高寒地區(qū)長斜井擴挖通風技術(shù)分析與研究

石 春,李世斌,陳建龍

(中電建建筑集團有限公司,北京 100120)

1 概述

敦化電站引水系統(tǒng)斜井導(dǎo)井貫通,打破了原來的盲洞效應(yīng),洞室水汽和煙塵順著導(dǎo)井通道上下流動,受外界氣候氣壓和洞室正壓風機驅(qū)動,煙氣流動呈現(xiàn)不規(guī)律狀態(tài),晴好天氣為上行方向,陰雨或霧天為下行方向,氣候變換期間,煙氣自然驅(qū)動力較差,呈現(xiàn)洞室滯留狀態(tài),對斜井施工和鄰近作業(yè)面如鋼管安裝焊接、混凝土襯砌造成極大影響,解決洞室群通風排煙迫在眉睫。

此前,眾多學者關(guān)于施工通風技術(shù)方面做了大量的研究,金珍宏[1]通過布置通風系統(tǒng)來改善地下洞室群的施工通風條件；費萬堂等[2]研究設(shè)計出高寒地區(qū)冬季隧道內(nèi)施工防寒保暖散煙系統(tǒng),結(jié)合管道通風和自然通風的方式進行通風；王勤學等[3]通過對通風防塵標準、通風設(shè)備選擇、通風系統(tǒng)布置等研究,探討長隧洞鉆爆法施工通風散煙問題的重要性；劉芳明等[4]通過選擇合理的通風量、通風方式、通風設(shè)備和系統(tǒng)布置方案,采用合適的噴霧灑水、改進施工設(shè)備等綜合工程措施,降低洞內(nèi)空氣中主要有害氣體和粉塵,達到改善作業(yè)環(huán)境的空氣質(zhì)量。

多數(shù)學者主要是對洞室群或長隧洞通風問題研究為主,而高寒地區(qū)長斜井通風問題卻少有研究。因此本文通過對高寒地區(qū)長斜井擴挖通風的研究,提出了一種有效解決高寒地區(qū)斜井擴挖通風方案。

2 工程概述

2.1 工程概況

敦化抽水蓄能電站引水系統(tǒng)主要由1#引水系統(tǒng)和2#引水系統(tǒng)組成,每條引水洞含2 個斜井段：上斜井和下斜井,共4 條斜井,坡度均為55°,斷面均為馬蹄型。

其中上斜井單長為419.06m,開挖斷面為6.8*6.7m(馬蹄形),單段石方開挖量約為16862m3；下斜井單長為466.36m,開挖斷面為6.0*5.9m(馬蹄形),單段石方開挖量約為13851m3。斜井總長度為1770.84m,石方總開挖量約為61426m3。單條斜井施工順序為先正導(dǎo)井或反導(dǎo)井開挖,然后再從上至下進行擴挖。

1#上斜井上彎段距引水上支洞與引水管道上平段交岔處約70m,下彎段距引水中支岔洞與引水管道中平段交岔處約為338m；1#下斜井上彎段距引水中支洞與引水高壓管道中平段交岔處約為139m,下彎段距引水下支洞與引水高壓管道下平段交岔處約為14m。無施工支洞直接通往斜井段。

2.2 煙氣來源

(1)爆破煙塵：斜井全斷面爆破,每炮使用巖石炸藥約120kg。(2)車輛設(shè)備尾氣：出渣車、裝載機、混凝土罐車、通勤車尾氣。(3)焊接煙塵：鋼管焊接、鋼筋焊接、零星構(gòu)件焊接煙塵。(4)生產(chǎn)粉塵：扒渣、裝載機裝渣、倉面清倉、灌漿拆倒水泥產(chǎn)生粉塵。(5)水汽：洞室內(nèi)空氣中水分預(yù)冷凝結(jié)形成。

2.3 通風方式優(yōu)化

目前風機組基本滿足洞室風量流通置換,但純壓入式通風方式在斜井導(dǎo)井貫通后,尤其是冬春季節(jié),受外界嚴寒氣候影響,通風能力減弱程度較大。由于上下貫通,洞室群風流紊亂。多個通風口與洞外貫通,自然風進洞不再是難事,主要考慮盡快將污濁廢氣排出洞室,減少煙氣在掌子面集聚,加快新鮮風量輸入作為解決通風思路,擬在斜井段增設(shè)可逆真空射流風機,加快巷道空氣流通,結(jié)合冬季施工洞室保溫措施,輔助以“人造盲洞”設(shè)置,達到掌子面、作業(yè)面空氣清新的目的,滿足正常施工條件。

3 斜井開挖通風措施

目前洞室主要使用的軸流風機設(shè)備應(yīng)用到斜井擴挖中會存在以下局限性：(1)功率大(2*55kW、2*75kW、2*90kW、2*110kW),購置和運行電費用較高。(2)自重較大(2.5t 以上),斜井大盤臺車限重為3t,安裝風險較大。(3)軸流風機直徑較大(直徑1m～1.8m),影響斜井大盤臺車上下正常運行。

考慮到目前通風設(shè)備局限性以及斜井擴挖過程中面臨的通風問題,急需尋找一種能夠有效解決斜井空氣流動且成本較低的方法。

3.1 再造盲洞效應(yīng)

洞室群是一組聯(lián)通的網(wǎng)管結(jié)構(gòu),空氣在巷道中流通時方向紊亂,還有不同程度的“窩風”效應(yīng),不能形成有效的回流,借助洞室?guī)r壁和豎向封堵材料形成盲洞,正向新鮮空氣壓入作業(yè)面,驅(qū)逐煙塵廢氣,為掌子面、作業(yè)面工作人員提供新鮮空氣,提高作業(yè)面能見度,保證作業(yè)效率。

(1)在斜井上下彎段各設(shè)置阻風門,骨架為型鋼結(jié)構(gòu),有一定的強度,采用鎖腳錨桿固定,面板為彩鋼板鐵皮,沿隧洞底板兩側(cè)采用鉸鏈固定在門柱上,一側(cè)面板可留取人員通行平開門一樘,斜井彎段處阻風門見圖1。大門上部采用鐵皮密封,與洞壁接觸部位采用土工布,砂漿或發(fā)泡膠進行封堵,大大減少巷道內(nèi)空氣對流速度。新鮮空氣壓入工作面時,很快將煙塵廢氣置換,作業(yè)面空氣良好。

(2)斜井導(dǎo)井設(shè)計尺寸為2.4*2.4m 矩形斷面,作業(yè)人員在司鉆和錨噴作業(yè)時將井口封閉,減少井下煙氣向上流動?？稍诿總€斜井導(dǎo)井掌子面處采用帆布風包下放到導(dǎo)井上口,用尼龍繩固定在井口篦子橫撐鋼筋上,然后充入氣體,風包與導(dǎo)井井壁貼合,風包上方加蓋保護材料,裝藥爆破時將風包放氣,提出導(dǎo)井口,收起備用,斜井導(dǎo)井風包設(shè)計示意圖見圖2。導(dǎo)井上口封閉形成盲洞效應(yīng),作業(yè)面廢氣被壓入的新鮮空氣置換,可以始終保持作業(yè)面空氣清晰,能見度高。

圖1 斜井彎段處阻風門

(3)及時對引水隧洞上游處調(diào)壓井進行固結(jié)灌漿后再封閉,封閉后的調(diào)壓井可以防止空氣從調(diào)壓井口進入到洞室內(nèi),減少空氣在洞室群內(nèi)流動,從而有效地減少洞內(nèi)煙塵廢氣流竄,提高工作面能見度以及空氣質(zhì)量。

3.2 加速空氣流通

在陰晴氣候變化期間,洞室氣壓處于基本平衡狀態(tài),煙霧聚集在洞室,呈現(xiàn)滯留現(xiàn)象,工作面基本無法施工,需要采取機械驅(qū)動,迫使巷道空氣流動,將新鮮空氣引入掌子面,達到作業(yè)面清晰、空氣新鮮。在原通風設(shè)計基礎(chǔ)上,增設(shè)射流風機來驅(qū)動巷道空氣向設(shè)定方向快速流通。

隧道射流風機主要用于地下隧道或者交通隧道的通風換氣以及發(fā)生火災(zāi)時的消防排煙,是一種應(yīng)用范圍廣泛的工業(yè)風機類型,具有壓力高流量大的特點并具有效率高,節(jié)能、噪音低、安裝方便等特點,能在隧道中起到重要作用。隧道射流風機不占用交通面積,不需要另外修建風道,土建造價低；隧道射流風機安裝容易,運行、維護簡單,是一種很經(jīng)濟的通風方式。隧道射流風機將隧道本身作為風道,風機工作時,能從給定的能量中,產(chǎn)生較高的推力。隧道中空氣的一部分被風機吸入,經(jīng)葉輪做功后,由風機出口高速噴出?；跊_擊傳動原理,高速氣流把能量傳給隧道內(nèi)的另一部分空氣,帶動其一起向后流動,從而把隧道內(nèi)的空氣推向出口一端,并從進口吸入新鮮空氣。對于較長的隧道,當氣流速度衰減到一定值之后,下一組風機又以同樣的方式繼續(xù)帶動空氣流動,實現(xiàn)了排除隧道內(nèi)污染空氣的目的。

SDS(R)型遂道射流風機有電子式和機械式兩種切換方式,可在30 秒鐘內(nèi)正反轉(zhuǎn)切換到風機額定轉(zhuǎn)速。遂道射流風機采用先進技術(shù)工藝所研制開發(fā)的新產(chǎn)品,其外殼由美國進口專用機床旋壓翻邊成形,葉輪段內(nèi)壁經(jīng)精細加工,既保證機殼的同軸度和強度,又保證葉片徑向間隙,表面涂裝處理,外形美觀及防腐性能優(yōu)良。內(nèi)置鼠籠全封閉式射流通風機配套電機,并設(shè)法蘭安裝盤,電機絕緣等級為H 級,防腐等級為IP55。其風量大小可以通過改變?nèi)~片數(shù)和葉片角度來滿足要求。對于噪聲要求高場合,可增加消聲器來減少其噪聲。

3.3 可逆式射流風機反向抽排

原軸流風機為單向風機,將風機分別移位,改為反向抽排方式將進風口附近廢氣抽排,三岔口布置較大功率風機接力,將煙塵廢氣排出,室外氣溫較低,氣壓高,新鮮空氣自然通過各支洞口、調(diào)壓井井口等進入巷道和洞室,實現(xiàn)掌子面、作業(yè)面空氣置換。由于鋼管運輸實現(xiàn)大節(jié)進洞,負壓風管影響較大,暫不設(shè)置,在煙氣較大部位,采用移動式射流風機輔助加快廢氣向反抽風機口方向流動。可逆式射流風機示意圖及設(shè)計參數(shù)見圖3。

圖3 可逆式射流風機示意圖及設(shè)計參數(shù)

以下斜井為例,選用4 臺SDS(R)-6.3-2P-4-30°型可逆式射流風機按照100m 左右接力,對下斜井擴挖時加強通風。風機功率15kW,出機口風速36.4m/s,風量11.3m3/s,推力468N,整機重量377kg,分別安裝于上井口、井下100m、井下200m、井下300m 處,根據(jù)斜井自流風向選擇正向送風或反向抽風,達到掌子面空氣清新的目的?？赡媸缴淞黠L機SDS 性能參數(shù)見表1。

3.3.1 通風機布置

(1)上支洞工區(qū)

a.在引水上支洞及岔洞接近2# 引水洞口布置2*55kW 軸流風機各一臺,接引直徑1.2m 風筒布,反抽煙塵至三岔口連接2*90kW 風機接力,通過風筒布將煙塵排出上支洞口。

表1 可逆式射流風機SDS 性能參數(shù)

b.在調(diào)壓井阻抗孔上游側(cè)布置2*55kW 軸流風機各一臺,接引1.0m 風筒布,向引水隧洞壓入新鮮空氣,迫使引水隧洞襯砌鋼筋綁扎焊接煙塵散出,通過反抽風機排出。

c.在斜井上口、井下100m、井下200m 分別安裝射流風機一組,根據(jù)自然風流向調(diào)整風機正反向運轉(zhuǎn),正向運轉(zhuǎn),氣流向上走,底部阻風門關(guān)閉,掌子面污濁氣體上行至反抽風機排出；反向運轉(zhuǎn),氣流向下走,底部阻風門打開,污濁空氣下行通過中支洞反抽風機排出。

d.調(diào)壓井及下部5.6m 斷面鋼筋焊接煙塵通過調(diào)壓井自流排出。

(2)中支洞工區(qū)

a.在引水中支洞和中支岔洞接近2#引水洞口布置2*75kW 和2*55kW 軸流風機各一臺,接引直徑1.2m 風筒布,反抽煙塵至三岔口連接2*110kW 變頻風機接力,通過風筒布將煙塵壓出中支洞口。

b.在下斜井井口、井下100m、井下200m、井下300m處分別設(shè)置射流風機一臺,根據(jù)自然風流向調(diào)整風機正反向運轉(zhuǎn),正向運轉(zhuǎn),氣流向上走,底部阻風門關(guān)閉,掌子面污濁氣體上行至反抽風機排出；反向運轉(zhuǎn),氣流向下走,底部阻風門打開,污濁空氣下行通過下支洞反抽風機排出。

c.在高壓管道中平段布置移動式射流風機各一組,隨鋼管安裝進度向前移動,根據(jù)洞室巷道風向調(diào)整風機正反轉(zhuǎn),保持作業(yè)面空氣清新,焊接煙塵上行或下行都可通過交叉口反抽風機排出。

d.在下支洞與2#下平段岔口設(shè)置2*75kW 軸流風機一臺,接引直徑1.2m 風筒布,反抽煙塵至下支洞口,促進下平段、支管段和下斜井下行煙塵排出,見圖4。

3.3.2 加強隧道通風的管理措施

(1)文明施工隊組織專門的通風工班,建立健全管理制度,通風機派專人管理值守,按規(guī)程要求操作風機,定期檢修和潤滑風機。

圖4 可逆式射流風機布置示意圖

(2)狠抓“防漏降阻”工作,只有管道漏風率和摩阻系數(shù)小,才能確保單機送風距離長,效果好。因此,應(yīng)設(shè)置專職風管維修工,每班必須對全部風管進行檢查,不平、不順之處及時調(diào)直調(diào)平。發(fā)現(xiàn)風管破損漏風及時處理。輕微破損的管節(jié),采用快干膠水粘補,粘補后30 分鐘不得送風,嚴重破損的管節(jié),必須及時更換,從而降低漏風系數(shù),保證管道密封度。

(3)加強運輸設(shè)備的維修保養(yǎng)制度,按照設(shè)備管理要求定期維修,特別是進氣和燃油系統(tǒng),進行強化保養(yǎng),并實施燃油沉淀過濾方法,減少廢氣的排放量。

(4)對施工產(chǎn)生的粉塵進行綜合治理,除采用常規(guī)的機械通風、濕式鑿巖、除渣灑水、沖洗巖幫、個人防護外,還可采取局部凈化的處理方法,控制塵源所產(chǎn)生的粉塵擴散等措施,可大大改善工作面的環(huán)境質(zhì)量。

3.4 成本投入情況對比分析

具體以1#下斜井擴挖(直線段長426m)為例,來說明采取以上通風措施前后的成本投入情況。

每天現(xiàn)場作業(yè)人員投入情況為鉆工7 人,扒渣工5人,鉆工工資350 元/天,扒渣工工資200 元/天,進度延誤履約考核1000 元/天,射流風機2 萬元/臺,其功率為15kW,1# 下斜井正常擴挖完成預(yù)計需要170 天,1 臺145kW 空壓機(按24 小時運行,電費0.6 元/kW·h 計算)。

(1)采取以上措施前,斜井擴挖循環(huán)進尺為1.5 天/3m,人員總投入為122.26 萬元,同時洞內(nèi)煙塵霧氣大,能見度低,空氣質(zhì)量差,現(xiàn)場作業(yè)人員工作效率大大降低。

(2)采取以上通風措施后,斜井擴挖循環(huán)進尺為1.0天/3m,人員總投入為81.71 萬元,且洞內(nèi)煙塵霧氣明顯減小,空氣質(zhì)量滿足作業(yè)要求,對臨近工作面影響大大降低。

通過對比分析：采取通風措施后的斜井擴挖施工成本投入能夠節(jié)約40.55 萬元。

4 結(jié)束語

當洞外為晴朗天氣時,洞內(nèi)產(chǎn)生的煙塵和水汽會呈向上游方向竄流趨勢,導(dǎo)致洞內(nèi)上游方向煙塵和水汽較大,此時可以利用射流風機將上游口煙塵和水汽從中支洞抽排至洞外,當洞外出現(xiàn)陰雨或霧天氣時,洞內(nèi)產(chǎn)生的煙塵和水汽會呈向下游方向竄流趨勢,導(dǎo)致洞內(nèi)下游方向煙塵和水汽較大,此時反向抽排方式將下游側(cè)進風口附近煙塵和水汽抽排至交通洞外。采用“再造盲洞效應(yīng)”及結(jié)合可逆式射流風機,不僅可以有效降低斜井擴挖工作面的煙塵和水汽,而且還減小了對臨近的鋼管安裝焊接、混凝土襯砌工作面的影響,且能夠有效降低成本投入。同時通過現(xiàn)場儀器檢測,洞內(nèi)粉塵檢測值滿足施工要求,工作面能見度大,從而提高全員勞動生產(chǎn)率和量產(chǎn)能力。