信息化監控技術在瓦斯隧道中的應用研究

陳雨龍，杜欣融

(中國葛洲壩集團三峽建設工程有限公司 宜昌市 443000)

0 引言

隧道工程建設不可避免地要遇到穿越煤系地層和賦存瓦斯的隧道。《鐵路隧道工程施王技術指南》(TZ204-2008)中規定“鐵路隧道勘測與施工過程中，通過地質勘探或施工檢測表明隧道內存在瓦斯時，該隧道應定為瓦斯隧道”。統計了在建設瓦斯隧道施工過程中可能發生的各種事故的比例，其中瓦斯事故的比例為10%，在所有類型的隧道施工安全事故中位居第二，僅次于冒頂事故(66%)[1]。瓦斯隧道施工過程中所面臨的瓦斯災害主要表現為5個方面，即中毒、窒息、燃燒、爆炸和突出，其中以瓦斯爆炸最易發生，而瓦斯爆炸一旦發生，將會造成巨大的經濟損失和重大的人員傷亡。事故的提前預防與有效管控，關鍵的技術就是針對人的行為的約束以及對環境變化的有效監管[2]。

現代的計算機技術、電子技術、通信技術、網絡技術的迅速發展為信息化技術的監控系統的建立提供了可靠的技術支持，也為瓦斯隧道施工這一危險的施工作業提供了保障。人員定位系統可實現將洞內施工人員的實時位置和動態軌跡等信息通過傳輸網絡傳輸至控制計算機控制平臺，計算機和洞口LED屏顯示洞內人員位置；視頻監控系統在洞內掘進工作面、二次襯砌段和洞口等位置布置攝像機，通過無線網橋技術實現24h傳輸至視頻服務器，并實現通過監視器與移動端實時觀看；瓦斯監測系統采取人工檢測與瓦斯自動監測相結合的瓦斯檢測方法，可實現不間斷的對洞內CH4、H2S、CO、CO2、溫度及風速等環境參數的采集、傳輸與處理[3]。

依托巴通萬高速公路王家巖特長高瓦斯隧道，研究人員定位系統、視頻監控系統與瓦斯監測系統三種信息化監控技術在瓦斯隧道施工中的應用研究，對探討瓦斯隧道信息化技術的應用，提升瓦斯隧道施工管理技術水平、提高瓦斯隧道施工安全監管力度具有重要的指導意義。

1 瓦斯隧道的信息化監控系統

瓦斯隧道的信息化監控系統主要包括人員定位系統、視頻監控系統與瓦斯監測系統，其中人員定位系統、視頻監控系統主要針對作業人員的管理與約束，瓦斯監測系統主要針對作業環境的監控與管理[4]。

1.1 人員定位系統

人員定位系統采用RFID射頻識別技術，通過射頻標簽、讀卡器和數據管理系統組成部分，達到洞內施工人員的實時位置和動態軌跡等信息通過傳輸網絡傳輸至管理平臺，顯示洞內人員位置的目的。值得注意的是，人員定位系統不僅僅可以定位作業人員，也可以通過定位人員定位相對應的機械設備以及物質材料。

基于人員定位系統的瓦斯隧道施工管理必須遵循“統一發卡、唯一信息、統一管理”的原則，實行“人卡對應”制度，憑卡上崗，持卡進洞。

人員定位系統具有以下主要功能：

(1)考勤管理。系統能夠實時對進出洞內作業人員、機械設備、物質材料進行數量、分布狀況以及行動軌跡情況進行分類統計，并且可以自動匯總、存儲、顯示以上信息。詳細的可以按照姓名、工種、部門、機械設備種類、物質材料種類等條件查詢考勤情況。

(2)定位管理。系統可以實時查詢具體某一個區域的人員、機械設備與物質材料的具體信息，包括數量、分布以及軌跡等信息，對加強人員和設備使用監控提供準確的數據，一方面保證作業人員、管理人員、機械設備等的出勤率和到崗率，另一方面也可杜絕因人員不到位情況導致的責任事故的發生。

(3)限制管理。系統可設置人員限制條件并觸發報警，限制條件包括兩大類：

①通過進入隧道人員實際數量與標簽識別卡數量的對比，限制無卡人員進入作業區并觸發報警；

②通過設置特定區域的報警觸發事件，設定標簽識別卡的權限，例如爆破作業時的警戒區，非授權人員進入會顯示并報警。

(4)災后急救。隧道內一旦發生事故，事故發生點能夠第一時間獲取洞內信息，包含人員數量、人員信息、人員位置等，這些信息為災后救援與預防二次災害發生提供重要決策依據，可進行高效率的搶險和救護。

1.2 視頻監控系統

瓦斯隧道的施工工藝有別于一般的隧道工程，通風、鉆孔、爆破、機械等均存在差異，在高瓦斯隧道中表現得更為明顯，因此在施工作業中對施工人員的規范約束變得尤為重要。事前的技術、安全交底與規章制度的制定、宣講都能夠在一定程度上對施工人員的作業進行約束，但是針對施工過程中的作業管理依然是靠傳統的管理模式，即現場管理人員深入施工作業區巡視檢查、監督。但是傳統的管理模式，不僅受限于人力投入及管理人員水平，而且管理效率低下且存在盲區。

近年來，隨著計算機、網絡以及圖像處理、傳輸技術的飛速發展，使得視頻監控系統在施工現場的應用成為可能。視頻監控系統主要通過對監控點視頻圖像采集、調用、控制等操作來針對某特定施工作業區域進行管理，它能夠24h實時反饋施工現場情況，在第一時間內將施工現場情況以圖像或聲音的形式呈現給項目管理人員，從而使管理人員有效地作出反應，并將發生事件全程錄像、即時抓拍、備份存儲，并對重要數據進行記錄，為處理事故提供切實證據[5]。

現階段的視頻監控系統一般采用三級架構：一為視頻前端，主要包括了攝像機、現場項目部；二為Internet傳輸網絡，主要包括了前端信號的傳輸以及分控中心或者各種移動端；三為視頻監控管理中心，主要包括服務器、存儲器以及顯示大屏。其中的一級架構是關鍵，主要采用無線網橋技術，利用無線傳輸方式實現在兩個或多個網絡之間搭起通信的橋梁，最遠傳輸距離可達30km。

瓦斯隧道可以在主要的施工區域和重要的警戒區域，即洞內掘進工作面、二次襯砌段和洞口位置布置攝像機，通過無線網橋技術將監控畫面傳輸現場管理中心，再通過Internet網絡傳輸到監控管理中心、移動端。通過監控系統可以實時、不間斷地了解瓦斯隧道施工動態情況，提高了對現場施工的管理效率與管理水平，也增強了對作業人員的約束力，有效地減少了違規操作等，確保了施工質量和施工人員安全。

1.3 瓦斯監測系統

瓦斯隧道的重大危險源之一是瓦斯隧道施工封閉的環境中的瓦斯氣體對實體工程及作業人員的傷害，例如窒息、中毒、燃燒、爆炸等，主要因素為瓦斯濃度、引火溫度以及氧氣濃度。

針對瓦斯隧道的瓦斯災害，較為有效的、理想的措施就是通風與對瓦斯濃度的監測。

通風是瓦斯隧道施工中稀釋瓦斯體積分數、保障正常施工環境的主要手段；瓦斯監測可展示瓦斯隧道施工中有害氣體的濃度，為預防瓦斯事故發生的主要措施，為制定瓦斯隧道施工措施提供依據。通風的監測參數主要為風速與風壓，通過風速、風壓的參數測定可以明確通風效果。

瓦斯監測技術在一定程度上可對瓦斯隧道的施工管理具有指導意義，而瓦斯隧道施工管理具有直接指導施工作業的作用，特別是通過瓦斯監測獲得的數據資料合理、有效、及時地調整隧道施工工藝、通風方案等，對保證工程安全、質量，確保工程進度、成本有著舉足輕重的作用[6]。瓦斯監測系統采取人工檢測與瓦斯自動監測相結合的瓦斯檢測方法，主要監測的內容有：洞內各個施工作業區的CH4、H2S、CO、CO2濃度含量，溫度和濕度及風速和風壓等參數，并將參數信息反饋給系統管理中心，管理中心可提前設置限制參數，以制定相應的處置措施，例如啟動報警、加強通風、切斷電源或者疏散作業人員等。

瓦斯自動監測與人工檢測構成了瓦斯監測系統，以自動監測為主，人工檢測為輔，相輔相成、相互驗證、相互彌補。瓦斯自動監測是將信號傳感器布置在待檢測區域，數據傳輸通過無線網橋技術進行傳輸至系統管理中心，實現洞內、洞外實時監測及預警；人工監測主要針對瓦斯自動監測未能涉及的局部作業區域，包括了局部的開挖面、使用中的機電設備、人員集中區域、瓦斯可能的聚集區，彌補瓦斯自動監測分散的缺點。

2 實例應用

巴通萬高速公路王家巖隧道，位于四川盆地東北緣與陜南鄂西山地之過渡地帶，隧道穿越白田壩組、須家河組煤系地層，屬于高瓦斯特長隧道。

王家巖隧道屬于分離式隧道，隧道開挖施工采用進口+斜井+出口5個工作面進行施工作業，并于每個洞口設置管理中心，集中對定位系統、視頻監控系統與瓦斯監測系統進行管理。

王家巖隧道的每個作業洞口均設置人員定位系統，為每位作業人員、管理人員錄入信息，制備標簽識別卡，同時為部分機械設備配備標簽識別卡，嚴格實行憑卡上崗，持卡進洞制度。共布設人員定位系統5套，制備標簽識別卡250張，備用標簽識別卡30張，并在洞內掘進工作面和洞口管理中心及值班室設置防爆應急電話，確保信息安全暢通。

視頻監控系統于作業洞口設置球形攝像頭，可進行360°旋轉的所有區域范圍監控；于洞內的襯砌臺車前、后布置槍機攝像頭，固定監控掘進工作面與二次襯砌段。共布設視頻監控系統3套，球形攝像頭布置5個，槍機攝像頭布置10個。

王家巖隧道通風采用獨頭壓入式通風，于洞口30m處布設2臺軸流風機通過雙抗風管(阻燃、抗靜電)將新鮮空氣送至洞內掘進工作面，風管最前端距工作面10m；于作業臺車、加寬段、避車洞、橫行通道等處增加局扇通風；于一般段落采用射流風機通風；力爭做到瓦斯濃度按稀釋到<0.5%以下。

瓦斯監控系統采取瓦斯自動監測與人工檢測相結合的原則，人工檢測配備低濃度光干涉瓦檢儀、高濃度光干涉瓦檢儀、風速表等檢測儀表，主要針對掘進工作面、回風流處、作業臺車、仰拱作業區、避車洞、橫行通道、動火作業區進行檢測及作業旁站檢測；自動監測采用礦用KJ90自動監測報警系統，針對掘進工作面、高瓦斯及瓦斯突出工區的回風巷、機電設備硐室的進風側、回風流處、主通風機的風管處等設置傳感器進行自動監測。瓦斯監控系統主要在針對CH4、H2S、CO、CO2濃度含量，溫度和濕度及風速和風壓等參數進行測定。共布設瓦斯監控系統5套。

瓦斯監控系統在檢測到回風流處瓦斯濃度>0.5%時報警，在檢測到掘進工作面瓦斯濃度>1.0%時報警。斷電處理措施原則為：當掘進工作面瓦斯濃度≥1.0%，切斷掘進工作面及其附近20m內全部電氣設備；當襯砌臺車處瓦斯濃度≥1.0%，切斷襯砌臺車至掘進工作面之間的全部電氣設備；當回風流處瓦斯濃度≥1.0%，切斷已襯砌地段的全部電氣設備。

王家巖隧道的人員定位系統、視頻監控系統很好地規范了作業人員的行為規范，且增強了施工管理的有效性、及時性；瓦斯監測系統則安全、有效地保證了作業環境的實時監控與快速反應。人員定位系統、視頻監控系統與瓦斯監測系統形成了一套綜合信息化監控技術，并取得了良好的反饋。

3 結語

(1)人員定位系統、視頻監控系統針對作業人員的管理與約束，瓦斯監測系統主要針對作業環境的監控與管理，三者有機結合，構成了一套綜合的瓦斯隧道信息化監控技術。

(2)信息化監控技術成功應用于王家巖高瓦斯特長隧道，并取得了良好的反饋，對提升瓦斯隧道施工管理技術水平、提高瓦斯隧道施工安全監管力度具有重要意義。