公路隧道瓦斯工区分级指标研究

杨本伟 冯 森 郑恩树 江中勇 赵天伟 刘金兴

(1.中铁建重庆投资集团有限公司，重庆 400700; 2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；3.重庆铁发建新高速公路有限公司,重庆 404100； 4.中铁二十二局集团第五工程有限公司,重庆 400010)

1 公路瓦斯隧道发展状况

随着国民经济快速发展，隧道建设面临的地质情况更加复杂多变，隧道建设规模越来越大，不同等级公路在选线时，需要考虑多方面的因素，常优选隧道方案，既有利于线路布局，又保护生态环境。同时我国山地众多且地形地貌复杂多变，在进行公路隧道选线时，虽然尽可能避免穿越瓦斯地层，但往往代价巨大，有时不得不穿越含瓦斯地层[1-3]。因而在公路隧道建设中，必然会遇到瓦斯隧道的勘察、设计、施工以及运营管理等问题。随着我国隧道施工技术水平的大力发展，瓦斯隧道修建逐渐向特长、深埋、大跨度等方向发展[5]。据有关数据表明[6-12]，截至2010年，我国已建及在建的瓦斯隧道共计94座。瓦斯隧道按照埋深及长度进行分类，如图1，图2所示。

2 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

目前国外对于公路瓦斯隧道分级指标的研究较少。大多数国家对于瓦斯工区分级仅参照煤矿瓦斯作业规范及标准进行评判，没有形成系统的公路隧道瓦斯工区分级标准，同时对于瓦斯工区分级也存在许多局限性。其中国外几个主要国家对于瓦斯分级所采用的指标如下[13-17]：

1)原苏联、波兰、德国、印度等国家仅采用吨煤瓦斯含量(即相对瓦斯涌出量)作为瓦斯等级划分指标；

2)日本把回风流中的瓦斯浓度作为矿井瓦斯等级的划分指标，将瓦斯等级分为甲种瓦斯和乙种瓦斯，其实质是把通风管理因素引入矿井瓦斯等级划分标准；

3)英国、澳大利亚等国家均无明确的矿井瓦斯等级划分标准，根据相关工程经验对瓦斯等级进行判断[2];

4)美国一般对于矿井瓦斯的开采较少，对于瓦斯的治理成本的投资也比较保守，不愿承担一定的风险，因此认为所有煤层皆为瓦斯煤层。

实际施工过程中，隧道发生瓦斯灾害事故的主要原因是由于隧道穿越煤系地层的地质情况比较复杂，在煤系地层中一般岩层受到构造作用的影响较大，且煤化程度也较高，使得岩层完整性较差，爆破作业对周围岩层会产生较大的扰动，进而使得煤岩裂隙结构发生巨大的变化，从而出现赋存在煤岩内的瓦斯气体从内向外以一定的规律发生移动和扩散，移动和积聚的瓦斯在明火和充足的氧气条件下导致灾害事故的发生。因此对于大断面瓦斯隧道建设，隧道围岩中瓦斯渗流、分布及扩散规律对于隧道瓦斯灾害防治的研究，具有非常重要的理论意义。国外几个主要国家对矿井瓦斯等级的划分标准均不同，具体划分指标见表1。

表1 国外矿井瓦斯等级划分标准

2.2 国内研究现状

我国公路瓦斯隧道建设参照瓦斯矿井掘进作业相关规范以及《铁路瓦斯隧道技术规范》进行瓦斯分级设计，基于瓦斯隧道分级标准采取相应的瓦斯灾害防治措施。我国矿井瓦斯等级划分共经历三个阶段(如表2所示)。

表2 我国矿井瓦斯等级划分标准

在1980年以前，借鉴原苏联的划分指标，以相对瓦斯涌出量(即吨煤瓦斯涌出量)作为分级标准，将矿井瓦斯等级划分为Ⅰ级瓦斯矿井、Ⅱ级瓦斯矿井、Ⅲ级瓦斯矿井和超级瓦斯矿井；1980年—2001年间，根据《煤矿安全规程》在已有分级标准的基础上，将Ⅰ级瓦斯矿井和Ⅱ级瓦斯矿井合并为低瓦斯矿井，Ⅲ级瓦斯矿井和超级瓦斯矿井合并为高瓦斯矿井，有突出情况即为煤与瓦斯突出矿井。2001年至今，在进行矿井开采中发现仅采用相对瓦斯涌出量作为分级标准时，在矿井生产中面临许多问题，造成通风设计不能满足生产需要。故提出采用矿井相对瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量一起作为矿井瓦斯等级划分标准。

3 公路隧道分级指标

3.1 瓦斯隧道等级定义

公路隧道瓦斯工区定义是在瓦斯隧道掘进过程中，隧道施工区段内检测有瓦斯时，则洞口至开挖掌子面这一区间为瓦斯工区，瓦斯工区的类别划分指标由绝对瓦斯涌出量决定。瓦斯隧道在进行施工作业时，随着掌子面的推进，在一个施工区段内可能一次或多次穿越瓦斯地层，因此瓦斯工区与非瓦斯工区是一个动态变化的过程(如图3所示)。同时在进行隧道施工时应根据隧道瓦斯工区的类别进行相应的施工组织设计，并采用配套的施工机械与设备。同时瓦斯隧道施工过程中应该时刻对瓦斯工区内回风流瓦斯浓度进行监测，实现隧道瓦斯工区动态管理。

3.2 勘察期瓦斯涌出量的计算方法

勘察期瓦斯涌出量为掘进隧道煤壁瓦斯涌出量Q1与掘进隧道落煤的瓦斯涌出量Q2两者之和。即勘察期瓦斯涌出量的计算如式(1)所示。

Q绝=Q1+Q2

(1)

掘进隧道煤壁瓦斯涌出量Q1：

Q1=D·v·q0[2(L/v)1/2-1]

(2)

其中，Q1掘进隧道煤壁瓦斯涌出量,m3/min；D为隧道断面内暴露煤壁面的周边长度，m；v为隧道平均掘进速度,m/min；L为未施作喷射混凝土段隧道长度,m；q0为煤壁瓦斯涌出强度，m3/(m2·min)，无实测值可参考式(3)计算。

q0=0.026[0.000 4(Vad)2+0.16]W0

(3)

其中，q0为煤壁瓦斯涌出初速度,m3/(m2·min)；Vad为煤中挥发分含量,%；W0为煤层原始瓦斯含量，m3/t。落煤的瓦斯涌出量Q2采用式(4)计算：

Q2=S·v·ρ·(W0-WC)

(4)

其中，Q2为落煤的瓦斯涌出量,m3/min；S为掘进隧道断面面积,m2；ρ为煤的密度,t/m3；WC为运出矿井后煤的残存瓦斯含量,m3/t，如无实测值可按表3选取或计算。

表3 纯煤的残存瓦斯含量取值表

3.3 施工阶段瓦斯工区分级指标确定

瓦斯隧道采用绝对瓦斯涌出量作为分级指标划分瓦斯工区等级，对于瓦斯隧道中通风风速及瓦斯浓度的规定是有一定要求的，常采用最小通风风速和最高瓦斯浓度作为不同等级瓦斯工区分级指标控制值，如表4所示。

表4 瓦斯工区任一处风速及浓度判定指标

根据《贵州省高速公路瓦斯隧道施工技术指南(试行)》《贵州省高速公路瓦斯隧道设计技术指南(试行)》[3，4]，公路隧道等级按照瓦斯工区的最高等级确定，瓦斯工区分级指标根据绝对瓦斯涌出量可划分为非瓦斯工区、微瓦斯工区、低瓦斯工区、高瓦斯工区四级。公路隧道瓦斯工区以绝对瓦斯涌出量作为分级指标，其计算公式如式(5)所示。

(5)

其中，QCH4为绝对瓦斯涌出量,m3/min；QS为隧道回风流内通风量,m3/min；ω为允许的最高瓦斯浓度(微瓦斯取0.25%，低瓦斯取0.5%);α为瓦斯涌出的不均衡系数，取1.5～2.0；抚顺煤炭研究分院建议取1.6，两车道公路隧道取1.5，三车道公路隧道取2.0；v为隧道回风流内最低风速(微瓦斯取0.15 m/s，低瓦斯取0.25 m/s);A为隧道回风流断面面积(两车道取70 m2，三车道取105 m2)；K为安全系数，一般取2。

根据式(5)可以计算得到公路隧道不同瓦斯工区等级指标的分界值[5]，如表5所示。对于不同等级的瓦斯工区需要结合实际情况进行相应的机械设备与电气化设施的改装，使其满足瓦斯隧道施工作业要求等。

表5 公路隧道瓦斯工区等级判定指标

3.4 稳定回风流瓦斯浓度监测

对于瓦斯隧道而言，瓦斯浓度的监测是不可或缺的，在施工过程中需要时刻监测瓦斯浓度是否超限，一旦发现瓦斯浓度有超限的情况，需要及时采取措施来降低瓦斯浓度。对于不同瓦斯等级的瓦斯隧道采取的瓦斯监测方法不同，对于微瓦斯隧道常采用人工检测的方式进行瓦斯检测，对于低瓦斯隧道宜采用人工检测与自动化监测相结合的方式，对于高瓦斯隧道瓦斯检测的要求比较严格，必须采用人工检测与自动化监测相结合的方式。瓦斯隧道建设中，瓦斯浓度的检测工作需要制定一定的实施方案，同时在检测前需要对相应的检测设备进行鉴定，以确保在检测过程中能够正常开展检测工作，使得检测的数据更加真实合理，瓦斯人工检测工作开展流程如图4所示。

4 瓦斯隧道浓度现场检测

4.1 工程概况

石柱至黔江高速路七曜山隧道进口位于重庆市石柱县三汇乡苦草坝境内(高龙洞煤矿北侧坡脚)，出口位于重庆市石柱县龙潭乡杨家河坝境内。全长5 400 m，隧道最大埋深约661 m，属特长隧道。隧址区主要属渝东南七耀山强岩溶化溶蚀构造中低山地貌，东接鄂西山地，西北隅向盆地过渡，以北东向山脉与纵向河谷相间，由于碳酸盐岩分布较广，岩溶发育。隧道穿越煤系地层，距洞顶200 m以上的位置处有遗留的采空区巷道，掘进巷道高于隧道洞顶45 m以上，但尚未到达煤层、未进行煤矿开采。因洞顶围岩距离巷道厚度较小，矿坑渗水可能对隧道存在一定影响。

4.2 数据处理及分析

对七曜山隧道施工过程进行瓦斯浓度，采用光干涉仪与风速计分别对隧道工区内瓦斯浓度与通风风速进行检测，并配有便携式瓦斯浓度报警器时刻监测瓦斯浓度是否超限。对于瓦斯检测断面位置的选择常结合隧道通风方式及施工工艺进行综合考虑，一般测定断面布置位置在距离通风风筒出风口20 m～30 m位置处，其瓦斯浓度检测断面与通风断面宜设定在同一断面，其检测断面及测点的布置方式见图5，图6。

由于掌子面风流紊乱，所以选择在回风流中距离风筒口20 m处测定风速及风流中瓦斯浓度。测点分别置于拱顶、左下角、下部中间、右下角处，对隧道稳定回流中瓦斯浓度和风速进行测定，采用每个测点检测3次取平均值的方式，最后通过式(6)即可得到绝对瓦斯涌出量的值见表6。

QCH4=60×s×v均×ωmax

(6)

其中，QCH4为瓦斯工区内绝对瓦斯涌出量,m3/min；s为隧道断面面积,m2;Q为隧道通风量,m3/min;v均为隧道断面平均风速；ωmax为稳定回风流中实测最大瓦斯浓度,%。

表6 各测点绝对瓦斯涌出量表

通过对隧道瓦斯工区稳定回风流中的瓦斯浓度及通风风速的测定，并通过计算得到最大绝对瓦斯涌出量为1.729 m3/min，按照瓦斯工区等级划分表，可得到该工区划分为高瓦斯工区。

5 结论与探讨

1)通过对瓦斯隧道瓦斯工区等级划分指标进行研究，发现对于公路隧道瓦斯工区指标值的计算中对于瓦斯涌出不均衡系数ɑ的确定基于矿井采掘作业相关建议值，缺乏具体的理论研究。2)基于实测分析，目前采用绝对瓦斯涌出量作为瓦斯工区分级指标是合理的，利用该指标指导瓦斯隧道建设能够适应现有施工条件下的施工机械与电器设备改装性能要求。3)瓦斯隧道对于瓦斯浓度检测系统可以在现有基础上结合人工智能等技术水平实现对隧道建设整个工期瓦斯浓度动态监测，保障施工安全性能。