CN107489443A - 有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯处治方法，属于隧道施工技术领域。该有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法包括以下步骤：在隧道开挖的工作面交叉开设多个注碱孔和多个抽采孔；向注碱孔内灌注碱液的同时，对抽采孔进行抽气。本发明提供的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法在隧道工作面开挖前，向隧道工作面内部预注碱液并抽采瓦斯，使碱液与硫化氢在围岩内部发生化学反应的同时抽采瓦斯和硫化氢，从而实现快速高效的去除硫化氢和瓦斯的目的。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体而言，涉及一种有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法。
背景技术
近年来越来越多的交通隧道需要穿越区域性含油气地层或煤系地层，如华蓥山公路隧道、渝黔铁路天坪隧道、武隆-水江路白云隧道、沪汉蓉通道财神庙隧道等，上述隧道施工过程中都遇到硫化氢和瓦斯等有毒有害气体泄漏的现象，据相关文献数据显示，瓦斯泄漏时的最大压力可达1.87MPa，硫化氢泄漏时的最高浓度可达50.71ppm，这些有毒有害气体严重威胁着隧道的安全施工、运营安全及经济效益。由于瓦斯或硫化氢问题多发生在煤矿开采过程中，因此目前煤矿对于瓦斯和硫化氢的治理研究较多，而交通隧道领域的相关研究还比较少。
国内早在1958年就开始对治理煤矿硫化氢和瓦斯共同赋存的问题进行研究，研究主要集中在硫化氢和瓦斯的成因、赋存、运移和治理等方面，治理方法主要是调节风量、采前预抽、工作面碱液喷洒和煤体钻孔注碱等。目前有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理主要综合采取以下方法：
一、增强通风：其是目前隧道施工中硫化氢和瓦斯气体治理最常用的方法，根据隧道施工过程中硫化氢和瓦斯的涌出量，增大隧道内通风量，确保工作面工作区域硫化氢气体降低到安全规程规定标准以下。
二、工作面喷碱雾：在隧道工作面附近布置碱水箱，并与清水泵连接，在工作面开挖前、后实时喷碱雾，用来控制隧道内硫化氢气体浓度。
三、工作面喷洒碳酸钠或生石灰：主要在隧道工作面开挖前、后，抛撒范围为工作面及开挖后破碎区域，但此方法会增加隧道内粉尘量，对工作人员健康会造成一定的伤害，要求工作人员具有较强的防护装备。
四、强化工作面洒水管理：在隧道工作面前方布设水箱和注水泵，开挖前在工作面增设一道常开水幕，开挖后及时向破碎岩土体洒水，直至硫化氢浓度降至安全标准以下。
可以看到，现有的治理方案主要包括隧道内增加风量、工作面开挖前后喷水雾或碱液、工作面喷洒碳酸钠或生石灰等，治理方式是“被动”的，即硫化氢、瓦斯从围岩内释放到隧道内以后，通过外部的方式将硫化氢、瓦斯稀释或吸收，由于隧道可排放或吸收有毒有害气体的能力有限，当硫化氢和瓦斯浓度较高而产生突涌现象时，对隧道内的工作人员和机具设备将构成极大的威胁，工程实例表明，近年来隧道内发生的硫化氢、瓦斯事故主要是因为短期内突涌而造成的。
因此，需要一种能够有效的治理隧道施工硫化氢、瓦斯泄漏的方法。
发明内容
本发明提供了一种有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其采用主动治理方法，将硫化氢在围岩内吸收、瓦斯在围岩内被抽采，避免了围岩中的有毒有害气体集中泄漏产生突涌现象对作业人员和设备造成危害。
本发明是这样实现的：
一种有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其包括以下步骤：
S1、在隧道采挖的工作面交叉开设多个注碱孔和多个抽采孔；
S2、向注碱孔内灌注碱液，并抽出抽采孔内的气体。
在本发明较佳的实施例中，上述碱液包括质量浓度为1～3％的碳酸钠溶液、质量浓度0.01～0.3％的氢氧化钠溶液或质量浓度0.1～0.5％的氨水中的一种。
在本发明较佳的实施例中，上述注碱孔和抽采孔的孔径为54～108mm，孔深为5～10m。
在本发明较佳的实施例中，上述灌注碱液时的压力为5～10MPa。
在本发明较佳的实施例中，上述抽气时的负压为10～100kPa。
在本发明较佳的实施例中，上述灌注碱液和抽气的时间为1～10h。
在本发明较佳的实施例中，上述开设注碱孔时，在工作面的拱顶和仰拱分别开设倾角为10～30度的增渗孔，并在向注碱孔内灌注碱液时向增渗孔灌注碱液。
在本发明较佳的实施例中，还包括以下步骤，
S3、开挖工作面的上台阶面，保持对下台阶的工作面进行灌注碱液及抽气，同时在新的上台阶的工作面交叉开设多个注碱孔和多个抽采孔，并进行灌注碱液和抽气处理；
S4、开挖工作面的下台阶面，保持对新的上台阶的工作面进行灌注碱液及抽气，同时在新的下台阶的工作面交叉开设多个注碱孔和多个抽采孔，并进行灌注碱液和抽气处理；
S5、重复上述S3和S4的步骤。
在本发明较佳的实施例中，上述台阶面的上台阶和下台阶的距离为3～5m。
在本发明较佳的实施例中，上述注碱孔和抽采孔之间的距离为50cm～200cm。
本发明的有益效果是：本发明实施例提供的隧道硫化氢和瓦斯治理方法包括以下步骤：在隧道开挖的工作面交叉设置多个注碱孔和多个抽采孔；向注碱孔内灌注碱液的同时，对抽采孔进行抽气。本发明提供的隧道硫化氢和瓦斯治理方法在隧道工作面开挖前，向工作面内部预注碱液并抽采瓦斯，使碱液与硫化氢在围岩内部发生化学反应的同时抽采瓦斯和硫化氢，从而实现快速高效的去除硫化氢和瓦斯的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法中注碱固硫和瓦斯抽采机理横断面示意图；
图2为本发明实施例提供的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法中注碱固硫和瓦斯抽采机理纵断面示意图；
图3为本发明实施例提供的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法中对工作面进行碱液注射和抽气处理的示意图；
图4为本发明实施例提供的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法中对工作面进行开挖获得台阶面并进行碱液注射和抽气处理的示意图；
图5为本发明实施例提供的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法中对台阶面进行进一步开挖获得新的工作面进行碱液注射和抽气处理的示意图。
图中：100-围岩；110-注碱孔；120-抽采孔；130-增渗孔；200-工作面；210-上台阶；220-下台阶。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例进行具体说明。
本实施例提供了一种有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其包括以下步骤：
S1、在隧道采挖的工作面200交叉开设多个注碱孔110和多个抽采孔120；其中，注碱孔110和抽采孔120的孔径优选为54～108mm，孔深优选为5～10m；
S2、向注碱孔110内灌注碱液，并抽出抽采孔120内的气体。其中，碱液包括质量浓度1～3％的碳酸钠溶液、质量浓度0.01～0.3％的氢氧化钠溶液或质量浓度0.1～0.5％的氨水中的一种；灌注碱液时的压力优选为5～10MPa；抽气时的负压优选为10～100kPa；灌注碱液和抽气的时间优选为1～10h。优选的，在开设注碱孔110时，在工作面200的拱顶和仰拱分别开设倾角为10～30度的增渗孔130，并向增渗孔130灌注碱液。
本发明实施例提供的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法基于变“被动治理”为“主动治理”的原则，通过在隧道掘进的工作面200交叉布置注碱孔110和抽采孔120，利用注碱孔110注入预先配置好的碱液，碱液在压力作用下向围岩100内部渗流，将围岩100内空隙中的硫化氢吸收，并驱替瓦斯向抽采孔120运移，从而快速高效的去除硫化氢和瓦斯，为工作人员和机具设备的安全提供保障。
本发明实施例提供的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法是利用钻爆法的装药钻孔来进行注碱固硫和瓦斯抽采的，其首先将装药钻孔按固定的横向和纵向间距交叉布置并设置为注碱孔110和抽采孔120，注碱孔110和抽采孔120的孔径为54～108mm，随后向注碱孔110中注入调配好的碱液同时向抽采孔120进行抽真空处理，碱液选用质量浓度1％～3％的碳酸钠溶液、质量浓度0.01～0.3％的氢氧化钠或质量浓度0.1～0.5％的氨水中的一种，碱液注射的压力为5～10MPa，抽采孔120抽真空的负压为10～100kPa，注碱孔110和抽采孔120之间的间距为50cm～200cm，在具体操作时，可以进一步根据实际情况调整注碱孔110和抽采孔120之间间距、布置形式以及注碱压力和抽气负压，只需满足碱液在工作面200前方围岩100一定范围内渗流时间和范围的要求。
此外，在隧道开挖过程中，由于围岩100应力的释放会导致拱顶和仰拱部位的裂隙增大，会导致拱顶和仰拱处硫化氢和瓦斯的渗流量变大，因此可以在拱顶和仰拱分别打设倾角为α＝10～30度，孔深为7～10m的增渗孔130，并在向工作面进行以保证硫化氢和瓦斯的渗流量符合安全标准。
如图1和图2所示，工作面200的碱液注射过程实质上是碱液沿着压力梯度方向逐渐向围岩100内部渗流的过程，碱液从注碱孔110中渗入围岩100，注碱孔110周边的围岩100孔隙、裂隙空间的气体中的硫化氢会被碱液吸收中和，同时气体中的瓦斯将被碱液驱替运移，而碱液的流动也将受到气体的阻碍。随着碱液注射时间、碱液注射量的增加，注碱孔110周边液相区半径随之增大，气相区半径随之变小，直至碱液在围岩100中达到饱和。在碱液注射过程中，液相区沿注碱孔110逐渐向四周扩展，即碱液与瓦斯交界面向往外扩展，而气-液交界面动态变化的过程实质就是碱液驱气前缘饱和度的变化过程。
此外本实施例提供的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法还可以在上述S1和S2步骤后包括以下步骤：
S3、开挖工作面的上台阶面，保持对下台阶的工作面的注碱孔进行灌注碱液及抽采孔的抽气，同时在新的上台阶的工作面交叉开设多个注碱孔和多个抽采孔，并进行注碱孔的灌注碱液和抽采孔的抽气处理；
S4、开挖工作面的下台阶面，保持对新的上台阶的工作面进行注碱孔的灌注碱液及抽采孔的抽气，同时在新的下台阶的工作面交叉开设多个注碱孔和多个抽采孔，并进行注碱孔的灌注碱液和抽采孔的抽气处理；
S5、重复上述S3和S4的步骤。
请参照图3、图4和图5所示，本发明实施例提供的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法还可以在使用台阶法施工时持续不断进行硫化氢和瓦斯治理，具体的说，首先按步骤S1和S2在工作面200上开设注碱孔110和抽采孔120并进行碱液注射和抽气处理，随后开挖工作面200的上台阶面，保持对下台阶220的工作面上的残留注碱孔110和抽采孔120进行灌注碱液及抽气，同时在上台阶面开挖得到的新的上台阶210的工作面交叉开设多个注碱孔110和多个抽采孔120，并进行灌注碱液和抽气处理，随后开挖工作面200的下台阶面，在保持对新的上台阶210的工作面上的注碱孔110和抽采孔120进行灌注碱液及抽气时，同时在新的下台阶220的工作面交叉开设多个注碱孔110和多个抽采孔120，并进行灌注碱液和抽气处理，重复上述作业流程直至隧道贯通或隧道掘进穿越富硫化氢和瓦斯的地段，在依次对工作面200进行台阶法上下交替开挖掘进的过程中保持对工作面200的碱液注射和抽气处理，能够有效的去除掘进围岩100中的硫化氢和瓦斯的含量，避免硫化氢和瓦斯突然喷涌产生安全事故，提高了作业安全。
以下结合实施例对本发明方法的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其具体步骤如下：
S1、在隧道采挖的工作面200交叉开设纵横交错布置的多个注碱孔110和多个抽采孔120，注碱孔110和抽采孔120之间的间距为75mm；其中，注碱孔110和抽采孔120的孔径为60mm，孔深为5m；
S2、向注碱孔110内灌注碱液，并抽出抽采孔120内的气体。其中，碱液为质量浓度2％的碳酸钠溶液，灌注碱液时的压力为10MPa；抽气时的负压为30kPa，灌注碱液和抽气的时间为4h；
S3、掘进隧道至新的工作面200后重复上述S1和S2中的步骤。
实施例2
本实施例提供了一种有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其具体步骤如下：
S1、在隧道采挖的工作面200交叉开设纵横交错布置的多个注碱孔110和多个抽采孔120，注碱孔110和抽采孔120之间的间距为100mm；其中，注碱孔110和抽采孔120的孔径为90mm，孔深为7m，在开设注碱孔110时，在工作面200的拱顶和仰拱分别开设倾角为30度的增渗孔130，增渗孔130的深度为10m。
S2、向注碱孔110和增渗孔130内灌注碱液，并抽出抽采孔120内的气体。其中，碱液为质量浓度0.1％的氢氧化钠溶液，灌注碱液时的压力为6MPa；抽气时的负压为50kPa，灌注碱液和抽气的时间为6h。
实施例3
本实施例提供了一种有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其具体步骤如下：
S1、在隧道采挖的工作面200交叉开设纵横交错布置的多个注碱孔110和多个抽采孔120，注碱孔110和抽采孔120之间的间距为150mm；其中，注碱孔110和抽采孔120的孔径为75mm，孔深为6m，在开设注碱孔110时，在工作面200的拱顶和仰拱分别开设倾角为30度的增渗孔130，增渗孔130的深度为8m。
S2、向注碱孔110和增渗孔130内灌注碱液，并抽出抽采孔120内的气体。其中，碱液为质量浓度0.5％的氨水，灌注碱液时的压力为6MPa；抽气时的负压为50kPa，灌注碱液和抽气的时间为4h。
S3、开挖工作面200的上台阶面，保持对下台阶220的工作面200进行灌注碱液及抽气，同时在新的上台阶210的工作面200交叉开设多个注碱孔110和多个抽采孔120，对新的上台阶210的工作面200的拱顶开设倾角为30度的增渗孔130，并进行注碱孔110和增渗孔130的灌注碱液和抽采孔120的抽气处理；其中，台阶面的上台阶210和下台阶220的距离为3m。
S4、开挖工作面200的下台阶面，保持对新的上台阶210的工作面200进行灌注碱液及抽气，同时在新的下台阶220的工作面200交叉开设多个注碱孔110和多个抽采孔120，对新的下台阶220的工作面200的仰拱开设倾角为30度的增渗孔130，并进行注碱孔110和增渗孔130的灌注碱液和抽采孔120的抽气处理；
S5、重复上述S3和S4的步骤。
本发明提供的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法在隧道工作面开挖前，向工作面内部预注碱液并抽采瓦斯，使碱液与硫化氢在围岩内部发生化学反应的同时抽采瓦斯和硫化氢，从而实现快速高效的去除硫化氢和瓦斯的目的，能够有效的防止隧道开挖后从破碎的围岩裂隙中突涌硫化氢和瓦斯，为工作人员和机械设备的安全施工和生产提供较高的保障。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、在隧道开挖的工作面交叉开设多个注碱孔和多个抽采孔；
S2、向所述注碱孔内灌注碱液，并抽出所述抽采孔内的气体。
2.根据权利要求1所述的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其特征在于，所述碱液包括质量浓度1～3％的碳酸钠溶液、质量浓度0.01～0.3％的氢氧化钠溶液或质量浓度0.1～0.5％的氨水中的一种。
3.根据权利要求1所述的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其特征在于，所述注碱孔和所述抽采孔的孔径为54～108mm，孔深为5～10m。
4.根据权利要求1所述的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其特征在于，灌注碱液时的压力为5～10MPa。
5.根据权利要求3所述的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其特征在于，抽气时的负压为10～100kPa。
6.根据权利要求1所述的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其特征在于，灌注碱液和抽气的时间为1～10h。
7.根据权利要求1所述的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其特征在于，开设所述注碱孔时，在所述工作面的拱顶和仰拱分别开设倾角为10～30度的增渗孔，并在向所述注碱孔内灌注碱液时向所述增渗孔灌注所述碱液。
8.根据权利要求1所述的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其特征在于，还包括以下步骤，
S3、开挖所述工作面的上台阶面，保持对下台阶的工作面进行灌注碱液及抽气，同时在新的上台阶的工作面交叉开设多个注碱孔和多个抽采孔，并进行灌注碱液和抽气处理；
S4、开挖所述工作面的下台阶面，保持对所述新的上台阶的工作面进行灌注碱液及抽气，同时在新的下台阶的工作面交叉开设多个注碱孔和多个抽采孔，并进行灌注碱液和抽气处理；
S5、重复上述S3和S4的步骤。
9.根据权利要求8所述的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其特征在于，所述台阶面的上台阶和下台阶的距离为3～5m。
10.根据权利要求1所述的有毒有害气体隧道施工硫化氢瓦斯治理方法，其特征在于，所述注碱孔和所述抽采孔之间的距离为50cm～200cm。
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