高瓦斯隧道瓦斯监测与分布规律分析

贤威

摘要：高瓦斯隧道施工过程中很容易产生瓦斯积聚或溢出，存在较大的安全隐患。文章提出在隧道高瓦斯路段开挖施工过程中，通过制定瓦斯监测方案，对爆破前后、不同取样位置、不同时间段瓦斯浓度进行监测，并分析监测结果得出了隧道内瓦斯的分布规律，可为隧道安全施工提供保障。

关键词：高瓦斯隧道;监测;采样位置;分布规律

中国分类号：U456.3文章标识码：A351373

0 引言

高瓦斯隧道在施工和运营过程中，会产生瓦斯溢出，如控制不当很容易产生安全事故。由于瓦斯在隧道围岩内部分布不均匀，必须在隧道建设过程中加强监测，对瓦斯监测数据进行分析，从而确定隧道内瓦斯的分布规律。隧道施工爆破、采样位置和采样时间都会对瓦斯监测结果造成很大影响，因此施工前应全面考虑确定隧道内瓦斯的分布情况，根据瓦斯分布规律制定预防措施，以保证隧道施工安全。

1 工程概况

辛庄上隧道进口端位于山西省太原市古交市河口镇磨石村西南侧，出口端位于山西省太原市古交市西曲街办胡家咀村东南侧。隧道穿越剥蚀构造基岩低中山区，进口端顶部覆盖薄层粉土、碎石、杂填土，出口端基岩出露。隧道设计为左右线分离式，两洞间距约为15～30 m;双车道，一字型纵坡。其进、出口里程为：右洞TK5+824～TK7+738，全长1 914 m，隧道类型属长隧道，设计进、出口路面高程分别为1 053.734 m和1 091.629 m，隧道最大埋深（里程TK6+780）约187.36 m，自然通风。左洞ZTK5+795～ZTK7+742，全长1 947 m，隧道类型属长隧道，设计进、出口路面高程分别为1 053.455 m和1 091.558 m，隧道最大埋深（里程ZTK6+810）约183.1 m，机械通风。

根据采空区专项勘察资料显示，隧址区位于大南坪煤矿和矾石沟煤矿矿界内，大南坪煤矿东侧8#、9#煤层埋深较浅，为小窑私挖乱采区;矾石沟煤矿在TK6+660～TK7+740段2#、3#、4#、7#煤层采空，属于多年前小窑开采，8#和9#煤层为矾石沟煤矿，于近几年开采。辛庄上隧道下伏多层采空区，采空区距离隧道底最大垂直距离约80 m，其中8#、9#煤层2019年仍然在开采。地勘报告显示隧道下伏采空区为不稳定区，设计中针对不稳定采空区采取了注浆加固处理。经过调查，辛庄上隧道右线TK5+824～TK7+738和左线ZTK5+795～ZTK7+742为高瓦斯工区。

2 瓦斯监测方案

2.1 瓦斯监测方案

辛庄上隧道瓦斯监测采用隧道安全综合监控系统和人工移动式监测相结合的方式，对隧道内风速、CH4、CO等有害气体等指标进行实时监测。分别在隧道进出口布置一套隧道安全综合监控系统，不仅可以实现对有害气体、风速的监测，还可以根据瓦斯浓度实现声光报警，指挥人员撤离，具有门禁管理、人员定位、信息显示和视频监控等功能。监控系统总体布设方案为：在洞口设置监控中心，配置主控计算机、报警仪、中心监控大屏幕和断电系统等;在隧道内部布置瓦斯监测分站，间隔距离为700 m;分别在隧道洞口回风流处、开挖工作面、二次衬砌工作面、横洞等部位设置布置甲烷、氮氧化物、一氧化碳等监测传感器。

隧道人工移动式检测进、出口各设置瓦斯检测员2名，使用“四合一”有害气体检测仪对CO、CO2、氮氧化物、CH4等其他物质的浓度进行检测。此外，每位瓦斯检测员各配备一台便携式甲烷检测报警仪，一旦瓦斯浓度超过限制时自动报警。

2.2 瓦斯监测部位和监测频率

瓦斯监测部位为上、下台阶、二次衬砌、仰拱等施工工作面，瓦斯容易产生积聚的衬砌台车、拱顶、横洞等部位，电气设备附近，围岩破损开裂容易产生瓦斯溢出的区域等。为了确定掌子面前方瓦斯浓度，在隧道掌子面布设6个超前探孔，分别位于拱顶点、两拱脚点、两边墙脚点和仰拱底中点，瓦斯监测的重点部位是隧道拱顶和两侧起拱线位置。

隧道安全综合监控系统的监测频率为全天候24 h监控，根据CH4浓度确定监测频率：CH4浓度≤0.5%时，每0.5～1 h监测一次;CH4浓度>0.5%时，应随时监测;CH4浓度>2%时，应加强通风并随时监测。

3 隧道内瓦斯监测与分布规律分析

3.1 爆破前后隧道内瓦斯浓度监测结果分析

为了研究爆破前后隧道内瓦斯浓度的变化情况，分别在装药前、放炮前和放炮后对瓦斯浓度进行监测。本文统计了辛庄上隧道前后35次开挖爆破开挖前后瓦斯浓度的变化情况，绘制瓦斯浓度变化曲线如图1所示。

分析图1曲线变化情况，在35次爆破施工后，有6次放炮后瓦斯浓度超过了0.1%，其中最高浓度达到了0.19%。曲线变化趋势表明放炮后瓦斯浓度明显高于装药前和放炮前，这是由于爆破使围岩内部的瓦斯涌出路径连通，爆破后围岩内的瓦斯大量涌出，造成瓦斯浓度明显提高。

3.2 不同采樣位置瓦斯浓度监测结果分析

通过对比分析隧道掌子面、二次衬砌、仰拱和下台阶等开挖工作面瓦斯浓度监测数据，确定掌子面的瓦斯浓度监测结果最高。因此，在辛庄上隧道施工过程中，选取TK5+985、ZTK6+655、TK7+255三个监测断面，重点对掌子面瓦斯浓度进行监测，监测部位为拱顶、左拱脚、右拱脚，三个监测断面瓦斯浓度变化曲线如图2～4所示。

分析图2～4所示瓦斯浓度曲线变化情况可知，图2和图3拱顶瓦斯浓度明显高于两侧拱脚，图4左侧拱脚瓦斯浓度高于拱顶瓦斯浓度，这是由于下台阶开挖过程中围岩局部积聚的瓦斯产生了溢出。瓦斯浓度随着监测次数的增加，总体呈现下降的趋势，监测后期瓦斯浓度很小，可以忽略。总之，结合多个断面瓦斯浓度监测结果进行分析，大多数监测断面拱顶瓦斯浓度高于拱脚瓦斯浓度，只有少数断面拱脚瓦斯浓度高于拱顶，且随着观测时间的增加，瓦斯浓度不断下降。

3.3 不同时间段瓦斯浓度监测结果分析

为了分析隧道内高瓦斯路段不同时间段瓦斯浓度的变化规律，在施工过程中在隧道左洞和右洞布置测点，对不同掘进里程瓦斯超限次数进行统计，观测时间从2020-10-03至2021-01-20，共进行了10次监测，统计结果如图5和图6所示。

分析图5和图6曲线变化情况，瓦斯浓度超限次数基本与掘进里程成正比，开挖至高瓦斯路段中段时瓦斯超限次数较高，且左右两洞超限次数变化趋势基本相同。前期为2020-10-03至2020-10-17，取左右洞7 d瓦斯浓度监测数据，瓦斯超限次数平均为6次左右。中期为2020-10-17至2020-12-20，取左右洞14 d瓦斯浓度监测数据，瓦斯超限次数平均为8次左右。后期为2020-12-20至2021-01-20，取左右洞7 d瓦斯浓度监测数据，瓦斯超限次数平均为5.5次左右。总之，通过对辛庄上隧道高瓦斯路段不同开挖时间段瓦斯浓度进行监测分析得出，瓦斯超限次数与掘进里程基本成正比，且高瓦斯路段中段瓦斯浓度超限次数最多。

4 结语

为了保证辛庄上隧道施工安全，在施工过程中制定瓦斯监测方案，对爆破前后、不同取样位置、不同时间段瓦斯浓度进行监测，并分析总结了瓦斯浓度变化规律，得出以下结论：

（1）分析爆破前后瓦斯浓度监测结果，得出放炮后瓦斯浓度最高，这是由于爆破后围岩内的瓦斯大量涌出造成的。

（2）分析不同取样位置瓦斯浓度监测结果，得出大多数掌子面拱部瓦斯浓度高于拱脚，且随着观测时间的增加，瓦斯浓度不断下降。

（3）分析不同时间段瓦斯濃度监测结果，得出瓦斯超限次数与掘进里程基本成正比，且高瓦斯路段中段瓦斯浓度超限次数最多。

参考文献：

[1]李建军.高瓦斯特长铁路隧道衬砌拆换段施工通风技术研究[J].铁道建筑技术，2020（9）：106-110，151.

[2]张永成.高瓦斯隧道瓦斯监测专项方案设计研究[J].国防交通工程与技术，2019，17（S1）：26-29.

[3]林 志，陈兴涛，李真真.龙泉山高瓦斯隧道施工监测和管理技术应用[J].工程建设，2018，50（8）：54-57.

[4]张承龙.瓦斯隧道通风在线监测与动态分析预警研究[J].黑龙江交通科技，2018，41（4）：158-159.

[5]康小兵，杜敏铭.瓦斯隧道监测数据特征与模式预测技术研究[J].公路工程，2016，41（1）：46-50.

3535501908224