王國(guó)良

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司, 陜西西安 710000)

長(zhǎng)大瓦斯隧道無軌運(yùn)輸設(shè)備及防爆改裝技術(shù)

王國(guó)良

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司, 陜西西安 710000)

針對(duì)在建的長(zhǎng)大瓦斯隧道施工中必須大量出渣的運(yùn)輸難題，文章結(jié)合基于隧道所處位置的地質(zhì)及水文條件和瓦斯條件的實(shí)際情況，通過理論分析、最優(yōu)化理論和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，分析了長(zhǎng)大瓦斯隧道施工及其設(shè)備安全要求，提出了瓦斯隧道無軌運(yùn)輸防爆改裝要求，確定了尾氣處理系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等無軌運(yùn)輸防爆改裝方法與工藝。工程實(shí)踐結(jié)果表明，改裝后的無軌運(yùn)輸設(shè)備能夠保證工程施工安全，防爆改裝技術(shù)可為類似工程提供了較好的借鑒。

隧道工程; 無軌運(yùn)輸; 瓦斯; 防爆改裝

如在山區(qū)修建長(zhǎng)大隧道，沿線將會(huì)遭遇大量滑坡、塌陷、巖堆、順層、危巖落石、泥石流、巖溶以及風(fēng)化剝落等不良地質(zhì)，特別是大量隧道必須要穿越煤系瓦斯地層和采空區(qū)，對(duì)隧道施工尤其是對(duì)出渣運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵性控制工序有極大的挑戰(zhàn)。

正在修建的成貴鐵路興隆坪隧道是線路的控制性工程，隧道穿越老翁場(chǎng)氣田核心區(qū)及煤線并下伏天然氣，瓦斯涌出量達(dá)0.68 m3/min，為高度風(fēng)險(xiǎn)的高瓦斯隧道。由于瓦斯可能溢出，在隧道掘進(jìn)運(yùn)輸中，原則上只能采用有軌運(yùn)輸以防止無軌運(yùn)輸諸如尾氣火花誘發(fā)瓦斯爆炸事故發(fā)生。但若采用有軌運(yùn)輸則其運(yùn)能遠(yuǎn)不能滿足整體施工進(jìn)度要求，勢(shì)必嚴(yán)重影響工程建設(shè)順利竣工。因此，能否在確保安全前提下適當(dāng)采用無軌運(yùn)輸，是迫切需要探索的關(guān)鍵性問題。為此，本文依托工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)工點(diǎn)，對(duì)無軌運(yùn)輸?shù)目尚行赃M(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)無軌運(yùn)輸?shù)囊幌盗蟹辣夹g(shù)進(jìn)行研究，以期在保證瓦斯條件下隧道施工安全的同時(shí)合理加快整體工程施工速度。

1 長(zhǎng)大瓦斯隧道施工及其設(shè)備安全要求分析

1.1 隧道條件分析

為了更好地說明問題，在此選擇在建的成貴鐵路興隆坪隧道作為研究依托。隧道起訖里程D2 K185+090～DK187+893，全長(zhǎng)2 803 m，為單洞雙線隧道，其中Ⅲ級(jí)圍巖1 340 m、Ⅳ級(jí)圍巖590 m、Ⅴ級(jí)圍巖755 m。隧道進(jìn)、出口表土及風(fēng)化層厚度約0～6 m，洞身最大埋深約60 m，圍巖為砂巖夾泥巖，巖性較軟弱，遇水易軟化。巖層層理產(chǎn)狀較平緩，節(jié)理裂隙發(fā)育，開挖后拱頂圍巖穩(wěn)定性差，易發(fā)生掉塊、坍塌現(xiàn)象。

1.2 隧道瓦斯條件分析

興隆坪隧道位于老翁場(chǎng)大型氣田核心區(qū)，線路右側(cè)1 200 m位置為老翁場(chǎng)六號(hào)氣井，埋深淺。該段地層巖性主要為砂巖，巖石物性較好，屬于油氣有利聚集層，有利于油氣儲(chǔ)集。隧道瓦斯溶出量為0.68 m3/min，判定興隆坪隧道為高瓦斯隧道。

1.3 運(yùn)輸方法及設(shè)備安全要求

針對(duì)該隧道所處的地層特性及瓦斯含量，隧道施工運(yùn)輸方法和設(shè)備必須滿足以下要求：(1) 運(yùn)輸設(shè)備具備防爆性；(2) 運(yùn)輸能量符合長(zhǎng)大隧道大量出渣特性；(3) 電器系統(tǒng)符合安全標(biāo)準(zhǔn)并可防爆；(4) 增加監(jiān)控裝置的可靠性。

由此，基于有軌運(yùn)輸系統(tǒng)無法滿足施工工期要求，必須采用無軌運(yùn)輸方式進(jìn)行施工，但為了安全就必須進(jìn)行一定程度改裝，從而既可滿足施工運(yùn)能要求，又能保證施工安全。

2 瓦斯隧道無軌運(yùn)輸防爆改裝要求

無軌運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備在瓦斯隧道內(nèi)作業(yè)存在安全隱患，因此必須對(duì)運(yùn)輸機(jī)械、設(shè)備機(jī)械進(jìn)行防爆改裝。無軌運(yùn)輸改裝方案主要是通過控制明火以及排氣溫度、機(jī)體表面溫度使得改裝車輛達(dá)到基本防爆的要求，并在工程完成后所有改裝項(xiàng)目可以進(jìn)行拆除復(fù)原而不影響設(shè)備的后續(xù)使用[1-3]。

2.1 無軌運(yùn)輸?shù)木唧w改裝要求和原則

(1) 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)行處理，徹底消除排氣火焰，同時(shí)降低排氣溫度。不但使得發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的明火不能與外界的可燃?xì)怏w接觸，而且高溫尾氣也不能直接排出車外與外界的可燃?xì)怏w接觸。

(2) 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較高的部位用隔熱材料進(jìn)行包裹，使其與外界隔離。

(3) 改裝電器系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，以消除電器系統(tǒng)的明火與外界接觸的機(jī)會(huì)。

(4) 增加監(jiān)控裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防爆系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及工作環(huán)境的瓦斯?jié)舛?。作為一種預(yù)警措施，從而進(jìn)一步增加系統(tǒng)的安全性。

2.2 無軌運(yùn)輸改裝基本方法

(1) 發(fā)電機(jī)改裝為耐高溫阻燃材料處理的有防爆功能的大功率耐高溫型發(fā)電機(jī)。

(2) 啟動(dòng)馬達(dá)改裝為耐高溫阻燃材料處理的有防爆功能的大功率馬達(dá)。

(3) 蓄電池為閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池，安裝在電源控制箱內(nèi)，電路中接線處各種操縱開關(guān)均安裝于隔爆箱內(nèi)。

(4) 照明燈具、照明線路、啟動(dòng)馬達(dá)及電瓶線路、電源總開關(guān)線路、照明繼電器線路等改用防爆產(chǎn)品。

(5) 柴油機(jī)的排氣采用補(bǔ)水箱式廢氣處理裝置和夾層排氣管道或隔熱材料包封措施，在廢氣處理箱排氣出口處設(shè)置阻火柵欄，消除排氣引發(fā)的危險(xiǎn)高溫和排氣火花，降低熱源和消除火花源。保證柴油機(jī)機(jī)體任一表面溫度控制在≤150℃，排氣出口處的排氣溫度控制在≤70℃的安全范圍內(nèi)。

(6) 增設(shè)自動(dòng)保護(hù)設(shè)置。全車采用自動(dòng)保護(hù)裝置來測(cè)定水位、排氣溫度，在水位過低或溫度超標(biāo)時(shí)自動(dòng)保護(hù)裝置啟動(dòng)報(bào)警，提醒駕駛員立即檢查并采取措施。

(7) 配置便攜式瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀。當(dāng)工作環(huán)境中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%時(shí)，瓦斯報(bào)警器自動(dòng)聲光報(bào)警，此時(shí)車輛應(yīng)立即停機(jī)，人員迅速撤離工作場(chǎng)地。待隧道內(nèi)經(jīng)通、排風(fēng)處置后，方能進(jìn)入隧道重新作業(yè)。

3 無軌運(yùn)輸防爆改裝方法與工藝

結(jié)合防爆改裝技術(shù)[4-6]，鑒于需要改裝組成部分較多，在此僅對(duì)尾氣處理系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)改裝進(jìn)行說明，其他不做贅述。

3.1 運(yùn)輸車輛尾氣處理系統(tǒng)

汽車尾氣的處理系統(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、防爆柵欄和補(bǔ)水箱等組成(圖1)。

圖1 尾氣的處理系統(tǒng)組成

3.1.1 排氣彎管及波紋管

設(shè)置雙層水冷排氣彎管和雙層水冷排氣波紋管在工作時(shí)夾層中走水，通過水的冷卻來降低排氣管表面溫度，將溫度控制在100℃左右，并對(duì)尾氣進(jìn)行冷卻。同時(shí)，雙層水冷波紋管使得發(fā)動(dòng)機(jī)與固定在車架上的廢氣處理箱柔性連接在一起，降低發(fā)動(dòng)機(jī)與車架之間的振動(dòng)耦合，減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)能量向車架的傳遞，降低噪聲，并能提高剛性排氣管的壽命(圖2)。

圖2 雙層水冷排氣彎管和雙層冷排氣波紋管

3.1.2 廢氣處理箱

廢氣處理箱的主要作用是消除尾氣中的火花。在廢氣進(jìn)入廢氣處理箱后通過其中的特殊結(jié)構(gòu)，讓廢氣與廢氣處理箱中的冷卻水有充分的接觸面積和接觸時(shí)間，從而提高了廢氣與冷卻水的熱傳遞效率，迅速降低廢氣溫度以達(dá)到徹底熄滅廢氣中火花的目的,這個(gè)過程也稱之為水洗。通過廢氣處理箱的水洗不但熄滅了火花，也降低了排氣溫度68℃±10℃，同時(shí)在水洗過程中大量的碳煙和各種有害氣體一并溶解在水中，凈化了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣，這樣大大降低了車輛在隧道內(nèi)相對(duì)封閉狹小的空間內(nèi)對(duì)空氣的污染，改善了隧道內(nèi)的工作環(huán)境，最終使得發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣實(shí)現(xiàn)安全排放和清潔排放(圖3)。

圖3 廢氣處理箱

3.1.3 防爆柵欄

防爆柵欄是尾氣處理系統(tǒng)中另外一道阻火裝置，它能熄滅尾氣中的火焰?zhèn)鞑ァＴ谖矚饨?jīng)過廢氣處理箱后，再經(jīng)過防爆柵欄排出到外界，是廢氣處理系統(tǒng)中防止火焰向外界傳遞的又一道保險(xiǎn)，使得尾氣中的火焰完全沒有可能傳遞到外界空氣中(圖4)。

圖4 防爆柵欄

3.2 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)的防爆改裝主要涉及到隔爆電瓶箱、隔爆控制箱、防爆燈具以及經(jīng)過防爆處理的發(fā)電機(jī)和啟動(dòng)馬達(dá)。

3.2.1 隔爆電瓶箱

蓄電池以及控制電路中的控制元件在工作中或發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生火花，可為了將其與外界進(jìn)行隔絕，保證與外界空氣沒有接觸的機(jī)會(huì)。采用隔爆電瓶箱將這些設(shè)備全部封裝在內(nèi)，同時(shí)所有的接線口采用橡膠脹緊密封和注膠密封(圖5)。

圖5 隔爆電瓶箱

3.2.2 隔爆控制箱

隔爆控制箱內(nèi)封裝了啟動(dòng)馬達(dá)的控制開關(guān)、照明燈的控制開關(guān)以及各個(gè)工作指示燈，隔絕了與外界的接觸，保證無明火與外界空氣接觸。

3.2.3 防爆燈具

為了在隧道內(nèi)昏暗的環(huán)境下給車輛提供安全充分的照明，使用礦用防爆燈替代原車的照明系統(tǒng)，包括車前的兩只礦用防爆遠(yuǎn)近變光燈和車后位置兩只礦用防爆照明燈，保證了車輛在隧道內(nèi)有一個(gè)良好的照明環(huán)境(圖6)。

圖6 防爆燈具

3.2.4 塑封啟動(dòng)馬達(dá)及發(fā)電機(jī)

由于車型較多，啟動(dòng)馬達(dá)和發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)各自不同的匹配關(guān)系，無法使用現(xiàn)有的礦用防爆發(fā)電機(jī)和啟動(dòng)馬達(dá)。為防止發(fā)電機(jī)和啟動(dòng)馬達(dá)在發(fā)生故障時(shí)有可能出現(xiàn)火花，可采用耐高溫型阻燃材料進(jìn)行塑封使其與外界隔絕，以基本達(dá)到防爆的目的。同時(shí)為解決溫度升高后的耐用性問題，發(fā)電機(jī)采用改進(jìn)后的耐高溫型，保證其長(zhǎng)期可靠地工作(圖7)。

圖7 塑封發(fā)電機(jī)

3.2.5 防爆電纜

電器系統(tǒng)的防爆改裝中所采用的各種電纜均是定制的特種礦用防爆電纜，有較好的耐候性和安全性。

由瓦斯隧道施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)輸效果表明，采用無軌運(yùn)輸方法在安全條件下可以替代有軌運(yùn)輸，并且經(jīng)過改裝后可以保證瓦斯隧道施工安全。

4 結(jié)論

(1) 在建興隆坪隧道地質(zhì)及本身?xiàng)l件較為復(fù)雜，必須結(jié)合工程實(shí)際情況，確定出合理可行的運(yùn)輸方法才能保證隧道施工運(yùn)輸安全及滿足工程進(jìn)度要求。

(2) 結(jié)合設(shè)備產(chǎn)生的明火、排氣溫度以及機(jī)體表面溫度，按改裝工藝及程序進(jìn)行尾氣處理系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)改裝，可使改裝車輛達(dá)到基本防爆要求，能確保工程施工安全。

(3) 鑒于瓦斯隧道及其施工條件的復(fù)雜性，對(duì)能否在其他瓦斯隧道采用無軌運(yùn)輸或改裝應(yīng)做進(jìn)一步深入研究。

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王國(guó)良(1962～)，男，工程師，從事隧道與地下工程施工技術(shù)與管理工作。

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[定稿日期]2015-12-02