高瓦斯隧道施工機械配置及防爆改裝技術

王明慧，劉 盛，張忠愛，李開蘭，張 橋

(1.渝黔鐵路有限責任公司,重慶 400014；2.中鐵隧道集團一處有限公司,重慶 401121)

渝黔鐵路天坪隧道位于貴州省桐梓縣,全長13 978.252m,隧道設置“平導+2 斜井+橫洞（主、副井）”。其中,正洞DK128+234～DK124+860段和平導PDK128+240～PDK124+640 段的施工任務由橫洞瓦斯突出工區負責承擔。在線路前進方向左側則為橫洞（主井）,并與正洞左線中線交于PDK128+234,長1 050m,主要用于開挖正洞。線路前進方向左側另有橫洞（副井）,在PDK128+210 與平導中線相交,長1 061m,主要用于開挖平導。

隧道在DK127+710～DK127+850 段穿越龍潭組煤系地層,龍潭組共有3～22 層煤,主要有9 層煤,其中穩定可采煤有2 層,較穩定的可采煤有3 層,其余4 層煤穩定性差,局部可采。其中對隧道影響較大的為C3、C5、C6 煤層。根據實際揭露,天坪隧道C3、C5、C6 各煤層煤質為焦煤,其中C6 煤層平均1.48m,C5 煤層平均1.46m,C3 煤層平距0.6m。煤層走向與隧道交角為64°,傾角72°,為急傾斜煤層,并伴隨有F12 斷層的錯動。根據檢測報告,C6 煤層瓦斯噸煤含量達11.47m3,瓦斯壓力1.036MPa；C5 煤層瓦斯噸煤含量9.87m3,瓦斯壓力1.112MPa；C3 煤層瓦斯噸煤含量13.91m3,瓦斯壓力1.342MPa,孔口瓦斯監測濃度最大達到8%,回風流中瓦斯含量均小于0.5%。

1 總體施工方法及措施

1.1 施工方法

天坪隧道橫洞瓦斯突出工區采用物探、地質素描、超前鉆孔、地質調查等手段進行超前地質預報。

施工方法包括：裝載機配合自卸汽車運輸出碴多功能作業臺架人工鉆孔,光面爆破開挖；裝載機配合自卸汽車運輸出碴；濕噴機配套濕噴機械手進行錨噴網支護；挖掘機配合自卸汽車仰拱出碴；無釘鋪掛防水板；液壓模板臺車進行二次襯砌施工；軸流壓入式通風,局部局扇輔助；混凝土集中拌制、罐車運輸、泵送入模。

1.2 具體施工措施

依據瓦斯隧道施工相關技術規定,對通風進行專項設計、專項監測,嚴格實行閉鎖管理風電、瓦電；施工用電設有雙回路電源,當一路發生故障停止供電時,另一回路能擔負前全部負荷；采用防爆電纜進洞,進入隧道的施工機械及電氣設備應具有防爆或隔爆性能,對裝碴運輸設備進行防爆改裝；采用“三人聯鎖”制嚴格管控開挖爆破,瓦斯濃度不得超過允許范圍,否則嚴禁爆破；采用瓦斯自動監控系統、便攜式瓦檢儀、人工光干涉瓦檢儀等多種方法及時檢測瓦斯濃度；加強洞內動火和用電管理。

2 主要機械設備配置

2.1 通風設備

正洞選用2×132kW 軸流風機與?1.8m抗靜電、阻燃風管,平導選用2×110kW 軸流風機與?1.5m 抗靜電、阻燃風管,局部采用防爆型局扇輔助,風機采用YJV0.38kV-3×185+1×185mm2交聯聚氯乙烯低壓電力電纜。

2.2 開挖支護機械

為防止煤層突出,保證巷道穩定,采用“弱爆破,短進尺”方式,結合自身特點和施工組織規模正洞配置了22 臺YT28 型風動鑿巖機（風鉆）,平導配置了9 臺YT28 型風動鑿巖機（風鉆）,煤系地層配置了5 臺風煤鉆,均配合開挖作業臺架使用；配備PZ-7I 防爆濕噴機4 臺,防爆改裝濕噴機械手1 臺。

2.3 裝碴機械

目前,大斷面隧道常用的大容量裝碴設備防爆型較少,且防爆型裝碴設備效率低,機動性差,在隧道施工中受限制。高瓦斯和瓦斯突出隧道中也有用改裝防爆裝載機和挖掘機的先例,保證了高瓦斯隧道的施工安全。

天坪隧道橫洞高瓦斯工區正洞配置了2 臺ZLC50C 裝載機,1 臺PC220 挖掘機；平導配置了1 臺ZLC50C 裝載機,1 臺PC110 挖掘機,均進行了防爆改裝。

2.4 運輸設備

2.4.1 運輸方式選擇

隧道運輸方式不同則運輸設備配置不同,目前國內山區隧道施工主要有有軌運輸和無軌運輸兩種形式。

有軌運輸方式受橫洞洞口場地條件限制,機動性較差；該隧道主要以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主,正洞大斷面開挖采用長臺階法施工,由于有軌運輸爬坡能力差,嚴重影響施工進度；有軌運輸受設備、人員技能影響較大,安全性不高,且施工組織復雜。

無軌運輸方式施工組織簡明,調度靈活,裝碴、出碴效率高,施工進度較快；仰拱施工與掌子面開挖匹配較好,二襯封閉成環快速,有利于結構穩定性,襯砌混凝土罐車運輸效率較高,有利于保證混凝土強度和密實性。

結合天坪隧道橫洞高瓦斯工區實測瓦斯濃度、施工通風管理、總體工期要求等,選用無軌運輸方式。

2.4.2 運輸設備配置

配置了25t 出碴運輸車6 臺,10m3混凝土運輸罐車3 臺,8t 自卸農用車2 臺,均進行防爆改裝,改裝方法與裝碴機械相同。

2.5 襯砌設備

配置了1 臺自制12m 襯砌模板臺車,模板臺車電機采用防爆電機,1 臺HBT60 改裝混凝土輸送泵,2 臺SUB8.0F 注漿機,10 臺防爆式振搗器。

2.6 其他設備

配置了1 臺MKQJ-120 防爆潛孔鉆機,2 臺?40 防爆炮泥機,2 臺SLW80-215i 防爆抽水機。

2.7 供配電

2.7.1 外部電源

橫洞工區采用雙電源系統+備用發電機。橫洞附近捷鎮村捷鎮中學處T 接一條10kV 高壓農網線路,架設約3km 線路至橫洞施工區域,洞外安裝630kVA 變壓器3 臺,安裝800kVA、500kVA 變壓器各1 臺供臨時用電；架設10kV的施工臨電專線為橫洞高瓦斯工區提供用電,可作為應急備用電源；由于農忙季節農網可能會拉閘限電,另配置兩臺500kW 發電機組作為備用電源。

2.7.2 電壓

橫洞瓦斯突出工區各級配電和機電設備額定電壓,限制如下：①低壓不大于380V；②高壓不大于10kV；③遠距離控制線路不大于36V；④照明、手持用電設備、電話、信號供電不大于127V。

2.7.3 照明用電

照明功率120kW,電壓等級127V,采用防爆變壓器分段變壓鋪設,選用3×6+2×2mm2阻燃防爆型電纜送入洞內,每10m 安裝1 個DGS-127-100 礦用防爆照明LED 巷道燈,施工地段安裝防爆投光燈,滿足瓦斯突出隧道道路照明和施工照明需要。

2.7.4 通訊信號

煤系地層施工期間,使用新型交換機系統設備,采用3 套HJD-80D 型煤礦小型調度電話交換機,新建地面壓風機房并安裝電話,適當增加電話門數。通訊線路由主、副井引入平導和正洞,在地面調度室、主要通風機房、值班室、壓風機房安裝普通話機,瓦斯抽放站、爆炸材料庫房、開挖工作面安裝KTH-33 型本安電話話機,共計26 部。

煤系地層段封閉完成后,確保無線通訊全覆蓋,隧道施工骨干人員均配置了GT207 型本安移動電話。

3 裝碴運輸設備防爆改裝及使用管理

由于通常情況下無軌運輸方式施工設備大多為非防爆型產品,不符合瓦斯隧道施工安全技術要求,易發生爆破事故,所以要對其進行防爆改裝。

3.1 防爆改裝的原理

當防爆系統啟動后,如果施工環境瓦斯濃度達到系統設定的危險臨界值時（比如按照有關規定設定為0.3%）,報警器發出聲光報警,施工人員立即停止作業并查明原因,原因查明并排除后方可恢復作業,從而能夠提前處置危險。當出現瓦斯濃度急劇上升或者是施工現場未及時進行人工處置等極端情況時,一旦瓦斯濃度達到系統設定危險極限值0.5%后,系統將強行對機械斷油熄火,杜絕爆炸事故發生。

3.2 防爆改裝關鍵技術

3.2.1 動力系統改裝

動力系統主要由防爆柴油機、進氣系統、柴油機冷卻系統、廢氣處理系統等組成。其改裝要點有以下幾點。

1）防爆電啟動柴油機。

2）由水夾層波紋管、水夾層排氣管、補水箱、廢氣處理箱等組成廢氣處理系統。柴油機排出的廢氣由水夾層排氣管、水夾層波紋管引入廢氣處理箱,并對廢氣處理箱的安裝誤差進行補償。廢氣處理箱的作用是進一步冷卻和洗滌廢氣,清除炭煙及溶解廢氣中的部分有害氣體,并經防爆柵欄熄滅廢氣中的火焰,以保證廢氣排放應符合煤標及排氣安全,如圖1 所示。

圖1 廢氣處理系統改裝示意圖

3）進氣系統進氣波紋管、空氣濾清器、進氣防爆柵欄組成。柴油機氣缸火焰返火由進氣防爆柵欄滅火。

4）通過封閉強制循環水冷式系統降低發動機溫度,包括風扇、散熱器、水泵等,其中散熱器主要用于降低冷卻水的溫度。

3.2.2 電氣系統改裝

電氣系統主要包括防爆發電機、機車照明等。

防爆發電機由柴油機提供動力,為照明及安全保護裝置提供電源。兩個防爆照明燈分別設置在機車前后,車尾設置兩紅色信號燈。

3.2.3 安全保護裝置

ZEB-15/24 防爆柴油機自保裝置,配置有便攜式瓦斯檢測報警儀等,能夠通過表面溫度、排氣溫度、機油壓力水位、冷卻水溫、廢氣處理5種方式進行保護,一旦達到臨界值時,自保裝置將立即報警,并切斷柴油動力。

3.3 改裝設備使用管理

1）出廠控制 改裝廠家必須在防爆性能檢測合格后,瓦斯防爆改裝合格證或檢驗報告,并將“防爆”標示張貼在改裝部件外殼醒目位置后方可出廠。

2）進場檢驗 改裝后的設備必須要有政府質量技術監督檢測機構出具的現場檢驗合格證書后方可投入使用。

3）使用管理 項目部成立以物機部長為組長的防爆改裝設備管理領導小組,負責防爆改裝設備的日常維保,配置專職的維護人員,每周至少要有不少于1 次的檢查,發現失效部件立即更換,確保改裝設備正常運行,確保瓦斯突出隧道施工安全。

4 結論與建議

1）優化作業機械設備配置,選擇精干的機械設備非常重要,對控制改裝工作量,提高工作效率,降低事故概率起到重要的作用。渝黔鐵路天坪隧道橫洞瓦斯突出工區通過合理的機械設備配置,平導平均進尺180m/月,正洞平均進尺120m/月,實現了大斷面瓦斯突出隧道施工安全、快速的總體建設目標。

2）采用機械設備防爆改裝技術,解決了機械設備的防爆問題,實踐證明對瓦斯突出隧道進行設備防爆改裝并加強管理,采用無軌運輸方式是完全可行的。

3）由于改裝后的防爆啟動器壽命短,為確保改裝后的報警傳感器的穩定性,必須定期維護改裝設備,更換失效部件。