CN213360120U - 用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构，涉及隧道施工技术领域，包括喷射在掌子面围岩外部的气密性混凝土层，所述气密性混凝土层上间隔钻设若干个延伸至围岩内的钻孔，所述钻孔及岩体间隙内填充用于吸附瓦斯的活性炭复合材料，所述活性炭复合材料通过注浆装置注入；所述钻孔的孔口设有止浆塞。本实用新型通过在隧道掌子面喷涂气密性混凝土层，并在混凝土层上预钻若干个延伸至围岩内的钻孔，通过注浆装置将活性炭复合材料注入钻孔内，最后利用止浆塞对钻孔进行封堵。本实用新型结构简单、操作方便，能够对隧道掌子面的围岩溢出的瓦斯进行预吸附，避免瓦斯大量积聚，降低隧道施工的安全隐患。

Description

用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构

技术领域

本实用新型涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构。

背景技术

随着隧道建设规模扩大、数量的增多，越来越多的隧道穿越瓦斯积聚区山脉，瓦斯安全问题日益突出。隧道瓦斯涌出主要来源于掌子面处的岩层揭露，会引起中毒、窒息、燃烧、爆炸等多种灾难性后果。根据瓦斯赋存形式的不同，瓦斯涌出的形式分为缓慢渗入、快速涌入和突出等，其中突出最为强烈，危害最大。公路、铁路隧道施工时的开挖揭露面积大，施工过程中的爆破、机械振动等因素会综合导致瓦斯溢出量增多，且瓦斯在封闭的地下环境中难以消散，容易积聚引起浓度超标，威胁施工作业人员正常呼吸，甚至诱发爆炸，因此隧道施工中瓦斯管理与控制十分关键。目前，通风是保障瓦斯隧道施工安全的关键途径，但隧道工程常用的压入式或巷道式通风中污风均沿着隧洞以开放气流形式向洞外排出，因此粉尘、瓦斯等有害介质呈一种开放型定向扩散状态，导致隧道整体长期处于有毒有害气体环境中。尤其当掌子面瓦斯涌出量极大时，大量的瓦斯直接沿隧洞向外流动，存在灾害扩散隐患。

针对掌子面揭露时瓦斯涌出量过大引起的潜在危害，目前的办法主要是超前地质钻探与通过钻孔超前排放瓦斯，以减少掌子面开挖时的瓦斯溢出量。但是，瓦斯仍然会以气体的形式扩散至隧道内部。当岩层瓦斯含量较高时，超前排放也具有一定危险性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构，结构简单、施工方便，能够主动吸附掌子面内围岩溢出的瓦斯，确保隧道施工安全。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：

一种用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构，包括喷射在掌子面围岩外部的气密性混凝土层，所述气密性混凝土层上间隔钻设若干个延伸至围岩内的钻孔，所述钻孔及岩体间隙内填充用于吸附瓦斯的活性炭复合材料，所述活性炭复合材料通过注浆装置注入；所述钻孔的孔口设有止浆塞。

优选的，所述钻孔内嵌装溢浆管，所述溢浆管的一端延伸至围岩内，所述溢浆管的另一端外露于气密性混凝土层的外部；所述止浆塞内嵌于溢浆管的外部管口。

优选的，所述溢浆管与气密性混凝土层的配合面间内嵌塑胶泥。

优选的，所述溢浆管为袖阀管，所述袖阀管置于钻孔内的侧壁上设有若干个溢浆孔。

优选的，所述钻孔的间距为1.0～2.0m；所述气密性混凝土层的厚度为5～10 cm。

优选的，所述注浆装置包括双液注浆泵和浆料管，所述浆料管的一端通过第一接头与双液注浆泵的出口相连、另一端通过第二接头与溢浆管的外露端相连。

优选的，所述双液注浆泵包括泵体及第一浆料罐、第二浆料罐，所述泵体内设有混合室和空气室，第一浆料罐、第二浆料罐分别用于盛装含活性炭的稠化溶液及发泡剂；第一浆料罐、第二浆料罐均与混合室连通，所述混合室的出料口与空气室连通，所述空气室的出料口与第一接头相连。

优选的，所述空气室与空气泵相连，用于搅拌均匀空气室内的两种浆料并充分发泡。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型通过在隧道掌子面喷涂气密性混凝土层，并在混凝土层上预钻若干个延伸至围岩内的钻孔，通过注浆装置将活性炭复合材料注入钻孔内，最后利用止浆塞对钻孔进行封堵。本实用新型结构简单、操作方便，能够对隧道掌子面的围岩溢出的瓦斯进行预吸附，避免瓦斯大量积聚，降低隧道施工的安全隐患。

附图说明

图1是本实用新型实施例中注浆装置的工作状态图；

图2是图1中的A-A剖视图；

图中：1、第一浆料罐，2、第二浆料罐，3、活性炭复合材料，4、双液注浆泵，41、混合室，42、空气室，43、空气泵，5、注浆管，51、第一接头，52、第二接头，6、溢浆管，7、钻孔，8、塑胶泥，9、围岩，10、掌子面，11、岩体空隙，12、煤系岩体，13、瓦斯气体，14、气密性混凝土层。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2所示，本实用新型提供的一种用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构，包括喷射在掌子面10围岩9外部的气密性混凝土层14，所述气密性混凝土层14上间隔钻设若干个延伸至围岩内的钻孔7，所述钻孔7及岩体间隙11内填充用于吸附瓦斯的活性炭复合材料3，所述活性炭复合材料3通过注浆装置注入间距为1.0～2.0m的钻孔7内；所述钻孔7的孔口设有止浆塞。为了方便向围岩深处注入活性炭复合材料，可在钻孔7内嵌装溢浆管6，所述溢浆管6的一端延伸至围岩9内，所述溢浆管6的另一端外露于气密性混凝土层14的外部；所述止浆塞内嵌于溢浆管6的外部管口。其中，气密性混凝土层的厚度为5～10 cm。

在本实用新型的一个具体实施例中，溢浆管6优选袖阀管，同时在袖阀管置于钻孔内的侧壁上钻设若干个溢浆孔，方便向岩体间隙内均匀注入活性炭复合材料。注入完毕在溢浆管6与气密性混凝土层14的配合面间内嵌塑胶泥8，将袖阀管的四周孔隙封堵密实。

如图1所示，本实用新型施工所用注浆装置包括双液注浆泵4和注浆管5，所述注浆管5的一端通过第一接头51与双液注浆泵4相连、另一端通过第二接头52与溢浆管6相连。双液注浆泵4包括泵体及第一浆料罐1、第二浆料罐2，所述泵体内设有混合室41和空气室42，第一浆料罐1、第二浆料罐2分别用于盛装含活性炭的稠化溶液及发泡剂；第一浆料罐1、第二浆料罐2均与混合室41连通，所述混合室41的出料口与空气室42连通，所述空气室42的出料口与第一接头51相连。其中，所述空气室42与空气泵43相连，用于搅拌均匀空气室42内的两种浆料并充分发泡。

具体施工时，可在注浆管的末端并联若干个分支管，分别与若干个溢浆管对应连接，能够同时向所有溢浆管内进行注浆。也可以利用注浆管一对一地向每一个溢浆管内注入活性炭复合材料。

该活性炭复合材料包括活性炭纤维粉、粘稠剂、发泡剂三部分。具体成分配比可参照授权公告号为CN103362532B的专利《用于防治采空区瓦斯涌出的含活性炭的胶体泡沫制备方法》中提到含活性炭的胶体泡沫。含活性炭的稠化溶液可由颗粒直径小于500微米的木质活性炭粉、黄原胶粘稠剂与水按质量比为1： 0.03:10混合而成；发泡剂则是硅酸钠与水的质量百分比 0.3%、十二烷基二甲基苄基氯化铵发泡剂与水的质量百分比为0.4％混合形成。采用双液注浆泵混合搅拌发泡后注入掌子面的岩体间隙内。

另外，活性炭复合材料中的活性炭纤维粉、粘稠剂、发泡剂三部分也可以选用以下几种材料混合而成。

（1）活性炭纤维：由木质、煤质和石油焦等含碳原料经过热解、活化加工制备而成，是一种高性能瓦斯吸附材料，纤维直径一般在10～13微米、外表面积大、微孔丰富且分布窄、易于与瓦斯气体接触、扩散阻力小，吸附速度快，尤其对低浓度甲烷的吸附能力极强。

（2）粘稠剂：由三聚氰胺甲醛溶液与水按照1：3的质量比混合而成，用途为使得活性炭纤维胶结为具有一定孔隙度的骨架结构。其中，三聚氰胺甲醛溶液与水的质量比例根据隧道围岩内部的裂隙特征确定，裂隙张开度小或缝隙填充度高时，应适当地增大水的比例。

（3）发泡剂为单组分聚氨酯泡沫剂，使用前保存在耐压气雾罐中，喷出后沫状聚氨酯物料会迅速膨胀并与空气发生固化反应形成泡沫。

上述活性炭复合材料的制备步骤包括称量、混合、发泡、固化。

首先，将活性炭纤维和粘稠剂按照1：5质量比例掺和形成具有一定浓度活性炭纤维的稠化溶液。其中，活性炭纤维的质量确定方法为，首先根据围岩内部单位体积岩体的瓦斯含量、掌子面开挖面积、超前注入深度，计算需要吸附的瓦斯质量；然后根据活性炭纤维对瓦斯的吸附比例，计算需要的活性炭纤维质量。

然后，将含活性炭的稠化溶液与发泡剂按照30：1质量比例在空气作业下进行物理机械搅拌发泡，制成胶体泡沫状活性炭复合材料。所得活性炭复合材料最终形成一种三维网状结构的多孔材料。采用该配方制取的活性炭复合材料主要适用于岩层含水量低而瓦斯富集的煤系地层。活性炭复合材料通过袖阀管超前注入在隧道掌子面的围岩中。具体注入步骤如下：

（1）掌子面开挖与瓦斯检测。对围岩9实施爆破与开挖作业，按施工计划开挖至隧道掌子面10时，通过瓦斯检测系统与设备评估瓦斯气体13的溢出量水平，并观察煤系岩体12中围岩的岩体空隙11的发育程度。

（2）封闭掌子面。当掌子面瓦斯溢出量较大时，在袖阀管钻孔安装前，应对掌子面喷射5～10 cm厚的气密性混凝土层14，对瓦斯气体13进行封闭。

（3）超前钻孔与袖阀管安装。根据煤系岩体12中的空隙发育程度，评估袖阀管扩散范围，例如影响范围为0.5～1.0 m时，超前钻孔7间距设计为1.0～2.0 m。超前钻孔7施作完成之后，安装袖阀管，并采用塑胶泥8将袖阀管的出露端与气密性混凝土层14之间的空隙填充密实。

（4）制备活性炭复合材料的基料，分为A液和B液，A液为活性炭纤维与粘稠剂掺和形成的稠化溶液，B液为发泡剂。根据超前钻孔7的布设间距、隧道瓦斯气体12涌出量水平，确定配制比例。例如，粘稠剂三聚氰胺甲醛溶液与水的质量比例为1：3；活性炭纤维与粘稠剂的质量比例为1：5；稠化溶液与发泡剂的质量比例为30：1。具体配制过程如下：

1）称重。计算并称取质量m的活性炭纤维；称取5/4m的三聚氰胺甲醛溶液、15/4m的水，掺和均匀形成5m的粘稠剂；称取1/5m的发泡剂注入到第二浆料罐2内。

2）混合。将质量m的活性炭纤维和质量5m的粘稠剂充分拌合形成均质的活性炭纤维稠化溶液注入到第一浆料罐1内，活性炭纤维稠化溶液的质量为6m。

3）发泡。在双液注浆泵4的混合室41中将质量6m活性炭纤维稠化溶液与1/5m的发泡剂混合形成含有多相组分的混合浆液。

4）固化。混合浆液进入双液注浆泵4的空气室42中，空气泵43不断地向空气室42中的混合浆液引入空气，充分搅拌，形成胶体泡沫状的活性炭复合材料3。

（5）掌子面超前注入。采用第一接头51将双液注浆泵与注浆管5的一端连接，采用第二接头52将注浆管5的另一端与隧道掌子面9的袖阀管连接。活性炭复合材料3经注浆管5进入袖阀管，再通过袖阀管上均布的溢浆孔进入煤系岩体12的岩体空隙11中。将一定量的活性炭复合材料3按一定注浆压力注入后，注浆压力一般控制在0.5～1.0 MPa。在袖阀管的端部安装止浆塞，止浆塞应能经受注浆压力。控制好材料注入量，即每根袖阀管内已达到规定注入量时，就可结束；若孔口压力已达到规定压力值，但注入量仍不足时，也应停止注入。

（6）注入效果检查。注入结束后，应对注入效果进行检查，如未达到要求，应进行补孔注射。分析注入记录，看每个孔注入压力、注入量是否达到设计要求，以材料注入量估算扩散半径，分析是否与设计相符。

通过上述操作后，活性炭复合材料3在一定的时间内高效地吸收围岩的岩体空隙11中的瓦斯气体13，同时覆盖煤系岩体12起到抑制瓦斯气体13涌出的作用。待围岩岩体中的瓦斯浓度降低后，进行开挖与支护作业，掌子面继续掘进。

采用上述活性炭复合材料吸附岩体间隙溢出瓦斯具有以下有益效果：

（1）活性炭材料对甲烷等瓦斯成分具有非常好的吸附能力，吸附率高，使用寿命长，制备方法简单，材料成本低，适合大规模生产。

（2）所述活性炭复合材料经注浆管道注入含瓦斯岩层后，能封堵岩溶裂隙或空腔，利用活性炭充分吸附岩层中游离的瓦斯，同时在岩体表面形成胶体覆盖层，达到持久有效地抑制瓦斯涌出的目的。

（3）相比通风措施，通过将活性炭复合材料超前注入掌子面后部岩层中可以在开挖揭露之前降低围岩中的瓦斯浓度，有效降低掌子面开挖过程中瓦斯突出的风险，同时减小岩体开挖揭露后的瓦斯释放量，更具主动性和有效性。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构，其特征在于：包括喷射在掌子面围岩外部的气密性混凝土层，所述气密性混凝土层上间隔钻设若干个延伸至围岩内的钻孔，所述钻孔及岩体间隙内填充用于吸附瓦斯的活性炭复合材料，所述活性炭复合材料通过注浆装置注入；所述钻孔的孔口设有止浆塞。

2.根据权利要求1所述的用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构，其特征在于：所述钻孔内嵌装溢浆管，所述溢浆管的一端延伸至围岩内，所述溢浆管的另一端外露于气密性混凝土层的外部；所述止浆塞内嵌于溢浆管的外部管口。

3.根据权利要求2所述的用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构，其特征在于：所述溢浆管与气密性混凝土层的配合面间内嵌塑胶泥。

4.根据权利要求2所述的用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构，其特征在于：所述溢浆管为袖阀管，所述袖阀管置于钻孔内的侧壁上设有若干个溢浆孔。

5.根据权利要求1所述的用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构，其特征在于：所述钻孔的间距为1.0～2.0m；所述气密性混凝土层的厚度为5～10 cm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构，其特征在于：所述注浆装置包括双液注浆泵和浆料管，所述浆料管的一端通过第一接头与双液注浆泵的出口相连、另一端通过第二接头与溢浆管的外露端相连。

7.根据权利要求6所述的用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构，其特征在于：所述双液注浆泵包括泵体及第一浆料罐、第二浆料罐，所述泵体内设有混合室和空气室，第一浆料罐、第二浆料罐分别用于盛装含活性炭的稠化溶液及发泡剂；第一浆料罐、第二浆料罐均与混合室连通，所述混合室的出料口与空气室连通，所述空气室的出料口与第一接头相连。

8.根据权利要求7所述的用于吸附隧道掌子面溢出瓦斯的过渡结构，其特征在于：所述空气室与空气泵相连，用于搅拌均匀空气室内的两种浆料并充分发泡。

Images