瓦斯隧道施工关键技术.pptx

瓦斯隧道施工关键技术瓦斯隧道施工关键技术一、概述一、概述二、过煤系地层隧道超前预报技术二、过煤系地层隧道超前预报技术三、隧道瓦斯监测技术三、隧道瓦斯监测技术四、瓦斯隧道施工通风技术四、瓦斯隧道施工通风技术五、隧道煤与瓦斯突出防治技术五、隧道煤与瓦斯突出防治技术六、高瓦斯隧道设备配置六、高瓦斯隧道设备配置七、瓦斯隧道坍方防治技术七、瓦斯隧道坍方防治技术美国美国San Fernando 隧道隧道事故损失情况：事故损失情况：瓦斯爆炸，导致17人死亡，1人幸存原因：地震产生的断层带使得瓦斯大量溢出，隧道内设施成为点火源导致爆炸发生。这是加州历史上最严重的隧道事故，直接促使美国出台了最严格的隧道和矿井安全规定。美国美国Port Huron Port Huron 隧道隧道 事故损失情况：事故损失情况：瓦斯爆炸事故，导致22人死亡。原因：通风设计不合理，瓦斯气体在通风不畅部分聚集，并被点火源引爆，导致发生了地下大爆炸。加纳加纳AkosomboAkosombo水坝引水隧道水坝引水隧道 事故损失情况：事故损失情况：瓦斯爆炸，造成11人死亡。原因：隧道上游为泥岩，深水腐化的有机物产生的沼气是甲烷的源头，由于施工中有焊接操作，导致这次事故的发生。瑞士瑞士Hongrin Hongrin 引水隧道引水隧道 事故损失情况：事故损失情况：爆炸事故发生，共5人死亡。原因：通风设备故障。意大利意大利Great Apennine Great Apennine 隧道隧道 原因：爆破作业后，可燃气体涌出，引燃了木支撑。事故损失情况：事故损失情况：4 次爆炸,400m 长的通风设施被破坏，风房被毁、仰拱坍塌，导致停工7个月。加上其它事故，有97人为这条隧道献出了生命。董家山隧道于2005年12月22日发生特大瓦斯爆炸事故，造成44人死亡，11人受伤，直接经济损失2035万元。贵昆线岩脚寨隧道发生了5次瓦斯燃烧和2次严重的瓦斯爆炸，被迫停工76天，伤亡人数愈百人；达成线炮台山隧道瓦斯爆炸死亡13人，被迫停工7个月；213国道友谊隧道，先后发生瓦斯燃烧、爆炸40余次，并于2004年12月7日发生恶性瓦斯爆炸事故，造成60多人伤亡；炮台山隧道瓦斯爆炸友谊隧道瓦斯爆炸董家山隧道瓦斯爆炸隧道瓦斯爆炸破坏场面隧道瓦斯爆炸破坏场面性质甲烷CH4二氧化碳CO2一氧化碳CO硫化氢H2S乙烷C2H6丙烷C3H8分子量16.04244.0128.0134.0830.0744.09密度（Kg/m3）0.71681.981.251.541.362对空气的比重0.55451.530.971.171.051.55沸点K（101.3kPa）111.3194.583211.2184.7230.8爆炸下限（%）（293K，101.3kPa）512.54.332.1爆炸上限（%）（293K，101.3kPa）15/74.245.512.59.35发热量（MJ/m3，288K）最高值37.1111.8623.564.5398.61最低值33.3811.8621.6358.9388.96 煤层瓦斯主要指煤层及煤层围岩内赋存的气体，以甲烷为主，有约20种组分：甲烷CH4及其同系烃类气体（乙烷C2H6、丙烷C3H8、丁烷C4H10、戊烷C5H12等）、二氧化碳CO2、氮气N2、一氧化碳CO，二氧化硫SO2、硫化氢H2S等。瓦斯在煤体中赋存状态示意瓦斯爆炸会产生三种危害：火焰锋面火焰锋面 火焰锋面是沿隧道运动的化学反应带和烧热的气体，火焰锋面的传播速度一般为500700m/s。冲击波冲击波 冲击波是传播的压力突变。在正向冲击波传播时，其波峰的压力达10kPa2MPa；在正向冲击波叠加或返回时，可形成高达10MPa的压力。隧道空气成分改变隧道空气成分改变 瓦斯爆炸会使隧道中的空气成分发生变化：氧化反应消耗了大量的氧，造成氧浓度降低；释放有害气体（如CO2，CO、高温H2O气体等）；形成爆炸性气体。瓦斯爆炸瓦斯爆炸 瓦斯爆炸的化学反应式如下：瓦斯的爆炸需要三个条件：一定的瓦斯浓度；一定温度的引燃火源；足够的氧。1 1、瓦斯浓度、瓦斯浓度 发生最初着火（爆炸）的瓦斯浓度见下表：瓦斯爆炸浓度瓦斯爆炸浓度 煤尘也具有爆炸性，在300400时能挥发出可燃气体，所以混入煤尘可使瓦斯爆炸下限降低。例如，在其它条件相同时，如将空气中的含尘量由5g/m3增加到40g/m3时，爆炸下限将由4%降低到0.5%。此外，瓦斯爆炸界限还与瓦斯混合气体的初始压力、初始温度有关。当瓦斯混合气体初始压力提高时，爆炸上限大幅提高；当初始温度提高时，爆炸上限也有较大程度的变化。2 2、火源、火源 瓦斯爆炸的第二个条件是高温火源的存在。CH4含量/%233.95791011.7514.35最低着火温度/710700691697701714724742不同浓度瓦斯的最低着火温度不同浓度瓦斯的最低着火温度 瓦斯浓度瓦斯浓度/%/%火源温度火源温度/7757758258258758759259259759751075107511751175感应期感应期/s s6 61.081.080.580.580.350.350.200.200.120.120.0390.0397 71.151.150.600.600.360.360.210.210.130.130.0410.0410.0100.0108 81.251.250.620.620.370.370.220.220.140.140.0420.0420.0120.0129 91.301.300.650.650.390.390.230.230.140.140.0440.0440.0160.01610101.401.400.680.680.410.410.240.240.150.150.0490.0490.0180.01812121.641.640.740.740.440.440.250.250.160.160.0550.0550.0200.020 火源作用的重要特性是其作用的持续时间。因为导致瓦斯爆炸的连锁反应需要一定的时间，所达到爆炸浓度的瓦斯遇到火源时不会立即爆炸，而需要延迟很短的时间感应期。任何火源，只有当其作用延续时间超过感应期时才是危险的。不同浓度瓦斯的感应期不同浓度瓦斯的感应期 这对瓦斯隧道爆破作业具有重要意义，只要炸药、雷管质量合格，炮泥充填符合要求，尽管炸药爆炸后产物可达4500高温，但其作用时间短，因而不会引起瓦斯爆炸。反之，若炸药、雷管质量不好，充填炮泥不符合要求，则爆炸后产物作用时间可能超过感应期而引起瓦斯爆炸。3 3、氧浓度、氧浓度 在大气压力下瓦斯混合气体的爆炸范围可用Coward爆炸三角形进行判别。瓦斯空气爆炸界限与其瓦斯空气爆炸界限与其中氧和瓦斯浓度关系图中氧和瓦斯浓度关系图 右图中的A点表示通常的空气即含O2为20.93%，含N2和CO2为79.07%；瓦斯空气混合气体用AD线表示；B、C点分别表示爆炸下限和上限；BE为混合气体爆炸下限线。在爆炸三角形BCE范围内的混合气体均有爆炸性，BEF线左边的2区为不爆炸区，CEF右边3区为补充氧气后可能爆炸区。瓦斯爆炸范围随着混合气体氧浓度的降低而缩小，当氧含量降低时，瓦斯爆炸下限缓缓的升高（BE线），而爆炸上限则迅速下降（CE线），即在氧含量低于12%时，混合气体即失去爆炸性。瓦斯爆炸需要一定的瓦斯浓度、一定温度的引燃源、足够的氧，三者缺一不可。瓦斯爆炸需要一定的瓦斯浓度、一定温度的引燃源、足够的氧，三者缺一不可。瓦斯防治关键技术之二瓦斯监测技术瓦斯监测技术 为了做到全面、系统的把握隧道内瓦斯状况，必须构建覆盖全隧道危险部位的瓦斯实时监测网络，在可能发生灾害突变之前实施有效预警，并采取相应防治措施。瓦斯防治关键技术之三煤层超前探测技术煤层超前探测技术 通过超前地质预报准确的把握开挖工作面前方煤层和瓦斯状况，针对性的采取防治措施，对于预防瓦斯突出及瓦斯异常涌出效果明显。瓦斯防治关键技术之一通风技术通风技术 从控制瓦斯浓度的角度，通过有效的通风手段驱散、稀释瓦斯，将其控制在爆炸下限内，即使出现少数高温火花等引燃源，也不会导致瓦斯爆炸，是最有效的防止瓦斯爆炸的技术措施。瓦斯隧道施工关键技术瓦斯隧道施工关键技术一、概述一、概述二、过煤系地层隧道超前预报技术二、过煤系地层隧道超前预报技术三、隧道瓦斯监测技术三、隧道瓦斯监测技术四、瓦斯隧道施工通风技术四、瓦斯隧道施工通风技术五、隧道煤与瓦斯突出防治技术五、隧道煤与瓦斯突出防治技术六、高瓦斯隧道设备配置六、高瓦斯隧道设备配置七、瓦斯隧道坍方防治技术七、瓦斯隧道坍方防治技术过煤系地层隧道施工超前地质预报体系过煤系地层隧道施工超前地质预报体系 隧道施工期超前地质预隧道施工期超前地质预报应是一套系统、完整的分报应是一套系统、完整的分析及预测的体系工作，是地析及预测的体系工作，是地质工作、物探手段和钻探分质工作、物探手段和钻探分析的综合应用。析的综合应用。地质工作是对整个隧道工程所处地质环境的宏观把握；物探预测需要与地质分析有机结合；超前钻探是最直观、准确的地质预报方法。（2）地质调查和地质编录：配备地质工程师，对隧洞开挖洞段进行地质编录和观察分析，及时收集第一手资料，根据所揭露的地质现象，结合前期勘察设计资料，并通过已挖洞段预报结果与开挖实际情况对比分析，对物探预报资料进行合理的解释，以保证预报成果的真实性和准确性。（3）物探方法：TSP、HSP、地质雷达等波反射法物探手段以波传播、反射原理为基础，根据反射界面与隧道掌子面间的距离预报前方地质界面位置，根据反射波相位和首波相位关系预测界面介质性质。（4）超前钻探：在地质分析和物探预测的基础上，当接近煤层和其它不良地质体时通过超前钻探准确查明煤层走向、倾角、厚度以及瓦斯压力、涌出量、涌出初速度等参数。（5）综合分析：综合分析将地（质）、物（探）、钻（探）有机结合于一体，依据地质理论对隧道工程的基本地质条件进行分析，采用合理的途径和先进的探测技术手段综合确定不良地质体的性质、位置，并对危害性做出预测评价。（1）宏观分析：熟悉勘察资料、设计图纸，对工程区的地质情况进行全面了解，总体上把握煤层及其它地质构造的性状及分布。紫坪铺隧道施工地质编录紫坪铺隧道施工地质编录 里程掌子面素描瓦斯超限次数K16+935926 25K16+925916 6K16+915906 16TSP观测系统的布设观测系统的布设 炮孔及接收孔的具体布置炮孔及接收孔的具体布置 物探手段物探手段-TSPP波深度偏移剖面波深度偏移剖面 P波反射面波反射面 波速、泊松比、密度曲线和反射面二维图波速、泊松比、密度曲线和反射面二维图 左线左线LK17+386LK17+386掌子面探测点布置示意掌子面探测点布置示意物探手段物探手段-HSP发射通道信号发射通道信号 接收通道信号接收通道信号 右线右线RK17+323RK17+323掌子面测试掌子面测试时域和频域分析成果时域和频域分析成果 对于过煤系地层的隧道而言，超前钻探可实现：（1）前方岩体破碎程度及范围、岩体裂隙及发育情况探测；超前钻探超前钻探 （2）煤层分布、厚度、倾角及走向探测，煤的破坏类型探测；（3）前方岩体瓦斯赋存及瓦斯压力探测；（4）瓦斯涌出预测及涌出初速度测试。接近煤层前，必须对煤层位置进行超前钻探，标定各煤层准确位置，掌握其瓦斯赋存情况：（1）在距煤层1520m处的开挖工作面钻1个超前钻孔、初探煤层位置；（2）在距初探煤层10m处的开挖工作面上钻35个超前钻孔，分别探测开挖工作面前方上部及左右部位煤层位置，并采取煤样和气样进行物理、化学分析和煤层瓦斯参数测定，在现场进行瓦斯含量、涌出量、压力等测试工作；（3）按各孔见煤、出煤点计算煤层厚度、倾角、走向及与隧道的关系，并分析煤层顶、底板岩性；（4）掌握并收集钻孔过程中的瓦斯动力现象，若钻孔过程大量的瓦斯、煤浆、煤粉、水从钻孔中喷出或高压瓦斯将钻杆向外推（顶钻）、夹钻、抱钻等现象，则掌子面前方可能会产生煤和瓦斯突出。煤层探测煤层探测 煤层在大范围中是任意不规则的曲面，但在隧道附近的小范围内，可以假定煤层是平面，设其方程是：若探测孔为三个，其见煤点坐标为：A1（x1,y1,z1）、A2（x2,y2,z2）、A3（x3,y3,z3），则煤层面的方程为：为了精确确定煤层厚度和位置，除探测孔外，应该利用瓦斯预测、排放孔的参数，共同确定煤层的平面方程。此时，理想的煤面方程应满足煤面至各探孔过煤点垂距平方和最小的条件。用求最小值的原理，可求得方程式中的各项系数。煤层参数计算：倾角：煤层走向与隧道中线夹角：煤层厚度：紫坪铺隧道超前钻探断面布置紫坪铺隧道超前钻探断面布置钻孔芯样钻孔芯样 超前钻孔平面布置图超前钻孔平面布置图 开挖过程揭示的水平煤层开挖过程揭示的水平煤层 瓦斯压力测定瓦斯压力测定 煤层瓦斯压力测定是通过钻孔揭露煤层，安设测定仪表并密封钻孔，利用煤层中瓦斯的自然渗透原理测定在钻孔揭露处达到平衡的瓦斯压力。瓦斯压力测定分为主动测压法主动测压法和被动测压法被动测压法：（1）主动测压法是通过钻孔向被测煤层充入补偿气体达到瓦斯压力平衡而测定煤层瓦斯压力的测压方法，补偿气体可采用高压氮气（N2）、高压二氧化碳气体（CO2）或其它惰性气体，补偿气体的充气压力应略高于预计煤层瓦斯压力；（2）被动测压法是钻孔封完孔后，通过被测煤层瓦斯的自然渗透，达到瓦斯压力平衡而测定瓦斯压力的测压方法。水平钻孔封孔工艺水平钻孔封孔工艺 倾斜钻孔封孔工艺倾斜钻孔封孔工艺 钻孔瓦斯参数测试工艺钻孔瓦斯参数测试工艺 超前预报与实际开挖观测对比超前预报与实际开挖观测对比 预报里程地质综合分析结果开挖观测结果LK16+950LK16+930以泥岩为主，夹少量砂岩，围岩破碎、节理裂隙发育，易掉块，含水灰色砂岩、炭质泥岩互层，夹煤屑，充填泥，其中LK16+855处有煤包体，松散破碎，掌子面自稳时间0.5minLK16+930LK16+915砂岩和泥岩互层，节理裂隙发育或软弱夹层，含水富水灰色薄中层细粒砂岩夹炭质泥岩互层，多分布煤线，线状流水，掌子面自稳时间1minLK16+915LK16+898以泥岩为主，夹少量薄层砂岩，围岩较破碎，易掉块，可能小型坍方，含水灰色炭质泥岩夹薄层细砂岩，层面夹煤屑，充填泥，强度极低，线状流水，掌子面自稳时间0.3minLK16+898LK16+878砂岩和炭质泥岩互层，围岩较破碎，含水灰色薄中层砂质泥岩夹煤线，上台阶含石英岩脉，线状流水，掌子面自稳时间1minLK16+878LK16+860以砂岩为主，夹薄层泥岩或炭质泥岩，围岩较破碎，含水灰色薄中层含煤包体细中粒砂岩，线状流水，掌子面自稳时间1minLK16+860LK16+845以泥岩或泥岩或炭质泥岩为主，夹少量砂岩，围岩破碎，节理裂隙发育，易掉块，可能小型坍方，含水灰色炭质泥岩夹薄层细砂岩，含多个煤包体，松散破碎，强度极低，自稳时间0.5minLK16+845LK16+825砂岩和泥岩互层，围岩破碎，节理裂隙发育，含水灰色炭质泥岩夹薄层细砂岩，含多个煤包体，线状流水，松散破碎，强度极低，自稳时间0.5minLK16+825LK16+810以泥岩或炭质泥岩为主，夹少量砂岩，围岩破碎，节理裂隙发育，含水灰色炭质泥岩夹薄中层细粒砂岩互层，含煤包体砂岩，线状流水LK16+810LK16+790砂岩和炭质泥岩互层，围岩较破碎，节理裂隙发育，易掉块，含水以灰色炭质泥岩为主，含5层0.10.3m薄煤层，线状流水，松散破碎，强度极低，自稳时间0.5minLK16+810LK16+790砂岩和炭质泥岩互层，围岩较破碎，节理裂隙发育，含水灰色炭质泥岩夹薄中层细粒砂岩互层，多煤线分布，线状流水，自稳时间1minLK16+790LK16+770以砂岩为主，夹薄层泥岩或炭质泥岩，围岩较破碎，含水灰色中层含煤包体中粒砂岩，局部煤线分布，线状流水，自稳时间1minLK16+770LK16+750以砂岩为主，夹薄层泥岩或炭质泥岩，围岩较破碎，含水灰色中层含煤包体中粒砂岩，局部煤线分布，线状流水，自稳时间1min瓦斯隧道施工关键技术瓦斯隧道施工关键技术一、概述一、概述二、过煤系地层隧道超前预报技术二、过煤系地层隧道超前预报技术三、隧道瓦斯监测技术三、隧道瓦斯监测技术四、瓦斯隧道施工通风技术四、瓦斯隧道施工通风技术五、隧道煤与瓦斯突出防治技术五、隧道煤与瓦斯突出防治技术六、高瓦斯隧道设备配置六、高瓦斯隧道设备配置七、瓦斯隧道坍方防治技术七、瓦斯隧道坍方防治技术瓦斯检测仪器及监控系统瓦斯检测仪器及监控系统 目前，隧道施工中瓦斯检测及监控还没有形成自身体系，多直接采用煤矿安全生产中的瓦斯检测仪器或监控系统。主要有以下几种：1、便携式瓦斯检测仪 2、瓦斯遥测仪 3、瓦斯监控系统 便携式瓦斯检测仪携带方便，操作简易，可直接快速测定矿井或隧道内任意位置瓦斯浓度，较好的满足生产、施工需要，目前在隧道施工中应用较为广泛。按测定瓦斯的原理，便携式瓦斯检测仪可分为热效式瓦斯检测仪、热导式瓦斯检测仪、光学瓦斯检测仪和气敏半导体瓦斯检测仪。1 1、便携式瓦斯检测仪、便携式瓦斯检测仪检测仪种类检测原理优点缺点热效式检测仪利用气体热效应差异进行检测1.低浓度时灵敏度高2.受其它不可燃气体影响小3.CO2影响小1.受温度影响2.瓦斯浓度检测范围有限3.受H2S影响大热导式检测仪利用气体导热系数差异进行检测1.精度高，稳定性好2.瓦斯浓度检测范围大1.受CO2温度、湿度影响2.气体选择性差光学检测仪利用气体的光折射率差产生的干涉条纹位移进行检测1.精度高，体积小，容易校正2.瓦斯浓度检测范围大1.受空气影响2.气体选样性差气敏半导体式检测仪利用半导体与气体接触后其特性发生变化进行检测1.精度高2.瓦斯浓度检测范围大3.制作工艺简单1.稳定性差2.受环境影响大3.气体选样性差 瓦斯遥测仪具有连续监测、记录、报警和断电等装置，可安全、高效的监测矿井、隧道作业点和回风流中的瓦斯。2 2、瓦斯遥测仪、瓦斯遥测仪 瓦斯遥测仪主要包括探头、发送机、报警器、接收机、自动记录仪和低通滤波器等装置，最远可实现10km的遥测。其遥测原理如下图。瓦斯监控系统的功能侧重于监测，即对环境的各种参数进行收集处理，控制功能主要是实施瓦斯超限断电处理。3 3、瓦斯监控系统、瓦斯监控系统 国外广泛应用的瓦斯监控系统有英国MINOS瓦斯监测系统、德国TF-200瓦斯监控系统、波兰CMM-20瓦斯监测系统等。安全监控系统为煤矿和瓦斯隧道安全生产和管理起到了十分重要的作用。国内各主要科研单位和生产厂家相继推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000和KJG2000等监控系统，以及MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。自动监控系统掌子面衬砌处加宽带回风口隧道瓦斯实时监测网络人工现场检测隧 道 所有 开 挖工作面、局 部 塌方地点使用中的机械电气设备的设置地点有人员作业的地点瓦斯浓度可能超限或积聚的地点 全面、实时把握隧道内瓦斯信息是采取相应防治措施、防止瓦斯灾害事故的重要依据。目前，隧道施工期瓦斯监测网络多采用系统自动监控和人工检测相结合的模式，即通过自动监测、监控系统覆盖隧道重点部位和易发生瓦斯积聚的部位，实现实时监测及预警；通过人工检测，实现全隧道范围的瓦斯数据补充采集。通过系统自动监控和人工检测的相互补充、相互配合，可构建起覆盖全隧的瓦斯实时监测网络，有效解决瓦斯漏检漏测难题，系统、全面把握隧道内任意位置任意时刻的瓦斯信息。自动监控和人工检测方法的技术特性见下表。自动监控和人工检测方法的技术特性对比自动监控和人工检测方法的技术特性对比特性自动检测人工检测检测位置及频率重要部位的连续性监测所有开挖工作面、局部塌方地点，使用中的机械电气设备的设置地点，作业点附近，瓦斯可能积聚处及各种通风死角一定频次的检测理论支持多、复杂简单、易理解检测作业方便性操作简便，可遥测现场作业，耗时多检测连续性连续离散，有一定的检测频率检测数据特性连续性强变化幅度大检测数据结果平均值最大值、最小值经济性初次投入大一次性投入少地点限值超限处理措施低瓦斯工区任意处0.5%超限处20m范围内立即停工，查明原因，加强通风监测局部瓦斯积聚2.0%超限处附近20m停工，断电，撤人，进行处理，加强通风开挖工作面风流中1.0%停止钻机钻孔作业1.5%超限处附近20m停工，断电，撤人，进行处理，加强通风等回风巷或工作面回风流中1.0%停工，撤人，处理放炮地点附近20m风流中1.0%严禁装药放炮煤层放炮后工作面风流中1.0%继续通风，不得进入局扇及电气开关10m范围内0.5%停机，通风，处理电动机及开关附近20m范围内1.5%停止运转，撤出人员，切断电源，进行处理竣工后洞内任何处0.5%查明渗漏点，进行整治隧道内瓦斯浓度限值及超限处理措施隧道内瓦斯浓度限值及超限处理措施 紫坪铺隧道瓦斯监测模式示意紫坪铺隧道瓦斯监测模式示意“瓦电闭锁瓦电闭锁”在区域供电主开关处设置JY82型瓦斯断电仪，将其探头设在有瓦斯突出及工作面适当地方，当瓦斯超限时，该探头发出警告信号，同时经断电仪控制迅速切断供电主开关，瓦斯浓度未降到要求标准前断电仪能控制主开关不能合闸送电，从而保证了施工和人身安全，实现瓦斯超限时与供电主开关的闭锁功能，即“瓦电闭锁”。隧道内使用的智能型瓦斯传感器隧道内使用的智能型瓦斯传感器“瓦电闭锁瓦电闭锁”示意图示意图“风电闭锁风电闭锁”对于压入式通风为主的紫坪铺隧道施工，必须是隧道主通风设备和局部通风设备与开挖面动力设备主开关间设有电气闭锁线路，即“风电闭锁”。任何情况下，风机停止，则开挖面动力设备即停止工作；风扇启动时，其它动力设备不会同时启动，以保证安全，也即“风扇闭锁。“风电闭锁风电闭锁”示意图示意图 隧道内自动监控系统传感器布设隧道内自动监控系统传感器布设 布设地点监控内容传感器型号数量（台）作用开挖工作面瓦斯KG97011检测工作面瓦斯浓度氧气1检测工作面氧气浓度二衬工作面瓦斯KG97011检测瓦斯浓度加宽带瓦斯KG97011检测瓦斯浓度回风瓦斯KG97011检测瓦斯浓度洞外风机开停1检测风机开停状况 监测系统图示监测系统图示监测系统显示屏监测系统显示屏 监控系统主机监控系统主机 监测系统回风流探测器监测系统回风流探测器 系统探测器系统探测器 紫坪铺隧道瓦斯浓度监测具典型特征的实测数据(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)瓦斯隧道施工关键技术瓦斯隧道施工关键技术一、概述一、概述二、过煤系地层隧道超前预报技术二、过煤系地层隧道超前预报技术三、隧道瓦斯监测技术三、隧道瓦斯监测技术四、瓦斯隧道施工通风技术四、瓦斯隧道施工通风技术五、隧道煤与瓦斯突出防治技术五、隧道煤与瓦斯突出防治技术六、高瓦斯隧道设备配置六、高瓦斯隧道设备配置七、瓦斯隧道坍方防治技术七、瓦斯隧道坍方防治技术 从风管管口到风流反向点的距离称为有效射程，有效射程以外的瓦斯、炮烟及废气等，呈涡流状态，不能迅速排出，故风管管口距离掌子面的长度必须小于有效射程。压入式通风风流的有效射程压入式通风风流的有效射程 压入式通风压入式通风 1 1、压入式通风、压入式通风 压入式通风的优点是有效射程大，冲淡、排出瓦斯及炮烟的效果好；工作面回风不通过风机和通风管，在有瓦斯涌出的工作面采用该通风方式比较安全；工作面的污浊空气沿隧道流出，沿途带走隧道内的瓦斯、粉尘及施工机械尾气，对改善工作面环境、降低工作面瓦斯浓度更有利。压入式通风的缺点主要在于长距离掘进排出瓦斯、炮烟需要的风量大，通风排烟时间较长，回风流污染整条隧道。根据绝大多数隧道无轨运输施工特点，采用压入式通风可以使工作面的污染度最小，空气质量最好，通风机不需经常移动，且压入式的有效射程比吸入式的有效吸程大得多，利于工作面设备布置和作业，管理上也方便，因而更宜于机械化作业。故独头掘进长度小于2km的瓦斯隧道多采用压入式通风，是目前隧道施工通风的主要方式。发耳隧道等众多独头瓦斯隧道均采用压入式通风。2 2、抽出式（压出式）通风、抽出式（压出式）通风 抽出式通风采用硬质风管，如图(a)所示；若采用柔性风管，则系统布置应如图(b)所示的压出式通风，两种方式特点类似。抽出式通风和压出式通风抽出式通风和压出式通风 对于抽出式通风，随着离风管管口距离的增加风速急剧下降，故吸风的有效作用范围很小。风流沿隧道流至工作面，再反向进入风管。风流的有效作用范围称为有效吸程。有效吸程以外的瓦斯、炮烟及废气等呈涡流状态，排出困难。故抽出式通风布置中，风管管口距离掌子面的长度必须小于有效吸程。抽出式通风风流有效吸程抽出式通风风流有效吸程 抽出式（压出式）通风的优点是：在有效吸程内排出瓦斯和炮烟效果好，所需风量小，回风流不污染隧道，适于采用有轨运输的隧道施工通风。抽出式（压出式）通风的缺点是：有效吸程很短，只有当风管管口离工作面很近时才能达到通风效果，往往造成工作面设备布置困难，通风设备有被爆破飞石损坏的可能。在瓦斯隧道中，由于抽出式通风回风流经过风机和风管，如果叶轮与外壳碰撞或其它原因产生火花，有引起瓦斯爆炸的危险，故风机叶轮必须用软金属制造以避免产生撞击火花，且电机须为防爆型。3 3、混合式通风、混合式通风 混合式通风系统如下图所示。抽出式（在柔性风管系统中作压出式布置）风机的功率较大，是主风机；压入式风机是辅助风机。混合式通风混合式通风 混合式通风系统中压入风机的送风长度相对较短，需要的风量也较主风机系统小，有时可用压气引射器代替。为了避免循环风，混合式通风系统中压入式风机进风口距抽出式风管吸风口（或压出式风机吸风口）的重合距离不得小于10m。两风管重合段内隧道平均风速不得小于该隧道的最低允许风速。混合式通风的优点在于这种方式综合了压入式通风和抽出式通风两种方式的优点，利用压入式风机有效射程长的特点，把瓦斯、炮烟及废气等搅混、稀释并排离工作面，再由抽出式（压出式）风机吸走，适合于大断面长距离隧道通风，在机械化作业时更为有利。混合式通风的缺点是必须保证两台风机同时运转，通风系统较复杂，可靠性差，不便于管理，且运行成本高。目前，混合式通风在煤矿系统中应用较多，在公路隧道和铁路隧道中也有一定应用，如圆梁山隧道等瓦斯隧道施工过程中曾阶段性采用过混合式通风。巷道式通风巷道式通风 巷道式通风适用于设有平导的长隧道或左、右线分离的平行隧道，尤其适于瓦斯隧道特别是高瓦斯隧道施工通风。正洞和平导前面的独头掘进隧道，可以采用局部的风管式通风。巷道式通风巷道式通风 早期隧道施工中，巷道式通风局限于传统的矿山巷道式通风，即压入式风机安装在进风隧道内，污染空气沿平导或另一条平行隧道流出。为避免循环风，不用于风流循环的的横通道须设置风门。南昆线家竹箐隧道即采用这种通风方式，成功解决了高瓦斯隧道通风的难题。华蓥山隧道施工通风中引入射流风机，摒弃了传统的采用大功率主风机向洞内输送新鲜空气的通风方式，利用先进的射流技术推动洞内外空气的交换，把洞口到射流风机的区段变为真正意义上的巷道式通风（进风道为新鲜风流），在射流风机到掘进面之间实现单一的压入式通风（轴流风机置于新鲜风带中）。射流巷道式通风充分发挥了巷道式通风的优势，具有通风效果好、能耗低、现场操作简单、可靠性高等优势，是长大高瓦斯隧道（双线隧道或有平导的长大隧道）最适合的施工通风方式，在近几年瓦斯隧道建设中得到大量推广应用，如都汶高速公路紫坪铺隧道、龙溪隧道；垫邻高速公路明月山隧道、铜锣山隧道以及忠垫高速公路谭家寨隧道等均采用此种施工通风方式，取得了显著的防治瓦斯的效果。瓦斯隧道施工，通过施工通风，可以冲淡、稀释瓦斯，并防止瓦斯在角隅或洞顶滞留，前者主要与风量有关，后者主要与风速有关。必须根据瓦斯涌出量、爆破排烟、同时工作的最多人数、洞内施工机械排放废气量等分别计算通风所需风量，并按允许风速进行检验，采用其中的最大值，以确保风量和风速满足瓦斯防治要求。1 1、按瓦斯涌出量计算、按瓦斯涌出量计算 独头掘进的瓦斯隧道多采用压入式通风，整个巷道都是回风流，考虑到洞内有电气设备，工作面后方还有后部工序作业，故工作面风流中瓦斯浓度须稀释在0.5%以下。对于有平导的巷道式通风，回风风流中瓦斯浓度应在0.75%以下。但其开挖工作面仍为独头，风流中的瓦斯浓度应控制在0.5%以下。式中：Q 瓦斯隧道通风量；q 瓦斯绝对涌出量；r 工作面回风流瓦斯允许浓度；k 瓦斯涌出不均匀系数，取1.52.0。2 2、按稀释和排炮烟所需风量计算、按稀释和排炮烟所需风量计算 按排出炮烟计算风量的公式多带有经验公式的特点，不可避免的带有各种取值范围较广的系数，应用时要充分考虑其局限性，并在实践中予以修正。式中：t放炮后通风时间；G 单次爆破最大装药量；淋水系数；b炸药爆炸时的有害气体生成量，煤层中爆破取100，岩层中爆破取40；风管漏风系数；L最长通风距离，长距离隧道掘进时，炮烟在沿隧道流动过程中与空气混合，在未到达隧道出口时已被稀释到允许浓度，从工作面至炮烟已稀释到允许浓度处的距离称为临界长度，在这种情况下，L 取临界长度值，K为紊流扩散系数。3 3、按洞内同一时间最多人数所需风量计算、按洞内同一时间最多人数所需风量计算 根据铁路、矿山等部门颁发的隧道施工技术规范规定，每人每分钟供给风量不得小于4m3，则：式中：k 备用系数；N 洞内同一时间最多人数。4 4、按稀释和排出内燃机废气风量计算、按稀释和排出内燃机废气风量计算 式中：Ci 第i项污染物排放浓度；Ti第i项污染物允许浓度；q 柴油机废气排放率，5 5、按洞内最小允许风速验算、按洞内最小允许风速验算 对于瓦斯隧道施工通风而言，由于瓦斯比重小于空气，易停滞在隧道顶部，而附壁效应也使靠近洞壁的瓦斯浓度较大，根据有关资料，瓦斯逸出处附近的拱顶往往会形成一片长1015m，宽23m的瓦斯层，其厚度一般为20cm，滞留层的瓦斯浓度在底部为2%，而顶部可超过10%。如果洞内风速较大，可把洞顶的瓦斯滞留层吹散而融合到风流中。根据铁路瓦斯隧道技术规范规定：瓦斯隧道施工中防止瓦斯积聚的风速不宜小于1m/s。则工作面风量计算如下：式中：Q 掌子面最小风速需风量；S 隧道最大断面；最小允许风速。通风系统设计通风系统设计 隧道施工通风系统设计计算步骤如下：（1）漏风系数式中：L 管道长度；P100 平均百米漏风率；百米漏风率。（2）风机供风量 式中：安全裕度；Qmax 取工作面风量计算中各项之最大者或（3）风阻系数 式中：a 管道摩擦阻力系数；管道沿程阻力系数（达西系数），无因次；空气密度。（4）管道阻力损失及通风机全压 于是，管道阻力损失：P100、和a等是系统设计中最重要的参数，又都与管道的材质、直径、联接形式、表面状况、制造及安装维护密切相关，只有通过大量的工程试验，才能获得较准确的值。由于长距离通风系统管道的泄露不可忽视，设计风量应取风机风量与工作面的几何平均值：式中：hV 管道出口动压损失。通风机功率：式中：风机效率。在忽略的情况下，根据和可初选通风机，可由上面的公式绘制管道特性曲线，如下图所示，其与通风机特性曲线的交点即是系统的工作点。对于一个合理的系统，应当使在最长通风距离时，该工作点应处在风机高效稳定的工作区内；工况点的风量；工况点的全压低于风机额定全压；与风机设计工况尽量靠近。（5）风机选型及系统工况通风机与管道联合工作特性通风机与管道联合工作特性瓦斯局部积聚处理瓦斯局部积聚处理 国内外的煤矿、隧道瓦斯爆炸事故分析表明，约一半以上的爆炸事故是由于局部瓦斯积聚发生的。因此，预防和处理局部瓦斯积聚是高瓦斯隧道通风的一项重要工作。瓦斯积聚一般由于隧道里风速偏低或隧顶有瓦斯涌出源（煤线或生烃岩层）引起的。影响瓦斯积聚范围的主要因素包括形成瓦斯积聚的瓦斯涌出量、隧道中的风速、回风流的瓦斯平均浓度和隧道断面型式。为了及时发现和消除隧道瓦斯局部积聚，要加强对可能出现瓦斯积聚地区的瓦斯浓度测量。通常，停风区、顶板冒落空洞、在隧道断面形状突变处、横通道处、二衬台车处以及洞壁不平齐处等处易聚集瓦斯。施工过程发生坍方时，空洞中的瓦斯浓度更是可达50%80%，并且瓦斯浓度沿空洞高度基本相等。防止和消除隧道瓦斯局部积聚的主要方法是全面或局部增加风速。一般而言，如果隧顶有集中瓦斯涌出源（由裂隙涌出等）形成瓦斯层，消除积聚瓦斯所需的平均风速为：式中：q 形成瓦斯层的涌出源瓦斯流量；De 隧道的当量直径。如果不能保证消除危险区段瓦斯积聚所需的风速，应该采取局部增加风速的方法，例如在具有流量0.5m3/min及更高的分散或集中瓦斯涌出源的条件下，要用局部风机消除瓦斯积聚。在高瓦斯隧道施工中可有如下防止瓦斯积聚的主要措施：（1）提高光面爆破效果，使隧道壁面尽量平整，既可减少瓦斯积聚空间，又可减小通风阻力，达到通风气流顺畅；（2）及时喷混凝土封堵岩壁的裂隙和残存的炮眼，减少瓦斯渗入隧道；（3）增大风速，减少瓦斯积聚可能；（4）向瓦斯积聚部位送风驱散瓦斯。在瓦斯隧道施工中，可采用以下方法向瓦斯积聚部位送风驱散瓦斯：风筒分支排放风筒分支排放压风排除瓦斯压风排除瓦斯瓦斯隧道通风管理瓦斯隧道通风管理 通风效果的好坏，通风系统设计是前提，管理是关键。为保持良好的通风效果，必须加强管理，健全管理制度，以确保通风效果和施工安全。瓦斯隧道施工期间，应建立瓦斯通风监控体系，测定风速、风量等参数。对瓦斯易积聚的地段，可采用局部风机等设备，实施局部通风以消除瓦斯积聚；瓦斯隧道在施工通风期间，应连续通风。压入式风机必须装设在洞外或洞内新鲜风流中，避免污风循环。瓦斯隧道采用风管式通风时，应采用抗静电、阻燃的风管，并保证风管百米漏风率不大于1%。采用传统的矿山巷道式通风时，除用作回风的横通道外，其它不用的横通道应及时封闭，这是减少漏风的关键措施。通风管理质量评估体系通风管理质量评估体系 评估项目及质量标准分值一、主要通风管理1000.4（一）主通风机管理1000.40.4主通风机能力满足要求，安设位置符合相关规定35主通风机开启的台数和档速满足要求30主通风机必须安装水柱计、电流表、电压表、轴承温度计、通讯电话5主通风机应配备专职司机(司机必须经过培训)、建立风机运行记录、司机岗位责任制和操作规程10主通风机应安设两路电源，当一路电源停止供电时，另一路应在15min内接通10主通风机因检修、停电或其它原因停止运转时，必须制定停风措施；主通风机开停必须由瓦检员指挥，不得随意开停，停主要通风机必须有安全技术措施10（二）隧道内通风管理1000.40.3隧道必须有完整独立的通风系统45隧道内风速、风量及计算符合铁路瓦斯隧道防治技术规范及煤矿安全规程要求35瓦斯隧道各开挖工作面必须采用独立通风，严禁任何两个工作面之间串联通风20（三）主通风机风管管理1000.40.3必须采用抗静电、阻燃风管；风管吊挂平直，风管拐弯处要设弯头或缓慢拐弯；风管口到掌子面的距离符合规定50风管接头严密(手到接头处0.1m处感觉不到漏风)；无破损(末端20m除外)50二、局部通风管理1000.20局部通风机的选择应满足局部通风要求30局部通风机的安装及标准符合相关规范要求40局部通风机必须由指定人员负责管理(专职瓦检员、放炮员或安全员兼管)，不得无计划停风，有计划停风的必须有专项停风安全措施，保证正常运转；使用局部通风机供风的掌子面不得停风；因检修、停电等原因停风时，必须有备用局部通风机20高瓦斯隧道必须实行“三专、两闭锁”供电10三、通风安全管理制度1000.10施工企业必须建立安全管理部门或配备专职安全管理人员10建立、健全各级领导和各业务部门的安全管理责任制，并严格执行10隧道风量调节符合规定要求；有风量调节记录15必须建立测风制度，每10天进行一次全面测风，同时应根据需要测风，并有测风记录及牌板25通风安全、瓦斯仪器仪表要定期校验，确保使用的准确性15瓦检员、放炮员、测风员等要制定定期培训计划，每次培训要考核，有记录可查，并持证上岗25评分及安全程度9075906075506050安装状况良好低安全风险安装状况较好较低安全风险安全状况中等中等安全风险安全状况较差较高安全风险高安全风险不安全风管通风防漏降阻措施风管通风防漏降阻措施 对于采用风管通风的长大隧道施工而言，风管性能的优劣和制造、安装及维护的质量对通风效果有着直接的影响。1）由于风管风阻与直径的