非伴煤瓦斯隧道概念及其工程意义

时间：2024-07-28

兰北章，李佳，胡瑶纯，徐培强，魏有仪

(1.四川成德南高速公路有限责任公司,四川成都 610047；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；3.西南交通大学地球科学与环境学院，四川成都 610031)

董家山隧道瓦斯燃爆事故引发人们广泛关注，瓦斯隧道施工安全在我国交通隧道工程领域得到了高度重视。反思隧道瓦斯燃爆灾难发生的前因后果，总结其经验教训，对于今后类似工程建设安全极为重要。

1959年1月～6月，贵昆线岩脚寨铁路隧道，虽然处于高瓦斯煤层发育地区，由于对交通隧道瓦斯危害认识不足，加之当时施工条件、技术及防爆措施均存在一定的局限性，5次燃烧2次爆炸造成了多达220人的伤亡事故[1]。1994年4月，达成铁路炮台山隧道由于对非煤系地层瓦斯(侏罗系红层)认识不足，勘探设计阶段并未提出瓦斯危害问题，隧道平导施工遭遇瓦斯燃爆造成13人死亡。都汶高速公路董家山隧道，虽然全隧道穿行于三迭系须家河组煤系地层，施工前各方由于主要关注煤层瓦斯，勘探设计资料和施工中也经煤炭专业单位鉴定，隧道定性为低瓦斯隧道并按低瓦斯隧道组织施工，2005年12月下旬瓦斯爆炸，当场死亡44人，伤11人，爆炸气流充满1 500m巷道并冲出洞口。2002年6月，渝怀铁路线圆梁山隧道进口平导掘进二叠系溪霞组碳酸盐岩地层约100m，由于对非煤系地层瓦斯认识不足，在施工超前探水水平地质钻孔时，发生瓦斯喷孔并被照明用电弧灯引燃，火焰直抵距掌子面20～30m远的通风管口，造成作业台车上的十多人不同程度烧伤，其中一人因伤重死亡。作为瓦斯防治较为成功的南昆铁路家竹箐隧道，1996年2月4日下午，斜井工区与平导11号横通道交叉处，有工人躺在坍方口，使用打火机引起瓦斯燃烧，一股蓝色火光沿拱腰左侧连续闪烁几次，火苗粗犷，惊心动魄，70～80m长的火焰持续几秒钟后幸而突然熄灭，避免了一场灾难，运营期间补打卸压孔排放瓦斯，曾多次发生燃烧，所幸未造成瓦斯灾害[1]。合武客运专线红石岩隧道出口继2005年10月28日之后多次发现渣堆瓦斯燃烧，其后五福堂隧道、周家坳隧道、九斗冲隧道等8座隧道也陆续发现渣堆瓦斯燃烧现象，该地区范围内隧道围岩为片麻岩、片岩和花岗岩类，因此结晶岩地区隧道瓦斯问题也是无法绕避的客观存在。

从上述几个实例简单介绍中不难看出，瓦斯隧道围岩类型涉及沉积岩、变质岩和岩浆岩等全部三大岩类，工程地质条件极为复杂，一般工程技术人员很难掌握；瓦斯隧道施工与运营安全管理理念仍有待进一步理清，管理措施需进一步加强，安全措施费用在加大的同时更需要有针对性的加以使用。近年来除煤系地层瓦斯隧道外，已有不少国内研究者关注到了非煤系地层隧道瓦斯问题[2-9]。然而由于交通隧道与煤矿巷道存在明显的差异性[1]，交通建设工程领域在瓦斯出露类型的认知、安全操作规程和安全管理制度以及安全设施配备与投入上仍存在诸多课题有待解决。如何从便于勘探设计、工程施工与管理系统的角度上对隧道瓦斯进行分类，并给出不同隧道瓦斯类型的基本特征有着很强的理论与现实意义。

1 非伴煤瓦斯隧道概念

从工程角度看，交通隧道瓦斯可以分为煤层瓦斯(也可称伴煤瓦斯)和非伴煤瓦斯两大类型。

煤层瓦斯指的是煤层中吸附的和紧邻煤层泥岩、砂岩岩石孔隙和裂隙中游离态赋存的天然气体。作为赋存瓦斯的煤层在煤系地层中的层序部位相对稳定，且一个地区的煤层瓦斯含量相对稳定，通过地勘，上述指标在设计资料中可以较为明确的给出具体的数据。虽然具体到隧道个体数据会有差异，但相差不大。这一点对于施工方案的制定与安全措施的采取极为有利，也易于隧道安全措施费用的计算。

非伴煤瓦斯类型是指赋存于煤系地层中远离煤层的非煤地质体或是非煤系地层地质体中的有毒有害可燃天然气体类型，一般以游离态为主，在隧道工程中具有涌出地点、涌出压力、涌出量等三不确定性，其燃爆灾害具有较低发生概率，极高危险度。非伴煤隧道瓦斯最终出露状态得依靠施工期间的超前地质预报手段和隧道开挖后瓦斯涌出情况而定。

煤层瓦斯(伴煤瓦斯)和非伴煤瓦斯是从工程角度定位、定性、定量难易程度来考虑的。非伴煤瓦斯类型的瓦斯可以是成煤过程形成的煤层气，也可以是无机成因的来自地幔的天然气，如Welham和Craig(1979)在东太平洋海隆热液喷出口观测到射出的甲烷气。在加勒比海深大断裂附近，曾测得每10d天然气逸出量达1×106m3，天然气中含有少量乙烷与丙烷[13]。就烃气的来源而言有多种途径，可以是由沉积物中分散有机质经微生物降解、热解作用所形成的，也可以由石油、煤和油页岩等有机可燃矿产热解作用所形成。此外，还有数量不等的烃气是无机成因的。该隧道瓦斯类型分类弱化烃气来源的地质属性，强化了气体赋存状态空间特性，对于隧道勘探设计阶段瓦斯隧道的定性和隧道施工安全防范措施的制定极为有利。

2 非伴煤瓦斯隧道概念的工程意义

2.1 重新认识与理解瓦斯隧道

有助于人们从理论角度重新认识与理解瓦斯隧道的概念，增强对不同地质条件下瓦斯隧道具有不同特性的直观感受，从理念上摒弃人们提起瓦斯(天然气)总是与煤和煤层甲烷(石油)联系在一起的传统而狭隘的观念。

瓦斯的概念首先在煤炭部门使用，使得人们提起瓦斯总是与煤和煤层甲烷狭隘地联系在一起，这不利于人们对天然气的成分特征和赋存状态多样性的认识，尤其是对产、储、盖和圈闭等概念的再认识，不利于对天然气新的理论与技术的吸收和应用。而提起天然气，人们往往又与石油狭隘地联系在一起，感觉上天然气埋深很大，离自己很远，需要深钻才能够得着。因此笼统提瓦斯、瓦斯隧道或者天然气，容易模糊人们的认识，对瓦斯隧道安全问题反而不利。

云顶山一号、二号隧道施工之初就有人提出如何应对粉尘爆炸问题，这显然不符合这两座隧道不存在煤层的实际情况。华蓥山公路隧道掘进过程中在非煤系地层中发生过十多次天然气燃烧情况，建成后，隧道内空气中一直煤气味很重。将约2 000m长的非煤系地层洞身段落和相对短得多的煤系地层围岩洞身段落相比，现今逸出进入隧道内的瓦斯量孰大孰小不清楚。华蓥山公路隧道当年针对营运阶段瓦斯问题显然有所不足，笔者认为在当时条件下这很大程度上表现为瓦斯隧道类型观念认识不足，自然就无法做到措施充分投入与针对性。云顶山一号隧道施工中针对瓦斯持续强涌出地段就有针对性地增加了封闭围岩裂隙的工程措施，目前看来效果良好。该次瓦斯持续强涌现象有另文专题讨论。

隧道瓦斯的概念与天然气概念有所不同，广义的天然气是指存在于自然界的一切气体，根据其存在环境，B.A.Соколов(1971)将天然气分为大气、表层沉积物中气、沉积岩中的气、海洋中溶解气、变质岩中气、岩浆岩中气、地幔排出气、宇宙气等8类[13]。狭义的天然气应是地壳上部存在的各种天然气体，其主体是聚集成气藏的烃气。作为隧道工程，人们关注的主要是对隧道施工与运营有害的天然气体，隧道瓦斯的概念主要立足于有毒有害可燃这些特性上，并非非要是甲烷成分为主。

地壳中的天然气依其存在的相态可分为游离态、溶解态(溶于油和水中)、吸附态和固态气水合物；依据其分布特点可分为聚集型和分散型，依据其与石油产出的关系可分为伴生气和非伴生气。隧道瓦斯可能出现的主要赋存状态为游离态、吸附态，部分可以是溶解态(溶于油和水中)。作为煤层瓦斯(伴煤瓦斯)因与煤层相伴其成分与赋存状态在勘探中容易研究清楚，而非伴煤瓦斯会因地质条件的复杂多变性呈现较为丰富的特性，其地质成因、赋存空间、隧道开挖揭露后可能的变化，是需要更多地借助石油部门天然气地质学方面的知识加以认识。

现阶段土木工程界从业人员对天然气的认识，多停留在I.C.White(1885)“背斜学说”的基础上。而天然气生、储、盖层及圈闭概念实际有了很大的变化，如表1关于圈闭分类方案就与“背斜学说”相去甚远。

表1 依封闭条件的圈闭分类方案

值得关注的是谢泽华描述的多级气藏成藏模式[14]，该文中的储集体的概念是对储层概念外延的拓展和内涵的深化，天然气运移与圈闭近源圈闭要优先于背斜圈闭，多级补给和多级成藏，浅产深储的模式对于工程界认识非伴煤瓦斯赋存状态是有好处的。于凤岭等定义的储集体是一个具备有效储集空间和渗滤通道，不受岩性和层界控制，为不同性质的边界条件所封闭的孔喉-裂隙网络所组成的富含油气的地质块体。储集体由三大要素组成：(1)不同岩性的岩石；(2)不同地层；(3)这些岩石和地层被裂隙所切割和穿插。储集体气藏是非层状的、跨地层的，其外形是不规则的，它是一个带“枝杈”的形态怪异的地质体。突出了断裂系统在天然气储集和运移中的主导作用。杨天泉等[15]关于复杂气田地质特征的描述对于我们认识某些天然气藏的特征也有所帮助，如(1)不含凝析油的低硫天然气与中低矿化度地层水组合，以二叠系、石炭系气藏为典型，H2S含量一般<10g/m3；(2)“自生自储”的二叠系气藏的异常高压等。笔者认为这两点与圆梁山隧道瓦斯(天然气)实际状况较为吻合。

对引言中所述瓦斯灾害隧道而言，其发生灾害源头往往不是出现在赋存煤层瓦斯(伴煤瓦斯)地质空间的隧道洞身段落，而是发生在非伴煤瓦斯赋存空间段落，因开挖之前无法准确探明瓦斯真实状态，一般出现瓦斯强涌出几率又相对较小，往往不为人们重视，一旦遭遇强瓦斯涌(突)出，往往措手不及，灾害就此发生。董家山隧道、炮台山隧道、圆梁山隧道从某种角度上可以说是认识不足、重视不够的典型例子。

认识到位、思想重视是非伴煤瓦斯隧道施工安全的先决条件。由于非伴煤瓦斯具有涌出地点、涌出压力、涌出量等三不确定性，隧道掌子面掘进过程随时都有遭遇强瓦斯涌(突)出可能性，必要的瓦斯监测手段是不可缺少的，否则人们就犹如盲人走路却没有拐杖探路，随时可能跌倒。因此，瓦斯隧道施工思想上的警惕性非常重要。回过头来看，董家山隧道爆炸事故发生前, 也检测到瓦斯弱涌出现象，也有技术人员提出隧道瓦斯问题需要特别关注，遗憾的是一个低瓦斯隧道概念，将许多人认知带向了歧途，尤其是水利部门在该区修建引水导洞时发生过瓦斯燃爆造成五六十人伤亡的特重大事故，这么重要的信息在瓦斯爆炸前未能引起人们足够的重视。炮台山隧道平导瓦斯爆炸前，掌子面80%炮眼残孔瓦斯在燃烧，持续时间长的在10h以上，反映瓦斯强涌出持续时间长，衰减作用小，如此重要的事故前特征，由于对非伴煤瓦斯危险性的认识不足，因此也没有引起当时人们的重视，对隧道中瓦斯分布状态自然没有足够的监控与监测，瓦斯灾害的防范措施显然失当。圆梁山隧道进口平导瓦斯喷孔燃烧前，实际上在隧道底部施工积水小坑中，出现过瓦斯从岩石裂隙中弱涌出冒水泡的肉眼可视现象，可惜由于属于首次在碳酸盐岩中遭遇较高瓦斯压力灾害的工程实例,对于该地质条件瓦斯状态从设计、监理到施工均没有很好的认识，施工作业未有瓦斯燃爆防护措施实是遗憾。

家竹箐隧道是应对坍方瓦斯大涌出(一次持续瓦斯涌出量可达7 597m3)和瓦斯喷孔(穿18号煤层卸压孔，喷孔率100 %)成功的范例，正是得益于对瓦斯信息认识到位，措施得当。云顶山一号隧道对于非伴煤瓦斯的危害性从隧道施工一开始就引起了建设者的足够重视，隧道始终坚持探查先行先导、监测紧跟紧靠、措施严密妥当、管理从快从严的方针，管理者以开放的态度面向基层、面向社会监督，认真分析隧道瓦斯特点及其动态变化，制定了针对性的非伴煤瓦斯隧道的安全施工措施与预案，稳扎稳打，逐级推进，瓦斯隧道施工进度和瓦斯隧道施工安全均取得了较好成效。隧道施工过程中也是遭遇过多次自动瓦斯监测探头报警，一次2～3m3/min瓦斯持续强涌出情况，隧道施工按照事前制定的预案流程开展工作，施工安全得到了很好的保障。在应对非伴煤瓦斯隧道施工安全的问题上，施工管理者的心态是不惊不怖，审慎应对。

2.2 瓦斯隧道施工安全技术

有助于人们从便于隧道施工的角度选择非伴煤瓦斯隧道施工安全技术措施与应急预案。

煤层瓦斯(伴煤瓦斯)和非伴煤瓦斯是从工程角度定位、定性、定量难易程度来考虑的，不是从瓦斯地质成因角度进行分类的。在弱化瓦斯地质成因的前提下，从工程技术角度选择工程应对措施是有可能的。

在云顶山一号、二号隧道施工中，应对非伴煤瓦斯风险的技术措施脉络可清晰地分为三个模块：信息收集处理与施工决策模块、施工措施实施模块和应急机制响应模块。

由于非伴煤瓦斯具有涌出地点、涌出压力、涌出量等三不确定性，隧道瓦斯在掌子面前方的赋存状态探测，与隧道开挖后瓦斯涌出的动态状态监测非常重要，无巧可取。正是由于非伴煤瓦斯的特殊性，云顶山一号、二号隧道瓦斯地质预测预报采取了超前地质钻孔为主，结合地质雷达与掌子面地质素描等手段展开工作。从事后验证看，地质钻孔对砂岩中瓦斯探测定性与定量的结果均较好，而泥岩中，定性意义还是较好的，定量方面有时会严重偏小，这与泥岩中节理裂隙闭合度高，连通性差，对瓦斯封闭作用强有关。开挖后采取了人工监测与自动监测系统监测隧道瓦斯出露动态，同时结合隧道监控量测信息监视与控制隧道坍方，防止因坍方出现瓦斯强涌出。瓦斯人工监测安排了两拨人平行检测(施工单位瓦检人员和业主聘请的第三方瓦检人员)，保证数据的真实可靠性。施工单位投入了足够的瓦检员实施了一日三班工作制，保障了一炮三检、日常瓦斯巡视检查和动火作业工序施工的跟班检查。施工班组、现场技术人员、安全员也配备了简易瓦检仪，瓦斯数据采集的准确性和及时性有较好的保障。瓦斯动态监测数据经处理后及时在隧道口电子大屏幕上向全体施工人员公布。在信息采集管道方面项目部通过施工作业及管理人员、瓦检人员、专职安全人员、技术人员等四个独立管道及时获取信息，可以有效防止单个管道信息淤塞问题。瓦检监测数据依规依据分级并上报工区和项目部，根据瓦斯不同状态，各级管理人员和技术人员在自己权限范围内进行抉择与开展工作。项目部成立了信息监测部与安全环保部进行日常的相应信息归口管理工作。根据专业知识与实际处理瓦斯隧道的经验项目部采取以项目总工为主要决策者的组织路线，实施瓦斯分级管理，信息收集处理与施工决策取得了良好效果。

施工措施实施模块核心部分设在工区，技术措施从杜绝火源、降低隧道瓦斯浓度的角度展开，主要包括：制定并实施经安全评审的瓦斯隧道通风和用电方案，洞内使用煤矿许用照明设施设备，使用有防爆能力的行走机械设备和施工设备，隧道支护与防水工程实施不动火作业工艺，严格执行隧道内动火作业申请与审批制度，严格实施作业人员与作业机械进出洞登记与火源物品禁入管理制度，通风设施设备实施专人管理与维护，密切监测通风设施状态，保障隧道动态通风能力。爆破作业采用煤矿许用炸药雷管与远程爆破工艺，隧道口设置避雷装置，采用加强超前支护和初期支护等防止隧道坍方技术措施，保障隧道开挖进度等。

应急机制响应模块分为两个部分，一部分是万一发生灾害怎样对外请求救护与畅通对外救生通道。对外请求救护方面建立与当地医院和矿山救护大队的密切联系，定期进行互动活动。适当加大投入，建好与维护好隧道与外界联系的施工便道、便桥，保障救援道路畅通。另一部分是配置发生灾害后在隧道内逃生人员使用的避灾设施与物品，并置于隧道相应部位；制定并落实了隧道瓦斯异常时各级施工与管理人员避险办法与工作流程。2012年3月2日3∶50，云顶山一号隧道进口端右洞瓦检员监测到瓦斯持续涌出强度很大，达到3.3m/min左右，现场值班人员立即启动瓦斯异常涌出处理机制，马上组织洞内人员全部撤离到洞外，停止洞内施工，关闭洞内电源，加强洞内通风，等待项目部技术部门的下一步指示。本次事件验证了隧道瓦斯异常应急机制运行正常。

2.3 管理制度和工作流程

有助于从系统管理角度更好地配置施工资源、组建施工机构，制定管理制度和工作流程。

随着云顶山一号、二号隧道施工推进，隧道瓦斯状态变化不断被揭露，云顶山一号隧道出口超前钻孔瓦斯浓度超标，进而掌子面电焊作业时点燃了地下一道裂隙中逸出的瓦斯气体，云顶山二号隧道炮后瓦斯探头报警，人工检测掌子面瓦斯浓度达到了0.1%以上，引起项目部各级技术与管理的重视，重新修订了瓦斯隧道安全管理办法，加强了对各级施工人员的安全知识培训，进一步指明了非伴煤瓦斯基本特点及工作的难点重点。重新修订的瓦斯隧道安全管理办法不仅从组织路线角度阐明了各级管理人员的岗位设置、安全责任与工作范围，也从以下几个技术方面进一步完善了相关的工作制度、工作范围和工作方法工作流程：(1)隧道瓦斯探测与监测的技术手段与方法；(2)与施工开挖和支护方法相适应的用电管理办法、责任制度；(3)以瓦斯检测浓度和超前地质预报数据为依据的瓦斯分级管理办法；(4)适合隧道施工的风、瓦电闭锁管理办法；(5)与瓦斯分级管理相适应的开挖爆破管理办法；(6)瓦斯隧道通风方案的编制修订及日常通风管理办法；(7)不动火作业工艺与隧道围岩加固关系、外防水冷粘工艺与防水防气效果间的技术关系等等。通过隧道中后期施工管理实践，表明效果良好。