高瓦斯隧道施工機(jī)械配置及防爆改裝技術(shù)

王明慧，劉 盛，張忠愛，李開蘭，張 橋

(1.渝黔鐵路有限責(zé)任公司,重慶 400014；2.中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司,重慶 401121)

渝黔鐵路天坪隧道位于貴州省桐梓縣,全長13 978.252m,隧道設(shè)置“平導(dǎo)+2 斜井+橫洞（主、副井）”。其中,正洞DK128+234～DK124+860段和平導(dǎo)PDK128+240～PDK124+640 段的施工任務(wù)由橫洞瓦斯突出工區(qū)負(fù)責(zé)承擔(dān)。在線路前進(jìn)方向左側(cè)則為橫洞（主井）,并與正洞左線中線交于PDK128+234,長1 050m,主要用于開挖正洞。線路前進(jìn)方向左側(cè)另有橫洞（副井）,在PDK128+210 與平導(dǎo)中線相交,長1 061m,主要用于開挖平導(dǎo)。

隧道在DK127+710～DK127+850 段穿越龍?zhí)督M煤系地層,龍?zhí)督M共有3～22 層煤,主要有9 層煤,其中穩(wěn)定可采煤有2 層,較穩(wěn)定的可采煤有3 層,其余4 層煤穩(wěn)定性差,局部可采。其中對(duì)隧道影響較大的為C3、C5、C6 煤層。根據(jù)實(shí)際揭露,天坪隧道C3、C5、C6 各煤層煤質(zhì)為焦煤,其中C6 煤層平均1.48m,C5 煤層平均1.46m,C3 煤層平距0.6m。煤層走向與隧道交角為64°,傾角72°,為急傾斜煤層,并伴隨有F12 斷層的錯(cuò)動(dòng)。根據(jù)檢測(cè)報(bào)告,C6 煤層瓦斯噸煤含量達(dá)11.47m3,瓦斯壓力1.036MPa；C5 煤層瓦斯噸煤含量9.87m3,瓦斯壓力1.112MPa；C3 煤層瓦斯噸煤含量13.91m3,瓦斯壓力1.342MPa,孔口瓦斯監(jiān)測(cè)濃度最大達(dá)到8%,回風(fēng)流中瓦斯含量均小于0.5%。

1 總體施工方法及措施

1.1 施工方法

天坪隧道橫洞瓦斯突出工區(qū)采用物探、地質(zhì)素描、超前鉆孔、地質(zhì)調(diào)查等手段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

施工方法包括：裝載機(jī)配合自卸汽車運(yùn)輸出碴多功能作業(yè)臺(tái)架人工鉆孔,光面爆破開挖；裝載機(jī)配合自卸汽車運(yùn)輸出碴；濕噴機(jī)配套濕噴機(jī)械手進(jìn)行錨噴網(wǎng)支護(hù)；挖掘機(jī)配合自卸汽車仰拱出碴；無釘鋪掛防水板；液壓模板臺(tái)車進(jìn)行二次襯砌施工；軸流壓入式通風(fēng),局部局扇輔助；混凝土集中拌制、罐車運(yùn)輸、泵送入模。

1.2 具體施工措施

依據(jù)瓦斯隧道施工相關(guān)技術(shù)規(guī)定,對(duì)通風(fēng)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)、專項(xiàng)監(jiān)測(cè),嚴(yán)格實(shí)行閉鎖管理風(fēng)電、瓦電；施工用電設(shè)有雙回路電源,當(dāng)一路發(fā)生故障停止供電時(shí),另一回路能擔(dān)負(fù)前全部負(fù)荷；采用防爆電纜進(jìn)洞,進(jìn)入隧道的施工機(jī)械及電氣設(shè)備應(yīng)具有防爆或隔爆性能,對(duì)裝碴運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行防爆改裝；采用“三人聯(lián)鎖”制嚴(yán)格管控開挖爆破,瓦斯?jié)舛炔坏贸^允許范圍,否則嚴(yán)禁爆破；采用瓦斯自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、便攜式瓦檢儀、人工光干涉瓦檢儀等多種方法及時(shí)檢測(cè)瓦斯?jié)舛?；加?qiáng)洞內(nèi)動(dòng)火和用電管理。

2 主要機(jī)械設(shè)備配置

2.1 通風(fēng)設(shè)備

正洞選用2×132kW 軸流風(fēng)機(jī)與?1.8m抗靜電、阻燃風(fēng)管,平導(dǎo)選用2×110kW 軸流風(fēng)機(jī)與?1.5m 抗靜電、阻燃風(fēng)管,局部采用防爆型局扇輔助,風(fēng)機(jī)采用YJV0.38kV-3×185+1×185mm2交聯(lián)聚氯乙烯低壓電力電纜。

2.2 開挖支護(hù)機(jī)械

為防止煤層突出,保證巷道穩(wěn)定,采用“弱爆破,短進(jìn)尺”方式,結(jié)合自身特點(diǎn)和施工組織規(guī)模正洞配置了22 臺(tái)YT28 型風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)（風(fēng)鉆）,平導(dǎo)配置了9 臺(tái)YT28 型風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)（風(fēng)鉆）,煤系地層配置了5 臺(tái)風(fēng)煤鉆,均配合開挖作業(yè)臺(tái)架使用；配備PZ-7I 防爆濕噴機(jī)4 臺(tái),防爆改裝濕噴機(jī)械手1 臺(tái)。

2.3 裝碴機(jī)械

目前,大斷面隧道常用的大容量裝碴設(shè)備防爆型較少,且防爆型裝碴設(shè)備效率低,機(jī)動(dòng)性差,在隧道施工中受限制。高瓦斯和瓦斯突出隧道中也有用改裝防爆裝載機(jī)和挖掘機(jī)的先例,保證了高瓦斯隧道的施工安全。

天坪隧道橫洞高瓦斯工區(qū)正洞配置了2 臺(tái)ZLC50C 裝載機(jī),1 臺(tái)PC220 挖掘機(jī)；平導(dǎo)配置了1 臺(tái)ZLC50C 裝載機(jī),1 臺(tái)PC110 挖掘機(jī),均進(jìn)行了防爆改裝。

2.4 運(yùn)輸設(shè)備

2.4.1 運(yùn)輸方式選擇

隧道運(yùn)輸方式不同則運(yùn)輸設(shè)備配置不同,目前國內(nèi)山區(qū)隧道施工主要有有軌運(yùn)輸和無軌運(yùn)輸兩種形式。

有軌運(yùn)輸方式受橫洞洞口場(chǎng)地條件限制,機(jī)動(dòng)性較差；該隧道主要以Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主,正洞大斷面開挖采用長臺(tái)階法施工,由于有軌運(yùn)輸爬坡能力差,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度；有軌運(yùn)輸受設(shè)備、人員技能影響較大,安全性不高,且施工組織復(fù)雜。

無軌運(yùn)輸方式施工組織簡明,調(diào)度靈活,裝碴、出碴效率高,施工進(jìn)度較快；仰拱施工與掌子面開挖匹配較好,二襯封閉成環(huán)快速,有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,襯砌混凝土罐車運(yùn)輸效率較高,有利于保證混凝土強(qiáng)度和密實(shí)性。

結(jié)合天坪隧道橫洞高瓦斯工區(qū)實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛?、施工通風(fēng)管理、總體工期要求等,選用無軌運(yùn)輸方式。

2.4.2 運(yùn)輸設(shè)備配置

配置了25t 出碴運(yùn)輸車6 臺(tái),10m3混凝土運(yùn)輸罐車3 臺(tái),8t 自卸農(nóng)用車2 臺(tái),均進(jìn)行防爆改裝,改裝方法與裝碴機(jī)械相同。

2.5 襯砌設(shè)備

配置了1 臺(tái)自制12m 襯砌模板臺(tái)車,模板臺(tái)車電機(jī)采用防爆電機(jī),1 臺(tái)HBT60 改裝混凝土輸送泵,2 臺(tái)SUB8.0F 注漿機(jī),10 臺(tái)防爆式振搗器。

2.6 其他設(shè)備

配置了1 臺(tái)MKQJ-120 防爆潛孔鉆機(jī),2 臺(tái)?40 防爆炮泥機(jī),2 臺(tái)SLW80-215i 防爆抽水機(jī)。

2.7 供配電

2.7.1 外部電源

橫洞工區(qū)采用雙電源系統(tǒng)+備用發(fā)電機(jī)。橫洞附近捷鎮(zhèn)村捷鎮(zhèn)中學(xué)處T 接一條10kV 高壓農(nóng)網(wǎng)線路,架設(shè)約3km 線路至橫洞施工區(qū)域,洞外安裝630kVA 變壓器3 臺(tái),安裝800kVA、500kVA 變壓器各1 臺(tái)供臨時(shí)用電；架設(shè)10kV的施工臨電專線為橫洞高瓦斯工區(qū)提供用電,可作為應(yīng)急備用電源；由于農(nóng)忙季節(jié)農(nóng)網(wǎng)可能會(huì)拉閘限電,另配置兩臺(tái)500kW 發(fā)電機(jī)組作為備用電源。

2.7.2 電壓

橫洞瓦斯突出工區(qū)各級(jí)配電和機(jī)電設(shè)備額定電壓,限制如下：①低壓不大于380V；②高壓不大于10kV；③遠(yuǎn)距離控制線路不大于36V；④照明、手持用電設(shè)備、電話、信號(hào)供電不大于127V。

2.7.3 照明用電

照明功率120kW,電壓等級(jí)127V,采用防爆變壓器分段變壓鋪設(shè),選用3×6+2×2mm2阻燃防爆型電纜送入洞內(nèi),每10m 安裝1 個(gè)DGS-127-100 礦用防爆照明LED 巷道燈,施工地段安裝防爆投光燈,滿足瓦斯突出隧道道路照明和施工照明需要。

2.7.4 通訊信號(hào)

煤系地層施工期間,使用新型交換機(jī)系統(tǒng)設(shè)備,采用3 套HJD-80D 型煤礦小型調(diào)度電話交換機(jī),新建地面壓風(fēng)機(jī)房并安裝電話,適當(dāng)增加電話門數(shù)。通訊線路由主、副井引入平導(dǎo)和正洞,在地面調(diào)度室、主要通風(fēng)機(jī)房、值班室、壓風(fēng)機(jī)房安裝普通話機(jī),瓦斯抽放站、爆炸材料庫房、開挖工作面安裝KTH-33 型本安電話話機(jī),共計(jì)26 部。

煤系地層段封閉完成后,確保無線通訊全覆蓋,隧道施工骨干人員均配置了GT207 型本安移動(dòng)電話。

3 裝碴運(yùn)輸設(shè)備防爆改裝及使用管理

由于通常情況下無軌運(yùn)輸方式施工設(shè)備大多為非防爆型產(chǎn)品,不符合瓦斯隧道施工安全技術(shù)要求,易發(fā)生爆破事故,所以要對(duì)其進(jìn)行防爆改裝。

3.1 防爆改裝的原理

當(dāng)防爆系統(tǒng)啟動(dòng)后,如果施工環(huán)境瓦斯?jié)舛冗_(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的危險(xiǎn)臨界值時(shí)（比如按照有關(guān)規(guī)定設(shè)定為0.3%）,報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警,施工人員立即停止作業(yè)并查明原因,原因查明并排除后方可恢復(fù)作業(yè),從而能夠提前處置危險(xiǎn)。當(dāng)出現(xiàn)瓦斯?jié)舛燃眲∩仙蛘呤鞘┕がF(xiàn)場(chǎng)未及時(shí)進(jìn)行人工處置等極端情況時(shí),一旦瓦斯?jié)舛冗_(dá)到系統(tǒng)設(shè)定危險(xiǎn)極限值0.5%后,系統(tǒng)將強(qiáng)行對(duì)機(jī)械斷油熄火,杜絕爆炸事故發(fā)生。

3.2 防爆改裝關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 動(dòng)力系統(tǒng)改裝

動(dòng)力系統(tǒng)主要由防爆柴油機(jī)、進(jìn)氣系統(tǒng)、柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)、廢氣處理系統(tǒng)等組成。其改裝要點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

1）防爆電啟動(dòng)柴油機(jī)。

2）由水夾層波紋管、水夾層排氣管、補(bǔ)水箱、廢氣處理箱等組成廢氣處理系統(tǒng)。柴油機(jī)排出的廢氣由水夾層排氣管、水夾層波紋管引入廢氣處理箱,并對(duì)廢氣處理箱的安裝誤差進(jìn)行補(bǔ)償。廢氣處理箱的作用是進(jìn)一步冷卻和洗滌廢氣,清除炭煙及溶解廢氣中的部分有害氣體,并經(jīng)防爆柵欄熄滅廢氣中的火焰,以保證廢氣排放應(yīng)符合煤標(biāo)及排氣安全,如圖1 所示。

圖1 廢氣處理系統(tǒng)改裝示意圖

3）進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣波紋管、空氣濾清器、進(jìn)氣防爆柵欄組成。柴油機(jī)氣缸火焰返火由進(jìn)氣防爆柵欄滅火。

4）通過封閉強(qiáng)制循環(huán)水冷式系統(tǒng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)溫度,包括風(fēng)扇、散熱器、水泵等,其中散熱器主要用于降低冷卻水的溫度。

3.2.2 電氣系統(tǒng)改裝

電氣系統(tǒng)主要包括防爆發(fā)電機(jī)、機(jī)車照明等。

防爆發(fā)電機(jī)由柴油機(jī)提供動(dòng)力,為照明及安全保護(hù)裝置提供電源。兩個(gè)防爆照明燈分別設(shè)置在機(jī)車前后,車尾設(shè)置兩紅色信號(hào)燈。

3.2.3 安全保護(hù)裝置

ZEB-15/24 防爆柴油機(jī)自保裝置,配置有便攜式瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀等,能夠通過表面溫度、排氣溫度、機(jī)油壓力水位、冷卻水溫、廢氣處理5種方式進(jìn)行保護(hù),一旦達(dá)到臨界值時(shí),自保裝置將立即報(bào)警,并切斷柴油動(dòng)力。

3.3 改裝設(shè)備使用管理

1）出廠控制 改裝廠家必須在防爆性能檢測(cè)合格后,瓦斯防爆改裝合格證或檢驗(yàn)報(bào)告,并將“防爆”標(biāo)示張貼在改裝部件外殼醒目位置后方可出廠。

2）進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn) 改裝后的設(shè)備必須要有政府質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)合格證書后方可投入使用。

3）使用管理 項(xiàng)目部成立以物機(jī)部長為組長的防爆改裝設(shè)備管理領(lǐng)導(dǎo)小組,負(fù)責(zé)防爆改裝設(shè)備的日常維保,配置專職的維護(hù)人員,每周至少要有不少于1 次的檢查,發(fā)現(xiàn)失效部件立即更換,確保改裝設(shè)備正常運(yùn)行,確保瓦斯突出隧道施工安全。

4 結(jié)論與建議

1）優(yōu)化作業(yè)機(jī)械設(shè)備配置,選擇精干的機(jī)械設(shè)備非常重要,對(duì)控制改裝工作量,提高工作效率,降低事故概率起到重要的作用。渝黔鐵路天坪隧道橫洞瓦斯突出工區(qū)通過合理的機(jī)械設(shè)備配置,平導(dǎo)平均進(jìn)尺180m/月,正洞平均進(jìn)尺120m/月,實(shí)現(xiàn)了大斷面瓦斯突出隧道施工安全、快速的總體建設(shè)目標(biāo)。

2）采用機(jī)械設(shè)備防爆改裝技術(shù),解決了機(jī)械設(shè)備的防爆問題,實(shí)踐證明對(duì)瓦斯突出隧道進(jìn)行設(shè)備防爆改裝并加強(qiáng)管理,采用無軌運(yùn)輸方式是完全可行的。

3）由于改裝后的防爆啟動(dòng)器壽命短,為確保改裝后的報(bào)警傳感器的穩(wěn)定性,必須定期維護(hù)改裝設(shè)備,更換失效部件。