長大瓦斯隧道無軌運輸設備及防爆改裝技術

王國良

(中鐵二十局集團有限公司, 陜西西安 710000)

長大瓦斯隧道無軌運輸設備及防爆改裝技術

王國良

(中鐵二十局集團有限公司, 陜西西安 710000)

針對在建的長大瓦斯隧道施工中必須大量出渣的運輸難題，文章結合基于隧道所處位置的地質及水文條件和瓦斯條件的實際情況，通過理論分析、最優化理論和現場試驗等方法，分析了長大瓦斯隧道施工及其設備安全要求，提出了瓦斯隧道無軌運輸防爆改裝要求，確定了尾氣處理系統和電氣系統等無軌運輸防爆改裝方法與工藝。工程實踐結果表明，改裝后的無軌運輸設備能夠保證工程施工安全，防爆改裝技術可為類似工程提供了較好的借鑒。

隧道工程; 無軌運輸; 瓦斯; 防爆改裝

如在山區修建長大隧道，沿線將會遭遇大量滑坡、塌陷、巖堆、順層、危巖落石、泥石流、巖溶以及風化剝落等不良地質，特別是大量隧道必須要穿越煤系瓦斯地層和采空區，對隧道施工尤其是對出渣運輸等關鍵性控制工序有極大的挑戰。

正在修建的成貴鐵路興隆坪隧道是線路的控制性工程，隧道穿越老翁場氣田核心區及煤線并下伏天然氣，瓦斯涌出量達0.68 m3/min，為高度風險的高瓦斯隧道。由于瓦斯可能溢出，在隧道掘進運輸中，原則上只能采用有軌運輸以防止無軌運輸諸如尾氣火花誘發瓦斯爆炸事故發生。但若采用有軌運輸則其運能遠不能滿足整體施工進度要求，勢必嚴重影響工程建設順利竣工。因此，能否在確保安全前提下適當采用無軌運輸，是迫切需要探索的關鍵性問題。為此，本文依托工程建設現場工點，對無軌運輸的可行性進行分析，進而對無軌運輸的一系列防爆技術進行研究，以期在保證瓦斯條件下隧道施工安全的同時合理加快整體工程施工速度。

1 長大瓦斯隧道施工及其設備安全要求分析

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2 803 m，為單洞雙線隧道，其中Ⅲ級圍巖1 340 m、Ⅳ級圍巖590 m、Ⅴ級圍巖755 m。隧道進、出口表土及風化層厚度約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。巖層層理產狀較平緩，節理裂隙發育，開挖后拱頂圍巖穩定性差，易發生掉塊、坍塌現象。

1.2 隧道瓦斯條件分析

興隆坪隧道位于老翁場大型氣田核心區，線路右側1 200 m位置為老翁場六號氣井，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 運輸方法及設備安全要求

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

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

2 瓦斯隧道無軌運輸防爆改裝要求

無軌運輸機械設備在瓦斯隧道內作業存在安全隱患，因此必須對運輸機械、設備機械進行防爆改裝。無軌運輸改裝方案主要是通過控制明火以及排氣溫度、機體表面溫度使得改裝車輛達到基本防爆的要求，并在工程完成后所有改裝項目可以進行拆除復原而不影響設備的后續使用[1-3]。

2.1 無軌運輸的具體改裝要求和原則

(1) 對發動機尾氣進行處理，徹底消除排氣火焰，同時降低排氣溫度。不但使得發動機尾氣中的明火不能與外界的可燃氣體接觸，而且高溫尾氣也不能直接排出車外與外界的可燃氣體接觸。

(2) 對發動機溫度較高的部位用隔熱材料進行包裹，使其與外界隔離。

(3) 改裝電器系統包括照明系統、啟動系統、發電機系統、蓄電池系統、控制系統，以消除電器系統的明火與外界接觸的機會。

(4) 增加監控裝置，實時監測防爆系統的工作狀態以及工作環境的瓦斯濃度。作為一種預警措施，從而進一步增加系統的安全性。

2.2 無軌運輸改裝基本方法

(1) 發電機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電機。

(2) 啟動馬達改裝為耐高溫阻燃材料處理的有防爆功能的大功率馬達。

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

(4) 照明燈具、照明線路、啟動馬達及電瓶線路、電源總開關線路、照明繼電器線路等改用防爆產品。

(5) 柴油機的排氣采用補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置阻火柵欄，消除排氣引發的危險高溫和排氣火花，降低熱源和消除火花源。保證柴油機機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。

(6) 增設自動保護設置。全車采用自動保護裝置來測定水位、排氣溫度，在水位過低或溫度超標時自動保護裝置啟動報警，提醒駕駛員立即檢查并采取措施。

(7) 配置便攜式瓦斯檢測報警儀。當工作環境中瓦斯濃度達到1%時，瓦斯報警器自動聲光報警，此時車輛應立即停機，人員迅速撤離工作場地。待隧道內經通、排風處置后，方能進入隧道重新作業。

3 無軌運輸防爆改裝方法與工藝

結合防爆改裝技術[4-6]，鑒于需要改裝組成部分較多，在此僅對尾氣處理系統和電氣系統改裝進行說明，其他不做贅述。

3.1 運輸車輛尾氣處理系統

汽車尾氣的處理系統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、防爆柵欄和補水箱等組成(圖1)。

圖1 尾氣的處理系統組成

3.1.1 排氣彎管及波紋管

設置雙層水冷排氣彎管和雙層水冷排氣波紋管在工作時夾層中走水，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，并對尾氣進行冷卻。同時，雙層水冷波紋管使得發動機與固定在車架上的廢氣處理箱柔性連接在一起，降低發動機與車架之間的振動耦合，減小發動機振動能量向車架的傳遞，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。在廢氣進入廢氣處理箱后通過其中的特殊結構，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到徹底熄滅廢氣中火花的目的,這個過程也稱之為水洗。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，凈化了發動機尾氣，這樣大大降低了車輛在隧道內相對封閉狹小的空間內對空氣的污染，改善了隧道內的工作環境，最終使得發動機的尾氣實現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中另外一道阻火裝置，它能熄滅尾氣中的火焰傳播。在尾氣經過廢氣處理箱后，再經過防爆柵欄排出到外界，是廢氣處理系統中防止火焰向外界傳遞的又一道保險，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

電氣系統的防爆改裝主要涉及到隔爆電瓶箱、隔爆控制箱、防爆燈具以及經過防爆處理的發電機和啟動馬達。

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生故障時可能會產生火花，可為了將其與外界進行隔絕，保證與外界空氣沒有接觸的機會。采用隔爆電瓶箱將這些設備全部封裝在內，同時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

隔爆控制箱內封裝了啟動馬達的控制開關、照明燈的控制開關以及各個工作指示燈，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

為了在隧道內昏暗的環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，包括車前的兩只礦用防爆遠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有一個良好的照明環境(圖6)。

圖6 防爆燈具

3.2.4 塑封啟動馬達及發電機

由于車型較多，啟動馬達和發電機與發動機各自不同的匹配關系，無法使用現有的礦用防爆發電機和啟動馬達。為防止發電機和啟動馬達在發生故障時有可能出現火花，可采用耐高溫型阻燃材料進行塑封使其與外界隔絕，以基本達到防爆的目的。同時為解決溫度升高后的耐用性問題，發電機采用改進后的耐高溫型，保證其長期可靠地工作(圖7)。

圖7 塑封發電機

3.2.5 防爆電纜

電器系統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。

由瓦斯隧道施工現場實際運輸效果表明，采用無軌運輸方法在安全條件下可以替代有軌運輸，并且經過改裝后可以保證瓦斯隧道施工安全。

4 結論

(1) 在建興隆坪隧道地質及本身條件較為復雜，必須結合工程實際情況，確定出合理可行的運輸方法才能保證隧道施工運輸安全及滿足工程進度要求。

(2) 結合設備產生的明火、排氣溫度以及機體表面溫度，按改裝工藝及程序進行尾氣處理系統和電氣系統改裝，可使改裝車輛達到基本防爆要求，能確保工程施工安全。

(3) 鑒于瓦斯隧道及其施工條件的復雜性，對能否在其他瓦斯隧道采用無軌運輸或改裝應做進一步深入研究。

[1] 胡威東, 楊家松, 陳壽根. 長隧道快速施工機械選型配套技術[J]. 東北水利水電，2009(2):13-15，18.

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[6] 謝銜光, 許志忠, 張博. 都汶公路高瓦斯隧道作業機械配置及防爆改裝技術[J]. 現代隧道技術，2009(5):76-81.

王國良(1962～)，男，工程師，從事隧道與地下工程施工技術與管理工作。

U458.2

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[定稿日期]2015-12-02