非煤系隧道有害气体监测与防突降毒措施研究

2022-07-06苏少凡苏培东邱鹏李有贵

地质灾害与环境保护 2022年2期

苏少凡，苏培东，邱鹏，李有贵

西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500)

1 前言

随着我国铁路公路建设的不断向西部、西南部推进，隧道工程也越来越多，由于地质条件的复杂多变，穿越非煤系地层的隧道在施工中更容易遇到瓦斯、二氧化碳等有害气体，因此对施工技术要求也越来越高。非煤系隧道有害气体相关的施工技术研究正引起学者的广泛关注与研究。

目前部分学者对非煤系隧道的施工技术进行了研究，在隧道有害气体监测、隧道通风及防突等方面取得了一系列成果[1-4]。如赵军喜在2003年结合圆梁山隧道工程，在施工中采用压入式与巷道式相结合的通风方法和钻超前卸压孔方法，有效地降低了有害气体涌出的危险性[5]；王庆国在2008年对瓦斯隧道施工中的几种防突措施进行了简单分析，提出了短进尺、弱爆破、勤监测、强通风、快喷锚等措施，以达到安全、快速施工的目的[6]；2011年，郝俊锁以梅岭关隧道为例，对瓦斯的地质预报、气体检测及隧道通风进行了研究分析，认为非煤系瓦斯隧道安全施工的控制重点在于人与物的因素相结合，以保证施工安全[7]；2014年赵钰结合天台寺隧道的施工工程实例，提出了超前钻探、加强通风、勤检测、短进尺、配备防爆设备和加强施工管理的施工及防治措施并对其效果进行了检验[8]；李鹏等提出了采用物探法和地质法相结合的方式进行非煤系瓦斯隧道的地质预报[9]；庞伟等在2019年结合天目山隧道的工程实例对隧道通风措施进行了研究，通过对比通风前后气体浓度变化分析了有害气体的分布规律，并对通风效果进行了评价[10]。

综合以上研究可以看出，在隧道有害气体施工技术主要集中于气体监测及通风研究，气体防突措施大多针对煤层瓦斯，而快速降毒措施鲜少有学者进行研究。本文针对非煤系隧道有害气体的监测通风一体化动态研究及防突和降毒措施进行了研究创新并以工程实例进行了效果检验，为此类隧道的施工提供了指导作用。

2 非煤系隧道有害气体特征

非煤系隧道有害气体除自身的强渗透性和窒息性以外，还具有高浓度性、复杂多样性、随机性、高压性和预测的高难度性[11]。有害气体的存在和难以预测的规律对隧道施工具有严重的危害性，威胁施工人员的生命安全，易发生高压气体突出且对隧道及设备也具有腐蚀性。

(1) 强渗透性：有害气体的渗透性极高，易透过裂隙发育的岩石渗透到隧道开挖空间中。

(2) 窒息性：有害气体浓度升高，空气中氧气浓度急剧下降，会引起人员窒息。

(3) 高浓度性：从区内有害气体检测和监测情况来看，隧道内二氧化碳浓度持续保持爆表状态，其他有害气体的浓度也远超安全标准限值。

(4) 复杂多样性：目前在非煤系隧道检测出的有害气体种类繁多，二氧化碳、硫化氢、一氧化碳、二氧化硫、氨气及氢气并存，且可能同时存在其他有害气体。

(5) 随机性：区内有害气体浓度呈现出间歇性变化，无明显的规律性可循，呈游离运动的特点，说明有害气体浓度具有随机性。

(6) 高压性：有害气体沿大断裂向上运移的过程中，在节理裂隙密集处容易在局部富集，形成规模大小不等的高压气囊，隧道施工带来了极高的困难和危险性。

(7) 预测高难度性：纵观区内有害气体的变化趋势，由于其无明显的规律性，预测难度较大性。这也凸显了加强有害气体检测的重要性。

3 非煤隧道有害气体施工技术研究

3.1 有害气体监测与通风一体化管理技术

针对非煤系隧道有害气体不确定性、不稳定性及难以预测性等特点，采用人工检测和全自动检测设备相结合的方式，对围岩及施工中的气体检测，并对作业环境进行全过程全自动智能监测，以保证施工安全。按照其作用和检测方法的不同分为隧道周边一定范围围岩中的气体检测、施工工序的气体检测和作业环境的全过程全自动智能监测3种形式。

(1) 围岩中的气体检测

根据超前地质预报TSP、地质雷达、瞬变电磁等物探结果，推测可能存在有害气体的位置，有针对性地在隧道前方及周边实施长、短距离结合的有害气体检测孔，通过检测有害气体的类型、含量、涌出量等参数，判断有害气体可能存在的三维空间位置和分布、运移规律。

(2) 施工工序的气体检测

由专业检测人员每班交接班时对作业环境内有害气体浓度检测，与自动监测系统检测结果相互印证。关键工序、关键工作施工时，由专业检测人员进行有害气体检测，保证施工安全。

(3) 作业环境的全过程全自动智能监测因有害气体成分复杂，每种气体的特性不一，结合各种气体的密度与空气密度的关系，分析各种气体可能富集的区域，在隧道不同断面、断面不同位置布设气体检测探头，实时监测各类有害气体浓度变化。

在非煤系隧道的施工中，根据气体的物理特性，优化有害气体检测部位，合理布置全自动有害气体监测探头，实现有害气体的全方位、无死角监测。并建立隧道有害气体监测与通风一体化动态管理系统，其主要功能包括实时监测数据展示、超限自动报警、通风量调整、各气体季度趋势曲线以及超限预警次数统计几个模块(图 1)，通过围岩中有害气体检测、环境中有害气体监测，以实现有害气体快速预警和信息化管理体系。监测全过程以自动监测为主，辅以手动监测，监测数据传送至洞口控制室，通过数据分析计算气体浓度是否超过警戒阈值，并在气体浓度超标时自主实施通风量调整程序，实现有害气体监测信息化和智能化管理，信息化程度高。

图1 隧道有害气体监测与隧道通风动态管理

该系统的整体架构主要包括(图 2)：

图2 隧道有害气体监测系统整体架构图

(1) 底层数据库：数据库作为系统底层存储结构，主要负责为系统提供永久的数据存储。关系型数据库MySQL提供实时气体浓度值、数据读取时间、超限等级等相关数据的存储功能。

(2) 数据接口层：该层连接数据库，实现气体浓度值记录、超限预警记录等的底层存取和修改；同时为业务层提供数据访问的抽象接口，将数据库与业务层隔离开来，保证数据安全。

(3) 业务层：该层主要包括实时气体浓度值获取、自动通风量调整、季度气体浓度值趋势统计和年度超限预警统计4个功能模块。用户请求到来时，通过url匹配映射到对应的功能函数，经过对用户登录和权限验证后，向下层数据接口发起数据请求，最后将结果包装成JSON格式返回给前端交互层。

(4) 交互层：该层主要提供前后端交互、一般数据渲染以及图表渲染功能。对于与后端的交互功能，该层将用户请求通过Ajax进行包装并传递给后台，并能够接受后端传回的数据或错误信息；该层将后端传回的一般动态数据通过Bootstrap模板引擎进行渲染，图表数据通过ECharts进行渲染。

(5) 展示层：一方面为用户提供进入非煤系隧道有害气体监测系统的入口，另一方面为用户提供交互的直观结果。

根据前人的研究，将非煤系隧道有害气体危险性划分为极高度、高度、中度、低度4个危险等级，在该管理系统中除低度危险的记录外，其余危险等级的记录都存储到超限预警统计数据库中。该系统将有害气体检测纳入工序管理，实施全过程、全方位监测，保证了施工安全，有助于了解有害气体可能存在的空间展布，为有害气体防治提供可靠依据。

3.2 有害气体防突措施

隧道非煤系地层高压有害气体突出表现为在极短的时间内从工作面喷出大量岩石和气体的动力现象。传统的煤层瓦斯防突措施受有害气体种类繁多及气压相对较高的限制，有毒有害气体相较于煤层瓦斯来说难以排放，对施工进度及施工人员的安全威胁较大，不适用于非煤系隧道有害气体的突出治理。因此针对该区域内有害气体突出的特点制定了以物探钻孔预测+钻孔排放+高压注水为主要方式的行之有效的防突措施。其预报手段为物探和钻探，物探手段用以分析工作面前方范围内是否存在高压有害气体，钻孔手段用以测定有害气体初速度及突出的危险性。当判定存在高压有害气体突出的风险时，立即采取钻孔排放及高压注生石灰水的措施。

(1) 物探手段

在非煤系隧道施工前，利用TSP超前预报法、地质雷达等物探手段对前方的地质情况进行预报。其中TSP超前预报每100 m一次，根据实际情况适时加密预报频率，前后两次连续预报应重叠不少于10 m以保证预报结果的连贯性。地质雷达探测前方距离约10～30 m。前后两次连续预报时重叠长度应不少于5 m。物探技术对隧道掌子面前方岩体的完整性、软弱围岩、节理裂隙及空腔位置进行了宏观分析，初步判断了前方围岩存在高压有害气体的可能性。

(2) 钻探手段

以地质调查法和物探手段为基础，进一步对前方范围内的不良地质体和异常部位进行钻探预测，采用长距离钻探+短距离钻探+周边钻探的方法进行。

长距离钻探即超前水平钻，利用钻机在隧道开挖工作面进行钻探，探测孔一般25 m一个循环，单孔长度为30 m左右，立角1°～3°，相邻探测孔之间搭接长度为5 m，当存在异常时适时加密或加深钻孔。

短距离钻探即加深炮孔，在每次开挖前用长6 m的钻杆钻小孔径的浅孔对工作面进行超前探测，炮孔长度应较循环进尺深不少于3 m，每次爆破进尺不超过3 m，外插角21°，使工作面始终保持3 m的安全岩盘。

周边钻探即径向探孔，当超前钻孔监测到存在有害气体时，采用风枪探孔对隧道周边及基底进行探测。孔深5 m，断面环间距5 m，若有害气体浓度较高，则在一开挖段布置探孔进行补充探测。

钻孔均采用水钻，钻探过程中及时记录钻进的时间、速度、压力和冲洗液的颜色、成分；观察是否有气体逸出和卡钻、顶钻、气体喷出等现象；实时监测钻孔内气体浓度及压力并做出准确预报，发现存在高压有害气体时立刻利用防喷封孔器封堵钻孔，为工作人员撤离和处理提供缓冲时间。

(3) 钻孔排放

当检测存在高压有害气体时，可以通过探孔排放实现气体降压以减少有害气体突出风险。有害气体的排放利用已布置的探测孔即可进行，当气体浓度较高时可再增设排气孔，布设范围应超出已探明的有害气体逸出范围不少于3 m，孔径设置为89 mm，孔深应长、短交错布置，工作面保持3 m以上的安全岩盘。施工过程中若某孔动力现象明显，可先行完成其他孔施工后再对该孔进行补钻。每孔完成后应及时检测有害气体类型及浓度，根据效果对排放时间进行适当调整。

(4) 高压注水

非煤系隧道的有害气体如H2S和CO2，在一定条件下溶于水、生石灰水。因此针对性地采取在探孔中高压注入水和生石灰水的方法，通过中和反应来迅速降低有害气体的浓度以达到卸压降毒的作用，同时利用高压水通过围岩裂隙的渗透挤出部分有害气体。高压注生石灰水利用高压水泵送水(图 3)，注水压力为8～10 MPa，操作较为方便，泄压效果好。

图3 高压注水系统简单示意图

3.3 有害气体快速降毒措施

现有研究还没有成熟的隧道有害气体快速降毒技术，因此针对非煤系隧道有害气体的成分复杂及毒性高的特点，提出了利用“中和反应”的快速降毒的方法。其主要特点为：

(1) 隧道爆破作业时，在掌子面安装一定量的有害气体中和溶液，在爆破过程中完成中和反应，利用爆炸能带动水袋爆炸，形成“水楔”，其尖劈作用加剧裂隙的延伸与扩展，爆破形成的高压冲击波将炮孔内的中和溶液挤入围岩裂隙中，与裂隙中的有害气体发生第一次中和反应，降低围岩中有害气体含量。爆破时的高温高压环境使中和溶液雾化，形成细小颗粒在隧道中喷洒，与隧道中残留的有害气体第二次中和反应，快速降低隧道作业环境中有害气体含量。

(2) 改进了隧道爆破装药结构，周边眼采用间隔、不耦合装药，导爆索起爆，药卷间装入长约20 cm有害气体中和溶液水袋；在周边眼与辅助眼之间、辅助眼与辅助眼之间布置钻孔，安装中和溶液水袋。

(3) 采用喷淋、喷雾降毒系统，向作业环境喷洒有害气体消解液，与有害气体进行第三次中和反应，降低有害气体浓度。同时可将喷淋、喷雾降毒系统与有害气体自动监测系统连接，实现一体化和信息化管理，根据有害气体浓度变化情况，及时启用喷淋、喷雾降毒技术，保证施工安全。

4 工程施工实例

4.1 工程概况

红豆山隧道的起讫里程为DK114+497 ～ DK125+113，全长10 616 m，最大埋深1 020 m，最小埋深约14 m，主要以花岗质糜棱岩和印支期黑云母花岗岩为主，设计风险等级Ⅰ级。隧道共设2座斜井和2座洞身平导，分4个工区组织施工，其中进口工区承担2 400 m正洞，1号斜井工区承担2 763 m正洞、1 799 m斜井及2 210 m平导施工；2号斜井工区承担3 445 m正洞、1 657 m斜井及1 600 m平导施工；出口工区承担2 008 m正洞施工。地质资料显示，红豆山隧道有害气体极高度危险区域长度5 764 m，高度危险区域长度6 130 m，高度及以上危险区域长度占隧道总长度的70%以上。

4.2 有害气体监测与通风一体化管理技术应用

以红豆山隧道2017年12月至2019年1月的CO2气体浓度变化为例，从系统展示为气体浓度值的季度趋势曲线图及超限统计饼图(图 4～图 5)可以看出气体在2018年9月之前长期处于高浓度状态，最高浓度可达56 300 ppm，处于高度危险区的约占6.1%，中等危险区的约占43.17%，气体浓度大多数时间呈不稳定振荡型，施工中有必要加强有害气体监测。

图4 CO2气体浓度趋势图

图5 CO2气体年度超限统计饼图

通过对不同的监测位置记录其有害气体浓度检测分析，可判断隧道一定范围内的有害气体的分布位置，是分析有害气体赋存规律及分布特征的重要条件，因此施工中需加强有害气体探测，并及时采取相应的防治措施。

4.3 有害气体防突措施应用

以红豆山隧道为例，在运用该有害气体突出治理技术后，共预测并处理有害气体浓度超标、突出风险等险情150余次，未发生过有害气体突出事故，保障了施工安全。施工中主要采用钻孔排放和高压注水的防突措施，在隧道有害气体浓度明显超标时采取钻孔排放和高压注水的泄压降毒时间进行对比(表 1)并绘制曲线图(图 6)，可见钻孔排放1 d后，浓度无明显变化，而实施注生石灰水措施后，有害气体浓度当天即降低至安全限值以下，可见采用钻孔排放和高压注水对气体泄压效果改善明显。

表1 不同防突措施泄压降毒效果记录表

图6 不同防突措施泄压效果对比曲线

4.4 有害气体快速降毒技术应用

以红豆山隧道为例，2019年1月至5月遇极高浓度的有害气体，超前探孔、炮孔内检测出CO2浓度534～200 000 ppm、H2S浓度2.3～1 000 ppm。现场对连续段落普通光面爆破和生石灰水压爆破，通风15 min后掌子面作业环境中有害气体浓度检测(表 2)，可见20 min后，常规爆破通风时CO2气体和H2S气体浓度仍未降低至安全限值以内，而采用生石灰水压爆破通风时气体浓度降低明显，迅速达到安全限值要求，可见喷洒生石灰水的措施针对性强，能够有效降毒，效果显著。