铁路、公路等隧道工程在贯穿山体时, 由于地质条件原因, 往往不可避免穿越煤系地层, 瓦斯作为成煤过程中的伴生气体, 在隧道开挖掘进过程中, 围岩平衡被破坏, 瓦斯等有毒有害气体涌入开挖空间, 当瓦斯达到一定浓度时遇到火花会发生瓦斯燃烧或爆炸, 造成较大的经济、人员损失及不良社会影响。

由于目前国内公路高瓦斯隧道设计、施工管理尚无针对车辆防爆改装的技术规范和标准。参建单位为确保瓦斯隧道施工安全, 针对行走机械车辆防爆改装主要借鉴以往瓦斯隧道的防爆改装模式或引用煤炭行业的相关标准。但如何做好高瓦斯隧道具体的改装细目、标准和技术要求等, 以满足隧道安全施工需要, 还需在工程实践中研究并积累经验。本文通过分析不同行走机械车辆防爆改装方案的差异, 以期为瓦斯隧道作业机械防爆改装提供参考。

瓦斯隧道内行走机械车辆防爆是防止以普通内燃机作为动力的作业车辆在爆炸性气体环境中作业时引燃爆炸性气体发生事故。目前针对隧道行走机械车辆电气防爆改装在我国公路行业尚未出台有关公路瓦斯隧道施工技术规范, 主要参照煤炭行业MT/T 989—2006《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》和MT 990—2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》等标准, 对作业车辆进行防爆改装。车载瓦斯监控改装主要参照地方公路行业瓦斯隧道施工技术规范, 如《贵州省高速公路瓦斯隧道施工技术指南》等。

电气隔爆改装主要依据煤矿行业的《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》《矿用防爆柴油机通用技术》、GB 19854—2005《爆炸性环境用工业车辆防爆技术通则》、GB 38362—2000《爆炸性气体环境用电气设备》等, 对车辆的柴油机动力系统、蓄电池等电气系统进行防爆改装, 通过改装以实现消除引火源目的, 行走机械车辆电气隔爆改装的保护项目如表1所示。

电气系统的防爆改装主要涉及隔爆电瓶箱、隔爆控制箱、防爆灯具及经过防爆处理的发电机和启动马达 (见图1) 。

1) 隔爆电瓶箱采用隔爆电瓶箱的目的是将蓄电池及控制电路的控制元件全部封装, 保证在产生火花时与外界空气隔绝, 确保安全。

2) 隔爆控制箱采用隔爆控制箱的目的是将启动马达的主令开关及控制按钮、照明开关、工作指示灯等密封, 保证在产生电火花时与外界空气隔绝。

3) 防爆灯具采用防爆灯的目的是代替原车照明系统, 保证车辆在隧道内的有安全充分的照明环境。

4) 隔爆启动马达及发电机采用隔爆启动马达及发电机的目的是为防止在发生故障时出现火花, 采用耐高温型阻燃材料进行塑封与外界隔绝。

尾气的处理系统组成主要由双层水冷排气弯管、双层水冷排气波纹管、废气处理箱、防爆栅栏等组成, 如图2所示。

1) 排气弯管和波纹管采用双层水冷排气弯管和波纹管的目的是通过夹层中走水冷却以降低排气管表面温度, 并对尾气进行冷却。

2) 废气处理箱采用废气处理箱的目的是消除尾气火花, 通过废气处理箱的水不但可熄灭火花、降低排气温度, 同时各种有害气体可溶解在水中, 净化尾气, 改善隧道内工作环境。

3) 防爆栅栏采用防爆栅栏的目的是尾气经过废气处理箱再经过防爆栅栏排出, 完全杜绝火源, 是尾气处理过程中的补充阻火装置。

车载瓦斯监控改装主要通过安装一套车载瓦斯监控装置, 采集施工机械工作区域的环境瓦斯气体浓度参数, 根据设定的预警浓度值, 在施工中实现施工设备预警和自动断电、熄火, 使机械自动停止工作并关闭总电源, 实现闭锁, 防止机械工作中或不知情人员重新启动, 因火花造成爆炸事故。

系统主要有系统维护与配置管理中心、瓦斯监控主机、瓦斯监测传感器、瓦斯监控主机电源、检测控制器组成。系统结构如图3所示。

1) 系统维护与配置管理中心主要用于设置、调试系统配置参数和控制逻辑。

2) 监控装置是系统数据采集处理和逻辑控制中心, 负责采集数据, 判定处理, 同时具备通信下达指令等功能。

3) 检测控制器包括传感器和报警器, 传感器主要是采集数据, 如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等;报警器接收分站发来的报警信号, 发出声光报警提示, 提前发出预警。

通过分析不同行走机械车辆防爆改装系统工作原理和结构, 电气隔爆改装和车载瓦斯监控改装在技术上和经济成本上存在很大的差异, 具体分析如表2所示。

梅花箐隧道为毕都高速公路中的1座高瓦斯长隧道, 最大埋深约190m, 设置为分离式, 等级为双线4车道公路隧道, 单线双车道设置, 右线全长1 922m, 左线全长1 887m。隧道围岩类别有_Ⅴ、_ⅣⅢ级围岩, 最大开挖断面116.3m2 (紧急停车带III级围岩段) , 最小开挖断面85.1m2。隧道施工方式为进、出口独头相向掘进。根据施工图设计及相关地勘资料, 梅花箐隧道出口端ZK98+540 (YK98+551) 至出口之间为长兴、大隆组和龙潭组 (P3l+c+d) 含煤地层段, 该地层段有煤层赋存, 含煤及煤线30~40层, 施工期瓦斯涌出量大。

由于我国公路高瓦斯隧道洞内行走机械车辆防爆改装技术及标准不完善, 为确保工期、施工安全、经济成本及施工效率, 项目部结合隧道实际情况, 通过方案比较分析并咨询相关专家意见, 对施工机械防爆改装采用车载瓦斯监控改装方案。施工期间安排专业人员定期维护管理, 对防爆原件经常检查、调试或更换, 保证元件不失效。通过1年的煤系地层施工, 实现零瓦斯爆炸事故, 杜绝行走机械车辆可能产生的不安全因素, 确保隧道施工安全, 创造良好的施工环境, 并取得良好的应用效果。

1) 隧道过煤系地层段瓦斯涌出量大, 通风不良或炮后容易发生瓦斯积聚超限, 基于瓦斯性质, 常态难以觉察, 必须借助专门仪器才能测定, 安全隐患大。为避免施工机械车辆在隧道内作业过程中产生火花导致瓦斯爆炸、保障安全施工环境及加强安全管理, 应对洞内行走机械车辆进行防爆改装。

2) 通过电气隔爆改装和车载瓦斯监控改装的差异分析, 电气隔爆改装能从源头上杜绝高温和火花, 安全系数高, 但改装后车辆工效降低、成本高、后期维护频繁。因此, 应结合瓦斯隧道的工区等级优化机械车辆配置, 提高工效及减少成本。

3) 梅花箐隧道车辆防爆应用取得了良好效果, 但我国公路隧道行业没有统一的机械防爆改装技术标准, 且瓦斯隧道所处区域地质复杂, 车载瓦斯监控改装方案是否可推广到所有的高瓦斯隧道有待研究。因此, 亟需通过研究和实践经验积累完善并细化相关标准及要求。