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瓦斯隧道机械车辆主动防御防爆改装施工工法

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2020年4月19日
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瓦斯隧道机械车辆主动防御防爆改装施工工法

中铁十二局集团有限公司 中铁十二局集团第一工程有限公司
王琪 胡曙峰 王万通 安建国 姜军

1.前言
由于瓦斯隧道施工的高风险性,普通机械设备无法在瓦斯隧道内作业,因此,机械设备防爆改装是瓦斯隧道施工中最重要的内容之一,机械设备的防爆性能直接决定瓦斯隧道施工的成败。金竹山瓦斯隧道是达陕高速公路高风险控制性工程,全长2700m,不良地质主要有采空区、煤层、瓦斯小煤窑、极软弱破碎围岩等,施工条件极其复杂。为了安全、优质的完成施工任务,中铁十二局集团有限公司组织隧道施工、瓦斯防治与设备改装专家和技术人员成立了攻关小组,对金竹山瓦斯隧道关键施工技术课题进行研究。用KZJ001-F煤矿监测分站和KG9701A低浓度甲烷传感器对机械和车辆进行主动防御防爆改装为课题关键技术之一,并申请了<车载瓦斯监测系统>专利,且已授权,经查新此项技术在国内外首次使用, 8月31日山西省科技厅组织专家进行技术鉴定,认为该项技术达到国际先进水平。该项技术在瓦斯隧道施工中有较大的推广价值,经过实践检验总结形成本工法。
2.工法特点
2.1机械车辆用KZJ001-F煤矿监测分站和KG9701A低浓度甲烷传感器进行主动防御防爆改装,形成车载瓦斯监控系统,防爆改装价格便宜实惠。
2.2防爆装置安装快捷,维护简便,系统运行稳定可靠。
2.3不会改变机械车辆的动力特性。
2.4可同时防御监测多种有害气体,甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、二氧化氮、风速等。
2.5 本工法将传统的设备被动防御防爆改装(对设备进行特殊的设计实现设备在瓦斯超限等危险条件下具备继续作业的能力)变为主动防御防爆改装(采用一定的措施手段,使机械设备在瓦斯超限等危险条件下设备自动停止作业,瓦斯在正常范围后设备会重新启动作业),结合瓦斯隧道施工的实际情况分析,施工机械如挖掘机和装载机在作业时会不可避免的产生摩擦或碰撞火花,瓦斯浓度超限的情况下非常危险,但被动防御的防爆设备是无法克服的。因此该类设备必须采用主动防御的措施来实现设备的防爆功能,确保瓦斯隧道的施工安全。
3.适用范围
本工法防爆改装技术适用于无严重瓦斯突出危险的高瓦斯隧道和低瓦斯隧道,隧道具备良好的通风换气条件,施工机械设备状况良好。
4.工艺原理
主动防御防爆改装系统主要利用煤矿监控分站和传感器采集施工机械工作区域的环境瓦斯气体浓度参数,形成车载瓦斯监控系统。控制分站根据采集的浓度值和控制逻辑进行分析处理。系统工作时,当环境瓦斯浓度逐渐上升,达到比较危险的浓度(比如按照有关规定设定为0.3%),分站向报警器发出报警信号,报警器发出声光报警,驾乘人员听到或看到报警信号后,立即停止作业,通知相关人员核查现场实际情况,在查明起因并解除危险后再行作业,能够实现危险提前处理的作用。如果瓦斯浓度上升较快或者是施工机械现场无人值守时,环境瓦斯浓度达到较高危险限值0.5%后,此时控制分站再次向机械的断油熄火控制器发出控制信号,使机械自动停止工作,实现闭锁。系统工作原理示意如下图4所示。

图4 车载瓦斯系统工作原理示意
5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程 见图5.1
5.2操作要点
5.2.1防爆改装系统组成
防爆改装系统主要由三部分组成:系统维护与配置管理中心、控制分站、检测控制器系统结构如下图5.2.1。
1、 系统维护与配置管理中心
系统维护与配置管理中心主要用于设置、调试系统配置参数和控制逻辑。主要由中心电脑、系统软件、数据传输接口组成。这部分配置主要由设备提供方使用,用户也可购置用于平时的维护,系统正常运行时不需该部分设备。

图5.1施工工艺流程图 图5.2.1防爆改装系统结构图
2 、控制分站
分站是系统的数据采集处理和逻辑控制中心,负责从传感器采集环境参数,并将结果按照管理中心软件所设计的控制逻辑进行判断处理,根据配置方案在检测到异常时输出报警和断电等控制信号;分站还具备与管理中心进行数据通信的功能,接收管理中心下达的配置逻辑指令并可将采集的数据发送至管理中心进行实时监测调试。
3、检测控制器
检测控制器包括传感器和报报警器。
传感器主要是采集隧道的环境参数,传感器的种类比较多,如:甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、二氧化氮、风速等。当前车载瓦斯监控系统配置的传感器多为沼气传感器,也可根据现场需要配备其它类型传感器。
报警器接收分站发来的报警信号,发出声光报警提示,提前发出预警。
5.2.2施工准备
主要是防爆改装系统分站、传感器的准备和安装所用工具的准备。
5.2.3防爆改装的主体机械检查
对需要改装的机械性能和状态进行检查,确保所改装的机械具有良好的工作状态。如果机械的工作状态满足不了要求,则需对机械进行维修和保养。
5.2.4防爆系统的安装
监测分站安装位置可根据机械自身的结构特点进行选择,可安装于驾驶室、机械底部或侧面以及驾驶室与车箱连接处等。传感器安装于驾驶室顶部通风处。由于机械是一个振动剧烈的载体,因此相关设备需要作加固与防振设计。防爆改装系统装置布置示意如下图5.2.4。

图5.2.4防爆改装系统装置布置图
5.2.5防爆系统的精调
用标准甲烷气体对改装后的机械车辆进行检测,系统检测瓦斯精度控制在±0.1%以内,同时保证整个系统在检测到瓦斯气体的情况下按照设定要求进行报警和瓦机闭锁。
5.2.6防爆机械的验收
1、防爆系统安装完成后对整个机械性能进行验收,保证增加防爆系统后不能改变机械的操作性能。
2、机械防爆改装完成后要求连续7天跟踪检查防爆系统对瓦斯监测的灵敏度,与瓦检员的光干涉检测仪数据进行比较,同时观察机械的实际作业性能有无改变。
6.材料与设备
材料与设备见表6
表6 材料设备
序号
设备名称
型号
单位
数量
备注
1
煤矿监测分站
KZJ001-F
台
1
防振设计
2
低浓度甲烷传感器
KG9701A
个
2
带保护箱,防振设计
3
声光报警器

个
1

4
专用线缆及配件

套
1

5
标气

瓶
1
校准用
6
减压阀

个
1
7
流量计

个
1
7.质量控制
7.1精度控制
系统精度:≤±0.1%;扫描间隔: ≤0.4秒;控制执行时间:≤1秒;数据传输速率:2500bps,误码率≤10-8
7.2质量保证措施
7.2.1防爆改装前专业技术人员先对机械状态和防爆系统进行认真的检查测试,各项指标均合格后才能进行防爆设备改装工作。
7.2.2系统安装完成后必须进行重复的验证,各项功能均满足要求后方能投入使用。
8.安全措施
8．1做好所有作业人员的安全教育和培训工作,明确责任和完成工作时应注意的安全事项。
8．2由司机配合瓦斯监测工每天对防爆系统的分站、传感器和熄火装置进行检验,每三天防爆系统的瓦斯监控设备进行一次现场调校,以保证防爆瓦斯监控系统的准确性和可靠性,发现问题及时处理,处理不了的问题通知厂家专业技术人员来现场处理,严禁非专业人员擅自维修和拆卸。
8．3机械车辆的防爆装置严禁在隧道内车辆启动状态下检查,有故障时必须在洞外进行。
8．4完善各项操作细则,严格遵守<煤矿安全规程>的各项要求。
8．5监控分站和传感器应设置较好的防尘、防水和防震等安全措施,保证其正常的工作环境。
9.环保措施
9．1成立施工环保领导小组,根据相关的规范制定环保方案和措施,组织有关作业人员学习环保方面的知识,并经常进行宣传教育。
9．2施工期间要保证防爆瓦斯监控系统的有效作业环境,经常对尘埃、烟气、尾气等污染进行清理,确保其工作环境达到相关要求。
10.效益分析
10.1经济效益
用KZJ001-F煤矿监测分站和KG9701A低浓度甲烷传感器对机械和车辆进行防爆改装,形成车载的瓦斯监测系统,将被动防御变为主动防御,大大提高设备的防爆安全性能,为有轨运输变无轨运创造了有利的条件。与购置防爆设备、无轨运输方案相比费用成本节约789万元。
10.2社会效益
在金竹山隧道的施工中,由于机械设备主动防御防爆设备改装研究内容的突破,确保了瓦斯隧道施工的安全和质量,同时又节约了成本,提高了工作效率,缩短了施工工期。金竹山隧道的施工得到了交通部质监总站、四川省交通厅、川高集团、达陕高速公路业主和监理单位的一致好评; 和 连续两年被四川川高集团评为A级信用单位。
11.应用实例
本工法在达陕高速公路金竹山瓦斯隧道、狮子寨瓦斯隧道和达万高速公路天坪寨瓦斯隧道中成功应用,改装后的机械设备运行稳定可靠,为瓦斯隧道的安全、快速、经济施工做出了一定的贡献,能够为同类隧道施工提供一定的借鉴和参考,得到了建设单位和监理单位的一致好评。