高瓦斯隧道行走機械車輛防爆改裝技術探討*

武 磊

（1．中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2．瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037）

0 引言

鐵路、公路等隧道工程在貫穿山體時，由于地質條件原因，往往不可避免穿越煤系地層，瓦斯作為成煤過程中的伴生氣體，在隧道開挖掘進過程中，圍巖平衡被破壞，瓦斯等有毒有害氣體涌入開挖空間，當瓦斯達到一定濃度時遇到火花會發生瓦斯燃燒或爆炸，造成較大的經濟、人員損失及不良社會影響。

由于目前國內公路高瓦斯隧道設計、施工管理尚無針對車輛防爆改裝的技術規范和標準。參建單位為確保瓦斯隧道施工安全，針對行走機械車輛防爆改裝主要借鑒以往瓦斯隧道的防爆改裝模式或引用煤炭行業的相關標準。但如何做好高瓦斯隧道具體的改裝細目、標準和技術要求等，以滿足隧道安全施工需要，還需在工程實踐中研究并積累經驗。本文通過分析不同行走機械車輛防爆改裝方案的差異，以期為瓦斯隧道作業機械防爆改裝提供參考。

1 行走機械車輛防爆改裝分析

瓦斯隧道內行走機械車輛防爆是防止以普通內燃機作為動力的作業車輛在爆炸性氣體環境中作業時引燃爆炸性氣體發生事故。目前針對隧道行走機械車輛電氣防爆改裝在我國公路行業尚未出臺有關公路瓦斯隧道施工技術規范，主要參照煤炭行業MT／T 989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》和MT 990—2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》等標準，對作業車輛進行防爆改裝。車載瓦斯監控改裝主要參照地方公路行業瓦斯隧道施工技術規范，如《貴州省高速公路瓦斯隧道施工技術指南》等。

2 電氣隔爆改裝分析

2.1 系統工作原理

電氣隔爆改裝主要依據煤礦行業的《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》《礦用防爆柴油機通用技術》、GB 19854—2005《爆炸性環境用工業車輛防爆技術通則》、GB 38362—2000《爆炸性氣體環境用電氣設備》等，對車輛的柴油機動力系統、蓄電池等電氣系統進行防爆改裝，通過改裝以實現消除引火源目的，行走機械車輛電氣隔爆改裝的保護項目如表1所示。

表1 保護項目及設定安全值

2.2 系統結構

2.2.1 防爆電氣系統

電氣系統的防爆改裝主要涉及隔爆電瓶箱、隔爆控制箱、防爆燈具及經過防爆處理的發電機和啟動馬達（見圖1）。

圖1 防爆電氣系統

1）隔爆電瓶箱 采用隔爆電瓶箱的目的是將蓄電池及控制電路的控制元件全部封裝，保證在產生火花時與外界空氣隔絕，確保安全。

2）隔爆控制箱 采用隔爆控制箱的目的是將啟動馬達的主令開關及控制按鈕、照明開關、工作指示燈等密封，保證在產生電火花時與外界空氣隔絕。

3）防爆燈具 采用防爆燈的目的是代替原車照明系統，保證車輛在隧道內的有安全充分的照明環境。

4）隔爆啟動馬達及發電機 采用隔爆啟動馬達及發電機的目的是為防止在發生故障時出現火花，采用耐高溫型阻燃材料進行塑封與外界隔絕。

2.2.2 尾氣處理系統構成

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、防爆柵欄等組成，如圖2所示。

圖2 尾氣處理系統總體結構

1）排氣彎管和波紋管 采用雙層水冷排氣彎管和波紋管的目的是通過夾層中走水冷卻以降低排氣管表面溫度，并對尾氣進行冷卻。

2）廢氣處理箱 采用廢氣處理箱的目的是消除尾氣火花，通過廢氣處理箱的水不但可熄滅火花、降低排氣溫度，同時各種有害氣體可溶解在水中，凈化尾氣，改善隧道內工作環境。

3）防爆柵欄 采用防爆柵欄的目的是尾氣經過廢氣處理箱再經過防爆柵欄排出，完全杜絕火源，是尾氣處理過程中的補充阻火裝置。

3 車載瓦斯監控改裝分析

3.1 系統工作原理

車載瓦斯監控改裝主要通過安裝一套車載瓦斯監控裝置，采集施工機械工作區域的環境瓦斯氣體濃度參數，根據設定的預警濃度值，在施工中實現施工設備預警和自動斷電、熄火，使機械自動停止工作并關閉總電源，實現閉鎖，防止機械工作中或不知情人員重新啟動，因火花造成爆炸事故。

3.2 系統結構

系統主要有系統維護與配置管理中心、瓦斯監控主機、瓦斯監測傳感器、瓦斯監控主機電源、檢測控制器組成。系統結構如圖3所示。

1）系統維護與配置管理中心主要用于設置、調試系統配置參數和控制邏輯。

2）監控裝置是系統數據采集處理和邏輯控制中心，負責采集數據，判定處理，同時具備通信下達指令等功能。

3）檢測控制器包括傳感器和報警器，傳感器主要是采集數據，如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等；報警器接收分站發來的報警信號，發出聲光報警提示，提前發出預警。

圖3 車載瓦斯監控系統結構

4 不同改裝方案分析

通過分析不同行走機械車輛防爆改裝系統工作原理和結構，電氣隔爆改裝和車載瓦斯監控改裝在技術上和經濟成本上存在很大的差異，具體分析如表2所示。

表2 隧道行走機械防爆改裝方案差異

5 梅花箐隧道行走機械車輛防爆改裝應用

梅花箐隧道為畢都高速公路中的1座高瓦斯長隧道，最大埋深約190m，設置為分離式，等級為雙線4車道公路隧道，單線雙車道設置，右線全長1 922m，左線全長1 887m。隧道圍巖類別有Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級圍巖，最大開挖斷面116．3m2（緊急停車帶III級圍巖段），最小開挖斷面85．1m2。隧道施工方式為進、出口獨頭相向掘進。根據施工圖設計及相關地勘資料，梅花箐隧道出口端ZK98＋540（YK98＋551）至出口之間為長興、大隆組和龍潭組（P3l＋c＋d）含煤地層段，該地層段有煤層賦存，含煤及煤線30～40層，施工期瓦斯涌出量大。

由于我國公路高瓦斯隧道洞內行走機械車輛防爆改裝技術及標準不完善，為確保工期、施工安全、經濟成本及施工效率，項目部結合隧道實際情況，通過方案比較分析并咨詢相關專家意見，對施工機械防爆改裝采用車載瓦斯監控改裝方案。施工期間安排專業人員定期維護管理，對防爆原件經常檢查、調試或更換，保證元件不失效。通過1年的煤系地層施工，實現零瓦斯爆炸事故，杜絕行走機械車輛可能產生的不安全因素，確保隧道施工安全，創造良好的施工環境，并取得良好的應用效果。

6 結語

1）隧道過煤系地層段瓦斯涌出量大，通風不良或炮后容易發生瓦斯積聚超限，基于瓦斯性質，常態難以覺察，必須借助專門儀器才能測定，安全隱患大。為避免施工機械車輛在隧道內作業過程中產生火花導致瓦斯爆炸、保障安全施工環境及加強安全管理，應對洞內行走機械車輛進行防爆改裝。

2）通過電氣隔爆改裝和車載瓦斯監控改裝的差異分析，電氣隔爆改裝能從源頭上杜絕高溫和火花，安全系數高，但改裝后車輛工效降低、成本高、后期維護頻繁。因此，應結合瓦斯隧道的工區等級優化機械車輛配置，提高工效及減少成本。

3）梅花箐隧道車輛防爆應用取得了良好效果，但我國公路隧道行業沒有統一的機械防爆改裝技術標準，且瓦斯隧道所處區域地質復雜，車載瓦斯監控改裝方案是否可推廣到所有的高瓦斯隧道有待研究。因此，亟需通過研究和實踐經驗積累完善并細化相關標準及要求。