CN109558607A - 铁路隧道瓦斯等级确定方法 - Google Patents

Abstract

铁路隧道瓦斯等级确定方法，涉及铁路工程技术领域。本发明包括下述步骤：1)依据断面面积确定隧道类型：断面面积大于等于30m²且小于70m²为I类，断面面积大于等于70m²且小于110m²为II类，断面面积大于等于110m²且小于140m²为III类，断面面积大于等于140m²的为IV类；2)测量风速、断面面积、平均瓦斯浓度，并依据下式计算绝对瓦斯涌出量：

Description

铁路隧道瓦斯等级确定方法

技术领域

本发明涉及铁路工程技术领域。

背景技术

目前，铁路瓦斯隧道的等级是按隧道内瓦斯工区的最高级确定，低瓦斯工区 和高瓦斯工区按绝对瓦斯涌出量进行判定，当全工区的瓦斯涌出量小于 0.5m³/min时为低瓦斯工区，大于或等于0.5m³/min时为高瓦斯工区。以往单线 铁路隧道断面仅60m²左右，而现今随着高速、大断面铁路隧道的不断涌现，施 工通风方式和工艺均发生很大变化，这种单一指标的分类方法不能适应于大断面 瓦斯隧道等级的划分。按照《铁路瓦斯隧道技术规范》的划分依据，隧道断面积 变大，通风和瓦斯涌出量不变，隧道内平均瓦斯浓度就会降低，施工危险性也会 降低，因此大断面隧道以0.5m³/min作为高、低瓦斯隧道判别标准就显得偏低， 将增加不必要的设备投入及工程措施，造成工程投资浪费。

本发明通过分析矿井、交通瓦斯隧道的瓦斯等级划分原理和方法，结合隧道 断面大小、需风量和瓦斯浓度等指标提出一种适合各种断面、采用多指标综合判 定的铁路瓦斯隧道等级划分方法，从而满足瓦斯隧道设计施工使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种铁路隧道瓦斯等级确定方法，能够提 供准确的瓦斯等级状况参数，为提高施工安全性提供保障。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，铁路隧道瓦斯参数测定方 法，其特征在于，包括下述步骤：

1)依据断面面积确定隧道类型：

断面面积大于等于30m²且小于70m²为I类，

断面面积大于等于70m²且小于110m²为II类，

断面面积大于等于110m²且小于140m²为III类，

断面面积大于等于140m²的为IV类；

2)测量风速、断面面积、平均瓦斯浓度，并依据下式计算绝对瓦斯涌出量：

式中：为绝对瓦斯涌出量；

Q为隧道回风断面总风量，即风速和断面面积的乘积；

w为回风断面平均瓦斯浓度，

K为瓦斯涌出不均匀系数，1.5≤K≤2.0；

3)依据绝对瓦斯涌出量和适用的隧道类型确定瓦斯参数等级：

I类隧道：

绝对瓦斯涌出量大于等于0且小于0.1的，为微瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于0.1且小于0.5的，为低瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于0.5的，为高瓦斯等级；

II类隧道：

绝对瓦斯涌出量大于等于0且小于0.3的，为微瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于0.3且小于1.2的，为低瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于1.2的，为高瓦斯等级；

III类隧道：

绝对瓦斯涌出量大于等于0且小于0.5的，为微瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于0.5且小于2.0的，为低瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于2.0的，为高瓦斯等级；

IV类隧道：

绝对瓦斯涌出量大于等于0且小于0.6的，为微瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于0.6且小于2.5的，为低瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于2.5的，为高瓦斯等级。

目前规范以绝对瓦斯涌出量0.5m³/min作为铁路隧道高、低瓦斯等级界 限值，只适用于单线普速(120km/h)铁路瓦斯隧道，已不能满足高速、双(多) 线、大断面铁路瓦斯隧道建设的需要，将增加不必要的设备投入及工程措施；同 时目前规范没有微瓦斯隧道概念，对实际瓦斯涌出量很小，施工中常规通风即可 满足要求的瓦斯隧道仍按低瓦斯隧道进行通风及施工管理，造成较大的工程投资 浪费。本发明提出的铁路瓦斯隧道等级划分方法，适合各种断面大小的铁路瓦斯 隧道，可以涵盖从普速到客运专线所有等级的铁路瓦斯隧道工程，采用多指标综 合判定的方法，可以更全面地考虑更多的因素，使等级确定更加科学合理，根据 此划分标准采取合理的施工和管理措施，可以减少工程投资，加快施工进度，同 时保证施工安全。

具体实施方式

本发明提供铁路隧道瓦斯等级确定方法，包括以下步骤：

步骤1：对铁路瓦斯隧道断面进行分类：

随着我国铁路建设事业迅速发展，瓦斯隧道已涉及到了从120km/h到 350km/h的所有速度目标值的铁路工程，简单的以线别(单、双线等)划分的方 法已不能满足铁路瓦斯隧道建设的需要。因此本发明提出按隧道断面积大小将铁 路瓦斯隧道断面分为四类，基本涵盖了从普速到客运专线所有等级的铁路隧道工 程。

步骤2：确定铁路瓦斯隧道浓度界限：

当瓦斯浓度介于5％～16％时可以发生剧烈的氧化反应，一旦接触火源就会发 生爆炸，由于每个隧道建设的实际情况不同，因此综合考虑把5％的瓦斯爆炸下 限除以10，以0.5％作为瓦斯允许浓度。《铁路瓦斯隧道技术规范》要求施工中正 洞各处瓦斯浓度必须降到0.5％以下，公路瓦斯隧道的也要求把瓦斯浓度控制在 0.5％以下，结合瓦斯隧道的建设经验可认为0.5％以下的瓦斯浓度是较为安全的。

对已建瓦斯隧道案例分析中发现，一些瓦斯隧道虽然穿越煤层，但实际瓦 斯涌出量很小，回风中瓦斯浓度极低，在通风设计时不是主要影响因素，例如贵 昆铁路梅子关隧道和内昆铁路马蹄石隧道。因此，在安全的前提下，从经济性考 虑，有必要把瓦斯涌出量小，在施工中常规通风即可满足要求(通风设计时瓦斯 不起主要因素)的瓦斯隧道单独划分为微瓦斯隧道。

本发明提出微瓦斯隧道与低瓦斯隧道的瓦斯浓度分界值，以及低瓦斯隧道 和高瓦斯隧道的瓦斯浓度分界值标准。

步骤3：确定铁路瓦斯隧道需风量及合理风速界限：

施工通风在瓦斯隧道的建设中起到决定性的作用，国内外通风方式和和通 风量计算方法较多，我国主要是选择了几种不利的条件，例如工程人员呼吸需要、 爆破排烟需求、瓦斯排放需求和机械设备排烟等，分别计算出各自的需风量，最 大值即被认为是该隧道的实际需风量。

根据需风量计算理论，本发明通过对几座典型瓦斯隧道通风设计实例进行 分析，提出各等级瓦斯隧道需风量计算的合理风速界限，并采用隧道断面与合理 风速的乘积计算需风量。

步骤4：划分铁路瓦斯隧道的等级：

通过步骤1～步骤3对瓦斯隧道断面、需风量、风速和允许浓度界限值的分 析，瓦斯涌出不均匀系数K取2，由式(1)可计算出铁路瓦斯隧道工区等级划 分的瓦斯涌出量界限指标值，据此将铁路瓦斯隧道分为微瓦斯、低瓦斯、高瓦斯 和煤与瓦斯突出隧道四种类别，瓦斯隧道类型按瓦斯隧道工区的最高级别确定。

实施例：

第一步：结合国内调研情况、我国近年来铁路瓦斯隧道建设经验及科研成果， 按表1对铁路隧道断面进行分类，涵盖了从普速到高速铁路所有速度目标值的隧 道工程。

表1铁路瓦斯隧道断面分类

第二步：在提出微瓦斯隧道概念基础上，考虑到我国施工管理和技术水平参 差不齐以及特殊情况的发生，且现《铁路瓦斯隧道技术规范》中对高、低瓦斯隧 道的分界浓度定为0.5％，因此有必要将标准适当提高，将0.1％作为微瓦斯隧道 与低瓦斯隧道的分界值，0.3％作为低瓦斯隧道和高瓦斯隧道的分界值标准。

第三步：以下列出五座典型瓦斯隧道的通风设计实例，表2～表6列出最大 需风量的计算结果，通过以上瓦斯隧道通风设计实例进行分析，对隧道内有无瓦 斯影响进行计算分析，计算结果如表7所示。

表2云顶隧道通风量计算表(单位：m³/min)

表3天台寺隧道通风量计算表(单位：m³/min)

表4铜锣山隧道通风量计算表(单位：m³/min)

计算项目	正洞	备注
			按作业人员呼吸	480	备用系数1.5，80人
按瓦斯绝对涌出量	835	瓦斯绝对涌出量2.782m<sup>3</sup>/min
			按同时爆破炸药量	1333	炸药200kg，30min
按最小风速	3840	最小风速1m/s，开挖断面64m<sup>2</sup>
			按稀释和排出内燃机废气	2030	无轨运输，总功率716kw

表5华蓥山隧道通风量计算表(单位：m³/min)

计算项目	进口段	出口段	备注
				按作业人员呼吸	480	480	备用系数1.5，80人
按瓦斯绝对涌出量	3553	3553	瓦斯绝对涌出量11.84m<sup>3</sup>/min
				按爆破排烟	1333	1333	炸药200kg，30min
按同时爆破炸药量	/	/	/
				按稀释和排出内燃机废气	2030	2030	无轨运输，总功率716kw
按洞内最下允许风速	4680	4680	最小风速1m/s

表6朱嘎隧道通风量计算表(单位：m³/min)

表7隧道(不)考虑瓦斯最大需风量对比表

由表7可看出，当不考虑瓦斯因素时，若为有轨运输，爆破排烟是通风主 要因素，若为无轨运输，稀释和排出内燃机废气是主要因素。不考虑瓦斯因素反 算出的平均风速为0.23～0.56m/s。当考虑瓦斯因素时，各算例中按瓦斯涌出量计 算的需风量不是主要因素，通风计算主要因素为最小风速，因此瓦斯隧道最小风 速取值时应慎重。

计算瓦斯隧道需风量时，由于影响因素太多，为便于计算，本发明采用隧道 断面与合理风速的乘积计算需风量。计算微瓦斯与低瓦斯隧道的需风量时，可按 照正常施工最低风速0.15m/s计算。确定低瓦斯与高瓦斯隧道合理风速时，在算 例的Ⅰ类隧道(断面30～70m²)中，不考虑瓦斯因素计算需风量的平均风速为 0.23～0.56m/s，考虑瓦斯影响下风速为0.25～1.0m/s。考虑到安全原因，取0.20m/s 作为Ⅰ类隧道的合理风速。对于Ⅱ类及以上隧道，本文所列算例的最小风速为 0.30m/s(云顶隧道)，考虑其为双线大断面隧道，风速的改变对其风量计算影 响变大，且大断面瓦斯隧道本身施工危险性较大，从分类标准的安全性考虑，Ⅱ 类及以上隧道的合理风速也按照0.2m/s计算，但是防止瓦斯积聚的局部通风措施必须到位。

第四步：根据对瓦斯隧道断面、需风量、合理风速和允许浓度的分析，瓦斯 涌出不均匀系数K取2，由式(1)可计算出对应的瓦斯涌出量界限指标值。例 如Ⅰ类断面隧道，计算时取隧道断面积为30m²，分界浓度分别为0.1％和0.3％， 需风量按照风速0.15m/s和0.20m/s与隧道断面面积的乘积计算。

微瓦斯与低瓦斯隧道分界值：

Q₁＝(30×0.15×60×0.001)÷2＝0.135m³/min

低瓦斯与高瓦斯隧道分界值：

Q₂＝(30×0.2×60×0.003)÷2＝0.54m³/min

对结果取整后，由此可得Ⅰ类断面瓦斯隧道的瓦斯涌出量小于0.1m³/min时 为微瓦斯工区，0.1～0.5m³/min时为低瓦斯工区，当涌出量大于0.5m3/min时 为高瓦斯工区。对于Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类断面的瓦斯隧道，其计算过程与Ⅰ类断面的隧 道相同，具体计算数据和计算结果如表8所示。铁路瓦斯隧道可分为微瓦斯、低 瓦斯、高瓦斯和煤与瓦斯突出隧道四种类型，瓦斯隧道类型可按瓦斯隧道工区的 最高级别确定。各个断面类型瓦斯隧道工区的划分如表9所示

表8铁路瓦斯隧道等级划分计算表

表9瓦斯隧道工区等级划分表

以上所述只是说明本发明－一种铁路瓦斯隧道等级划分方法的一些原理，并 非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被 利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (1)

1.铁路隧道瓦斯等级确定方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)依据断面面积确定隧道类型：

断面面积大于等于30m²且小于70m²为I类，

断面面积大于等于70m²且小于110m²为II类，

断面面积大于等于110m²且小于140m²为III类，

断面面积大于等于140m²的为IV类；

2)测量风速、断面面积、平均瓦斯浓度，并依据下式计算绝对瓦斯涌出量：

式中：为绝对瓦斯涌出量；

Q为隧道回风断面总风量，即风速和断面面积的乘积；

w为回风断面平均瓦斯浓度，

K为瓦斯涌出不均匀系数，1.5≤K≤2.0；

3)依据绝对瓦斯涌出量和适用的隧道类型确定瓦斯参数等级：

I类隧道：

绝对瓦斯涌出量大于等于0且小于0.1的，为微瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于0.1且小于0.5的，为低瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于0.5的，为高瓦斯等级；

II类隧道：

绝对瓦斯涌出量大于等于0且小于0.3的，为微瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于0.3且小于1.2的，为低瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于1.2的，为高瓦斯等级；

III类隧道：

绝对瓦斯涌出量大于等于0且小于0.5的，为微瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于0.5且小于2.0的，为低瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于2.0的，为高瓦斯等级；

IV类隧道：

绝对瓦斯涌出量大于等于0且小于0.6的，为微瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于0.6且小于2.5的，为低瓦斯等级；

绝对瓦斯涌出量大于等于2.5的，为高瓦斯等级。