吳濤

摘要：以某鐵路隧道工程為例，基于高瓦斯大斷面隧道施工安全隱患多、質(zhì)量控制要求高的特點(diǎn)，研究具體通風(fēng)方式，構(gòu)建具備通風(fēng)參數(shù)檢測、通風(fēng)狀態(tài)監(jiān)控多項(xiàng)功能的通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)。闡述高瓦斯大斷面隧道施工環(huán)境監(jiān)控與安全預(yù)警的技術(shù)策略，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)研究高瓦斯大斷面隧道施工環(huán)境的安全程度，評價(jià)通風(fēng)技術(shù)的可行性。研究結(jié)果表明：通過瓦斯隧道監(jiān)測及通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用，可及時(shí)反饋現(xiàn)場施工情況，提高了瓦斯隧道通風(fēng)管理水平，有利于營造安全的隧道施工環(huán)境，推動隧道施工的順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：高瓦斯隧道；監(jiān)測技術(shù)；通風(fēng)技術(shù)；控制指標(biāo)

0? ?引言

瓦斯隧道通風(fēng)系統(tǒng)可稀釋并排出施工現(xiàn)場的粉塵及有害氣體，改善隧道洞內(nèi)施工環(huán)境，為工程人員提供安全保障。瓦斯隧道通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行水平直接影響施工安全狀況，本文以某鐵路隧道工程為例，構(gòu)建具備通風(fēng)參數(shù)檢測、通風(fēng)狀態(tài)監(jiān)控多項(xiàng)功能的通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，闡述高瓦斯大斷面隧道施工環(huán)境監(jiān)控與安全預(yù)警的技術(shù)策略，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)研究高瓦斯大斷面隧道施工環(huán)境的安全程度，評價(jià)通風(fēng)技術(shù)的可行性。

1? ?工程概況

某鐵路工程為單洞雙線隧道，起訖里程為DK607+329.1～DK615+600，全長8270.9m。隧道設(shè)進(jìn)出口平行導(dǎo)坑，平導(dǎo)長度分別為2660m、2242m，平行導(dǎo)坑中線與左線線路中線間距為30m，兩線平行布置。工程現(xiàn)場鉆孔探測結(jié)果表明，單孔天然氣濃度最高值達(dá)到0.974，對隧道施工安全不利。結(jié)合勘察結(jié)果可知，DK607+800～DK610+050

和DK613+350～DK614+950段瓦斯?jié)舛雀撸踩[患多，需按高瓦斯段進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)。

2? ?高瓦斯隧道通風(fēng)方式

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)布置及施工進(jìn)度，分階段設(shè)計(jì)隧道通風(fēng)方式：第一階段，采用壓入式通風(fēng)方式，適用于進(jìn)口平導(dǎo)、出口及出口平導(dǎo)；第二階段，進(jìn)口與平導(dǎo)間1#橫通道聯(lián)通后采用巷道式通風(fēng)方式，同時(shí)采用壓入式通風(fēng)方式（出口平導(dǎo)）；第三、四、五階段，以巷道式通風(fēng)改善進(jìn)口和出口的施工環(huán)境，臨時(shí)封閉平導(dǎo)中部橫通道，防止污風(fēng)回流[1]。

軸流式通風(fēng)機(jī)屬于高瓦斯隧道的重要通風(fēng)設(shè)備，各部位的設(shè)備型號不同，例如隧道正洞、平導(dǎo)、平導(dǎo)洞口分別采用SDF-NO13型、SDF-NO11.2型、SFC-6-NO18型軸流式通風(fēng)機(jī)，配套SSF-NOl1.2/37型防爆射流風(fēng)機(jī)，作為輔助裝置，以促進(jìn)風(fēng)流運(yùn)動。襯砌臺車和洞室易積聚瓦斯，用VDT32-2型隔爆軸流式通風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)。

3? ?高瓦斯隧道通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)全面性、及時(shí)性、準(zhǔn)確性的通風(fēng)監(jiān)控要求，本鐵路隧道工程采用的是KJ101N型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1? ?通風(fēng)監(jiān)測參數(shù)

通過風(fēng)速傳感器、溫度傳感器等裝置監(jiān)測隧道通風(fēng)風(fēng)流狀態(tài)。有毒有害氣體的監(jiān)測范圍包含作業(yè)段的頂拱、坑道內(nèi)氣體易滯留的凹處、距鉆探孔1m處附近等。重點(diǎn)監(jiān)測瓦斯（CH）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、硫化氫（H₂S），將濃度低、含量低的有害氣體作為輔助監(jiān)控對象。通風(fēng)檢測范圍包含開挖工作面、突變段、漸變段、出口、通風(fēng)口、坑道等。

3.2? ?通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)組成與工作原理

監(jiān)控分站配置由瓦斯監(jiān)控設(shè)備、動力電源開關(guān)、風(fēng)機(jī)開關(guān)等組成的甲烷風(fēng)電閉鎖裝置，地面監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)軟件下發(fā)參數(shù)控制。每組風(fēng)機(jī)配置的裝置及數(shù)量為：甲烷傳感器3臺；風(fēng)筒傳感器、風(fēng)速傳感器、編碼繼電器箱和設(shè)備開停傳感器，均為2臺；聲光報(bào)警器1臺。

在掘進(jìn)工作面安設(shè)風(fēng)速傳感器、甲烷傳感器等，在瓦斯隧道內(nèi)敷設(shè)監(jiān)控信號電纜，通風(fēng)機(jī)監(jiān)控采用電流型開停傳感器。根據(jù)監(jiān)測信息判斷瓦斯?jié)舛龋扇?yīng)的管控措施，具體如下：瓦斯?jié)舛龋?.5%、風(fēng)速＜0.25m/s時(shí)，快速斷電；瓦斯?jié)舛龋?%，甲烷傳感器發(fā)出聲光報(bào)警；瓦斯?jié)舛龋?%同時(shí)通風(fēng)機(jī)可正常供風(fēng)時(shí)，恢復(fù)供電[2]。

風(fēng)速低于設(shè)定值或通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行、掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，傳感器向安全監(jiān)控分站傳輸信號，通過數(shù)據(jù)傳輸電纜向地面監(jiān)控中心站傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。如對高瓦斯?jié)舛葦?shù)值進(jìn)行分析，并將其轉(zhuǎn)換為甲烷電閉鎖控制信號，安全監(jiān)控分站接收此信號后，控制斷電器斷開被控電源。

4? ?施工環(huán)境監(jiān)控與安全預(yù)警

4.1? ?傳感器的布置

4.1.1? ?掌子面?zhèn)鞲衅鞑贾?/p>

甲烷傳感器安裝在掌子面前≤5m的巷道左上部和右上部，均為1臺。溫度傳感器安裝位置在掌子面前≤5m的巷道中上部，共1臺。風(fēng)速傳感器安裝位置為掌子面前10～15m的巷道中上部，共1臺。

瓦斯（CH₄）報(bào)警濃度為0.3%，超過此濃度隨即發(fā)出警報(bào)，此時(shí)需及時(shí)采取控制措施。瓦斯斷電濃度為0.5%時(shí)，出于安全考慮，達(dá)到該濃度時(shí)必須及時(shí)斷電。斷電對象為掌子面各非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備。濃度低于0.4%時(shí)復(fù)電，掌子面使用瓦斯自動檢測報(bào)警斷電儀時(shí)，若具備復(fù)電的條件，應(yīng)采取人工復(fù)電。

根據(jù)溫度監(jiān)測要求，各掌子面均設(shè)1臺溫度傳感器。放炮前，將所有掌子面的傳感器轉(zhuǎn)移至安全區(qū)域，放炮完成且確認(rèn)現(xiàn)場無安全隱患后，移回掌子面的各類傳感器。移動過程中加強(qiáng)防護(hù)，避免磕碰受損。

4.1.2? ?回風(fēng)巷傳感器布置

回風(fēng)巷的甲烷傳感器共2臺，安裝位置在距回風(fēng)口向掌子面方向10～15m的巷道左上部和右上部。CO傳感器的安裝位置為距回風(fēng)口往掌子面方向15～20m的巷道中部，共1臺，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.3%時(shí)報(bào)警，達(dá)到0.5%時(shí)斷電，濃度低于0.4%時(shí)復(fù)電。

4.1.3? ?進(jìn)風(fēng)傳感器布置

進(jìn)風(fēng)甲烷傳感器數(shù)量為1臺，安裝位置在壓入式風(fēng)機(jī)入口前巷道上部。在壓入式風(fēng)機(jī)供電開關(guān)的前方電纜處，設(shè)1臺開停傳感器。瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.3%時(shí)報(bào)警，達(dá)到0.5%時(shí)斷電，斷電對象為供風(fēng)巷道內(nèi)各非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備。濃度低于0.4%時(shí)復(fù)電[3]。

4.1.4? 巷道傳感器布置

在巷道的左上方和右上方分別安裝1臺甲烷傳感器，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.3%時(shí)報(bào)警，加強(qiáng)通風(fēng)或采取其他控制措施。在抽出式風(fēng)機(jī)的供電電纜處設(shè)1臺開停傳感器，在總回風(fēng)巷測風(fēng)站內(nèi)巷道中間設(shè)1臺風(fēng)速傳感器，報(bào)警上限、下限分別為0.5m/s、0.25m/s。

4.1.5? ?供風(fēng)筒傳感器布置

在距掌子面≤50m的位置設(shè)置風(fēng)筒傳感器，共1臺，穩(wěn)定布設(shè)在供風(fēng)筒內(nèi)。

4.2? ?通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評價(jià)

瓦斯隧道通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提，在于原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式合理，設(shè)計(jì)方案科學(xué)可行。在通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可著重根據(jù)風(fēng)質(zhì)參數(shù)和洞內(nèi)風(fēng)量，評價(jià)其是否能夠正常運(yùn)行。若參數(shù)設(shè)置合理且維持穩(wěn)定，表明瓦斯隧道通風(fēng)系統(tǒng)具有較高的可靠性。若參數(shù)設(shè)置不合理或大幅度波動，表明瓦斯隧道通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性較差。

對瓦斯隧道通風(fēng)系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素體現(xiàn)在如下三方面：一是通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)布置的合理與否以及通風(fēng)阻力的高低程度；二是通風(fēng)動力裝置，以局部通風(fēng)機(jī)和輔助通風(fēng)機(jī)較為關(guān)鍵，兩者的穩(wěn)定運(yùn)行是通風(fēng)動力裝置正常運(yùn)行的前提，也是提高瓦斯隧道通風(fēng)系統(tǒng)可靠性的必備條件；三是通風(fēng)設(shè)施，即設(shè)施配置水平、設(shè)施運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行精度等，這幾項(xiàng)均會影響通風(fēng)設(shè)施的應(yīng)用效果。

為客觀評價(jià)瓦斯隧道通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，需要選取與通風(fēng)監(jiān)測相關(guān)、實(shí)時(shí)性良好的指標(biāo)，建立一套科學(xué)可行的評價(jià)體系。

4.3? ?風(fēng)流狀態(tài)預(yù)警

實(shí)時(shí)監(jiān)測通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)量和風(fēng)流品質(zhì)，根據(jù)兩方面的監(jiān)測結(jié)果綜合評價(jià)風(fēng)流狀態(tài)。風(fēng)流不達(dá)標(biāo)時(shí)，隨即報(bào)警。風(fēng)流狀態(tài)與隧道風(fēng)量布置、隧道施工污染程度等因素有關(guān)，良好的風(fēng)流狀態(tài)是保障通風(fēng)安全的重要前提，因此需要建立風(fēng)流狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)和管控。

風(fēng)流狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)應(yīng)與通風(fēng)風(fēng)流相關(guān)，并且直接關(guān)系到瓦斯隧道施工安全。在確定監(jiān)測指標(biāo)后，通過各類傳感器聯(lián)合監(jiān)測，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果綜合評價(jià)掘進(jìn)工作面的通風(fēng)安全狀況。若某項(xiàng)指標(biāo)超出許可范圍，發(fā)出報(bào)警，需由專員進(jìn)行管控。

4.4? ?通風(fēng)安全數(shù)據(jù)處理及效果評價(jià)

全方位管控洞內(nèi)各用風(fēng)點(diǎn)的氣象參數(shù)，以此來保障通風(fēng)安全。項(xiàng)目成立通風(fēng)測試小組，測定風(fēng)量、風(fēng)速、靜壓、動壓等參數(shù)，綜合評價(jià)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。按規(guī)范計(jì)算通風(fēng)參數(shù)的理論控制值，將實(shí)測數(shù)據(jù)與之對比，進(jìn)行量化分析。

4.4.1? 工作面風(fēng)量計(jì)算

工作面風(fēng)量計(jì)算如下：

Q₂=60V₁S（1）

式中：V₁為工作面風(fēng)速（m/s）；S為巷道斷面積，本工程取126m²；Q₂為工作面風(fēng)量。

取最大值作為供風(fēng)量，按照此數(shù)據(jù)進(jìn)行供風(fēng)，保證瓦斯隧道掘進(jìn)工作面有充足的新鮮風(fēng)量。按用風(fēng)地點(diǎn)各時(shí)段最多人數(shù)，根據(jù)個體對于施工現(xiàn)場通風(fēng)條件的要求，每人每分鐘的風(fēng)量不得少于4m³。風(fēng)流中有毒有害氣體濃度需在允許范圍內(nèi)，且無其他異常。根據(jù)前述方法進(jìn)行計(jì)算后，取較大值作為最終結(jié)果。

4.4.2? 100m漏風(fēng)率計(jì)算

100m漏風(fēng)率計(jì)算如下：

Ｐ₁₀₀=Q₁-Q₂/Q₁·L/100×100%（2）

式中：Q₁為風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，單位為m³/min；Q₂為風(fēng)筒末端風(fēng)量，即工作面風(fēng)量，單位為m³/min；L為風(fēng)筒長度，單位為m。

瓦斯隧道的風(fēng)管應(yīng)嚴(yán)密、穩(wěn)定，抗靜電和阻燃性能均要可靠，100m漏風(fēng)率不可超過2%，而為了更好地滿足此要求，還需保證風(fēng)管口到開挖面的距離在5m以內(nèi)[4]。

4.4.3? 安全管理效果評價(jià)

以某年11月份的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果為例，根據(jù)此階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，評價(jià)瓦斯隧道施工現(xiàn)場的安全管理效果，判斷通風(fēng)方案是否滿足隧道工程要求。日最高瓦斯?jié)舛热绫?所示?，F(xiàn)場測風(fēng)情況如表2所示。

根據(jù)11月的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果可知，日瓦斯?jié)舛茸罡咧颠_(dá)到0.76%，高于0.5%的次數(shù)為2次。雖然少部分時(shí)段存在瓦斯?jié)舛容^高的情況，但總體上隧道通風(fēng)風(fēng)流品質(zhì)均達(dá)標(biāo)，為此高瓦斯隧道適配的通風(fēng)系統(tǒng)具有可行性。11月工作面的風(fēng)量達(dá)到要求，風(fēng)流風(fēng)速也達(dá)標(biāo)，但風(fēng)筒100m漏風(fēng)率超標(biāo)1次，表明項(xiàng)目在風(fēng)筒管理方面存在有待加強(qiáng)之處，需要根據(jù)現(xiàn)狀優(yōu)化風(fēng)筒管理措施，進(jìn)一步降低風(fēng)筒的百米漏風(fēng)率。

5? ?結(jié)束語

高瓦斯隧道的有毒有害氣體類型多、含量高，加強(qiáng)通風(fēng)與監(jiān)測是保障施工安全的重要舉措。高瓦斯隧道通風(fēng)與檢測技術(shù)，是以營造安全施工環(huán)境為基本目標(biāo)而提出的。本文以某鐵路隧道工程為例，基于高瓦斯大斷面隧道施工安全隱患多、質(zhì)量控制要求高的特點(diǎn)，研究具體通風(fēng)方式，構(gòu)建具備通風(fēng)參數(shù)檢測、通風(fēng)狀態(tài)監(jiān)控多項(xiàng)功能的通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)。

研究結(jié)果表明：采用高精度煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，適配多種類型的傳感器，連續(xù)監(jiān)測施工現(xiàn)場甲烷、一氧化碳、風(fēng)速、風(fēng)量等環(huán)境參數(shù)，以及通風(fēng)設(shè)備和風(fēng)筒的運(yùn)行狀態(tài)，給高瓦斯隧道施工現(xiàn)場安全管控奠定了可靠基礎(chǔ)。通過瓦斯隧道監(jiān)測及通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用，可及時(shí)反饋現(xiàn)場施工情況，提高了瓦斯隧道通風(fēng)管理水平，有利于營造安全的隧道施工環(huán)境，推動隧道施工的順利進(jìn)行。

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