高瓦斯引水隧洞通風(fēng)與檢測監(jiān)控技術(shù)

高俊

中鐵六局集團天津鐵路建設(shè)有限公司 天津 300000

1 前言

在高瓦斯隧洞施工中如果發(fā)生瓦斯窒息、爆炸、燃燒，則會極具危害性，而發(fā)生瓦斯燃燒或爆炸所必須具備的三個條件：瓦斯要達到一定濃度、有一定溫度的引火源、氧氣濃度達到一定數(shù)值。通風(fēng)是降低瓦斯?jié)舛龋乐雇咚贡ǖ淖钪饕胧?，通風(fēng)主要有兩個目的，一是沖淡和稀釋瓦斯，二是防止瓦斯在角隅和洞頂滯留。前者主要與風(fēng)量有關(guān)，而后者主要與風(fēng)速有關(guān)。瓦斯隧道一般使用壓入式風(fēng)機通風(fēng)，通風(fēng)時風(fēng)速大于1m/s，為了保證洞內(nèi)瓦斯?jié)舛炔怀^允許標準值，施工期間需保證24小時不間斷通風(fēng)。瓦斯檢測監(jiān)控是瓦斯隧洞施工的“眼睛”，能夠及時發(fā)現(xiàn)瓦斯逸出情況，是否存在瓦斯積聚濃度超標，以便于及時采取措施，保證施工安全[1]。

2 工程概況

工程主體為引水隧洞，主洞全長12256.514m，隧洞為有壓隧洞，開挖斷面為圓拱斜墻，襯砌后成洞斷面為圓形，成洞直徑為3.9m。隧洞開挖鉆眼過程中發(fā)生瓦斯逸出，造成施工停止。工程區(qū)位于華北古陸東北部的金嶺寺——羊山盆地中部，盆地內(nèi)堆積了侏羅系和白堊系火山沉積地層，斷層和褶皺構(gòu)造發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育。斷裂構(gòu)造是瓦斯運移的主要通道。根據(jù)地層生成和沉積條件，工程區(qū)內(nèi)具備油層氣生、儲、蓋的條件。瓦斯氣體生層主要為侏羅系下統(tǒng)北票組地層的沉積巖，儲層主要為侏羅系上部沉積的砂巖、砂礫巖，蓋層為白堊系的火成巖，綜合判定該洞段為高瓦斯工區(qū)，掌子面單位時間瓦斯最大涌出量估算值預(yù)測為0.72m/min。

3 高瓦斯隧洞通風(fēng)

3.1 通風(fēng)方式

本標段C1#高瓦斯隧洞，斜井長度1632m，主洞上游施工長度1292m，計算得出獨頭掘進最長距離2924m。按照正常施工安排，主洞上、下游會產(chǎn)生必不可避免的交叉，造成相互干擾，所以在下游起點位置安裝封閉門，暫停下游施工，達到獨頭掘進、通風(fēng)的效果。

圖1 瓦斯洞段通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

根據(jù)現(xiàn)場已具備的施工條件，為確保高瓦斯隧道通風(fēng)達標，通過通風(fēng)量計算，考慮場地制約的因素，最終確定通風(fēng)方式為壓入式通風(fēng)。在距離斜井入口25m位置安裝2臺功率75kW的壓入式軸流通風(fēng)機，并設(shè)置1套備用，風(fēng)筒采用直徑1m的高性能抗靜電阻燃通風(fēng)管，風(fēng)機口70m范圍內(nèi)風(fēng)管需具備剛性骨架，風(fēng)管安裝在隧道拱頂，從斜井口延伸直至作業(yè)面5m范圍內(nèi)，為了減小掌子面爆破產(chǎn)生的飛石對風(fēng)筒造成的損壞，將末端10m范圍內(nèi)的風(fēng)筒更換為橡膠材質(zhì)。

風(fēng)機將風(fēng)壓入后，回風(fēng)沿著主洞上游、斜井排放至洞外，最終達到壓入風(fēng)量與回風(fēng)量相同的目的，此通風(fēng)方式簡單經(jīng)濟、穩(wěn)固可靠。對于斜井避車洞及主洞調(diào)車洞等瓦斯易于積聚至高濃度的部位，增加功率10kW的射流風(fēng)機來增加通風(fēng)量。

按照上述的通風(fēng)排放方式進行施工，保證隧道通風(fēng)效果達標，瓦斯?jié)舛鹊陀跒?zāi)害濃度。

3.2 臨時封閉門

高瓦斯隧洞按照正常施工安排，主洞上、下游會產(chǎn)生必不可避免的交叉，造成相互干擾，在下游起點位置安裝封閉門，暫停下游施工，達到獨頭掘進、通風(fēng)。臨時封閉門采用型鋼和鋼筋骨架，敷設(shè)1mm鐵皮，與巖面接觸四周采用泡沫膠進行封閉。

3.3 備用電源

隧道供電線路為農(nóng)網(wǎng)改造，為避免施工過程中停電致使洞口通風(fēng)機停止運行，在斜井口安裝備用電源，備用電源為500kVA的發(fā)電機一臺，線路連接雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，配備1名專業(yè)電工進行日常維護、保養(yǎng)、試運行，并做好相應(yīng)記錄。發(fā)生供電線路故障停電后，確保在10分鐘內(nèi)啟動發(fā)電機發(fā)電，恢復(fù)通風(fēng)機及洞內(nèi)照明等設(shè)備運行，保證隧道內(nèi)供風(fēng)量。

3.4 備用通風(fēng)機

備用一套2×75KW同等性能的備用通風(fēng)機，并保持良好的使用狀態(tài)，在主風(fēng)機出現(xiàn)故障時將通風(fēng)管換到備用通風(fēng)機上保證施工通風(fēng)正常進行，同時搶修主通風(fēng)機。

3.5 局部特殊區(qū)域通風(fēng)

3.5.1 風(fēng)筒分支排放法

針對塌方部位，在風(fēng)筒上增加‘三通’，或安裝一根直徑小于原風(fēng)筒的分支當(dāng)做內(nèi)筒，向塌方部位空洞內(nèi)持續(xù)送風(fēng)，防止瓦斯積聚導(dǎo)致濃度超標。

3.5.2 壓風(fēng)排除法

在原有高壓風(fēng)管上連接若干個支管，每個支管上安裝噴嘴，噴嘴可吹出高壓風(fēng)，利用噴嘴吹出的高壓風(fēng)將積聚的瓦斯吹散稀釋。當(dāng)掌子面發(fā)生塌方或涌水造成塌腔時，也可以采用此方法防止瓦斯積聚[2]。

4 高瓦斯隧洞檢測監(jiān)控

高瓦斯隧洞施工期間，設(shè)置瓦斯檢測、監(jiān)控系統(tǒng)，瓦斯檢測監(jiān)控、系統(tǒng)分為兩部分，包括瓦斯自動監(jiān)控系統(tǒng)與人工檢測測系統(tǒng)，將檢測與監(jiān)控列為重要施工工序進行管理，由施工現(xiàn)場負責(zé)人主管，根據(jù)瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速/風(fēng)量雙指標組織安全施工管理。

4.1 檢測儀器配備、布置及管理

隧道內(nèi)按規(guī)定安裝瓦斯自動檢測報警斷電系統(tǒng)，實行瓦斯電閉鎖。

（1）手持式

①光干涉瓦斯檢測儀

由瓦檢員配備，定期進行檢測。

②便攜式瓦斯檢測報警儀

由班組長、司機、入洞檢查管理人員配備，隨時檢測。

③有害氣體檢測儀

與便攜式瓦斯檢測報警儀配合使用。

（2）固定式

①甲烷傳感器（瓦斯自動檢測報警斷電裝置）

垂直懸掛在隧道拱頂，距離拱頂不大于30cm，距離側(cè)墻不小于20cm。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)

在掌子面安裝低濃度瓦斯傳感器，設(shè)定好報警點，持續(xù)檢測瓦斯?jié)舛?，?dāng)濃度超標時，傳感器、地面中心站同時發(fā)出聲光警報；當(dāng)濃度超過設(shè)定好的斷電指標時，通過饋電斷電器自動控制洞外的磁力開關(guān)實現(xiàn)洞內(nèi)斷電。

（4）監(jiān)控系統(tǒng)傳感器布置

主洞距開挖掌子面5m處布設(shè)甲烷傳感器3個（分別布設(shè)在拱頂及拱腰位置）；距開挖掌子面15m處布設(shè)甲烷傳感器1個；開挖洞段支洞每500m左右、主洞每200m左右拱頂下設(shè)甲烷傳感器1個。隨著隧洞不斷掘進傳感器同時前移增設(shè)。

（5）傳感器的布置安裝要求

各種傳感器的安裝應(yīng)符合《煤礦安全規(guī)程》及《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，并應(yīng)滿足下列要求：

①開挖工作面?zhèn)鞲衅鞑贾靡?/p>

a.甲烷傳感器報警濃度：0.5%CH4。

b.自動斷電濃度：1.5%CH4。

c.允許復(fù)電濃度：0.5%CH4。

d.斷電范圍：開挖工作面中全部電氣設(shè)備。

使用該設(shè)備斷電的開挖工作面，只允許人工復(fù)電。人工進行復(fù)電前，必須由瓦檢員進行瓦斯?jié)舛葯z查，確定瓦斯?jié)舛仍谠试S范圍之后，方可由專業(yè)電工進行人工復(fù)電。

②回風(fēng)區(qū)傳感器布置要求

瓦斯隧洞回風(fēng)區(qū)，報警濃度為0.5%CH4，瓦斯斷電濃度為1.5%CH4，復(fù)電濃度為0.5%CH4，斷電范圍為回風(fēng)區(qū)全部電氣設(shè)備。

③其它：傳感器應(yīng)自由懸掛于距拱頂不大于0.3m處，其迎風(fēng)流和背風(fēng)流0.5m之內(nèi)不有阻擋物；傳感器懸掛處支護要良好，無滴水，臺車、機械行走過程等不會損壞傳感器。

（6）設(shè)備管理

①所有檢測設(shè)備必須定期進行調(diào)試、校正，每月至少1次，由煤礦專業(yè)部門人員進行調(diào)試與校正。甲烷傳感器、便攜式甲烷檢測報警儀等采用載體催化元件的甲烷檢測設(shè)備，每隔7日進行一次校準氣樣和空氣樣調(diào)校，并按照甲烷超限狀態(tài)測試斷電功能。如發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)故障，及時進行維修，設(shè)備故障期間采取相應(yīng)的安全措施。

②將檢測設(shè)備及電纜的檢查列為日常工作，每日必須仔細檢查，對比便攜式甲烷檢測報警儀或便攜式光學(xué)甲烷檢測儀與甲烷傳感器讀數(shù)，判斷二者誤差，若大于允許誤差，暫時以濃度大的讀數(shù)作為當(dāng)前濃度采取相應(yīng)措施，并在6小時能完成設(shè)備調(diào)校，確定問題設(shè)備并維修。

③便攜式甲烷檢測報警儀日常充電、收發(fā)及維護必須由專人負責(zé)并記錄，每次檢查前將隔爆罩上的灰塵、雜物清理干凈，發(fā)放給檢測人員之前，須檢查便攜式甲烷檢測報警儀的零點和電壓或電源欠壓值，如有異常嚴禁發(fā)放使用。

（7）傳感器的移動及保護

掌子面?zhèn)鞲衅鞅仨氹S掘進開挖而跟隨移動以保證合適的吊掛位置，掌子面開挖掘進時必須將掌子面?zhèn)鞲衅骱笠埔欢ǖ木嚯x并加以保護，掘進完成后要及時將掌子面的傳感器復(fù)位。掌子面?zhèn)鞲衅鞯囊苿蛹皬?fù)位工作由當(dāng)班電工負責(zé)，在移動掌子面照明燈具時同時完成。

4.2 瓦斯檢測程序

（1）瓦斯檢測流程

隧洞內(nèi)檢測人員按規(guī)定頻率進行瓦斯?jié)舛葯z測，隨時隨地抽檢洞內(nèi)瓦斯?jié)舛龋诰蜻M前、掘進過程中、掘進完成后均進行檢查。

圖2 隧洞內(nèi)瓦斯檢測流程圖

（2）瓦斯檢測步驟

瓦斯檢測步驟分為4步：

（3）瓦斯重點檢測地點

①掌子面及掌子面附近30m范圍內(nèi)的風(fēng)流；

②斷面尺寸變化的交界處，其上部容易積聚瓦斯的地方；

③洞內(nèi)風(fēng)機20m范圍內(nèi)的風(fēng)流中；

④總回風(fēng)流中；

⑤避車洞等擴大洞室；

⑥機械、電氣設(shè)備及其開關(guān)附近20m范圍內(nèi)；

⑦局部通風(fēng)不良地段。

（4）數(shù)據(jù)的收集、分析、應(yīng)用

隧洞施工中，要做好檢測數(shù)據(jù)的記錄、收集工作，積累大量的原始數(shù)據(jù)，為施工人員通過數(shù)據(jù)的分析，指導(dǎo)安全生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)。

4.3 瓦斯檢測頻率和范圍

（1）增加瓦斯檢測頻率，加強打炮眼、安放炸藥、引爆前及引爆后等階段的瓦斯巡回檢測。

（2）根據(jù)隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛劝才艡z測頻率，瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%時，每隔0.5～1小時檢查一次；瓦斯?jié)舛雀哂?.5%時，全程檢查，瓦檢員不得離開掌子面，檢測數(shù)據(jù)異常及時組織人員撤離并報告。

（3）當(dāng)檢測發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛雀哂?%時，需加強通風(fēng)，稀釋空氣中瓦斯含量，在其降低至安全允許值以下后，方可安排瓦檢員進入隧道內(nèi)檢查；瓦檢員檢測時需佩戴全套安全防護裝備。

（4）對隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛认拗祰栏癜凑粘尢幚泶胧﹫?zhí)行。

（5）施工過程中，專職檢測人員均現(xiàn)場檢測瓦斯?jié)舛?，?dāng)開挖面及其后方的瓦斯?jié)舛冗_到0.5%時,則發(fā)出警報,隧洞內(nèi)即處于警戒防爆作業(yè)狀態(tài)；當(dāng)瓦斯?jié)舛壬仙?%時,切斷開挖面處除風(fēng)機以外的一切設(shè)備電源；當(dāng)洞內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_到1.5%時,作業(yè)隊長須立即下達停工和全員撤出待避的命令。為了能及時發(fā)現(xiàn)和處理情況，要求工班長、瓦斯檢測安全員、爆破工配備便攜式瓦斯檢測儀。

5 實施效果

高瓦斯引水隧洞開挖施工過程中根據(jù)施工條件獨頭施工、獨頭通風(fēng)，2臺75KW軸流通風(fēng)機壓入式通風(fēng)，風(fēng)速、風(fēng)量均能滿足施工要求，實現(xiàn)通排風(fēng)簡單、穩(wěn)定、可靠，降低洞內(nèi)瓦斯?jié)舛?，同時采用人工和自動檢測設(shè)備相結(jié)合的方式對洞內(nèi)瓦斯逸出情況進行實時檢測，確保了工程安全順利施工，高瓦斯洞段按期完成開挖施工任務(wù)。

6 結(jié)語

高瓦斯引水隧洞開挖時通風(fēng)是關(guān)鍵，不管是低瓦斯隧道、高瓦斯隧道還是瓦斯突出隧道，如果能夠保證足夠的風(fēng)量和風(fēng)速，保證洞內(nèi)任何瓦斯易積聚角落瓦斯?jié)舛染陀?.5%，則絕對不可能發(fā)生任何的瓦斯安全事故。通風(fēng)降低瓦斯?jié)舛龋桥懦咚拱踩[患的最根本、最徹底的解決措施。監(jiān)測監(jiān)控是重點，施工過程中存不存在瓦斯安全隱患，實行何種施工方案，最終都需要瓦斯監(jiān)測的結(jié)果來說明。根據(jù)瓦斯監(jiān)測的濃度，來判斷瓦斯逸出情況，采取相應(yīng)的措施，制定應(yīng)急預(yù)案和管理制度。瓦斯監(jiān)測在空間上要全面、準確，在時間上要及時、持久。高瓦斯引水隧洞通風(fēng)與檢測監(jiān)控技術(shù)對類似工程有一定借鑒指導(dǎo)意義和推廣價值。