揭煤隧道瓦斯爆炸风险分析评估模型研究及应用

张伟，董志远，全学军，白丽丽，金冠君

（1.台州市交通工程建设事务中心，浙江台州 318000；2.浙江交科交通科技有限公司，浙江杭州 311305）

0 引言

瓦斯爆炸是隧道施工过程中经常遇到的重大风险源之一，本文从瓦斯隧道动态评估的角度出发，选取能够反映现场实际情况的瓦斯爆炸影响因素作为动态评价指标，运用层次分析法和指标体系法的思路构建揭煤隧道瓦斯爆炸安全风险分析和评估模型。最后，将该模型应用于大礼岭隧道YK33+680揭煤段瓦斯爆炸风险评估中，验证模型的合理性与可行性。

1 风险分析指标体系

1.1 层次分析法

层次分析法[1]是一种系统分析方法，运用系统集成的思维将复杂的系统问题进行分解，对影响因素进行分析并建立层次结构分析模型，将难以准确量化的问题转化为多层次多目标的决策问题。

1.2 指标体系法

指标体系法[2]也是一种系统分析方法，是将影响评估结果的因素进行分类，然后提出评估指标，按各个指标对结果的影响程度进行从高到低排序并计算相应的权重系数，指标赋值后乘以权重系数进行累加求和即可得到最后的风险评估分值。

1.3 风险评价体系

将层次分析法与指标体系法相结合建立层次清晰的隧道瓦斯爆炸风险评价体系，不仅可以将影响隧道瓦斯爆炸的因素进行罗列分析，还可以借助专家经验判断各个因素对瓦斯爆炸的影响程度和总体评估结果。

2 隧道瓦斯爆炸风险评价体系

隧道施工期间发生瓦斯爆炸的原因主要包括：①隧道穿越煤系地层；②参建单位及人员对瓦斯泄漏和爆炸认识不足；③施工方法不合理；④现场通风不畅不能将瓦斯含量降到合理范围；⑤现场未采取有效的瓦斯监测、评估、预警和防控措施等。影响瓦斯爆炸的因素包括被穿越煤层结构情况、瓦斯泄漏情况、现场施工情况和地质超前预报、钻探等4个方面，据此建立隧道施工瓦斯爆炸风险评价体系，如图1所示。

图1 隧道瓦斯爆炸风险评价体系

3 瓦斯爆炸主要影响因素及评估指标分级

3.1 煤层结构

（1）煤层厚度

根据相关技术规范[3]，当隧道施工区段瓦斯绝对涌出量大于等于0.5m3/min时，隧道施工工区就属于高瓦斯工区。因此，本次研究以煤层厚度每增加1m为一分级。

（2）开挖断面距煤层的距离

龚兵文等人[4]根据华岩隧道实际地质情况建立模型，分析得到隧道掘进至揭露煤层整个过程中煤层应力变化情况如下：在隧道轮廓线距离煤层平距16m处，煤层中监测点的应力值开始发生变化，煤层中瓦斯赋存状态也受到隧道掘进影响发生变化。为便于工程应用，本文以煤层距隧道开挖轮廓线15m为界限。

3.2 瓦斯泄漏

（1）瓦斯工区等级

本文以隧道洞内绝对瓦斯涌出量0.5m3/min作为区分低瓦斯工区和高瓦斯工区的标准，当绝对瓦斯涌出量大于等于0.5m3/min时为高瓦斯工区，小于0.5m3/min时为低瓦斯工区。

（2）洞内瓦斯浓度

瓦斯工区钻爆作业工作面、起爆器附近20m以内风流中甲烷浓度必须小于1%，高瓦斯围岩和煤（岩）与瓦斯突出工区甲烷浓度必须小于0.5%。本文以隧道洞内任意位置处风流中实际检测到的瓦斯浓度为依据，风流中瓦斯浓度每增加0.5%为一分级。

3.3 施工因素

（1）洞内通风

本文以施工现场的实际通风量和标准设计通风量之间的相互关系为依据，隧道实际通风量越接近设计通风量，瓦斯爆炸的可能性就越低。

（2）瓦斯监控体系

监控体系及机电电气设备指标主要考虑现场瓦斯监测体系与防控体系的建立情况和施工现场机电电气设备是否按有关法规和规范的要求使用防爆设备。

（3）防爆电气设备配备情况

对于电气设备配备情况，主要根据现场所采用的防爆电气设备数量所占规范规定数量的比例作为分级依据。

3.4 超前地质预报和钻探

隧道施工超前钻探是当前最主要的掌握隧道掌子面前方围岩情况的一种手段，但是超前钻探的距离一般较小，不能探测远距离围岩情况。TSP法超前地质预报以岩石的波阻抗差异为基础，能够对地层层面、断层破碎带等进行较为准确的预报。因此，本文以TSP法地震波波速下降程度和超前钻探频率及信息反馈情况为依据进行分级。

4 隧道瓦斯爆炸风险分析评估模型应用

4.1 工程概况

浙江台州104国道黄岩头陀至院桥段公路工程第3标段新建大礼岭隧道右洞开挖至桩号YK33+680时，发现掌子面出现了类似煤层结构，煤层近似水平层节理，破碎呈规则的层状分布，裂缝发育，隙面见碳质物，掌子面拱部及边墙已出现局部塌方或掉块。这是浙江省内极为少见的穿越煤层的公路隧道，因此非常有必要对其进行安全性评估与评价。

4.2 评估指标权重分配与赋值

根据大礼岭隧道现场实际情况，首先借助专家经验确定评估指标重要性排序并计算出权重系数，然后根据现场监测的瓦斯浓度、钻探结果和施工方法等进行评估指标赋值和计算总体风险评估分值，如表1所示。

表1 隧道瓦斯爆炸评估指标权重分配表

4.3 评估结论及风险控制

评估指标赋值完成乘以对应的权重系数后累加求和得出风险分值为41.625，属于Ⅱ级，偶然可能发生瓦斯爆炸。

由于超前钻探结果和煤层出露情况，施工单位经与指挥部、设计和监理单位四方代表进行现场踏勘后共同协商决定，YK33+680—YK33+670段由原Ⅲ级围岩衬砌（SB3）结构调整为Ⅲ级围岩加强衬砌（SB3JQ）结构，长度为10m。施工过程中，严格控制开挖进尺，湿式钻孔、装渣，少钻孔、少装药，同时采用防爆型通风机和电气设备，现场同时配备低浓度和高浓度光干涉式甲烷测定器，还配备了瓦斯自动检测报警断电装置，最终确保该揭煤区段隧道施工的安全。

5 结论

（1）将分析评估模型应用于大礼岭隧道YK33+680揭煤段瓦斯爆炸风险评估，确定了该揭煤段影响瓦斯爆炸的指标重要性排序，得出该段瓦斯爆炸可能性等级为Ⅱ级偶然可能发生瓦斯爆炸，评估结果与现场实际基本相符，验证了该模型的合理性与可行性。

（2）分析评估模型有助于提高参建单位人员对瓦斯爆炸的认识，评估过程和评估结果为瓦斯隧道施工采取安全控制措施提供了决策依据，对保障该揭煤段隧道施工安全起到了积极作用。