财神庙非煤系变质岩地层瓦斯硫化氢隧道Word格式.docx
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财神庙非煤系变质岩地层瓦斯硫化氢隧道Word格式.docx
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甲烷无色、无味、无毒,难溶于水,比空气轻,遇火即燃烧或爆炸。
因此,为了防止瓦斯爆炸,现在采取的主要措施:
一是防止瓦斯积聚,不允许采掘空间出现瓦斯浓度超限,实际工作中采用加强通风防止瓦斯积聚;
二是防止瓦斯被引燃,主要采取防爆用电设备,加强用火制度管理,杜绝明火;
三是建立应急原防止瓦斯爆炸事故发生和扩大。
四是加强瓦斯检测,采用自动和人工两套系统,确保瓦斯浓度不超标(在此隧道得到了认真执行)。
1.3.2硫化氢的防治
硫化氢为无色气体,具有臭蛋气味,分子式H2S,分子量34.08,相对密度1.19,熔点-82.9℃,沸点-61.8℃。
易溶于水,溶解度为2.55L/L,也溶于醇类、石油溶剂和原油中。
爆炸上限为45.5%,下限为4.3%。
燃点292℃。
根据卫生防疫的规定,硫化氢是一种神经毒剂,亦为窒息性和刺激性气体。
其毒作用的主要靶器是中枢神经系统和呼吸系统,亦可伴有心脏等多器官损害,对毒作用最敏感的组织是脑和粘膜接触部位。
硫化氢的急性毒作用靶器官和中毒机制可因其不同的浓度和接触时间长短而异。
浓度越高则中枢神经抑制作用越明显,浓度相对较低时粘膜刺激作用明显。
人吸入70~150mg/m31~2小时,出现呼吸道及眼刺激症状,吸2~5分钟后嗅觉疲劳,不再闻到臭气。
吸入300mg/m31小时,6~8分钟出现眼急性刺激症状,稍长时间接触引起肺水肿。
吸入760mg/m315~60分钟,发生肺水肿、支气管炎及肺炎,头痛、头昏、步态不稳、恶心、呕吐。
吸入1000mg/m3数秒钟,很快出现急性中毒,呼吸加快后呼吸麻痹而死亡。
因此,硫化氢防治主要是防止中毒,现场采取:
一是加强通风稀释硫化氢浓度;
二是配备个人防护用品;
三是加强硫化氢浓度检测等措施保证作业人员安全。
2研究项目依托的工程概况
2.1主要工程概况
2.2设计变更情况
2006年9月15日
2.3研究项目的立项背景和目的
2.3.1项目立项的背景
2.3.2项目立项的目的
其一,保证财神庙隧道施工安全,同时也保证合同工期;
其二,财神庙隧道施工过程中遇到的瓦斯浓度最大9.6%,为瓦斯爆炸威力最大浓度;
硫化氢浓度25ppm,超出国家卫生标准6.588ppm约4倍;
其三,总结技术为以后同类隧道施工服务。
3国内外同类技术发展情况
3.1瓦斯隧道施工技术调研
瓦斯隧道调研表表总-1
隧道名称
所属线路
瓦斯情况
施工过程中采取的措施
效果
开竣工日期
备注
岩脚隧道
贵昆线
150m3/h
前期基本没有采取措施,发生事故后防瓦斯逸出、防岩溶水害、防治衬砌混凝土腐蚀和瓦斯泄漏。
采用防爆设备,增加运营通风。
前期由于措施不到位,死伤220人,后期未发生瓦斯事故。
1958.9~1965.10
国内第一座瓦斯隧道,长2715m。
大寨隧道
导坑最大浓度1.9%~2%
1、4m超前探孔;
2、加强通风。
未发生瓦斯事故。
1958~1965
1940m
梅子关二号隧道
掌子面最高浓度0.5%。
1、洞内各种电器设备用防爆型,用电雷管起爆,严禁火种进洞等。
2、加强瓦斯检测。
1959.3~1965
1920.72m
沙木拉达隧道
成昆线
瓦斯有喷涌现象,瓦斯最大浓度1.35%,CO2最大浓度2.72%
采用巷道式通风和局扇通风。
1960年发生瓦斯喷涌,之后没有发生瓦斯事故。
1959~1970.5
建国以来国内第一座非煤系瓦斯隧道。
全长6383m。
杨家峪隧道
阳涉线
含量最大7.68%
1、加强并确保24h连续通风;
2、加强瓦斯监测,20~30min检测一次,当瓦斯含量达到0.4%时,暂停施工,并加强通风,待降到0.4以下时复工。
3、杜绝明火火源。
4、采取措施解决机械设备的防爆问题。
未发生瓦斯事故
1986~1991
全长1882m。
云台山隧道
侯月线
瓦斯含量1.28~4.42m3/t,压力0.09~0.32MPa。
1、采用防爆设备;
2、全员培训;
3、严格瓦斯检测、加强通风;
4、采用ZY-150型液压钻机进行超前地质预报;
5、瓦斯抽放;
6、自动监测;
7、采用复合式曲墙仰拱封闭衬砌。
Ⅰ线1990.5~1994.4。
Ⅱ线
1994.6~1996.8。
国内最长的瓦斯隧道,Ⅰ线全长,8144m,Ⅱ线全长8178m。
家竹箐隧道
南昆线
最大含量20.17m3/t,压力最大1.6MPa,最大涌出量10.56m3/min。
1、电器设备采用防爆型;
2、局扇、照明和大型电动设备实行“三专供电”,并是设置“瓦-电”、“风-电”连锁装置及漏电保护装置等;
3、采用高位平道负压通风;
4、设置双回路电源;
5、建立自动和人工监控系统;
6、湿式作业;
7、洞口设检查房,严禁工作人员穿化纤衣服及携带火源进洞。
8、超前地质预报;
9、采用气密性混凝土;
10、采用煤矿需用炸药、雷管爆破。
11、成立应急抢险系统
未发生瓦斯事故,同时在高压瓦斯隧道取得了以下成绩:
1、大断面揭煤防突技术;
2、瓦斯遥控、监控、检验全套技术管理模式;
3、机械化施工、机电设备配套技术;
4、防止瓦斯渗漏技术;
5、安全施工、综合管理技术。
1992.12~1998.8
全长4990m
3.2既有瓦斯又有硫化氢隧道
瓦斯、硫化氢隧道调研表表总-2
瓦斯、硫化氢情况
花蓉山隧道
广渝高速公路
压力最大达1.87MPa,瓦斯浓度最大8.73%,硫化氢浓度最大50.71ppm
1、通风采用双管压入式,局部用射流风机;
2、超前地质预报;
3、自动监控和人工监控相结合
1997.5~2000.7
左线长4705.95m,右线长4714m。
白云隧道
武隆-水江高速公路
隧道H2S含量最大905.8~833.0mg/m3
2、超前钻孔释放硫化氢;
3、自动监控和人工监控相结合;
4、注浆封堵;
5、加强隧道施工安全管理。
2005.12~2008.1贯通
左线长7089m,右线长7120m。
铁路还没有既有瓦斯又有硫化氢的隧道施工记载。
4主要研究内容及实施方案
4.1主要研究内容
4.1.1地质评估及瓦斯预测
由于变质岩石煤的特点,为了规避瓦斯隧道的施工风险,有必要对财神庙隧道的地质情况和瓦斯赋存情况进行预测和评估,主要预测和评估内容有:
(1)变质岩系石煤的存在形式;
(2)变质岩系瓦斯的存在形式;
(3)变质岩系瓦斯的含量。
4.1.2瓦斯及硫化氢监控检测技术
根据《爆破安全规程》、《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120)、国家安全生产监督管理局(国家煤矿安全监察局)2005年1月1日开始施行的《煤矿安全规程》、《铁路隧道施工技术规范》的要求,结合本隧道特点,因此采用自动监控和人工监控相结合的方式监控。
自动监控采用煤矿用KJ90瓦斯监控系统,自动监控探头安装到瓦斯、硫化氢容易聚集的地方,探头采集到的数据传送到洞内分站,再由分站传送到值班室总站。
人工监控分三班,每班两人,按照每1小时巡检一次重点监控瓦斯容易聚集的地方,如掌子面、拱顶、洞室等坑凹不平的地方。
4.1.3硫化氢防治技术
4.1.3.1概况
财神庙隧道磨沟工区和大沟工区在发现瓦斯的同时都有臭鸡蛋味的气体,用硫化氢专用检测仪检测大沟最大达25ppm,超国家卫生标准6.588ppm约4倍,磨沟最大达13ppm,且发现逸出气体还存在压力,出气点有“咝咝”的响声,底板有气泡。
图总-1现场瓦斯突出情况
4.1.3.2监控系统
监控系统采用自动监控和人工监控相结合的方式监控。
自动监控采用煤矿用KJ90瓦斯监控系统,自动监控探头安装到硫化氢容易聚集的地方,探头采集到的数据传送到洞内分站,再由分站传送到值班室总站。
人工监控分三班,每班两人,按照每1小时巡检一次重点监控瓦斯容易聚集的地方,如掌子面、拱顶、洞室、下台阶等坑凹不平的地方。
4.1.3.3防毒系统
硫化氢具有易燃、易爆、剧毒的性质。
由于硫化氢的毒性浓度远远低于其燃烧、爆炸浓度,因此重点是防毒。
防毒系统由通风系统、监测系统、个人防护、喷雾系统和急救系统五部分组成综合防毒系统。
通风系统主要是为洞内作业人员供给新鲜空气,同时稀释硫化氢浓度;
检测系统主要是监控洞内硫化氢易积聚部位浓度不能超标;
个人防护系统主要是所有洞内作业人员必须佩带防毒防护用品,如防毒面罩、氧气自救器。
喷雾系统是在开挖平台上设置喷雾系统,在爆破之后,喷雾系统自动打开,湿润洞渣,同时溶解空气中的硫化氢。
急救系统是根据现场实际,项目部制定了切实可行的管管理制度和应急预案,成立了紧急应急急救小组,防止事故的扩大。
4.1.4瓦斯隧道施工通风技术
财神庙隧道于2006年9月15日在磨沟工区掌子面DZK239+373出现瓦斯,按照《瓦斯隧道技术规范》的规定,必须采用独立可靠的通风系统确保安全施工。
通过对对四种通风方案进行优化比选,最终选择了科学合理的通风方案,即:
在DzK239+016~DzK239+046衬砌段设风室,风室容积432m3。
新鲜风流送到风室后,再由风室分送到工作面。
风室在隧道拱部3m处形成封闭风室,底板和两挡头采用3mm钢板焊接,采用I16工字钢门架支撑。
图总-2通风及监控系统布置图
4.1.5瓦斯隧道供配电技术
依据《铁路瓦斯隧道技术规范》8.1.1“隧道内非瓦斯工区和低瓦斯工区的电器设备与作业机械可使用非防爆型,其行走机械严禁驶入高瓦斯工区和瓦斯突出工区。
”但为确保施工安全,本隧道工区供电预留高瓦斯施工条件。
本隧道采用双回路电源供电方案,即公用电网和自备发电站双电源,并安装备用电源自动切换装置。
考虑到本低瓦斯隧道通风系统的特殊情况,洞内配电设备及照明电器全部采用防爆型,并做到“三专”“两闭锁”,即专用防爆变压器、专用开关、专用供电线路和瓦斯浓度超标时与供电的闭锁、局扇通风与供电的闭锁,以保证瓦斯隧道安全施工。
4.1.5.1瓦斯隧道供电技术
供电方案按照“低瓦斯配置,预留高瓦斯施工条件”的原则,隧道内设置二套电源线路,即一条来自公用变电站和一条来自自备发电站的两条电源线路。
洞内供电做到“三专”“二闭锁”即:
专用变压器,专用开关,专用供电线路和瓦斯浓度超标时与供电的闭锁及正向风机通风与供电的闭锁。
4.1.5.2瓦斯隧道配电技术
经过用电负荷计算确定洞口变压器的总容量为630×
2kVA,洞内移动变电站容量选用500kVA的变压器,备用电源为2台250kW发电机并联。
为保证隧道通风、照明及监测系统等一级负荷供电,备用电源自动投入装置在公用电网停电10分钟内,启动250kW×
2发电机组发电供隧道内通风、监测及照明用电。
图总-3并联发电机图
4.1.5.3瓦斯供配电防爆技术设计
根据现场实际情况,瓦斯供配电防爆设计主要从以下三方面进行:
(1)合理的电容量和用电设备容量
针对各种电设备和电缆,从设计要求不能超负荷运行,杜绝用电设备产生火花。
(2)洞内10KV高压电缆接头采用矿用隔爆型高压真空配电装置,照明灯采用DGS-127-100防爆灯。
图总-4ExdⅠ防爆开关
图总-5DGS-127-100防爆灯
(3)高压电缆和易损伤的低压电缆采用阻燃型。
为了防止电缆燃烧引起瓦斯事故,高压电缆选择YJV22-10KV3×
35mm2电缆,照明电缆选用:
选用型号为:
MY0.38/0.66-2×
4。
4.1.6防瓦斯及硫化氢聚集技术
4.1.6.1易发生聚集的部位
瓦斯和硫化氢极易聚集部位在拱部、低凹处、通风死角、洞室、塌腔、掌子面突然溢出、斜井与正洞交叉口、大型机械经常停留处等处。
因此,自动监控瓦斯主要监控掌子面的拱顶、模板台车拱顶、斜井与正洞交汇的拱顶;
硫化氢主要监控掌子面人的呼吸高度、斜井与正洞交汇底部等。
人工监控除上述部位外,瓦斯监控每隔50m量测一个断面,每个断面测五个点:
即拱顶、两侧拱腰处和两侧墙角处,掌子面处应多测几点,对通风死角随机检测。
硫化氢检测应以人的呼吸高度范围为重点,每次测定不少于4个点,即左、右拱脚、拱腰各一个点。
对可能沉积有硫化氢气体的危险区域应设置醒目的标志,对通风死角随机检测。
图总-6瓦斯检测部位示意图
4.1.6.2防止积聚处理措施
针对瓦斯、硫化氢易于积聚的部位,采取以下措施:
⑴在掌子面、模板台车等地段的通风死角、超挖严重、洞室等部位易发生瓦斯、硫化氢聚集,加强瓦斯、硫化氢检测,及时采取相应的措施。
⑵严格按照通风设计管理和运营,确保通风效果,确保洞内最低通风速度不小于0.5m/s,使瓦斯、硫化氢与新鲜风流充分混合,排出洞外。
⑶在掌子面“品”字形布置超前探孔超前探明掌子面前方30m地质情况和瓦斯、硫化氢赋存情况,防止瓦斯、硫化氢突然逸出,同时根据地质情况改变施工方案,防止塌方。
⑷瓦斯隧道塌方容易形成瓦斯涌出,形成的塌腔也容易形成瓦斯聚集,因此防止塌方也是防止瓦斯、硫化氢积聚的一项重要工作。
4.2项目研究的主要技术路线
4.2.1主要施工技术方案的确定
根据财神庙隧道瓦斯的评估报告、四方会商纪要、铁一院设计文件确定磨沟斜井工区和大沟横洞工区为低瓦斯工区和现场实际情况,财神庙瓦斯隧道主要解决瓦斯隧道的通风,瓦斯、硫化氢的监控和硫化氢的防毒问题。
4.2.1.1通风方案的确定
瓦斯隧道通风方式主要分为三大类,即:
压入式通风、利用辅助坑道的通风方式和混合式,各种通风方式的优缺点详见下表总-3:
各种通风方式优缺点对照表表总-3
序号
通风方式
工程实例
优点
缺点
1
压入式
阳涉线杨家峪瓦斯隧道进口采用串联通风机将新鲜空气通过风管直接送到下导坑开挖面,每台风机可送800m左右。
有效射程大,冲淡和排除炮烟的作用比较强;
工作面回风不通过风机和通风管,对设备污染小,在有瓦斯的采用这种工作方式比较安全;
可以用柔性风管;
工作面的污浊空气沿隧道流出,沿途就一并带走隧道内的粉尘及有毒气体,对改善工作面的环境更有利。
长距离掘进排出炮烟需要的风量大,通风时间长。
2
利用辅助坑道
成昆线沙木拉达瓦斯隧道采用巷道式通风;
阳涉线杨家峪瓦斯隧道出口在距洞口约400m处,开一竖井作为风井;
溪田线八盘岭瓦斯隧道开凿5个斜井通风。
通风距离小,可供应较大的风量。
通风系统复杂,管理困难。
3
混合式
吸出式巷道与管道混合通风
侯月线云台山瓦斯隧道进、出口正洞、斜井进新鲜空气,平导、通风斜井排污浊空气。
断面大,通风阻力小,可供应较大的风量。
负压通风存在污风通过风机,存在安全隐患。
吸出式巷道与局扇混合通风
南昆线家竹箐高瓦斯隧道采用高位平导负压通风,正洞上半面及平导面的采用局扇供风。
根据瓦斯隧道施工通风的标准及要求和设计文件,参考家竹箐等瓦斯隧道的施工经验,结合财神庙隧道现有设备,确定财神庙瓦斯隧道磨沟斜井工区的通风方式采用分段接力机械通风。
通风主要按照以下原则确定:
按瓦斯绝对涌出量计算风量时,对于低瓦斯工区,应将洞内各处的瓦斯浓度稀释到0.5%以下;
对于高瓦斯工区和瓦斯突出工区,其长度较大的独头坑道,应将开挖工作面风流中的瓦斯浓度稀释到0.5%以下;
平行导坑仅作巷道式通风的回风道时,其瓦斯浓度应小于0.75%;
瓦斯隧道施工中防止瓦斯积聚的风速不宜小于lm/s,回风速度不小于0.5m/s;
临时停工地点,不得停风,否则必须切断电源,撤出人员,设置隔离措施,禁止人员入内。
4.2.1.2瓦斯、硫化氢监控方案的确定
瓦斯隧道监控方式主要分为三大类,即:
人工监控、自动监控和人工监控和自动监控相结合,各种监控方式的优缺点详见下表总-4:
瓦斯、硫化氢气体检测方案对照表表总-4
检测方案
优点
缺点
备注
人工检测
①操作简单、携带方便、灵活性强;
②价格低廉;
③待机时间长。
①检测部位受限制,过高检测不方便,要借助于其他物体;
②数据和现场实际不能及时反映给洞外。
③检测数据受人的影响比较大。
自动监测
①数据精度高;
②数据能及时反映给洞外,也可储存;
③可对洞内人员实时动态跟踪监测;
④停电后系统可工作2小时以上;
⑤可自动实现风、电、瓦闭锁功能。
①只能测到探头附近的数据,没有灵活性;
②无法靠近隧道开挖掌子面;
③自动监控系统及传感器成本费用比较高。
人工检测和自动检测相互结合
①检测系统安全可靠;
②数据及时反映现场实际。
①费用比较高;
②管理难度大。
综上所述,最终采用人工检测与自动监测相结合的方案。
4.2.1.3硫化氢防毒方案
根据硫化氢的特性和财神庙隧道的实际情况,建立了综合防毒体系,即:
⑴首先是加强隧道通风,使硫化氢浓度降低,控制在6.588ppm以下。
⑵利用硫化氢易溶于水的特性,在开挖平台上设置高压水管喷头,在施工期间不间断喷雾洒水,溶解硫化氢气体。
出碴前将洞碴用水淋透,防止硫化氢二次释放。
⑶利用人对硫化氢的吸收主要是通过呼吸系统,皮肤接触基本无吸收,因此进洞施工人员佩戴好安全防护用品,防毒面具和自救器等,对呼吸气体进行净化。
⑷加强硫化氢监控,及时了解硫化氢浓度变化。
⑸工作人员遇有气体中毒时,立即急救,以便及早脱离危险,保障生命安全,采取的急救措施有:
①立即将中毒者移至新鲜空气中(洞外);
②将患者口中一切妨碍呼吸的东西除去,松开领扣及腰带;
③使患者保暖;
④为使患者体内毒物洗净和排除,给患者吸氧。
4.2.2工程实施验证及修订
从发现瓦斯、硫化氢,到施工结束,1年多时间的施工检验,施工中所采取的措施科学有效。
(1)在对掌子面风速随机检测发现,掌子面稀释瓦斯、硫化氢的风速均大于1.0m/s,证明通风系统设计可靠、有效。
图总-7掌子面风速随机检测曲线图
(2)虽然掌子面多次发生瓦斯和硫化氢浓度严重超标,但在回风流中的含量均没有超标,瓦斯在回风流中的浓度从未超过0.1%,硫化氢的浓度从未超过3ppm,也证明通风系统设计可靠、有效。
(3)通过瓦斯、硫化氢通过人工检测和自动检测相结合,多次及时发现掌子面瓦斯、硫化氢局部浓度异常,及时采取应急措施,使施工安全得到保障。
(4)硫化氢防治方案成功有效,从发现硫化氢到财神庙隧道施工结束的一年多时间从未发生硫化氢中毒事故。
4.2.3信息收集和反馈
(1)瓦斯、硫化氢通过人工检测和自动检测,能够及时反映现场实际情况,发现问题及时处理。
虽然磨沟斜井工区瓦斯、硫化氢浓度掌子面多次出现超限现象,但是由于施工方法得当,措施到位,没有发生硫化氢中毒事故和瓦斯事故。
(2)掌子面“品”字形布置的30m超前地质探孔,施工20m,预留10m的安全距离,再进行下一次的超前钻孔。
根据超前钻孔的速度、石屑、有害气体逸出情况等确定掌子面前方的地质情况,确定下一步施工措施和有害气体的防止措施。
另外根据掌子面的地质情况作好地质素描,判断掌子面围岩的稳定性,及时调整施工方法,保障了施工安全。
5关键技术及创新点
5.1非煤系变质岩地层瓦斯隧道瓦斯及硫化氢自动、人工联合监控检测技术
5.1.1自动监控系统的选择和工作原理
目前我国在煤矿应用较为广泛的矿井安全监测系统主要有KJ4,TF200,A-1,KJ54等型号。
其中A-1系统的监测内容有较大的局限性,不能进行工况监测。
KJ54是其它系统的更新换代产品,系统容量大,适用于大型、特大型矿井;
KJ4系统适用于大中型矿井;
TF200系统适用于中小型矿井。
目前,瓦斯监控系统比较先进的是KJ系列,铁路隧道自动监控系
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