瓦斯隧道施工通风设计与措施

施工通风是降低瓦斯浓度、防止瓦斯爆炸的最有效的技术措施。 施工通风是瓦斯隧道安全施工最重要的环节,将直接决定瓦斯是否爆炸。 所以,瓦斯隧道应先编制全隧道和各工区的施工通风设计,并考虑各工区贯通后的风流调整和防爆要求。 瓦斯隧道施工的任何作业面不应存在通风盲区,在施工期间必须实施连续通风。

1)施工通风方式

瓦斯工区施工通风方式可结合通风距离、辅助坑道设置等条件综合选用。 常用通风方式有独头通风和巷道式通风两种。 隧道埋深较小时,可结合通风距离、地形地质条件等设置通风竖井实现分段式通风。

压入式通风机必须装设在洞外或洞内新鲜风流中,避免污风循环。

《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2002)中规定“高瓦斯工区和瓦斯突出工区,施工通风方式宜采用巷道式”;而《公路瓦斯隧道技术规程》(DB51/T 2243—2016)中规定“高瓦斯工区和煤(岩)与瓦斯突出工区通风长度大于2 km 时宜采用巷道式通风”。 长期以来,铁路隧道高瓦斯工区和瓦斯突出工区曾大量采用巷道式通风方式。 结合公路规范以及现场工程实践,《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2019)对相关要求进行了调整,规定铁路隧道高瓦斯、瓦斯突出工区可采用压入式或巷道式。 当高瓦斯工区或瓦斯突出区段距洞口大于2 000 m 时,应采用巷道式通风。

2)施工通风风量计算

瓦斯工区施工通风风量计算最重要的是工作面需风量的计算,需风量应按照同时工作的最多人数、最小风速、爆破排烟、洞内作业机械及瓦斯绝对涌出量分别计算,取其最大值。如果瓦斯隧道位于高海拔地区,总需风量应根据大气压力进行修正。 需风量计算公式较多,以下仅列常用的一种。

①按洞内同时工作的最多人数计算需风量,计算式为

式中　q——每人每分钟需要的新鲜空气量,m3/min,瓦斯隧道q≥4 m3/min;

k——风量备用系数,取1.1 ~1.25;

m——洞内同时工作的最多人数。

②按最小风速要求计算需风量,计算式为

式中　V——洞内允许的最小风速,m/s;

S——巷道断面面积,m2,对正洞可取仰拱填充顶面(或底板顶面)之上初期支护内净空面积,对平导、横洞及斜井可取坑底面之上锚喷支护内净空面积,对竖井可取模筑衬砌内净空面积。

③按爆破排烟计算需风量,该需风量计算公式较多,计算式为

式中　t——通风时间,min;

A——每循环爆破的炸药用量,kg;

b——1 kg 炸药爆破时有害气体生成量,L,可按岩层中取40 L,煤层中取100 L;

S——巷道断面面积,m2;

L——巷道长度或临界长度,m;

β——紊流扩散系数,可参考表4.8 采用;

表4.8　紊流扩散系数(β 值)

注:l 为出风口至掌子面距离,m;d 为风管直径,m。

K——淋水系数,根据隧道渗水情况,可参考表4.9 采用;(www.xing528.com)

表4.9　淋水系数(K 值)

P——巷道计算长度范围内漏风系数。

④按稀释和排除内燃作业机械废气计算需风量,计算式为

式中　q——内燃机每分钟× 每千瓦时所要求的供风量,m3/(min·kW),应不小于4 m3/(min·kW);

Ni——各内燃机功率,kW;

Ti——同时工作柴油机设备利用系数。 挖掘机、装载机0.65,运渣车0.65,混凝土罐车0.5。 例如,西(安)南(京)铁路刘家山双线隧道的利用率系数为:装载机0.5,出碴车0.45,混凝土罐车0.5。

⑤按瓦斯绝对量计算需风量,计算式为

式中　q——瓦斯绝对涌出量,m3/min,通过地质勘探或隧道内实测获得;

n——隧道内瓦斯最大容许含量的百分数;

n0——进风中瓦斯含量的百分数;

K——瓦斯涌出不均衡系数,K=1.5 ~2.0,抚顺煤炭研究所建议取1.6。

⑥由于高海拔地区的大气压力降低,故对总需风量进行修正,计算式为

式中　Q高——高海拔地区需风量,m3/min;

Q——正常条件下计算的需风量,m3/min;

P高——高海拔地区大气压力,mmHg。

高海拔地区大气压力P高值可参考表4.10 采用。

表4.10　海拔高度与大气压力关系表

风量计算过程中有一点需重点注意:瓦斯工区洞内隧道全断面的最低风速不应小于0.25 m/s,防止瓦斯局部积聚的风速不宜小于1 m/s。 这两个速度的概念有一定区别。 瓦斯工区施工中,为消除瓦斯积聚,对瓦斯易于积聚的空间和衬砌模板台车附近区域,可采用空气引射器、气动风机等设备,实施局部通风的方法。

3)施工通风设备

①瓦斯工区的洞内风机应采用防爆型;风管应采用抗静电、阻燃的风管,百米平均漏风率不宜大于1%。

②瓦斯工区的通风机应设两路电源,保证通风系统在10 min 内可靠启动和运行;必须有一套同等性能的备用通风机,备用通风机必须能在10 min 内开动。

③高瓦斯及瓦斯突出工区的全煤段、半煤半岩段和有瓦斯涌出的岩层段掘进工作面附近的局部通风机,均应实行“三专两闭锁”,即专用变压器、专用开关、专用线路供电、风电闭锁、瓦电闭锁装置。

④风管出风口距开挖面的距离不宜大于15 m。