体高压、炸药爆炸、硫和硫化物参与爆炸、地应力等多种力量叠加,形成岩石和混合气体突出,瞬间涌出大量以 CO2为主并含有高浓度H2S和 SO2的窒息性、剧毒性混合气体,沿掌子面→主支洞三岔口→支洞口方向高速冲出,导致 10名工人在很短的时间内相继发生中毒和窒息而死亡。炸药爆炸产生的炮烟(一氧化碳、氮氧化物、氨等)也增加了混合气体的毒性。

突出规模:岩石 2031m3,混合气体量 5万m3。根据突出的堆积形态及其运动特征,估计突出层混合气体聚藏压力约为 10～15MPa。

4 防治岩石和有害气体突出的措施

“3.27”事故发生后,引水隧洞 1#支洞与 2#支洞之间尚有 167m主洞未开挖,该洞段属突出危险区。为防止再次发生事故,在该洞段后续开挖中采取了一系列安全施工措施。

4.1 采用预兆法预测突出危险

混合气体与岩石突出是一种复杂的动力现象,到目前为止,对各种地质、开挖条件下突出发生的规律还没有完全掌握。根据现已掌握的一些规律,在开挖掌子面具有以下一部分特征和预兆时,应预测为突出危险工作面:

(1)随着掘进深度(埋深)的增加,突出危险也增加。突出可发生在不同地点且多数突出发生在爆破时。

(2)突出多发生在地质构造带,如断层、褶曲、层滑、扭转区、火成岩的侵入区、岩层产状与厚度急剧变化或异常变化带、封闭的向斜轴部、帚状构造的收敛端、岩层变软、层理紊乱、倾角变陡、波状隆起、岩石呈薄片状或松软碎屑状的地带等。

(3)突出前地压:表现为压力增大,使支架变形、发出嘎嘎声或折裂声,岩壁外鼓、片帮掉渣,用手摸岩壁时有冲击和震动感,炮眼变形,装不进药,打钻时顶钻、夹矸、垮孔、喷孔、响炮等。工作面爆破后,进尺超过炮眼深度。

(4)工作面 CO2、瓦斯等气体涌出异常,涌出量增大或忽大忽小,粉尘浓度增大,空气气味异常、闷人。

(5)气温变化:一般为巷道气温下降,岩壁发冷。

(6)有声预兆:响礼炮、劈裂声、机枪声、鞭炮声、闷雷声。声音由远到近,由小到大,有短暂的,也有连续的,间隔时间长短也不一致。

4.2 采用岩芯法和测压法预测突出危险

在掌子面前方岩体内,沿巷道轴线方向打 2个直径为 50～70mm、孔深 50～60m的测压孔(其中一个孔取出全部岩芯),测定孔内气体压力,然后采用下列方法预测突出危险:

(1)参照《防治煤与瓦斯突出细则》,测压孔内压力达 0.74MPa以上的部位为突出危险区。

(2)从取芯孔深 2m处起记录岩芯中的圆片数,按 10m一段预测突出危险:①当取出的岩芯大部分在 150mm以上且有裂缝环绕,个别为小圆柱体或圆片时,应预测为一般突出危险地带。②在取出的1m长的岩芯内,部分岩芯呈现出 20～30个圆片,其余岩芯为长 50～100mm的圆柱体并有环状裂隙时,应预测为中等突出危险地带。③当 1m长的岩芯内有 20～40个凹凸状圆片时,应预测为严重突出危险地带。④岩芯中没有圆片、岩芯表面没有环状裂缝时,可预测为无突出危险地带。

4.3 防治突出的卸压和爆破措施

(1)深孔卸压。如采用上述方法预测到掌子面前方为突出危险区,则应在隧洞周边 10m范围布置 3～4排超前探钻孔(或抽排钻孔),孔径、孔深同测压孔,排距、孔距为 2～3m。利用深孔卸压原理,对巷道周边 10m范围内进行卸压和排放有害气体,使测压孔压力降到 0.74MPa以下。措施有效后开始掘进,掘进到测压孔还剩 5m时,重新打测压孔和卸压排放孔直至该段隧洞贯通。

(2)爆破措施。①在一般或中等突出危险地带,可采用浅孔爆破或远距离多段爆破法,以减少对岩体的震动强度,降低突出频率和强度。②在严重突出危险地带,可采用超前钻孔和深孔松动爆破措施。超前钻孔直径不小于 75mm,孔数不少于 3个,孔深应大于 40m,钻孔超前工作面的安全距离不得小于 5m。深孔松动爆破孔径为60～75mm,孔深 15～25m,封孔深度不小于 5 m,孔数 4～5个,其中爆破孔 1～2个,其它孔不装药,以提高松动效果。

(3)简化的探孔卸压方案。2008年 11月,业主委托地质队对该 167m洞段实施钻孔卸压工作,但因岩石硬度系数≥8,所用 150型煤矿用钻机钻进困难,且又无法及时更换配金刚石钻头的高功率钻机,因此而无法继续实施钻深孔的方案。经与咨询单位共同研究,决定对方案进行简化,改长孔(50～60m)卸压为短孔卸压(6～7m)。具体方法:开挖掘进时,每个循环钻孔深 6～7m作为超前钻探,但爆破不超过 2m,留 4m以上岩壁。如手风钻能穿入前方高压气囊,则可使其释放卸压;如未穿入高压气囊,则留4m以上岩壁具有一定的抵抗力,可限制或减轻岩石和气体突出。

4.4 加强通风,以风定产,保证通风质量

施工中保持 24h不间断通风。开工前对风机、风筒等进行系统检查,由专职测风员测定风量、风速,确保主洞单工作面供风量在 500～600 m3/min以上,工作面附近的最小风速不低于0.15m/s,风筒末端距掘进掌子面不超过 20m。

4.5 采用隔绝式安全防护措施

钻孔时,钻杆有可能打到有害气体聚集的高压气囊,为防止有害气体通过炮孔喷出伤人,要求钻孔作业人员必须佩戴长管呼吸器(或供氧时间4h以上的氧气呼吸器)作业,以保证作业期间不会吸入有害气体。所有进洞人员还要随身佩带化学氧自救器,发生紧急情况时(如气体检测仪报警、突然停电等),迅速戴上自救器进行呼吸,20 min内撤离。

4.6 严格执行洞外放炮制度

装药后、放炮前,洞内所有人员撤离洞外,凡与危险掌子面相连通的所有洞段均不得留人(否则应砌筑墙体隔离)。关闭全部电源,使用电雷管在洞外引爆。这样操作,即使发生突出,也可避免人员伤亡事故的发生。

4.7 加强气体监测

(1)放炮后必须通风 40min以上,先由佩戴防护用具(氧气呼吸器、化学氧自救器、气体检测仪)的救护队员、专业气体检测人员入洞检查,待各种有害气体不超标、没有突出时,其它人员方可入洞,否则应继续通风,直至洞内空气质量达到安全标准为止。

(2)钻孔作业时,专职人员进行旁站气体监测,发现异常,立即组织所有人员撤离洞外。

(3)有害气体的巡回检查。专职检测人员对隧洞各段每班巡回检查三次,特别应注意爆破后清矸点有害气体浓度的检查,最长为半小时检查一次,以确保各种有害气体浓度在规定范围之内方可作业。为防止清渣时有害气体从渣体、水中或先前堵塞的孔隙中逸出伤人,装载机和汽车驾驶员均须备有防护用具。

4.8 其 它

(1)每班作业前必须检查长管呼吸器、氧气/空气呼吸器、气体检测仪表、通风系统(风机、空压机、风管、风筒)等工作是否正常。

(2)加强顶板支护检查及敲帮问顶工作。进班前,首先检查工作面是否安全,检查顶板和两帮是否稳定,如有松动的石、土块或裂缝应先予以清除或支护。

(3)做好气体检测、风量、出渣量、施工日志等各项记录。

(4)其他安全操作要求,参照《隧道钻爆法掘进安全操作规程》等规程规范。

5 结 语

由于在施工各环节上针对突出问题采取了有针对性的施工方案,并制定了严密的安全保证措施和制度,从而保证了沙湾电站 1#支洞下游剩余167m突出危险洞段的安全贯通,其经验可供类似情况的工程借鉴,并建议参建单位要建立完善的安全管理制度,加强安全检查和隐患整改,加强安全教育培训,增强职工安全意识,这是防止安全事故发生的基础。