华蓥山隧道有害气体监测与综合治理技术

华蓥山隧道有害气体监测与综合治理技术

吴应明

（中铁二十局集团有限公司 陕西咸阳 712000）

摘 要：介绍了华蓥山瓦斯隧道有害气体的性质，对有害气体的监测方法、监测依据标准、监测仪器的选择及其性能；在加强监

测的同时，对有害气体采取排放、通风、防护、注浆止气、气密性砼等综合治理措施，防止有害气体的危害。 关键词：隧道，有害气体，监测，综合治理

华蓥山隧道是一条高瓦斯隧道，洞身围岩内富含瓦斯等多种有害气体。有害气体是直接影响隧道工程建设,危及施工安全的重大危险因素之一。若发生灾害性事故，将导致大量的人员伤亡，严重者甚至摧毁已建工程。因此,隧道施工穿越有害气体含气地层,最关键的问题是加强对有害气体的监测，用监测信息指导隧道施工；同时对有害气体进行综合治理。

1 概况

1.1 工程概况

?华蓥山隧道位于广（安）渝（重庆）高速公路广（安）邻（水）段，为双洞四车道隧道。左线隧道长4705.95m，右线隧道长4714.00m，隧道总长9419.95m，系隧道建设时我国已建成和在建之最长公路隧道。

华蓥山隧道穿越华蓥山脉中段,西口（进口）位于广安境内天池镇,?东口（出口）位于邻水境内龙井坝。隧道工程地质、水文地质十分复杂,有煤层、断层、岩溶、涌水、有害气体、高地应力、?煤矿采空区等不良和特殊地质。特别是隧道东西段穿越煤层,其瓦斯压力分别为1.44MPa与1.87MPa，具有一定的突出危险性，瓦斯压力之高，居我国已建和在建公路隧道之首。此外，从煤层(P2L)开始至隧道最大埋深处的志留系中统韩家店组(S2h)，?均有岩层瓦斯、含油层瓦斯、石油、硫化氢等有害气体。 1.2 有害气体概况

我单位担负华蓥山隧道西口右线2150m的施工任务，里程YK32+700～YK34+850，其中在YK33+750～+760段位置穿越K1煤层，K1煤层属肥煤、?焦肥煤及部分瘦煤，变质程度高、吸

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附瓦斯能力强，煤层坚固系数低，具有煤与瓦斯突出危险。吨煤瓦斯含量8.94m/t，煤层瓦斯压力1.87MPa，受区域构造的影响，隧道穿越煤层后遭遇到裂隙瓦斯的异常涌出。

隧道掘进中有裂隙瓦斯存在,裂隙瓦斯气囊压力大于0.15MPa,?揭开岩体后局部天然气瓦斯浓度达38%～29%。二次生化气及岩体中吸附烃、游离烃总量达201298PPm,即每吨岩石可

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脱出天然气0.14m，在开挖过程中,随着岩石的破碎及周壁压力的降低，岩石中天然气由吸附状态转化为游离状态进而释放。经测算，在不通风状态下，天然气经扩散、对流可使隧道内浓度达到3.47%。

硫化氢气体大部分伴于天然气中,局部早期浓度超过522PPm,?在不通风条件下,隧道内平衡浓度可达50.71PPm,超过安全规范要求(0.00066%)的7.6倍，严重影响施工人员身体健康，随着浓度的不同，可能导致人员中毒至死亡，同时硫化氢溶于水后，对砼及钢筋具有腐

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蚀作用。

一氧化碳存在于岩石中及爆破烟尘中，预测平衡浓度可达150PPm?，也是本隧道重点监测和防治的有害气体之一。

另外，隧道内二氧化硫、二氧化碳均伴随施工大量出现。 有害气体平衡浓度见表1。

华蓥山隧道有害气体平衡浓度表 ?表1

安全规范允许浓度% (1) 0.0024 0.0005 0.00066 1 1.5 隧道不通风情况下平衡浓度% (2) 0.0150 0.006 0.00507 8.73 2.5 (1)/(2) 倍 一氧化碳CO 二氧化硫SO2 硫 化 氢H2S 沼 气CH4 二氧化碳CO2 6.25 10.2 7.6 8.73 1.67 1.3有害气体性质

(1)沼气：主要成分是甲烷(CH4)，是一种无色、无嗅、无味、易燃、易爆、易扩散的有

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害气体，难溶于水，扩散性比空气高1.6倍，密度为0.5541g/m，比空气轻，容易聚积在隧道顶部。甲烷虽无毒，?但不能供人呼吸，空气中浓度达到40%以上时，氧气含量降至12%以下会使人窒息。?当空气中甲烷具有一定浓度（5%～16%），并遇到高温（≥691℃）和足够的氧气时，可引起爆炸。

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(2)硫化氢(H2S)：是一种无色、微甜、带有臭鸡蛋味的气体，比重为1.19kg/m，易溶于水。在老积水中存在大量硫化氢，硫化氢具有强酸性。硫化氢爆炸极限为4～44％，燃点为260℃。其在隧道内主要来源为硫化矿物缓慢氧化和含硫煤层的水解。

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(3)二氧化硫(SO2):是一种无色具有强烈硫磺味及酸味气体,比重2.27kg/m,常存在于隧道下部。易溶于水，不助燃，无爆炸性，是剧毒气体。

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(4)一氧化碳(CO)：是一种无色、无味、无臭的气体，比重0.97kg/m，化学性质不活泼，难溶于水，有可燃性及爆炸性，其爆炸极限为13～75%?，在630～810℃条件下与空气混合才能发生爆炸，具有强烈毒性。

2 有害气体监测

华蓥山隧道内有害气体在围岩内分布广、含量高、有突出危险，如不重视,不仅将影响施工人员身体健康，还可能给隧道工程造成毁灭性灾害。因此有害气体防护是华蓥山隧道施工的重点，而监测则是重点中的重点。 2.1 监测内容及目的

华蓥山隧道地质构造复杂多变，其多种有害气体构成也复杂，赋存状态也极复杂，且危害极大，监测尤为重要。 2.1.1 监测的内容

华蓥山隧道从煤系地层开始至隧道最大埋深处，均有岩层瓦斯、?含油层瓦斯、石油、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、氮氢化合物、二次生化气等有害气体，其含量高、浓度大。根据华蓥山隧道有害气体的复杂性，对困扰施工的瓦斯（CH4）、硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）作为主要监测对象，而对一些含量低、浓度小的有害气体作为辅助监控对象。 2.1.2 监测的目的

?对有害气体实行监测的主要目的是：

a、防止在隧道施工过程中，有害气体超限带来危险，以确保施工和工程安全。 b、根据监控的有害气体含量高低、浓度大小，以便及时采取相应的技术措施。

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c、检验技术措施效果，以便正确指导隧道施工。 d、为瓦斯隧道施工积累经验。 2.2 监测依据及执行标准

华蓥山隧道有害气体的监测,主要以《煤矿安全规程》、防治煤与瓦斯突出细则》、《铁路瓦斯隧道技术暂行规定》为主要依据，参照《公路隧道施工规范》，并根据上述“规程、细则、规定、规范”要求进行有害气体监测、控制。按照GB5748-85《作业场所空气中粉尘浓度测定方法》及常规有害气体测定方法执行。其控制标准见表2。

有害气体极限浓度标准 表2 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 有 害 气 体 名 称 瓦斯（CH4） 一氧化碳（CO） 二氧化碳（CO2） 硫化氢(H2S) 二氧化硫(SO2) 氨(NH3) 二氧化氮(NO2) 氮氧化合物(NOn) 粉尘 极 限 浓 度 1％ 0.0024％ 1.5％ 0.00066％ 0.0005％ 0.0004％ 0.0025％ 换算NO2的浓度不得超过5m/m3 每立方米空气中，含有10％以上游离二氧化硅的粉尘必须在2mg以下

2.3 仪器的选择

我国煤矿对有害气体监测发展较快，目前部分煤矿已采用全自动电脑监控组，其成本较高，根据华蓥山瓦斯隧道实际情况和经济比较等，在确保监测准确的前提下，选用了九种26?台有害气体监测仪器及大量CO、CO2、H2S、SO2、NOn等各剂量浓度有害气体检测试管。?华蓥山隧道有害气体监测仪器见表3。

华蓥山隧道对有害气体监测仪器表 表3

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 仪 器 名 称 四合一气体检测仪 三合一气体检测仪 瓦斯警报断电仪 光干涉甲烷测定器 甲烷测定报警仪 沼气检测报警仪 甲烷氧气组合检测仪 甲烷二氧化碳测定仪 瓦斯突出预测仪 气体采样器 型 号 YHA102 GBX2 ADJ-2 GWJ-1A JCB-2 AZJ-92 AZY-1 AZG-1 ATY XK-1 单价 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 数量 1 1 3 3 6 6 2 2 1 1 备 注 英国产测CH4、H2S、CO、O2 日本产测CH4、CO、O2 国产测CH4 国产测CH4 国产测CH4 国产测CH4 国产测CH4 国产测CH4、CO2 国产预测突出危险性 国产用各剂量浓度试管

因各个厂家、各种种类品牌的瓦检仪其性能、精度均有所差异，因此应选用种类较多瓦斯仪，可互相参照，相互印证其准确性，确保无误。又因公路隧道断面大、洞身长，各部位气体聚集不均衡，所以要求有较多仪器进行监测。 2.4 仪器性能及放置位置

(1)袖针式“四合一”气体检测仪：型号YHA102型，可同时检测沼气、硫化氢、一氧化碳及氧气，该仪器量程参数为：0～100%CH4、0～50PPmH2S、0～500PPmCO、0～25%O2。该仪器全自动，可任意调节报警指标，自动报警，精度高。仪器由瓦检人员随身携带巡检。

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(2)理研便携式气体检测警报器（三合一气体检测仪）：型号GBX2型NL式，可同时检测沼气、一氧化碳及氧气，该仪器全自动，?可任意调节报警指标并且当出现警报状态时发出特定的警报信号，?它能在可燃性气体浓度超过了爆破下限、CO浓度超过500PPm和H2S浓度超过了100PPm进行检测并显示，它也能对氢气浓度在0～25％以外范围的情况进行分析，当达到预置的缺氧水平，或检测到了可燃性气体、CO、H2S时，发出特定警报。

该仪器是较先进的有害气体监测仪，其精度高，自我保护装置优良，不易损坏，故障率低，由现场瓦检人员在洞内各部位巡检。

(3)ADJ-2型瓦斯警报断电仪：其特点为是可对甲烷进行连续检测，声光报警，精度高，探头移动位置大，在出现瓦斯超限时自动切断洞内电源，人工送电，确保安全。其主要技术指标如下：

a、测量范围：0～4%CH4

b、误差：当CH4浓度在0～1.0%时，误差±0.10%； 当CH4浓度在1.0%～2.0%时，误差±0.15%； 当CH4浓度在2.0%～4.0%时，误差±0.25%； c、检测距离：0～1000m（主机至探头） d、报警点及技术：0.5～4%CH4可调，距声源1m远处不小于80dB，?光在暗处能见度100m。 e、仪器使用温度、湿度：0～40℃相对湿度98%以内。 放置位置：掌子面一台，衬砌台车上固定一台。

(4)光干涉型甲烷测定器：型号GWJ-1A,该仪器特点是精度高，?可探测探孔内浓度，测定范围大。其主要技术指标如下： a、测量范围：0～10%CH4

b、误差范围：当CH4浓度在0～1%时，误差±0.05%； 当CH4浓度在1～4%时，误差±0.1%； 当CH4浓度在4～7%时，误差±0.2%； 当CH4浓度在7～10%时，误差±0.3%。 该仪器由值班瓦检员随身携带测洞内各处。

(5)JCB-2型甲烷测定报警器：该仪器主要特点是连续监测，携带方便，具有声光报警功能，?适合管理人员使用，但其寿命较短。其主要技术指标如下： a、测量范围：0～5%CH4

b、报警方式：0.5～2%CH4连续可调 c、响应时间：30s

d、外形尺寸：140*72*33mm

该仪器由管理人员进洞随身携带。

(6)AZJ-92型作面沼气检测报警仪：该仪器的主要特点是可固定悬挂，亦移动方便。其主要技术指标如下：

a、测量范围：0～5%CH4

b、误差范围：当CH4浓度在0～2%时，误差小于0.1%； 当CH4浓度在2～3.5%时，误差小于0.2%； 当CH4浓度在3.5～5%时，误差小于0.3%。 c、催化元件使用寿命：一年以上 d、外形尺寸：170*84*36mm3 e、整重量：510g

放置位置：固定在掌子面，回风区及瓦斯可能聚集处。

(7)XK-1气体采样器：该仪器的主要特点是操作简单，携带方便，价格低廉。用于各种

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剂量浓度检测试管，测各种高低浓度气体，误差小。

该仪器由专职瓦检员携带，根据各种有害气体浓度在洞内各处检测。 2.5 人员配置

成立专业瓦检组，所有瓦检人员经专业技术培训，共由6人组成，6?人分成3组24小时值班,做到分工明确，责任明确，保证瓦检仪精确度，一切情况直接向调度指挥系统人员汇报。 所有管理人员进洞检查要携带便携式瓦检仪。?所有施工人员应经常注意洞内固定瓦检仪位置、瓦斯浓度情况，以此形成所有洞内施工人员全员监测有害气体。 2.6 监测数据整理分析

瓦检员在洞内检测的同时，做好各种有害气体浓度变化的记录，?并及时汇总到组织指挥系统。（有害）气体监测数据表（样）见表4。

(有害)气体监测数据表 表4

浓 时 部 度 间 位 顶 掌 子 面 左腰 右腰 左墙脚 衬 砌 台 车 右墙脚 顶 中 下 洞身其 它部位 备 注 根据监测数据表中的数据分析，洞内现有通风量是否满足施工需要；在有害气体浓度超限时，加强通风后是否能使有害气体达到衰减程度；在采取一系列的技术措施后，是否有害气体得到了控制。对有害气体监测数据整理分析，是指导隧道施工、协调各工序间关系，确保施工生产在安全的前提下，能有序地进行。

3 有害气体监测管理

3.1 培训

专职瓦检员进行专业技术培训，取得资格证后方可上岗，所有进洞施工人员要经过瓦斯知识培训，合格后方可进洞施工。 3.2 监测

（1）瓦斯工区，每班检查三次，主要检查位置，每隔100m测一个断面，一个断面五个点即：拱顶、两侧拱腰处和两侧墙脚处，特别是掌子面应多测几点。对煤系地层和高含气段地层，实行重点监控。 （2）检查隧道开挖工作风流中，开挖工作面回风流中，放炮地点附近20m以内的风流中，局部坍方冒顶处，各种作业台车和机械附近20m处。隧道洞室中如通道及电缆室，发现地质破碎带应及时检查。 3.3 管理措施

（1）瓦检仪器专人保管、充电。应随时保证测试的准确性，按各种仪器说明书要求，定期送地区级以上检查站鉴定，日常每3天校正一次，对仪器大修送国家认定机构进行修复。

（2）坚持“一炮三检制”，装药前、爆破前、爆破后，检查爆破地点。

（3）每个检测点应设置明显的记录牌，每次记录应及时填写在瓦斯记录本上，并定期逐级上报。

4 有害气体综合治理

目前对隧道内有害气体的综合治理，?主要是采用超前探测、排放，通风，防护，注浆止

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