高瓦斯隧道施工技术研究.doc

高瓦斯隧道施工技术研究 1.工程概况 ××隧道是××线扩能改造工程的重点控制项目，由施工经验丰富的中铁××局负责施工。隧道的不良地质及特殊岩土有瓦斯、涌水、突泥、断层、石膏等。隧道围岩级别为：Ⅲ级围岩2346m、占全长78.04%，Ⅳ级围岩330m、占全长10.98%，Ⅴ级围岩330m、占全长10.98%；隧道在进口段穿越红花塘（F1）断层，大梁子（F2）断层，断层及破碎带岩体破碎，呈碎石角砾状；预计隧道正常涌水量为2200m3/d，最大涌水量为4300m3/d；地下水对混凝土具有中等硫酸盐腐蚀性。 根据区域地质勘察和设计资料分析，经专家论证本隧道为高瓦斯隧道，深层天然气有上逸从隧道中涌出的可能性，其随机性很强，但瓦斯突出的可能性很小；由于该隧道为高瓦斯隧道，为满足施工期间的通风和瓦斯防治需求，于线路前进方向右侧设置平行导坑，形成巷道式通风，平行导坑全长2206m，平行导坑与左线线路中线间距34.6m。 根据《铁路瓦斯隧道施工技术规范》，瓦斯隧道可根据施工期间瓦斯涌出量分为低瓦斯工区和高瓦斯工区，即瓦斯涌出量0.5m3/min为低瓦斯工区，瓦斯涌出量≥0.5m3/min为高瓦斯工区。 2.瓦斯防治 2.1瓦斯概念 瓦斯的概念：广义上瓦斯是指矿井或隧道中由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，由此可见，瓦斯指的是一种混合气体，其组分包括井下或隧道煤层中含有的所有的有毒有害气体，瓦斯由于其各组分成分不同，性质也有较大差别，从安全角度可以将这些组分划分为四类：①可燃性气体：甲烷及其同系烷烃、环烷烃、H2、CO、H2S等等； ②有毒性气体：CO、H2S、SO2、NH3、NO、NO2 等等； ③窒息性气体：N2、CH4、CO2、H2等等；④放射性气体：氡气等。 由于瓦斯的各组分中甲烷往往占含量的90%以上，在狭义上，瓦斯单独指甲烷。 2.2瓦斯性质 瓦斯(甲烷)是一种无色、无味、无臭的气体。在标准状态下，瓦斯密度为0.7168kg/m3，相对密度为0.554。瓦斯微溶于水，在20℃、101.3kPa条件下，溶解度为3.5L/100L水。瓦斯的扩散性很强，扩散速度是空气的1.34倍，在井下巷道或隧道中风流流动一般处于紊流状态，由煤壁或围岩中涌出的瓦斯很容易与空气均匀混合，所以在风量充足的巷道或隧道中，瓦斯的分布通常是均匀的；在无风或风量不足的情况下，瓦斯只能依靠扩散作用与空气混合，由于瓦斯较轻，故常积聚在隧道的拱顶部及顶板冒落空洞中。 瓦斯本身无毒，但不能供人呼吸。瓦斯不助燃，但与空气混合达到一定浓度后，遇到高温火焰时能够燃烧或爆炸。 2.3瓦斯燃烧和爆炸 在高温作用下，一定浓度的瓦斯与空气中的氧气会发生激烈复杂的氧化反应，生成二氧化碳和水，并放出大量的热，而这些热量又能够使生成的二氧化碳和水蒸汽迅速膨胀，从而形成高温、高压并以极高的速度(每秒可达数百米)向外冲击的冲击波，并伴有声响，这就形成了瓦斯爆炸。当瓦斯与氧气的化学反应进行得比较缓慢，没有明显的动力效应时，就是燃烧；如果化学反应进行得十分剧烈并且有显著的动力效应，就是瓦斯爆炸。 瓦斯爆炸是有一定浓度范围的，只有在5%～16%这个浓度范围内，瓦斯才能爆炸，这个范围称为瓦斯爆炸界限。5%是最低爆炸浓度，叫爆炸下限；16%是最高爆炸浓度，叫爆炸上限。如图2-1所示。 2.4瓦斯爆炸的条件及影响因素 瓦斯爆炸必须具备三个基本条件，缺一不可。一是空气中瓦斯浓度达到5%～16%；二是要有温度为650～750℃的引爆火源；三是空气中氧含量不低于12%。 影响瓦斯爆炸的因素很多、很复杂，其主要因素有： (1)可燃性气体的混入。当瓦斯和空气的混合气体中混入可燃性气体时，由于这些气体(如氢、硫化氢、乙烷、一氧化碳等)本身具有爆炸性，不仅增加了爆炸气体的总浓度，而且会使瓦斯爆炸下限降低，从而扩大了瓦斯爆炸的界限。因此，井下发生火灾或产生有其他可燃性气体时，即使平时瓦斯涌出量不大的矿井，也可能发生瓦斯爆炸，应特别引起注意。 (2)爆炸性煤尘的混入。在瓦斯和空气的混合气体中，如果混入有爆炸性煤尘时，由于煤尘本身遇到火源能够放出可燃性气体，因此能使瓦斯爆炸下限降低。因此，作好防尘工作对防止瓦斯爆炸有着十分重要的意义。 (3)惰性气体的混入。在瓦斯和空气的混合气体中，混入惰性气体(如二氧化碳、氮气、卤族元素等)将使氧气浓度减少，可以缩小瓦斯爆炸界限，降低瓦斯爆炸危险性。 (4)混合气体的初始温度(即爆炸发生前混合气体的温度)。试验表明，初始温度越高，瓦斯爆炸界限就越大。当初始温度为20℃时，瓦斯爆炸界限为6.0%～13.4%；初始温度为700℃时，爆炸界限为3.25%～18.75%。因此，井下发生火灾或爆炸时，高温会使原来并未达到爆炸浓度的瓦斯发生爆炸，这一点在救灾时应特别注意。 (5)瓦斯浓度与引火温度。不同