施工监理

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四川公路工程咨询监理公司

达万高速公路DWJ1总监办

二0一0年十月六日

天坪寨瓦斯隧道施工监理培训材料

一、瓦斯的定义、成分

    瓦斯是矿井开采过程中，涌入采掘空间的有毒有害气体的总称，由于其主要成分是甲烷(CH4),所以在煤矿中通常把甲烷叫瓦斯。其基本特征：

    1.甲烷是一种无色、无味、无毒的气体。比重为0.554，在矿井标准条件下重0.716kg/m3。它难溶于水，扩散性较空气高1.6倍，甲烷虽无毒，但当浓度很高时会引起窒息。

    2.甲烷不助燃，但在空气中具有一定浓度(5～16%)，并遇到高温(650～750℃)时能引起爆炸。

    3.根据相对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式，矿井瓦斯等级划分为：

     a)低甲烷矿井，10m3/t及其以下；

     b)高甲烷矿井，10m3/t以上；

     c)煤及甲烷突出矿井。 

二、瓦斯隧道的定义、分类

一座隧道只要在勘测阶段或施工过程中有一个煤（岩）层发现瓦斯，该隧道为瓦斯隧道。

瓦斯隧道施工工区分为瓦斯工区和非瓦斯工区，其中瓦斯工区分为微瓦斯工区、低瓦斯工区、高瓦斯工区、瓦斯突出工区四种；瓦斯隧道的类型按隧道内瓦斯工区的最高级确定。天坪寨隧道为低瓦斯隧道。

公路瓦斯隧道绝对瓦斯涌出量判定指标：

微瓦斯工区：绝对瓦斯涌出量（Q）＜0.3m3/min

低瓦斯工区：绝对瓦斯涌出量（Q）≥0.3m3/min＜3 m3/min

高瓦斯工区：绝对瓦斯涌出量（Q）≥3 m3/min

三、瓦斯的生成及分带形式：

瓦斯是植物残骸在成煤过程中伴生的产物，成煤过程可以分为两个阶段：

第一阶段——硬结成岩阶段。植物的有机物质经积聚、分解形成泥煤及褐煤，同时生成甲烷，大都放散于大气之中。

第二阶段——变质或炭化阶段。在地层中温度、压力的作用下,由泥煤、褐煤不断转化为烟煤、无烟煤，此时煤中挥发分减少，固定碳增加。挥发份在变质过程中转化为甲烷，部分瓦斯向大气涌出，部分保留在岩石和吸附在煤上，还有部分溶解在水中。

根据前苏联的研究资料表明，在褐煤变质成各种牌号煤形成的甲烷量分别为：长焰煤30～40m3/t；肥煤70～80m3/t；瘦煤120～150m3/t，半无烟煤200m3/t。

除煤变质生成的瓦斯外，还可能有其它来源的自然瓦斯，如：

1、生物化学来源的瓦斯，是在成煤的初始阶段形成的，此时有机物发生分解，在有足够的氧进入生物化学反应时，便形成含氧的瓦斯：CO2、硫的氧化物和N2。随着供氧减少和微生物环境改变，转入嫌氧过程，并放出含氢的瓦斯：CH4、重烃、H2S、NH3、H2和其它气体。随着煤层上方冲积层厚度增加，温度升高，微生物停止活动，不再生成生物化学来源的瓦斯。生物化学来源的瓦斯只有少量的保存在煤中，主要是CO2和CH4。

2、空气来源的瓦斯，由于地质构造运动，煤层暴露于地表，CO2、N2和稀有气体渗入煤层中。在这时CO2既可能是生物化学来源的，又可能是化学来源的，因为空气中的氧使煤氧化也能形成CO2。

3、放射性分解的瓦斯，在煤层中放射性物质分解形成的气体含有He。煤层中He的含量取决于它的年龄，煤层越老，He含量越高。He实际上不被煤吸附，而处于游离状态下，因此，大部分He已转向地表。

4、岩石变质瓦斯，最常见的是碳酸盐岩石加热时涌出的CO2。 

5、瓦斯四带的划分

  Ⅰ－二氧化碳带；

  Ⅱ－氮气带；

  Ⅲ－氮气－甲烷带；

  Ⅳ－甲烷带。

甲烷带以上的三个带通称之为瓦斯风化带，它的下部边界可以按下列指标确定：

(1)甲烷浓度CH4%＝80%；

(2)甲烷压力P＝0.1～0.15MPa；

(3)甲烷含量W＝1.0～1.5m3/t(长焰煤)；W＝2～3m3/t(气煤)；W＝3～4m3/t(肥、焦煤)；W＝4～6m3/t(瘦煤和无烟煤)。

瓦斯存在形态

包含在煤层中的瓦斯处在游离状态和吸附状态下，游离瓦斯是指自由充填在煤的孔隙或裂隙中的瓦斯；吸附瓦斯是以单分子薄膜形式凝聚在煤固体物质表面的瓦斯，煤对瓦斯的吸附是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子互相吸引的结果。在一定的瓦斯压力和温度下，游离瓦斯与吸附瓦斯处在动平衡状态下。当瓦斯压力小于10MPa时，吸附瓦斯占80～90%，游离瓦斯占10～20%。

各种不同破坏类型煤的孔隙分布

1.煤的瓦斯吸附量随变质程度增高而增大 ；

2.煤吸附瓦斯量随瓦斯压力增高而增大；

3.煤吸附瓦斯量随煤的温度增高而降低；

4.水分的存在会大大降低吸附瓦斯容量。 

在煤——瓦斯体系中，瓦斯以游离状态和吸附状态存在于煤的孔隙和裂隙中，由于有游离瓦斯而显示出瓦斯压力。当煤层埋藏在一定深度时，孔隙、裂隙及其中的瓦斯均承受地应力的作用，孔隙、裂隙中的瓦斯又对孔隙壁及裂隙壁施以张应力，力图使煤体发生膨胀。

瓦斯压力是标志煤层瓦斯流动特性和赋存状态的一个重要参数。在研究煤和瓦斯突出、瓦斯涌出和瓦斯抽放时，瓦斯压力都是一个基本参数。

瓦斯压力测定方法：

1、手工封孔

2、注浆封孔

3、机械封孔器封孔

4、液压式封孔器封孔

5、胶圈——压力粘液封孔 

瓦斯压力特点：

1、煤层瓦斯压力与成煤年代、变质程度无关，只取决于埋藏深度及地质构造条件。

2、在正常地质条件下，瓦斯压力随深度的增加而线性地增加。在浅部水平，无突出危险或突出危险性小的煤层，一般瓦斯压力均小于静水压力(P<0.1H)；在深部水平，严重突出危险煤层，其瓦斯压力接近或达到静水压力(P=0.1H)。

3、在地应力增高的地质构造带，煤层瓦斯压力增高，可达到(0.13~0.15)H,有时甚至接近自重应力(0.25H)。

瓦斯含量：瓦斯含量是指煤层或岩层在自然条件下，单位重量(或单位体积)所含有的瓦斯量，其单位为m3/t或m3/m3。它是游离瓦斯和吸附瓦斯的总和。 

瓦斯含量测定：

1、间接测定法

国内外最常用的煤层瓦斯含量间接确定法是根据已知的煤层瓦斯压力和试验室测出的煤的吸附常数值，计算煤层的瓦斯含量。

式中 x—纯煤(煤中可燃质)的瓦斯含量，m3/t；

        a—吸附常数，试验温度下纯煤的极限吸附量，m3/t；

        b—吸附常数，MPa-1；

        p—煤层瓦斯压力，MPa；

        ts—试验室进行吸附试验的温度，℃；

        t—煤层温度，℃；

        W—煤的水分，%；

        n—系数，                      ；

        K—煤的孔隙容积，m3/t：

        k—甲烷的压缩系数。

2、直接测定方法

      (1)气测井法

      (2)密闭式岩芯采取器

      (3)集气式岩芯采取器

3、解吸法

     X＝ 

  式中q—煤样经1分钟时的瓦斯解吸速度；

      K—标志煤样解吸速度随时间衰减的常数

四、影响煤层中瓦斯分布的地质因素：

1、煤层中瓦斯的分布在很大程度上取决于煤田的地质构造和构造破坏程度。为保存瓦斯最有利的条件是，大的洼地或盆地，含煤地层埋藏在晚期的沉积层之一，并且没有大的构造破坏(如我国湖南的彬来煤田，苏联的卡拉干达煤田等)，在这种条件下，瓦斯主要通过岩石向地表流动，而沿煤层的流动由于路程很长比较困难，背斜构造(如果没有冲蚀)和挠褶破坏带，常常是瓦斯富集的地区，特别是覆盖着不透气的泥质页岩的背斜构造，背斜顶部瓦斯最大，因为深部的瓦斯沿煤层或沿裂缝移向此处。 

2、走向与煤层和主要褶皱走向相一致的断裂破坏，大部是封闭型的，也是富集瓦斯的地点。走向与褶皱走向正交(垂直)的断裂破坏，瓦斯较小。当断层出露地表时，照例是瓦斯排放和地下水循环的通道，这种断层破坏带的瓦斯很小很小。实际上，一个煤田的地质构造往往是错综复杂的，决定煤层中瓦斯的不均匀分布

 3、煤层和围岩的水文地质条件是决定瓦斯排放条件的又一个重要因素，因为瓦斯在含煤地层中的流动，在一定程度上是通过地下水进行的。如果靠近煤层，或在煤层的顶、底板就有含水层，那么，在水循环时，这个煤层的顶底照例是排放了瓦斯的。如湖南斗笠山矿区，观山井的煤层距含水层远，涌水量小，而瓦斯大，并有突出危险，而北边的各井田，煤层距含水层近，涌水量小，而瓦斯小。

五、瓦斯涌出及其管理：

A、煤层瓦斯涌出特征

     1、暴露面瓦斯涌出强度与暴露时间的关系 

      Vt= 

 式中Vt—瓦斯开始涌出后某一时间的瓦斯涌出强度， m3／min·m2；

     V0—从瓦斯源开始涌出瓦斯的最初单位时间内涌出的瓦斯量，m3／min·m2；

  a—系数，取决于自然因素和开采条件；

  t—瓦斯涌出开始后所经过的时间，min。

2、单位重量煤块的瓦斯涌出强度 

     q=a′q0(t+1)-n 

     式中q—采落t+1时间后，煤块的瓦斯涌出量，m3/min·t；

         q0—煤从整体采落瞬间初始的瓦斯涌出量强度，m3/min·t；

         t+1—煤采落后所经过的时间，min；

         n—取决于煤物理化学性质的系数；

         a′—时间的因次系数，当以分计时，绝对值等于1。

B、自开采层的普通瓦斯涌出

     1、巷道的瓦斯涌出量 

         q1=4GmVn(          )         m3/min 

     式中m—煤层厚度，m；

        Vn—巷道的平均掘进速度，m/昼夜；

        t1=tn+t0—巷道存在时间，昼夜；

        t1—巷道掘进时间，昼夜；

        tc—巷道停掘后经过的时间，昼夜；

        G—在暴露后第一昼夜期间内，从1m2暴露煤面涌出的瓦斯量，m3/min·m2。

     对于正掘进中的巷道，tc=0，

2、瓦斯排放带宽度 

       1＝D   m 

 式中t—暴露时间，昼夜；

     D—取决于瓦斯压力、煤层透气性的系数，对于无烟煤D＝3.5。

C、自邻近的煤层、煤线和岩石的瓦斯涌出 

    巷道暴露的未破坏或微破坏岩石的瓦斯涌出一般不大，因为岩石的瓦斯含量很少。自天然空洞的瓦斯涌出较少遇到，它的特征是时间短，并在揭开空洞瞬间具有暴风般的性质。当有其他的补给源时，也能延续很长的时间。如中梁山南井+390m水平北茅口大巷揭开的空洞，涌出的瓦斯量既大，时间又长(2小时后涌出量480m3/min，自1960年9月至1970年底共抽出瓦斯1250万m3)这是由于茅口灰岩中的溶洞有裂缝与10号层相通，煤层瓦斯可以不断补给的关系

D、瓦斯在巷道空气中的分布 

 在压入式通风时，新风沿风筒送入工作面，随着回风流反向流过巷道，瓦斯浓度不断增加，并在靠近巷道出口处达到最大值。在风筒漏风时，巷道中瓦斯得到稀释浓度降低。

1、绝对瓦斯涌出量：单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min：

    Qg=Q×C/100                

    式中  Qg—绝对瓦斯涌出量，m3/min；

             Q—风量， m3/min；

             C—风流中的平均瓦斯浓度，％。

2、相对瓦斯涌出量：平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位是 m3/t。

        qg=Qg/A                

    式中：qg—相对瓦斯涌出量，m3/t；

            Qg—绝对瓦斯涌出量，m3/d；

            A—日产量，t/d 。

3、影响瓦斯涌出的因素：

(一)  自然因素

    1、煤层和围岩的瓦斯含量，

    2、地面大气压变化

（二）开采技术因素

    A、开采规模

1矿井达产之前

2矿井达产阶段后

3开采工作逐渐收缩时

    B、开采顺序与回采方法

1生产工艺

2风量变化

3采区通风系统

4采空区的密闭质量

4、瓦斯涌出量的预测的方法:

qm=q0+(H-H0)/gm 

    式中  qm —预测的深H(m)处的相对瓦斯涌出量，m3/t；

         H0 —瓦斯风化带下界深度，m；

         gm—瓦斯涌出量增深率，(m.t)/m3

     q0、q1—瓦斯风化带下界或H1处的相对瓦斯涌出量，q0=2m3/t； 

5、瓦斯喷出及预防：

根据喷瓦斯裂缝呈现原因的不同，可把瓦斯喷出分成：地质来源形成的和采掘卸压形成的两大类。 

预防瓦斯喷出，首先要加强地质工作，查清楚施工地区的地质构造、断层、溶洞的位置、裂隙的位置和走向、以及瓦斯储量和压力等情况，采取相应的预防或处理措施。分为：

1、瓦斯喷出量和压力都不大时，黄泥或水泥沙浆等充填材料堵塞喷出口；

2、当瓦斯压力和喷出量较大时，可能的喷出地点附近打前探钻孔，探测、排放。

六、天坪寨瓦斯隧道进入瓦斯工区施工的相关监理要求：

1、督促施工单位尽快完成瓦斯隧道相关设备的改装，以及对相关施工方案做必要的补充，并以书面形式对施工班组进行安全技术交底，督促施工单位对现场施工人员进行技术培训。

2、在进入瓦斯工区前，督促施工单位对通风设备进行检修，通风系统必须安装电表。驻地办专业工程师应与现场监理对通风系统单位耗电量进行统计，电表箱应上锁，钥匙应由现场监理保管。

3、督促施工单位完善补充局扇通风方案，并在现场准备足够的经改装的通风局扇。

4、瓦斯隧道施工，通风工作为重中之重，监理人员应随时对通风设备进行检查，避免通风时产生局部回风。

5、一旦进入瓦斯工区，非瓦斯工区应按瓦斯工区相关要求进行管理。

6、进入瓦斯工区，隧道仰拱施工必须全幅进行浇筑。监理实验室严格监控施工单位的原材料、配合比。现场监理必须对施工进行全过程的旁站，并作好旁站记录。

7、瓦斯工区内，防水板施工必须采用冷粘，不得进行热焊作业。且防水板超前于二衬墙身不宜大于10m。

8、现场监理和驻地专业监理应对监控量测数据和超前地质预报成果进行监督和及时签认，驻地办督促相关单位及时将成果报表上报总监办。

9、进入瓦斯工区后，施工进度以及安全情况，以及通风设备每日耗电数据，现场监理应每日向驻地专业监理进行汇报，驻地办进行统计后通过网络及时上报总监办。

10、其他未尽事项应严格参照《天坪寨瓦斯隧道监理实施细则》进行。

                                      DWJI总监办

                                    2010年10月6日下载本文