郭 銳

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

近年來，高瓦斯隧道施工安全事故頻發(fā)，引起施工企業(yè)的高度重視。開展高瓦斯隧道施工作業(yè)，要認(rèn)真貫徹落實安全管理制度，借助高性能設(shè)備和防爆機械設(shè)備作業(yè)，減少安全隱患，實現(xiàn)安全生產(chǎn)的目標(biāo)。很多高瓦斯隧道機械設(shè)備無法達(dá)到工程作業(yè)的要求，需要進行改裝，為施工作業(yè)的開展提供保障。

1 高瓦斯隧道施工的安全風(fēng)險

瓦斯爆炸為主要安全風(fēng)險，為安全防控重點內(nèi)容。瓦斯爆炸需要達(dá)到以下條件：①濃度。將空氣和瓦斯混合氣體遇到火后能夠引起爆炸的濃度范圍，定義為瓦斯爆炸界限，在5%～16%內(nèi)。將＜5%的區(qū)域，劃分為燃燒區(qū)域；對濃度不超過9.5%的區(qū)域，為不易爆炸區(qū)域；濃度超過16%的區(qū)域為易爆區(qū)域；②引火溫度。瓦斯引火溫度通常在650～750 ℃，不過會隨著瓦斯?jié)舛纫约盎鹪葱再|(zhì)等產(chǎn)生變化。如果瓦斯含量處于7%～8%時，很容易引燃。隨著混合氣體的壓力增加，引燃溫度隨之降低；③氧的濃度。如果作業(yè)空間內(nèi)存在著大量的瓦斯，但是氧氣濃度比較低，即使有火源，發(fā)生爆炸的風(fēng)險比較??；不過如果有氧氣進入，并且濃度＞12%，遇到火源會立即發(fā)生爆炸。

高瓦斯隧道施工作業(yè)環(huán)境下，存在著可以滿足瓦斯爆炸的兩大條件，包括溢出瓦斯與氧氣濃度。作業(yè)時，若采取無軌運輸方式的非防爆機械設(shè)備，存在著瓦斯爆炸的高風(fēng)險。若想實現(xiàn)對爆炸事故的有效預(yù)防和避免，要做好瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控；對作業(yè)機械普通電器部件，采取防爆改裝措施，實現(xiàn)對電氣火花的隔離，達(dá)到安全作業(yè)的要求。

2 高瓦斯隧道機械設(shè)備改裝形式與要求

2.1 簡易改裝

高瓦斯隧道機械設(shè)備采取簡易改裝方案，主要是安裝用于瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的裝置，當(dāng)作業(yè)環(huán)境內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到預(yù)設(shè)值，車輛柴油機立即斷油熄火停止作業(yè)。排氣配套滅火罩，不屬于主動防爆改裝，沒有防爆性，不可以在存在瓦斯與煤塵等氣體作業(yè)環(huán)境下使用，即不適用于高瓦斯隧道作業(yè)環(huán)境。此類工程環(huán)境下，極易發(fā)生瓦斯突出與集聚的危險，雖然配套了通風(fēng)系統(tǒng)，但是難以解決問題，如果出現(xiàn)火花或者高溫情況，則會造成瓦斯爆炸或者燃燒，因此要做好全面的防范。采取的簡易改裝措施，選擇柴油機自動保護裝置上配置傳感器，無法消除車輛開關(guān)和接頭等類型的電器火花，并且無法消除柴油機排氣高溫，更無法立即停車，因此還需要對機械設(shè)備進行防爆改裝。

2.2 主動防爆改裝

按照現(xiàn)行的規(guī)定，防爆柴油機和車輛必須要設(shè)置自動保護裝置，當(dāng)出現(xiàn)異常情況能夠快速報警，使得車輛動力系統(tǒng)自動停止運行。異常情況整理如下：①排氣溫度最大值達(dá)到70 ℃；②表面溫度最大值達(dá)到150 ℃；③冷卻水溫度最高值達(dá)到95 ℃或者設(shè)計值；④機油壓力最低值達(dá)到設(shè)定最低壓力等。采取主動防爆改裝，將作業(yè)巷道內(nèi)部的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)斷電裝置，改裝到工程車上，無法達(dá)到規(guī)定的功能與防爆性能，當(dāng)發(fā)生瓦斯突出的情況，未等實現(xiàn)快速報警停車，爆炸事故就已經(jīng)發(fā)生。如果采取此改裝方案的車輛，進入到高瓦斯作業(yè)區(qū)域或者瓦斯突出地帶，難以實現(xiàn)防爆。

2.3 全部防爆改裝

對于上述兩種簡易防爆改裝存在的不足和問題，全部防爆改裝能有效克服。按照MT 990—2006 以及MT/T 989—2006 標(biāo)準(zhǔn)，配置防爆柴油機自動保護裝置，遇到異常情況時，系統(tǒng)能夠在1 min 內(nèi)停車。需要注意的是，改裝時要充分考慮報警到實現(xiàn)斷油停機所需的時間，以及警報后快速轉(zhuǎn)移車輛的時間，切實保障防爆改裝的價值實現(xiàn)。

3 高瓦斯隧道機械設(shè)備的改裝實例分析

3.1 案例概述

以新高坡隧道貴州段為例，為單線隧道，全長4140 m，最大埋深約445 m。DK304+059～DK306+650 段為高瓦斯，DK306+650～DK308+199 段為低瓦斯，DK306+468 處下穿成貴鐵路。出口里程DK308+199，設(shè)計為6‰、10.4‰、及11‰的單面上坡。全隧道DK306+150.841～DK307+638.510 段位于半徑8000 m 的右偏曲線上，其余地段均為直線；Ⅳ級圍巖1497 m、Ⅴ級圍巖2643 m。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，低瓦斯隧道，洞內(nèi)施工設(shè)備可以不改裝，高瓦斯隧道只對洞內(nèi)設(shè)備進行改裝，對行走設(shè)備只加裝瓦斯斷電設(shè)備?，F(xiàn)結(jié)合改裝方案進行分析。

3.2 改裝思路

此隧道工程機械設(shè)備改裝的基本思路如下：①對發(fā)動機尾氣，采取處理措施，同時完全消除排氣火焰，使得排氣溫度最大程度上降低。采取此措施，使得發(fā)動機尾氣中的明火無法與外部環(huán)境的可燃?xì)怏w接觸，通過控制瓦斯爆炸發(fā)生的條件避免爆炸發(fā)生。除此之外，采取上述措施，能夠避免高溫尾氣與可燃?xì)怏w接觸，避免爆炸的發(fā)生；②選用降溫涂料，對發(fā)動機的表面高溫位置進行覆蓋，使其與外界斷絕聯(lián)系；③改裝電氣系統(tǒng)，圍繞發(fā)電機系統(tǒng)和自動系統(tǒng)以及照明系統(tǒng)等進行改造，切斷瓦斯與明火直接接觸；④配置自動保護裝置，實現(xiàn)對防爆系統(tǒng)運行和瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)控，增強系統(tǒng)運行的安全性[1]。

3.3 改裝位置

從改裝實踐來說主要改裝部位如下：①塑封起動機。對隧道工程使用的普通工程車輛配置的起動機，采取注膠密封措施，實現(xiàn)和外界可燃?xì)獾挠行Ц艚^，進而達(dá)到防爆要求。基于安全生產(chǎn)目的，選擇礦用隔爆型控制按鈕，當(dāng)作車輛起動機的開關(guān)，確保車輛啟停操作時的火花不會和外界空氣接觸，避免引發(fā)故障。對普通工程車輛使用的照明燈與信號燈進行改裝，選擇礦用隔爆型照明燈以及信號燈；②柴油機自動保護裝置。改裝中，選用礦用柴油機自動保護裝置，發(fā)揮裝置的功能，實現(xiàn)對瓦斯和排氣溫度以及發(fā)動機溫度等的動態(tài)化監(jiān)測。對于自動保護裝置，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求配置[2]。選擇的自動保護裝置，必須為隔爆型。配置此裝置，實際應(yīng)用中，當(dāng)某項指標(biāo)超出設(shè)定的安全值，裝置能夠自動報警，促使車輛可以快速自動斷電熄火，停止運行，并且能夠提醒駕駛員進行檢查。配置的自動保護裝置，監(jiān)測柴油機機體表面溫度，設(shè)定值為≤150 ℃，自動保護值為（148±2）℃；監(jiān)測柴油機排氣溫度，設(shè)定值為≤70 ℃，自動保護值為（68±2）℃；監(jiān)測機油油壓變化，設(shè)定值為＜0.15 MPa，自動保護值為（0.15±0.01）MPa；監(jiān)測補水箱水位變化，設(shè)定值為＞60 mm 水位，自動保護值為缺水；監(jiān)測甲烷濃度變化，設(shè)定值為0.5% CH4，自動保護值為0.75% CH4；③尾氣處理。改裝方案中，對于尾氣處理，使用夾層排氣管道與水箱裝置處理。選擇廢氣處理箱排氣口位置，設(shè)置阻火柵欄，進而消除排氣火花。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對火花源以及熱源的有效消除，嚴(yán)格把控柴油機表面溫度，使其<150 ℃；對于排氣出口位置，將溫度控制在≤70 ℃。對于尾氣處理系統(tǒng)，由雙層水冷排氣冷紋管以及雙層水冷排氣彎管等組成。作業(yè)時，為駕駛?cè)藛T提供便攜式瓦斯檢測儀器，將安全值設(shè)定為0.5% CH4，如果甲烷濃度超過了設(shè)定的安全值，設(shè)備可以自動報警，駕駛?cè)藛T要立即停止作業(yè)并且快速撤離，等到隧道內(nèi)部經(jīng)過通風(fēng)處理達(dá)到安全作業(yè)狀態(tài)后，再開展施工作業(yè)。隧道內(nèi)部的作業(yè)車輛，必須要配置便攜式滅火器，并且定期對其進行檢查；④管道。對雙層水冷排氣波紋涵管以及雙層水冷排氣彎管，選擇夾層中行走水方案，借助水的力量，完成對排氣管道的降溫處理，并且冷卻尾氣[3]。除此之外，發(fā)揮雙層水冷波紋管道的作用，能夠?qū)④嚰苌戏胖玫膹U氣處理箱與水冷波紋管發(fā)動機有效連接，同時減少車架與發(fā)動機的振動耦合。

3.4 電氣系統(tǒng)

此隧道工程中，進行防爆改裝，電氣系統(tǒng)的改裝策略如下：①選擇礦用隔爆型蓄電池作為對象進行改裝。實際作業(yè)中，電路的控制元件和蓄電池，如果處于運行狀態(tài)或者故障狀態(tài)，難以避免產(chǎn)生火花。若其和作業(yè)環(huán)境中存在的可燃?xì)怏w接觸，必然會引發(fā)爆炸。對于此類風(fēng)險，選擇礦用隔爆型蓄電池封閉，同時對接線口部分運用注膠以及橡膠的方式進行處理[4]；②選用隔爆型控制按鈕。此類按鈕內(nèi)部設(shè)置了啟動機的控制開關(guān)，通過封裝的方式，實現(xiàn)了和外部可燃?xì)怏w的隔離，使得明火無法和可燃?xì)怏w接觸，避免爆發(fā)的發(fā)生。對起動機設(shè)備，采取注膠密封處理措施，實現(xiàn)和外界可燃?xì)怏w的隔絕；③選用礦用隔爆型主令開關(guān)。此類開關(guān)內(nèi)部封裝有照明燈的控制開關(guān)，實現(xiàn)了和外界可燃?xì)怏w的隔絕，確保沒有明火和可燃?xì)怏w接觸，避免爆炸的發(fā)生。

3.5 改裝效果分析

國內(nèi)當(dāng)前適用于高瓦斯隧道作業(yè)環(huán)境的專用防爆柴油機械比較少，需要進行防爆改裝，使其能夠達(dá)到防爆要求。現(xiàn)行的工程規(guī)范，對高瓦斯隧道作業(yè)環(huán)境中的機械車輛防爆等級、形式和改裝方式?jīng)]有明確的要求，主要包括車載瓦斯檢測儀+電閉鎖改裝方案、電氣隔爆改裝方案、綜合防爆改裝方案。不同方案的優(yōu)勢和缺陷不同，采用車載瓦斯檢測儀+電閉鎖改裝方案，可以享有簡單可靠和低成本優(yōu)勢；而電氣隔爆改裝方案、綜合防爆改裝方案后期運行維護工作量比較大。綜合分析，為了滿足隧道作業(yè)環(huán)境下的機械設(shè)備運行要求，對于普通作業(yè)車輛，可以配備便攜式瓦斯檢測儀器；對于低瓦斯隧道工程，采取車載瓦斯檢測儀+電閉鎖改裝方案；對于高瓦斯隧道，采取車載瓦斯檢測儀+電閉鎖改裝或者電氣隔爆改裝方案。對于瓦斯突出施工段，綜合運用多種防爆改裝方案。

上述隧道工程中，對于瓦斯突出施工段，為了確保作業(yè)的安全性，杜絕爆炸事故的發(fā)生，采取了綜合防爆改裝方案。通過采取以下措施獲得了不錯的成效：①洞內(nèi)設(shè)施各類機電設(shè)備采用防爆型，移動設(shè)備（裝載機、挖機、汽車）安裝了瓦斯斷電系統(tǒng)；②超前地質(zhì)預(yù)報設(shè)備：防爆鉆機2 臺；③鉆孔設(shè)備：風(fēng)動鑿巖機、防爆型煤電鉆；④供風(fēng)、供水、照明設(shè)備：防爆型軸流風(fēng)機、阻燃型防靜電通風(fēng)管、抽水機、高壓水箱、發(fā)電機、變壓器、防爆燈等；⑤瓦斯監(jiān)測設(shè)備：光學(xué)瓦檢儀、便攜式瓦檢報警儀、瓦斯自動檢測報警斷電裝置、多參數(shù)檢測報警儀等；⑥塑封起動機、柴油機自動保護裝置、尾氣處理等。

總體來說，采取車載瓦斯檢測儀+電閉鎖改裝+電氣隔爆改裝等綜合防爆方案。

4 結(jié)束語

結(jié)合機械設(shè)備的防爆改裝，通過實際案例進行了分析，總結(jié)了適用于高瓦斯隧道工程施工的機械設(shè)備改裝方法。經(jīng)過工程施工檢驗，采取綜合防爆方案，對保障隧道施工安全有序開展，起到了積極的作用，具有推廣應(yīng)用價值。