公路隧道瓦斯检测成果：仪器与步骤解析

(一)瓦斯隧道施工作业环境应符合的卫生及安全标准

隧道在掘进中有时穿过煤系地层,煤系地层经常富含瓦斯。瓦斯是可燃和可爆气体,其主要成分是甲烷(CH4)。瓦斯爆炸是含有瓦斯与助燃成分的混合气体在火源引燃下,瞬间完成燃烧反应,形成高温高压产物的过程。由于反应过程很快,与时间成反比的功率就很大,所形成的瞬间压力对掘进中的隧道有很大的破坏力,对人员生命安全有很大威胁。因此,瓦斯检测是瓦斯隧道施工环境监测的重要内容,是保证施工安全的重要措施。高瓦斯工作区安全施工管理等级见表5.1-2。

表5.1-2　高瓦斯工作区安全施工管理等级

《公路隧道施工技术规范》(JTG/T3660—2020)规定:装药前和爆破前,放炮员、瓦检员、安全员应同时检查,遇下列情况之一时,未经妥善处理,严禁装药或起爆:

(1)爆破地点附近20m以内风流中甲烷浓度:微瓦斯超过0.25%、低瓦斯超过0.5%、高瓦斯超过1.0%时。

(2)隧道内通风量不够,风向不稳或局部有循环风时。

(3)炮孔内有异状,温度骤高、骤低,煤岩松散或有显著瓦斯涌出时。

(4)炮孔内煤岩粉末未清除干净时。

(5)炮孔无炮泥、封堵不足或不严。

(二)瓦斯隧道瓦斯浓度检测的基本方法

对瓦斯隧道的瓦斯浓度检测应采用人工检测和自动监测相结合的方法。

(1)人工检测是专职瓦斯检测员使用便携式瓦斯检测仪在测点处直接读取数据。专职的瓦斯检测员应定期检查各隧道瓦斯情况。瓦斯检测员配备的检测仪器为便携式瓦斯测量仪和光干涉瓦斯检定器。

(2)自动监测是在测点处安设甲烷传感器,将甲烷浓度转换成标准的电信号,传给分站(数据采集站),分站将采集的信号经过运算处理后,传给监控计算机,通过监控计算机读取数据。

(三)催化型瓦斯测量仪

1.催化型瓦斯测量仪检测原理

在催化剂的作用下,瓦斯与氧气在较低温度下发生强烈氧化(无焰燃烧),反应的化学方程式为

根据催化理论,反应过程是由于催化剂Pt、Pd的存在,降低了瓦斯(CH4)和氧发生链反应的活化能,在催化剂表面的活化中心附近,被吸附的CH4,分子内部结构离开了稳定状态而活化裂解,加速链反应的进行。CH4 与O2,在Pt、Pd催化下的反应是一种多相反应,在这种反应中,气体在催化剂表面上的吸附与否与活化程度和催化反应密切相关。金属催化剂的吸附能力取决于金属和气体分子结构及吸附条件。另外,催化剂的能力取决于金属和气体分子结构及吸附条件,催化剂的分散度对化学反应也有重要影响。利用载体催化元件测量瓦斯浓度的原理如图5.1-1所示。这是一个简单的测量电桥,催化元件T1(黑元件)为工作元件,没有浸渍催化剂的元件T2(白元件)为补偿元件。无瓦斯时,通过W2 的调整,可使电桥处于平衡状态,此时在工作电流的加热下,元件温度为500℃左右。当有瓦斯时,瓦斯与氧气在工作元件表面发生反应,放出反应热Q。反应热被元件吸收引起温度升高。由于铂丝是电阻温度系数很高的热敏材料,元件的温度增量ΔT 将引起电阻增量ΔR,从而使电桥不平衡,产生一个与瓦斯浓度成正比的输出信号。利用这个原理可以检测瓦斯浓度。如果将获得的信号放大传送到远处,就可以实现瓦斯浓度的遥测。

2.催化型瓦斯测量仪

在瓦斯和其他可燃性气体的检测中,最常用的是载体催化型的仪器,它使用的载体催化元件(以下简称元件)是一种热敏式瓦斯传感器。由于它具有体积小(典型尺寸为一个长3mm、直径1.2mm的圆柱体)、质量轻(每个元件为7mg)、构造简单、使用方便、消耗功率小、性能稳定等一系列优点,所以成为目前国内外自动检测瓦斯的主要传感器。

铂丝螺旋圈是催化型瓦斯测量仪使用纯铂丝元件或载体催化元件作为传感器检测瓦斯浓度。无论是哪种元件,携带型瓦斯测量仪又可分为两类:一类是由桥路输出直接推动电表指示;另一类是测量电桥的输出信号经过电子线路放大后,推动电表指示或推动数字显示电路指示瓦斯浓度。经放大后的信号还可以与声光显示单元连接,给出专门的停限指示或声光警报信号。

还有一类仪器,它们介于携带型测量仪与固定式连续检测仪器之间。这类仪器用表头指示或者数字显示瓦斯浓度,并将检测信号经放大整形后推动警报电路,当瓦斯超限时发出声光警报信号。抚顺煤矿安全仪器厂生产的AQJ-9型瓦斯指示警报器就属于这类仪器。这类仪器使用蓄电池供电,经过一次充电,一般可连续工作8h。

图5.1-1　测量电桥

由于在隧道掘进中人员比较分散,工作地点变动频繁,便携式瓦斯检测仪表具有十分重要的作用。为了适应不同条件,需要性能各异、规格不同的各式仪器仪表,它们各有特点,以满足不同的要求。从技术上讲,无论哪种便携式仪器都必须保证以下三个方面的基本性能:

(1)必须有性能稳定、功耗小的瓦斯传感元件。目前使用的都是低功耗的载体催化元件。

(2)应有适于在长期隧道内工作、性能可靠的较先进的电路设计。为了保证质量,减少耗电,一般都采用尽可能完整的大规模专用集成电路。

(3)要有结构合理、体积小、质量轻的外壳及仪器的其他机械零件。使用低功耗传感元件可以使仪器除反应气室外,整机其他部分设计成为本质安全型。另外,便携式检测仪器还要解决好电池问题。

(四)光干涉瓦斯检定器

1.光干涉瓦斯检定器的检测原理

根据光学知识,某种物质的折射率等于光在真空中传播的速度除以光在这种物质中传播的速度。光程等于光线所通过的路程乘以光所通过的物质的折射率。

由此可知,如果两束光波通过的路程长短不同,或是通过的物质不同,或是通过的路程和物质都不同,光程都可能不同。两束光波光程长短的差别,叫作光程差。两束具有光程差的相干波(同一光源发出的光波)相遇,就会产生光的干涉现象。当两束光波的光程差等于(n+1/2)λ时,产生暗条纹;当两列光波的光程差等于nλ时,产生亮条纹。因为白色光是各种单色光的混合光,故白色光具有不同的波长,在一定的路程内,各色光的光程差不同。如果使用单色光为光源,干涉将形成明暗相间的条纹;如果使用白色光源,干涉所产生的条纹是彩色条纹。

当气室各小室内充进相同的气体时,两列光波所经过的光程一定。如在一支光路中改变气体的化学成分或温度、压力等,则因折射率起了变化,光程及光程差也就随之变化,所看到的干涉条纹便会移动。光通过的路程是固定的,根据条纹移动的大小可测知气体折射率的变化。如使两通路的温度、压力相同,当被测气体的化学成分已知时,则可做定量分析,测出被测气体的浓度。这就是光干涉瓦斯检定器的工作原理。(www.xing528.com)

2.光干涉瓦斯检定器的工作程序

光干涉瓦斯检定器内部的光学系统如图5.1-2所示。由光源发出的光经过聚光镜之后到达平面镜,在0点可分为两部分:一部分为反射;另一部分为折射。第一部分光束经平面透镜穿过气室的侧室,经折光镜折回穿过另一侧的小室后又回到平面镜,折射入平面镜后在其后表面(镀反射膜)反射,于0′点穿出平面镜向反射镜前进,经偏折后进入望远镜。第二部分光束折射入平面镜后在其后表面反射,然后穿过气室中央小室回到平面镜(如图中虚线所示),于0′点反射后与第一部分光束会合,一并进入望远镜。两束光在物镜的焦平面上产生白光特有的干涉现象:干涉条纹中央为黑纹,两旁为彩纹。人眼通过目镜进行观测。

图5.1-2　光干涉瓦斯检定器内部的光学系统

1—光源;2—透镜;3—平面镜;4—平面透镜;5—气室;6—折光镜;7—反射镜;8—望远镜

为了避免隧道内二氧化碳和水蒸气对测量精度的影响,采用装有钠石灰的吸收管来吸收二氧化碳,用装有氯化钙的吸收管来吸收水蒸气。

气室中两侧的部分称为空气室,其中充有新鲜空气;中间的部分称为气样室,使用时吸入被测气样。空气室与气样室不相通。

图5.1-3　五点法瓦斯检测断面

(五)人工检测的测点布设

1.瓦斯隧道内施工工作面

隧道内各工作面(掌子面开挖、掌子面初期支护,仰拱开挖、仰拱混凝土施工,防水板挂设,二次衬砌立模、二次衬砌混凝土灌注,隧道防水治理等),均采用五点法检测瓦斯,取最大值作为该断面瓦斯浓度。五点法瓦斯检测断面如图5.1-3所示。

2.瓦斯可能产生积聚的地点

瓦斯可能产生积聚的地点包括二次衬砌台车部位、隧道内避车洞室和综合洞室的上部及隧道内具有明显凹陷的地点。

3.隧道内可能产生火源的地点

隧道内可能产生火源的地点包括电机附近,变压器、电气开关附近,电缆接头的地点。

4.瓦斯可能渗出的地点

瓦斯可能渗出的地点包括地质破碎地带,地质变化地带,煤线地带,裂隙发育的砂岩、泥岩及页岩地带。

5.水平钻孔附近

在隧道进行水平钻孔时,水平钻孔附近。

6.其他区域

被特批允许的洞内电气焊接作业地点,内燃机具、电气开关、电机附近20m范围内。

(六)自动监测系统与测点布设

1.自动监测系统

自动监测系统使用的是煤矿监测监控系统,主要由监测终端、监控中心站、通信接口装置、井下分站、传感器组成。

2.自动监测系统测点布设

(1)平行双洞射流巷道通风时,测点布置如图5.1-4所示。

图5.1-4　平行双洞通风时测点布设图

1—进风洞;2—进风区测点;3—进风洞开挖工作面测点;4—回风洞开挖工作面测点;5—回风区测点;6—出风洞

(2)独头掘进送风式通风时,测点布置如图5.1-5所示。

图5.1-5　独头掘进送风式通风时测点布设图

1—风机;2—风管;3—工作面测点;4—回风区测点