高瓦斯隧道行走機械車輛防爆改裝技術(shù)探討*

武 磊

（1．中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2．瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037）

0 引言

鐵路、公路等隧道工程在貫穿山體時，由于地質(zhì)條件原因，往往不可避免穿越煤系地層，瓦斯作為成煤過程中的伴生氣體，在隧道開挖掘進過程中，圍巖平衡被破壞，瓦斯等有毒有害氣體涌入開挖空間，當瓦斯達到一定濃度時遇到火花會發(fā)生瓦斯燃燒或爆炸，造成較大的經(jīng)濟、人員損失及不良社會影響。

由于目前國內(nèi)公路高瓦斯隧道設(shè)計、施工管理尚無針對車輛防爆改裝的技術(shù)規(guī)范和標準。參建單位為確保瓦斯隧道施工安全，針對行走機械車輛防爆改裝主要借鑒以往瓦斯隧道的防爆改裝模式或引用煤炭行業(yè)的相關(guān)標準。但如何做好高瓦斯隧道具體的改裝細目、標準和技術(shù)要求等，以滿足隧道安全施工需要，還需在工程實踐中研究并積累經(jīng)驗。本文通過分析不同行走機械車輛防爆改裝方案的差異，以期為瓦斯隧道作業(yè)機械防爆改裝提供參考。

1 行走機械車輛防爆改裝分析

瓦斯隧道內(nèi)行走機械車輛防爆是防止以普通內(nèi)燃機作為動力的作業(yè)車輛在爆炸性氣體環(huán)境中作業(yè)時引燃爆炸性氣體發(fā)生事故。目前針對隧道行走機械車輛電氣防爆改裝在我國公路行業(yè)尚未出臺有關(guān)公路瓦斯隧道施工技術(shù)規(guī)范，主要參照煤炭行業(yè)MT／T 989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術(shù)條件》和MT 990—2006《礦用防爆柴油機通用技術(shù)條件》等標準，對作業(yè)車輛進行防爆改裝。車載瓦斯監(jiān)控改裝主要參照地方公路行業(yè)瓦斯隧道施工技術(shù)規(guī)范，如《貴州省高速公路瓦斯隧道施工技術(shù)指南》等。

2 電氣隔爆改裝分析

2.1 系統(tǒng)工作原理

電氣隔爆改裝主要依據(jù)煤礦行業(yè)的《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術(shù)條件》《礦用防爆柴油機通用技術(shù)》、GB 19854—2005《爆炸性環(huán)境用工業(yè)車輛防爆技術(shù)通則》、GB 38362—2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》等，對車輛的柴油機動力系統(tǒng)、蓄電池等電氣系統(tǒng)進行防爆改裝，通過改裝以實現(xiàn)消除引火源目的，行走機械車輛電氣隔爆改裝的保護項目如表1所示。

表1 保護項目及設(shè)定安全值

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 防爆電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)的防爆改裝主要涉及隔爆電瓶箱、隔爆控制箱、防爆燈具及經(jīng)過防爆處理的發(fā)電機和啟動馬達（見圖1）。

圖1 防爆電氣系統(tǒng)

1）隔爆電瓶箱 采用隔爆電瓶箱的目的是將蓄電池及控制電路的控制元件全部封裝，保證在產(chǎn)生火花時與外界空氣隔絕，確保安全。

2）隔爆控制箱 采用隔爆控制箱的目的是將啟動馬達的主令開關(guān)及控制按鈕、照明開關(guān)、工作指示燈等密封，保證在產(chǎn)生電火花時與外界空氣隔絕。

3）防爆燈具 采用防爆燈的目的是代替原車照明系統(tǒng)，保證車輛在隧道內(nèi)的有安全充分的照明環(huán)境。

4）隔爆啟動馬達及發(fā)電機 采用隔爆啟動馬達及發(fā)電機的目的是為防止在發(fā)生故障時出現(xiàn)火花，采用耐高溫型阻燃材料進行塑封與外界隔絕。

2.2.2 尾氣處理系統(tǒng)構(gòu)成

尾氣的處理系統(tǒng)組成主要由雙層水冷排氣彎管、雙層水冷排氣波紋管、廢氣處理箱、防爆柵欄等組成，如圖2所示。

圖2 尾氣處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1）排氣彎管和波紋管 采用雙層水冷排氣彎管和波紋管的目的是通過夾層中走水冷卻以降低排氣管表面溫度，并對尾氣進行冷卻。

2）廢氣處理箱 采用廢氣處理箱的目的是消除尾氣火花，通過廢氣處理箱的水不但可熄滅火花、降低排氣溫度，同時各種有害氣體可溶解在水中，凈化尾氣，改善隧道內(nèi)工作環(huán)境。

3）防爆柵欄 采用防爆柵欄的目的是尾氣經(jīng)過廢氣處理箱再經(jīng)過防爆柵欄排出，完全杜絕火源，是尾氣處理過程中的補充阻火裝置。

3 車載瓦斯監(jiān)控改裝分析

3.1 系統(tǒng)工作原理

車載瓦斯監(jiān)控改裝主要通過安裝一套車載瓦斯監(jiān)控裝置，采集施工機械工作區(qū)域的環(huán)境瓦斯氣體濃度參數(shù)，根據(jù)設(shè)定的預(yù)警濃度值，在施工中實現(xiàn)施工設(shè)備預(yù)警和自動斷電、熄火，使機械自動停止工作并關(guān)閉總電源，實現(xiàn)閉鎖，防止機械工作中或不知情人員重新啟動，因火花造成爆炸事故。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要有系統(tǒng)維護與配置管理中心、瓦斯監(jiān)控主機、瓦斯監(jiān)測傳感器、瓦斯監(jiān)控主機電源、檢測控制器組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1）系統(tǒng)維護與配置管理中心主要用于設(shè)置、調(diào)試系統(tǒng)配置參數(shù)和控制邏輯。

2）監(jiān)控裝置是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理和邏輯控制中心，負責采集數(shù)據(jù)，判定處理，同時具備通信下達指令等功能。

3）檢測控制器包括傳感器和報警器，傳感器主要是采集數(shù)據(jù)，如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等；報警器接收分站發(fā)來的報警信號，發(fā)出聲光報警提示，提前發(fā)出預(yù)警。

圖3 車載瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 不同改裝方案分析

通過分析不同行走機械車輛防爆改裝系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)，電氣隔爆改裝和車載瓦斯監(jiān)控改裝在技術(shù)上和經(jīng)濟成本上存在很大的差異，具體分析如表2所示。

表2 隧道行走機械防爆改裝方案差異

5 梅花箐隧道行走機械車輛防爆改裝應(yīng)用

梅花箐隧道為畢都高速公路中的1座高瓦斯長隧道，最大埋深約190m，設(shè)置為分離式，等級為雙線4車道公路隧道，單線雙車道設(shè)置，右線全長1 922m，左線全長1 887m。隧道圍巖類別有Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級圍巖，最大開挖斷面116．3m2（緊急停車帶III級圍巖段），最小開挖斷面85．1m2。隧道施工方式為進、出口獨頭相向掘進。根據(jù)施工圖設(shè)計及相關(guān)地勘資料，梅花箐隧道出口端ZK98＋540（YK98＋551）至出口之間為長興、大隆組和龍?zhí)督M（P3l＋c＋d）含煤地層段，該地層段有煤層賦存，含煤及煤線30～40層，施工期瓦斯涌出量大。

由于我國公路高瓦斯隧道洞內(nèi)行走機械車輛防爆改裝技術(shù)及標準不完善，為確保工期、施工安全、經(jīng)濟成本及施工效率，項目部結(jié)合隧道實際情況，通過方案比較分析并咨詢相關(guān)專家意見，對施工機械防爆改裝采用車載瓦斯監(jiān)控改裝方案。施工期間安排專業(yè)人員定期維護管理，對防爆原件經(jīng)常檢查、調(diào)試或更換，保證元件不失效。通過1年的煤系地層施工，實現(xiàn)零瓦斯爆炸事故，杜絕行走機械車輛可能產(chǎn)生的不安全因素，確保隧道施工安全，創(chuàng)造良好的施工環(huán)境，并取得良好的應(yīng)用效果。

6 結(jié)語

1）隧道過煤系地層段瓦斯涌出量大，通風不良或炮后容易發(fā)生瓦斯積聚超限，基于瓦斯性質(zhì)，常態(tài)難以覺察，必須借助專門儀器才能測定，安全隱患大。為避免施工機械車輛在隧道內(nèi)作業(yè)過程中產(chǎn)生火花導致瓦斯爆炸、保障安全施工環(huán)境及加強安全管理，應(yīng)對洞內(nèi)行走機械車輛進行防爆改裝。

2）通過電氣隔爆改裝和車載瓦斯監(jiān)控改裝的差異分析，電氣隔爆改裝能從源頭上杜絕高溫和火花，安全系數(shù)高，但改裝后車輛工效降低、成本高、后期維護頻繁。因此，應(yīng)結(jié)合瓦斯隧道的工區(qū)等級優(yōu)化機械車輛配置，提高工效及減少成本。

3）梅花箐隧道車輛防爆應(yīng)用取得了良好效果，但我國公路隧道行業(yè)沒有統(tǒng)一的機械防爆改裝技術(shù)標準，且瓦斯隧道所處區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜，車載瓦斯監(jiān)控改裝方案是否可推廣到所有的高瓦斯隧道有待研究。因此，亟需通過研究和實踐經(jīng)驗積累完善并細化相關(guān)標準及要求。