地下工程中有害气体的检测与防治

周菊兰，郑道明

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概述

在地下工程施工中，围岩既是开挖的对象，又是形成洞室的介质和支护并确保洞室稳定的主体。隧洞开挖过程中也会遇到围岩破碎、裂隙发育、煤层出现、岩溶水出露、岩石软弱等不良地质地段，有害气体与高温高压、瓦斯等突发地质灾害在外力作用下从围岩中溢出散布在隧洞中，当有害气体积存到一定浓度时，有些气体在外界因素影响下会发生爆炸。有害气体爆炸时将造成对施工人员的伤害及设备的损毁。有的有害气体由于地下洞室中通风条件差，没有将其及时排出或淡化其浓度，将会给施工人员的身体造成伤害。因此，地下工程施工中，应充分认识到各种有害气体的潜在危险性，做好对地下工程施工中出现的氡气、一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)、瓦斯、硫化氰(H2S)等有害气体的检测和防治工作。

2 氡气

2.1 氡气的特性和危害

(1)氡气的特性:氡气是自然界唯一的天然放射性惰性气体。氡(Rn)位于化学元素周期表第Ⅵ周期零族，为惰性气体元素，其化学性质不活泼，它具有无色、无味、摸不作、看不见的特性。氡气的比重为9.73 g，是空气比重的7.5倍。氡气溶于煤油、水、血、甲苯、CS2，易被脂肪、硅胶、橡胶、活性炭吸附，常温下氡气体在空气中能形成放射性气溶胶而污染空气。氡的半衰期只有3.8 d，氡形成后很快衰变并产生一系列放射性产物，最终成为稳定元素铅。氡气浓度的单位为Bq/m3，熔点:－71℃，沸点:－62℃。

(2)氡气的危害:氡是致癌物质之一。氡对人类健康的影响确定性效应表现为:在高浓度氡的暴露下，机体出现血细胞的变化，如外周血液中红细胞增加、中性白细胞减少、淋巴细胞增多、血管扩张、血压下降并可见到血凝增加和高血糖。氡对人体脂肪有很高的亲和力，特别是神经系统与氡结合使人痛觉缺失，随机效应主要表现为肿瘤的发生。

(3)氡气的来源:氡气的产生与特定的地质条件有关，可能是镭、铀、钍等放射性元素衰变过程中的产物。氡气不是均匀、连续的释放，释放时的浓度也大小不一，但氡气在无风、低洼处可以积累，围岩暴露面积越大的洞段氡气浓度越高。隧洞掌子面洞段由于其围岩为三面裸露，氡气的浓度高于别的洞段。

2.2 检测方式

检测方式:在采用快速模式和缓慢模式两种方法检测氡气时，它又分为直接使用测氡仪现场检测，或采用密封器具现场取样检测两种方式。采用密封器具到现场取样检测只是对工作面上一个点的检测，在现场取样需要其具有代表性，应选取现场工作人员较多、该部位施工人员工作时间较长、隧洞较低、通风时风吹不到的部位。采用快速模式直接在现场检测氡气则是对整个施工现场进行氡气检测，若需要检测施工现场环境中氡气含量的历时过程，可将氡气监测仪和计算机连接，读取这一检测过程中的有关数据。

2.3 氡气浓度的表现形式

(1)氡气产生于围岩裂缝和构造断裂带中，从裂缝与断裂带中不均匀、连续释放出来的氡气，有时导致隧洞空气中某个时间段内的氡气含量较高。

(2)在隧洞不通风或不能正常通风时，隧洞内的氡气在不停地积累，检测时氡气含量值较高。工作面经正常通风氡气含量较低，说明氡气具有积累效应。

(3)地下工程中部分突出的开挖低坑、有较大反坡的洞室以及洞室内的死角部分由于通风较困难，空气流通较差，而氡气的比重又比空气大，故其很容易在低处和死角部位沉积与积累，从而使氡气含量增大。

(4)在地下洞室开挖中，由于没有及时封闭开挖后的围岩，围岩暴露面积越多的洞室，其空气中的氡气含量越大。特别是隧洞掌子面洞段，该处围岩为三面裸露，氡气释放裂缝多，故掌子面洞段的氡气含量高于其它洞段。

(5)隧洞掌子面在造孔完成后空气中的氡气含量又开始上升，充分说明了一个事实:有一定量的风漏出，能有效稀释空气中氡气的含量，使氡气含量降至70～100 Bq/m3。

2.4 防治氡气的措施

(1)在隧洞施工前，应制订切实可行的氡气防范措施，培训专职的氡气检测员，购买专项检测仪器，规定每天对洞室进行检测的时间、次数，应将每次检测结果及时告知安检部门，应有效地把空气中氡气的含量控制在国家规定的标准内。

(2)在对隧洞中氡气含量的检测中，应用快速模式和缓慢模式相结合的方式进行复核检测。在已开挖完的空间内，应加强对通风不到的岔洞、反向坡洞室、洞室死角、较低部位的检测。

(3)隧洞施工前，应规划好通风方式，压入风桶离掌子面25～30 m，使隧洞掌子面经过通风，有效地降低空气中的氡气含量。抽出风机应及时把污染后的空气排出隧洞外。

(4)洞室开挖完成后，应及时组织人员对裸露的围岩采用喷厚4～6 cm的混凝土进行及时支护与封闭，经封闭后的围岩切断了氡气释放的裂隙，可以有效地降低洞室内氡气的含量。

3 其它有害气体的防治

四川省木里河沙湾电站下游主洞掌子面在完成钻孔和装药后，该工作面的10名施工人员撤离到安全距离后实施爆破，爆破后，瞬间从掌子面涌出大量有毒和窒息性气体，有毒气体随着爆破冲击波的推动作用向洞外高速推进和扩散，造成10人相继中毒与窒息死亡的重大中毒事故。这次爆破后涌出的有害气体巨大、毒性强，导致离工作面735 m、距离支洞口200 m处的施工人员迅速失去知觉，并无法进行自救而遇难。

3.1 原因分析

事故发生后，业主和项目部邀请专家及专业检测人员用检测设备对掌子面到1#支洞口沿程进行检测，检测结果为:CO2:1.7%～2.9%、SO2气体:1.5～7.6 ppm。使用进口气体检测仪检测到有害气体 H2S达到19.4 ppm，SO2达到17.6 ppm。

(1)排除瓦斯突出。该区域无煤系地层和油页岩地层，不可能产生高压瓦斯。事故后的检测亦未发现CH2的存在。现场未发现瓦斯爆燃现象。

(2)H2S和SO2均为剧毒、对眼及呼吸道粘膜有刺激作用的气体，二者的浓度达到500 ppm时可在短时间内使人致命。据实际检测数据，其值远小于500 ppm，故排除H2S和SO2气体。

(3)CO2是窒息性气体，当空气中的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，可在几分钟内导致人死亡。在事故现场检测到的CO2比其它气体浓度高，该洞段地质结构复杂，围岩中的火成岩、碳酸岩中含有硫化物等，同时，在围岩裂隙水发育的条件下，火成岩中的硫化物呈酸性，酸性水可逐步与碳酸岩发生化学反应生成CO2，所生成的CO2聚积在已分解的碳酸岩的裂隙中而无法释放，经长期积累而形成充满CO2高压气体的蜂窝状气囊，因此，判断高压的CO2是突出的主动力。

(4)当围岩中存在这种突出的主动力源时，隧洞掘进到高压气囊段时，由于炸药爆炸时的动力效应，使原先被围岩约束的高压气囊被破坏或气囊被直接打开，此时高压气体、炸药爆炸的有害气体、硫和硫化物一齐参予爆炸，从而增大了炸药爆炸的能量，多种能量叠加，形成岩石和混合气体突出，瞬间涌出大量以CO2为主、其中含有高浓度的H2S和SO2等窒息性、剧毒性混合气体，借助炸药爆炸后的冲击波沿已开挖的主洞向三岔口、支洞出口方向高速扩散，导致距掌子面307 m的执行放炮的工人遇难，使远离掌子面(735 m)的9名工人也全部遇难。

(5)炸药爆炸时生成的有害气体对人体造成危害，主要有害气体为以下二种:一氧化碳(CO)，它无色、无味，其密度为空气的0.97倍;当浓度为13%～75%时能引起爆炸。炸药中的氧将碳和氢完全氧化后还有剩余，炸药爆炸时的产物中出现氮的氧化物——二氧化氮(NO2)，称为正氧平衡。二氧化氮是炸药爆炸时产生的另一种有害气体，一般认为:NO2的毒性要比CO的毒性更大，为CO毒性的6.5倍，当空气中的NO2浓 度 达 到0.025%时，人中毒后短时间内很快死亡。在多种有害气体快速混合后，使混合气体中的毒性增大、增强从而造成施工人员接触毒气后快速窒息死亡。

3.2 防治突出的方法

在隧洞施工中必须针对突出问题采取有针对性的施工措施，其相关方法如下。

(1)加强对有害气体的监测:设立专职有害气体检测人员，对施工中的隧洞每班巡回检查多次。钻孔作业时，专职有害气体检测人员应在施工工作面进行有害气体监测，发现有害气体增加或有异常情况时，应立即组织所有人员撤离到洞外。

(2)加强洞内通风:隧洞施工中，应保证24 h不间断通风，输入风量必须满足更换出洞内的有害气体。

(3)钻孔时的安全防护:隧洞钻孔时，钻杆随时有可能打入到有害气体的聚集气囊中，为防止有害气体由炮孔喷出伤人，要求风钻工与其他施工人员必须佩戴氧气呼吸器作业。

(4)采取洞外放炮方法:炮孔装药、爆破网络连结完成即进行洞内清场，将所有施工人员撤到洞外。当施工人员全部撤离到洞外后，关闭洞内动力与照明电源，将起爆电线接到支洞外，炮工在洞外起爆，从而可以避免爆破引起的突出危险给施工人员造成的伤害。

(5)钻孔卸压法:采用取岩芯的方法已预测到掌子面前方为突出危险区，在掌子面上布3～4排超前探测孔或卸压孔，深度同测压孔一致。

由于钻较深的卸压孔施工较困难，也可以采用钻7～9 m深的短孔卸压，在隧洞掘进时一次不超过2 m，预留3～4 m的岩壁用以限制和抵抗气体突出。隧洞爆破时应采取浅孔弱爆破，以减少爆破对岩体的震动强度，降低有害气体突出浓度。

4 炸药爆炸产生的有害气体

对围岩造成破坏是炸药爆破作用特有的表现形式。炸药在爆破岩体时，同时也会由爆炸生成一些有害气体，其所生成的有害气体与炸药的氧平衡有关。同时，炸药的加工质量和使用条件对爆破时有害气体的产生也有一定影响。在爆破过程中，既使是零氧平衡的炸药，在整个爆破过程中其周围介质也参与反应，仍会生成一定数量的有害气体。

4.1 爆破产生的有害气体对人的危害

(1)炸药爆炸时产生的主要有害气体为一氧化碳(CO)，它是无色、无味的气体，其密度为空气的0.97倍，化学性质不活泼，在常态下不能与氧化合，但当其浓度为13%～75%时能引起爆炸。一氧化碳与红血球中血红素的亲和力比氧气的亲和力大250～300倍，当其被吸入人体后，阻碍了氧和血红素的正常结合，使人体各部分组织和细胞产生缺氧现象。当空气中一氧化碳含量的浓度达到5 mg/L时，在短时间内将引起人员中毒以至死亡。

(2)正氧平衡过大的炸药爆炸时，过剩的氧将使氮元素氧化成氧化氮。二氧化氮是炸药爆炸时产生的另一种主要有害气体，二氧化氮呈褐红色，有强烈的窒息性，其密度为空气的1.57倍，极易溶于水，对眼睛、鼻腔、呼吸道及肺部有强烈的刺激作用。NO2与水结合成硝酸，对肺部组织起破坏作用，将引起肺部的浮肿。当空气中二氧化氮浓度达到0.025%时，人在短时间内很快死亡。

4.2 对爆破产生的有害气体采取的预防措施

地下隧洞爆破时，由于药量较大，爆破后会产生大量有害气体，将对地下工程施工作业人员造成威胁。为降低爆破有害气体的危害程度，应采取合理有效的措施进行预防。

(1)使用合格的炸药，炸药组分的配比应当合理，尽可能做到零氧平衡。加强入库炸药的保管和检查，一定要做到先入库的先使用，禁止使用过期、变质的炸药。

(2)装药前应尽可能将炮孔内的积水、石粉吹干净，保证装药和堵塞质量，避免发生半爆和爆燃现象，将有害气体的产生减少到最小程度。

(3)应选用感度适中、威力较大的炸药作为起爆药包，应保证其具有足够的起爆能量，从而使炸药迅速达到稳定爆轰和完全反应。

(4)隧洞爆破前后应加强通风，对于死角应采取措施向死角盲区加强通风。爆破后，无论时隔多久，工作人员在进入隧洞之前，均应用检测仪检查隧洞内有害气体的含量，只有当其含量未超过规范允许值时，才允许施工人员进洞作业。

(5)在有煤出露的岩石中开挖隧洞时，应采用防爆型电器设备，严格控制杂散电流;在有瓦斯和粉尘爆炸危险的环境中爆破，应使用煤矿允许使用的炸药和起爆器材起爆。

5 结语

地下工程施工中，对有害气体存在的隧洞施工过程中的安全防控尤为重要，其中洞内监测、预报是安全防控中的关键。隧洞内应布置完善有效的通风系统，提高洞内的通风能力，减少并防止有害气体的积聚，达到冲淡有害气体的浓度，有效改善施工环境的目的，从而保证施工人员和工程的安全。