天坪隧道施工中硫化氢气体防治技术探讨

王栋

（中铁隧道勘测设计研究院，河南洛阳471009）

天坪隧道施工中硫化氢气体防治技术探讨

王栋

（中铁隧道勘测设计研究院，河南洛阳471009）

结合天坪隧道的施工实践分析了瓦斯隧道中硫化氢气体的成因，介绍了现场采取的加强通风、完善监控系统、碱液稀释等防治措施，指出碱液稀释是降低隧道中硫化氢气体浓度的根本措施。对隧道中硫化氢气体浓度进行监测发现，拱腰和拱底硫化氢气体浓度较大，距掌子面15～40 m区段硫化氢气体浓度大大超过了《煤矿安全规程》（2016）的规定。采取在开挖台架附近增加局部风机并延长通风时间等措施，显著降低了掌子面出渣期间及回风区段硫化氢气体的浓度。

隧道；硫化氢；防治技术；应用效果

在穿越煤系地层的隧道施工中会出现硫化氢（H2S）、氡气等有毒气体。这些有毒气体不仅危害人体的健康，而且因不可预见、突发燃烧、爆炸等，会给施工造成灾难性的破坏。林海等［1］对我国硫化氢职业中毒现状、原因与对策进行了分析，介绍了当前硫化氢中毒的预防措施；张少杰等［2］对煤矿硫化氢气体超标情况进行了研究，分析了煤层中硫化氢的成因及治理办法；马庆亮［3］针对煤矿掘进工作面硫化氢气体的大量涌出情况，采取自动监控系统、完善通风系统等措施，并对比了改进前后硫化氢气体涌出情况；郝俊锁［4］对兰渝铁路隧道地质特征进行了分析，针对施工揭示的天然气涌出规律提出了预防措施；邵俊江等［5］建立了公路隧道施工中有害气体监测系统，提出了有害气体的治理与安全措施；还有大量文献［6-10］均介绍了含有害气体地段的施工经验。总体而言，国内的专家学者对煤矿和隧道中出现的硫化氢气体的研究主要集中在成因、监控系统和通风方式的改造与完善等方面。本文针对天坪瓦斯隧道施工过程中出现硫化氢气体的现象，从气体成因、探测、应用措施、变化规律、效果分析5个方面分别对隧道中硫化氢气体进行了探讨，以期为以同类隧道施工提供借鉴。

1　硫化氢气体概况

天坪隧道位于贵州省北部，重庆与贵州省交界地段。隧道全长13 978.252 m，隧道设置“一个平导+一座斜井+一个横洞（主副井）。其中，横洞工区负责承担DK128+997—DK124+860段4137 m正洞、PDK128+240—PDK124+640段3 600 m平导的施工任务。隧道在DK127+710—DK127+850段穿越龙潭组煤系地层，连续穿越C6，C5，C3煤层，层厚分别为1.33，2.45，2.6 m，瓦斯含量高，压力大，施工风险极大。横洞主井负责正洞的开挖，副井负责平导的开挖。平导超前开挖进行揭煤工作，在超前地质钻孔（3#）钻探至PDK127+853里程时钻孔涌水中散发出浓烈的刺鼻味道（臭鸡蛋味），水质较为浑浊，现场作业人员出现眼睛红肿、流泪不止等不良反应。对现场气体检测后发现，除存在少量的瓦斯（主要成分为甲烷）外，主要的有毒气体为硫化氢，浓度达到46×10-6，远远超过《煤矿安全规程》［11］第135条规定的井下硫化氢气体浓度不得超过6.6×10-6。通常情况下，人闻到硫化氢气味时的浓度为（0.2～0.3）×10-6；在（20～30）×10-6时则出现强烈臭味；当达到（100～150）× 10-6时，将会出现嗅觉麻痹；当浓度达到1 000×10-6时，人在数秒内就会死亡。天坪隧道硫化氢气体浓度检测结果及人员生理反应情况见表1。

2　成因分析

在煤化作用早期，含硫有机物腐败分解，从而形成硫化氢。因煤化作用早期煤层或泥炭中含有大量的水分，占据了相当多的煤岩孔隙，此时在煤层中吸附的原生生物气很少，大部分生物成因硫化氢、二氧化碳等溶解在地层水中，在后来的压实和煤化作用下从煤层中逸散。因此，一般认为早期生成的原始生物成因硫化氢气体不能被大量地保留在煤层内。

在煤化作用后期，煤层中含硫有机化合物在热力作用下，含硫分子键断裂形成硫化氢，又称为裂解型硫化氢。这种方式形成的硫化氢浓度一般＜1%。煤在热力作用下会形成热解瓦斯和裂解瓦斯。煤层和围岩中含硫有机质和硫酸盐岩发生热化学分解（裂解）作用和热化学还原作用，均可生成硫化氢气体。煤和围岩中含硫有机质和硫酸盐岩中硫含量越高，可产生的硫化氢气体越多。

表1　天坪隧道硫化氢气体检测结果

3　硫化氢气体防治措施

3.1硫化氢气体预防措施

在硫化氢气体溢出时，现场除了应采取应急安全避险管理措施外，还应采取超前钻孔探测硫化氢气体浓度，同时配合人工随时检测硫化氢气体溢出量，避免造成不必要的停工和人员伤亡。

3.1.1超前钻孔探测

按设计全程采用超前钻孔，正常情况下钻探长度30 m，搭接5 m；距离设计煤层100 m时，搭接长度应不小于20 m；钻孔时安装气渣分离器。同时还需钻探超长地质孔2次，对地质情况及煤层、瓦斯、硫化氢情况进行探测。

1）第一批钻孔布置在距离煤层50 m位置，主要布置3个地质钻孔，1#钻孔方向平行于平导中线，钻孔深度132 m，穿透所有煤层并进入最后一层煤底板0.5 m；2#，3#孔与平导中线成25°夹角，钻孔深度分别为127，152 m，穿透煤系地层进入底板岩层至少2 m，钻孔孔径为108 mm。探测孔钻探过程中，派专业的气体检测人员定时检测孔口的有害气体。超前探孔布置见图1。

图1　超前探孔布置（单位：cm）

2）如果发现探测孔气体超标，必须打排放孔，将赋存在掌子面前方的硫化氢气体提前排放［12］，防止有毒有害气体突然涌出造成人员伤亡。通常情况下，排放孔孔深根据掌子面围岩地质情况确定，一般排放孔直径108 mm，30 m打设一环，预留5 m，横向间距为1.5 m，竖向间距为1.8 m，上下断面排放孔间距控制在3 m。具体布置情况见图2。

3.1.2人工检测

由专职的瓦斯检测员对隧道内硫化氢气体进行检测，检测仪器为T40便携式硫化氢检测仪（测量范围为0～500×10-6），人工检测硫化氢时，除“一炮三检”外，每班至少检测2次。当发现检测出的硫化氢气体异常时，应随时检测。

其检测地点主要在：①工作面有水流出的地方；②隧道水平钻孔孔口及其附近；③工作面风流和隧道回风流中。炮后检测工作面硫化氢气体时，瓦检员应在响炮通风30 min后，带好防护用品进入掌子面检测硫化氢，如遇到工作面风流或隧道回风流中硫化氢气体超标，立即退出。

3.1.3应急安全管理措施

在隧道中出现硫化氢气体后，现场采取的应急措施主要有：①根据人工检测结果，决定掌子面是否停工，人员是否撤离现场；②加大隧道内的风量，降低硫化氢气体浓度，确保现场施工安全；③隧道洞口设置管制哨及警示标志，进出隧道人员须登记姓名，严禁非施工人员入内。

3.2硫化氢气体治理措施

3.2.1加强通风

一般情况下，隧道施工作业面所需通风量根据隧道内同时工作的最多人数所需要的通风量、一次起爆炸药量所产生的有害气体降低到允许浓度所需要的通风量、隧道内同时作业的内燃机械产生的有害气体稀释到允许浓度所需要的通风量、瓦斯涌出量最大时所需的通风量、小断面隧道风速不小于0.25 m/s，取其中的最大值作为隧道施工作业面的需风量。通过计算，要保证天坪隧道平导正常施工，掌子面最大需风量应为1 176 m3/min。

掌子面足够的风量是加快稀释有毒气体的必要条件之一。现场测得，风管出口风量为1 215 m3/min，大于掌子面所需风量。掌子面供风量满足需求，但为防止掌子面局部积聚硫化氢，在隧道开挖台架（距离掌子面20 m）附近增设1台55 kW局部风机（由于硫化氢的密度大于空气密度，越低的地方，硫化氢浓度越高），风向由掌子面向外，增大掌子面风流交换的速度，保证掌子面及开挖台架附近的通风效果。此外，对已经贯通的横通道砌墙封堵，防止污风形成循环，以使硫化氢浓度降低到能够安全生产为止。还要建立完善的通风系统，专人负责风机及风管的日常维护工作，保证通风效果。

在自动监测的同时，洞内瓦斯检测人员每人配备1台便携式硫化氢检测仪，对隧道内的硫化氢气体进行实时检测。对隧道硫化氢气体溢出段进行全面监控，主要监控部位为隧道底部和离地面1.5 m高处。便携式硫化氢检测仪、硫化氢传感器一旦报警，应立即停止现场作业，撤除掌子面所有作业人员。

洞口总控制室在作好检测的同时，应作好检测记录，及时分析反馈信息，指导施工。

3.2.2碱液稀释

硫化氢气体微溶于水，应加强对钻孔排水和施工废水的处理，在隧道中建立专用的排水系统，将地下水统一由中心水沟排放，防止地下水漫流而导致硫化氢气体四处逸散。经硫化氢污染的废水主要是酸性废水，可放入生石灰进行中和处理。隧道施工中采取的具体方法：①在钻孔时，通过岩层打注1%～2%碱液，预先吸收岩层中的硫化氢气体。②工作面必须抛撒碳酸钠或生石灰，每班炮后抛撒一次，控制工作面的硫化氢气体浓度。③爆破作业时，尽量使用装有苏打水的水袋对爆破孔进行封堵；及时排除隧道内的积水，并往水中投放碳酸钠或生石灰，防止水中的硫化氢挥发，二次污染隧道空气。从现场应用来看，碱液稀释方便操作，能从根本上对围岩内及施工废水中硫化氢起到稀释作用，是优先采取的措施。

3.2.3完善监控系统

为保证隧道施工安全，按照《煤矿安全规程》（2016）和《煤矿安全监控系统通用技术要求》（AQ-6021—2006）必须对洞内硫化氢气体进行实时监测，随时掌握洞内硫化氢气体浓度的变化情况，以便能及时调整通风风量。因此在已有的KJ70瓦斯自动监控系统的基础上，增设了硫化氢传感器，对隧道内瓦斯、硫化氢、一氧化碳气体进行监测，对掌子面、开挖台架及凹陷区域进行24 h监测，并实现超限报警断电功能。

图2　硫化氢气体排放孔布置（单位：cm）

4　现场应用效果

在掌子面硫化氢气体涌出后，对掌子面的有害气体浓度进行了检测。为准确掌握硫化氢气体的涌出规律，采用五点法对回风流、距掌子面不同距离的硫化氢气体进行了检测。硫化氢气体平均浓度随距掌子面距离的变化曲线见图3。

从图3可以看出，距掌子面15～40 m区段硫化氢气体浓度较大，硫化氢气体浓度最大达到34×10-6，大大超过了《煤矿安全规程》的规定。这是因为掌子面放炮前开挖台架要移离掌子面大约25 m，风管出风口紧靠开挖台架，回风阻力增大，造成涌出的硫化氢气体聚集在开挖台架附近。建议及时增大风量，在台架附近增加局部风机，加快风流的交换速度。另外还可以看出，硫化氢气体在拱腰和拱底的浓度值较大，因此现场人工和自动检测硫化氢气体时，应加大对回风区、凹陷区、机械设备区域及拱底和拱腰的检测力度。

隧道开挖过程中，各个工序下硫化氢气体浓度也不尽相同。硫化氢气体浓度在各工序的变化曲线见图4。

图3　硫化氢气体平均浓度随距掌子面距离变化曲线

图4　硫化氢气体浓度在各工序的变化曲线

从图4可以看出，在放炮后和出渣期间硫化氢气体的浓度最大。这主要是因为放炮后围岩遭到破坏，赋存于围岩中的硫化氢气体得到了释放；其次硫化氢气体密度大于空气密度，出渣时掩埋于掌子面底部的硫化氢气体再次得到释放，造成出渣时硫化氢气体的浓度远远大于其他工序。因此含有硫化氢气体的隧道放炮后及出渣期间在加大风量的同时，还应延长通风时间，保证掌子面的通风效果。

在采取上述一系列措施后，对治理前硫化氢气体浓度最大的地点和硫化氢气体涌出量最大的工序硫化氢气体浓度进行了检测，结果见表2。经对比发现，掌子面出渣期间及回风流中的硫化氢气体得到了很好治理，硫化氢气体浓度大大降低，避免了对工作人员的伤害，保证了施工的安全顺利进行。

表2　硫化氢气体治理前后浓度对比×10-6

5　结论与建议

1）硫化氢气体治理的根本措施是碱液和生石灰的中和，而加强通风和检测也是降低掌子面硫化氢气体浓度的重要手段，三者结合效果更好。

2）硫化氢的涌出规律不同于瓦斯。现场应加强拱底和拱腰的检测力度，加大放炮后隧道风量的同时应延长通风时间，加快硫化氢气体的稀释速度，保证掌子面作业环境；且应在开挖台架附近增加局部风机，防止硫化氢气体积聚。

3）目前硫化氢治理措施多借鉴于煤矿，隧道施工中没有统一的标准，治理过程中可能会出现不必要的浪费，因此需要更深一步地探索与完善，形成行之有效的方案和治理措施。

［1］林海，刘泉利，董颖博，等.我国硫化氢职业中毒现状、原因与对策［J］.工业安全与环保，2012，38（7）：45-47.

［2］张少杰，田水承，刘文永，等.煤矿硫化氢成因及综合治理技术［J］.陕西煤炭，2011（5）：77-79，84.

［3］马庆亮.黑龙关煤业二水平运输巷机掘过程中硫化氢气体的监测防治措施［J］.煤，2014，23（7）：48-49.

［4］郝俊锁.兰渝铁路梅岭关隧道地质特征与有害气体防治的探讨［J］.隧道建设，2011，31（5）：550-554，565.

［5］邵俊江，王国欣.公路隧道施工中有害气体的治理与安全措施［J］.西部探矿工程，2006，18（3）：306-307.

［6］何春保，曹朝辉，张兆彬.不良地质状况下华蓥山隧道施工技术［J］.铁道建筑，2014（2）：63-66.

［7］李立民.引汉济渭工程秦岭隧洞主要工程地质问题分析研究［J］.铁道建筑，2013（4）：68-70.

［8］魏二剑，文坤.瓦斯隧道施工安全控制措施探讨［J］.铁道建筑，2013（1）：39-41.

［9］朱玉峰，王静.玉峰山隧道含硫化氢地层处治技术［J］.隧道建设，2009，29（2）：172-176.

［10］牛文强，李晓斌.浅析综采工作面硫化氢气体防治技术［J］.陕西煤炭，2015（2）：119-121.

［11］国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程［S］.北京：煤炭工业出版社，2016.

［12］中华人民共和国铁道部.TB 10120—2002铁路瓦斯隧道技术规范［S］.北京：中国铁道出版社，2002.

（责任审编葛全红）

Exploring on Prevention and Control Technologies of Hydrogen Sulphide Gas in Construction of Tianping Tunnel

WANG Dong
（Survey，Design and Research Institute of China Railway Tunnel Group，Luoyang Henan 471009，China）

By combining with the construction practice in T ianping tunnel construction，the causes of hydrogen sulphide（H2S）gas in gas tunnel were analyzed and the prevention and control technologies utilized in on-site condition including strengthening the ventilation，improving system monitor and diluting lye were introduced，which concluded that lye dilution is the essential measure for reducing the H2S gas concentration in tunnel.M onitoring the H2S gas concentration in tunnel show that the concentration in arch waist and arch bottom of the tunnel is large and the gas concentration is much more than“safety regulations for coal mines”（2016）in 15～40 m area above the tunnel face.T he measures as setting more local fans near the excavation platform and prolonging the ventilation time has significantly reduced the H2S gas concentration in return air section during the period of tunnel face slag discharge.

T unnel；Hydrogen sulphide；Prevention and control technologies；Application effect

U458

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.18

1003-1995（2016）10-0067-05

2016-03-20；

2016-07-20

王栋（1985—），男，工程师，硕士研究生。