高瓦斯公路隧道安全監控技術

改造者：余世剛

高瓦斯公路隧道安全監控技術

改造者：余世剛

高瓦斯隧道安全監控系統通過安裝在隧道關鍵部位的傳感器實時在線監測隧道內環境狀況，并將其顯示以便工作人員讀取。安全監控系統同時包括風電甲烷閉鎖、作業機械防爆改裝監控、隧道人員定位系統和視頻監控系統。這四個子系統具有自動識別閉鎖，安全隱患排查，救援調查等作用。四個子系統的增加使得高瓦斯隧道安全監控系統更加完整、更加可靠，為隧道的安全施工起著關鍵性作用。

我國的公路、鐵路建設正處于飛速的發展中。目前已累計修建瓦斯隧道70余座，其中3km以上長度的有43座。都汶高速公路紫坪鋪隧道（原名董家山隧道）瓦斯爆炸是我國迄今為止最嚴重的隧道瓦斯爆炸事故，龍泉驛五洛路1號隧道在2015年2月24日發生瓦斯爆炸。這些事故都為高瓦斯隧道安全施工敲響了警鐘。為了提高管理效率增加安全保障，高瓦斯隧道安全監控系統因其可以實時在線監測隧道內各項有毒有害氣體指標，并發出報警和斷電指令。

安全監控技術的國內外現狀

西方一些發達國家通過使用以太網，加上智能算法已經將安全監控系統提高到一個新的高度。在煤礦中，開展研究瓦斯突出動態預測技術和突出危險區域預測技術。

在我國，公路系統對瓦斯隧道的研究相對較少，施工主要參考《鐵路瓦斯隧道技術規范》、《煤礦安全規程》以及《公路瓦斯隧道設計與施工技術指南》。對于監控系統更是存在監控系統設備利用率低、控制方案效率低、維護成本高等等問題。在煤礦監控系統研究中，我國各大科研單位和生產廠家相繼推出了各類煤礦安全綜合化和數字化網絡監測管理系統。

高瓦斯隧道監控系統

高瓦斯隧道監控系統的設計是以現有的網絡資源為基礎，通過高性能的網絡連接形成快速可靠的分布式網絡系統。處于隧道監控室的PC計算機系統實時讀取分布在隧道各個地方的傳感器的實時監測值，當有參數超標則發出聲光報警以及斷電等信號。同時PC機將所有的數據進行分析，存儲和處理。監控系統由數據監控計算機、數據通訊接口、打印機設備、不間斷電源、監控分站、分站電源和各種監控傳感器組成。系統結構圖見圖1。

作業機械防爆也是高瓦斯隧道安全監控系統的一個重要的組成部分。按照要求所有在高瓦斯隧道中施工的作業機械都必須是防爆的。而一些經過防爆改裝的車也可以避免造成瓦斯爆炸燃燒等事故，這樣的防爆車也可以進入隧道施工，現行技術對機械防爆改裝主要分為車輛整車防爆改裝和車輛局部防爆改裝兩種。

人員定位系統、視頻監控系統和風電甲烷閉鎖系統也是安全監控系統的重要組成部分。人員定位系統可以實時感知隧道內施工工作人員的位置，狀態等信息，提高人員調度管理和災害人員救助水平的功能。視頻監控系統可以實時監測隧道動態施工，及時發現安全和質量等問題，可以完成諸如瓦斯隧道和重要項目的監測和風險評估等。風電甲烷閉鎖的功能，給瓦斯隧道的安全生產提供了重要的保障。一旦瓦斯濃度超限，主機發出指令使繼電器成為開路點，風電閉鎖線成為斷路點，掌子面電源開關被切斷。

高瓦斯隧道安全監控系統的工程應用

圖1　高瓦斯隧道監控系統結構圖

華鎣山隧道安全監控系統結構

渝廣高速公路華鎣山隧道安全監控系統由監控中心站部分、傳輸部分、監控前端設備組成。

監控前端設備：硫化氫傳感器、一氧化碳傳感器、甲烷傳感器、風速傳感器、防爆攝像頭和人員定位讀卡器等。

中心站部分：包括監控主機、數據傳輸接口等設備。監控主機選用工控微型計算機，主要用來接收監測信號、校正、報警判別、數據統計、磁盤存儲、顯示、聲光報警、人機對話、輸出控制、控制打印輸出、與管理網絡聯接等。

傳輸部分：傳輸主干線路采用電纜傳輸。華鎣山隧道安全監控系統布置圖見圖2。

華鎣山隧道作業機械防爆改裝采用車載式甲烷斷電（熄火）控制裝置。該裝置安裝于施工機械上，實時監測其周圍環境空氣中的瓦斯濃度，傳感器在甲烷濃度0.3％時，裝置發出聲光報警；達到0.5％后，控制裝置發出車輛自動斷電（熄火）信號，控制車輛實現自動斷電熄火功能；當降低到0.3％，即解除報警和斷電熄火，機械方可再次啟動。

圖2　華鎣山隧道安全監控系統布置圖

系統設備參數

甲烷傳感器選用KGJ28A型低濃度甲烷傳感器，能用于煤礦井下或其他有甲烷氣體的場所。硫化氫傳感器采用KGQ8礦用硫化氫傳感器，可以連續固定地檢測煤礦井下空氣中的硫化氫含量，為本質安全型產品。一氧化碳傳感器采用GTH1000礦用一氧化碳傳感器（以下簡稱傳感器），主要用于煤礦井下監測一氧化碳氣體濃度。

D1型斷電器（以下簡稱斷電器）是一種能接收關聯設備的控制命令，在煤礦井下控制防爆開關執行斷電控制的裝置，該斷電器同時具有斷電反饋功能，能真實反映防爆開關的執行結果。

BA18（A）礦用本安型攝像儀用于煤礦井下視頻圖像的采集。可用于煤礦井下有爆炸性氣體及其混合物的場合。該攝像儀采用CCD成像器件，并配合光纖傳輸進行一體化設計，具有外形輕便，性能穩定，清晰度高，使用靈活等特點。

KJ86N系列型監控分站是安全監控系統井下部分的關鍵組成設備，以美國德州半導體公司MSP430系列16位單片機為核心，配置多個模擬量入口和開關量入口，連續采集傳感器信號，經單片機處理后按設定參數執行控制操作。該分站能與地面監控室計算機通訊，將采集信號傳送到地面監控室，也可執行監控室發出的各種遠程控制指令，還具有智能通訊口，可連接各種智能設備。

使用情況及效果

華鎣山隧道使用安全監控系統后，可以在隧道監控室實時的觀察到隧道各處的氣體濃度情況、隧道內人員位置和個數以及隧道內各個工序施工情況。方便了管理，同時多層次的安全管理系統，做到了多層保護多層預防。

安全監控系統基本可以排除有毒有害氣體對隧道施工的危害，以為一旦有氣體超限系統會立刻報警并作出相應的措施，免除氣體對人員的傷害。風電甲烷閉鎖系統為安全監控系統提供了保障，在“監”的基礎上實現了“控”。在華鎣山隧道使用期間對隧道施工安全起到了較大的意義。

結語

高瓦斯隧道安全監控技術是隧道安全施工的重要保障，在隧道施工安全，降低隧道作業人員勞動強度，重大災害預警，隱患排查，安全避險，應急救援，事故調查，人員、設備和環境監管等方面發揮著重要作用，在今后建設安全高效、環境友好、生態友好的隧道建設中發揮更大和不可替代的作用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.041