长大瓦斯隧道无轨运输设备及防爆改装技术

2015-03-24王国良

四川建筑 2015年6期

关键词：马达尾气废气

王国良

(中铁二十局集团有限公司, 陕西西安 710000)

长大瓦斯隧道无轨运输设备及防爆改装技术

王国良

(中铁二十局集团有限公司, 陕西西安 710000)

针对在建的长大瓦斯隧道施工中必须大量出渣的运输难题，文章结合基于隧道所处位置的地质及水文条件和瓦斯条件的实际情况，通过理论分析、最优化理论和现场试验等方法，分析了长大瓦斯隧道施工及其设备安全要求，提出了瓦斯隧道无轨运输防爆改装要求，确定了尾气处理系统和电气系统等无轨运输防爆改装方法与工艺。工程实践结果表明，改装后的无轨运输设备能够保证工程施工安全，防爆改装技术可为类似工程提供了较好的借鉴。

隧道工程; 无轨运输; 瓦斯; 防爆改装

如在山区修建长大隧道，沿线将会遭遇大量滑坡、塌陷、岩堆、顺层、危岩落石、泥石流、岩溶以及风化剥落等不良地质，特别是大量隧道必须要穿越煤系瓦斯地层和采空区，对隧道施工尤其是对出渣运输等关键性控制工序有极大的挑战。

正在修建的成贵铁路兴隆坪隧道是线路的控制性工程，隧道穿越老翁场气田核心区及煤线并下伏天然气，瓦斯涌出量达0.68 m3/min，为高度风险的高瓦斯隧道。由于瓦斯可能溢出，在隧道掘进运输中，原则上只能采用有轨运输以防止无轨运输诸如尾气火花诱发瓦斯爆炸事故发生。但若采用有轨运输则其运能远不能满足整体施工进度要求，势必严重影响工程建设顺利竣工。因此，能否在确保安全前提下适当采用无轨运输，是迫切需要探索的关键性问题。为此，本文依托工程建设现场工点，对无轨运输的可行性进行分析，进而对无轨运输的一系列防爆技术进行研究，以期在保证瓦斯条件下隧道施工安全的同时合理加快整体工程施工速度。

1 长大瓦斯隧道施工及其设备安全要求分析

1.1 隧道条件分析

为了更好地说明问题，在此选择在建的成贵铁路兴隆坪隧道作为研究依托。隧道起讫里程D2 K185+090～DK187+893，全长2 803 m，为单洞双线隧道，其中Ⅲ级围岩1 340 m、Ⅳ级围岩590 m、Ⅴ级围岩755 m。隧道进、出口表土及风化层厚度约0～6 m，洞身最大埋深约60 m，围岩为砂岩夹泥岩，岩性较软弱，遇水易软化。岩层层理产状较平缓，节理裂隙发育，开挖后拱顶围岩稳定性差，易发生掉块、坍塌现象。

1.2 隧道瓦斯条件分析

兴隆坪隧道位于老翁场大型气田核心区，线路右侧1 200 m位置为老翁场六号气井，埋深浅。该段地层岩性主要为砂岩，岩石物性较好，属于油气有利聚集层，有利于油气储集。隧道瓦斯溶出量为0.68 m3/min，判定兴隆坪隧道为高瓦斯隧道。

1.3 运输方法及设备安全要求

针对该隧道所处的地层特性及瓦斯含量，隧道施工运输方法和设备必须满足以下要求：(1) 运输设备具备防爆性；(2) 运输能量符合长大隧道大量出渣特性；(3) 电器系统符合安全标准并可防爆；(4) 增加监控装置的可靠性。

由此，基于有轨运输系统无法满足施工工期要求，必须采用无轨运输方式进行施工，但为了安全就必须进行一定程度改装，从而既可满足施工运能要求，又能保证施工安全。

2 瓦斯隧道无轨运输防爆改装要求

无轨运输机械设备在瓦斯隧道内作业存在安全隐患，因此必须对运输机械、设备机械进行防爆改装。无轨运输改装方案主要是通过控制明火以及排气温度、机体表面温度使得改装车辆达到基本防爆的要求，并在工程完成后所有改装项目可以进行拆除复原而不影响设备的后续使用[1-3]。

2.1 无轨运输的具体改装要求和原则

(1) 对发动机尾气进行处理，彻底消除排气火焰，同时降低排气温度。不但使得发动机尾气中的明火不能与外界的可燃气体接触，而且高温尾气也不能直接排出车外与外界的可燃气体接触。

(2) 对发动机温度较高的部位用隔热材料进行包裹，使其与外界隔离。

(3) 改装电器系统包括照明系统、启动系统、发电机系统、蓄电池系统、控制系统，以消除电器系统的明火与外界接触的机会。

(4) 增加监控装置，实时监测防爆系统的工作状态以及工作环境的瓦斯浓度。作为一种预警措施，从而进一步增加系统的安全性。

2.2 无轨运输改装基本方法

(1) 发电机改装为耐高温阻燃材料处理的有防爆功能的大功率耐高温型发电机。

(2) 启动马达改装为耐高温阻燃材料处理的有防爆功能的大功率马达。

(3) 蓄电池为阀控式免维护铅酸蓄电池，安装在电源控制箱内，电路中接线处各种操纵开关均安装于隔爆箱内。

(4) 照明灯具、照明线路、启动马达及电瓶线路、电源总开关线路、照明继电器线路等改用防爆产品。

(5) 柴油机的排气采用补水箱式废气处理装置和夹层排气管道或隔热材料包封措施，在废气处理箱排气出口处设置阻火栅栏，消除排气引发的危险高温和排气火花，降低热源和消除火花源。保证柴油机机体任一表面温度控制在≤150℃，排气出口处的排气温度控制在≤70℃的安全范围内。

(6) 增设自动保护设置。全车采用自动保护装置来测定水位、排气温度，在水位过低或温度超标时自动保护装置启动报警，提醒驾驶员立即检查并采取措施。

(7) 配置便携式瓦斯检测报警仪。当工作环境中瓦斯浓度达到1%时，瓦斯报警器自动声光报警，此时车辆应立即停机，人员迅速撤离工作场地。待隧道内经通、排风处置后，方能进入隧道重新作业。

3 无轨运输防爆改装方法与工艺

结合防爆改装技术[4-6]，鉴于需要改装组成部分较多，在此仅对尾气处理系统和电气系统改装进行说明，其他不做赘述。

3.1 运输车辆尾气处理系统

汽车尾气的处理系统组成主要由双层水冷排气弯管、双层水冷排气波纹管、废气处理箱、防爆栅栏和补水箱等组成(图1)。

图1 尾气的处理系统组成

3.1.1 排气弯管及波纹管

设置双层水冷排气弯管和双层水冷排气波纹管在工作时夹层中走水，通过水的冷却来降低排气管表面温度，将温度控制在100℃左右，并对尾气进行冷却。同时，双层水冷波纹管使得发动机与固定在车架上的废气处理箱柔性连接在一起，降低发动机与车架之间的振动耦合，减小发动机振动能量向车架的传递，降低噪声，并能提高刚性排气管的寿命(图2)。

图2 双层水冷排气弯管和双层冷排气波纹管

3.1.2 废气处理箱

废气处理箱的主要作用是消除尾气中的火花。在废气进入废气处理箱后通过其中的特殊结构，让废气与废气处理箱中的冷却水有充分的接触面积和接触时间，从而提高了废气与冷却水的热传递效率，迅速降低废气温度以达到彻底熄灭废气中火花的目的,这个过程也称之为水洗。通过废气处理箱的水洗不但熄灭了火花，也降低了排气温度68℃±10℃，同时在水洗过程中大量的碳烟和各种有害气体一并溶解在水中，净化了发动机尾气，这样大大降低了车辆在隧道内相对封闭狭小的空间内对空气的污染，改善了隧道内的工作环境，最终使得发动机的尾气实现安全排放和清洁排放(图3)。

图3 废气处理箱

3.1.3 防爆栅栏

防爆栅栏是尾气处理系统中另外一道阻火装置，它能熄灭尾气中的火焰传播。在尾气经过废气处理箱后，再经过防爆栅栏排出到外界，是废气处理系统中防止火焰向外界传递的又一道保险，使得尾气中的火焰完全没有可能传递到外界空气中(图4)。

图4 防爆栅栏

3.2 电气系统

电气系统的防爆改装主要涉及到隔爆电瓶箱、隔爆控制箱、防爆灯具以及经过防爆处理的发电机和启动马达。

3.2.1 隔爆电瓶箱

蓄电池以及控制电路中的控制元件在工作中或发生故障时可能会产生火花，可为了将其与外界进行隔绝，保证与外界空气没有接触的机会。采用隔爆电瓶箱将这些设备全部封装在内，同时所有的接线口采用橡胶胀紧密封和注胶密封(图5)。

图5 隔爆电瓶箱

3.2.2 隔爆控制箱

隔爆控制箱内封装了启动马达的控制开关、照明灯的控制开关以及各个工作指示灯，隔绝了与外界的接触，保证无明火与外界空气接触。

3.2.3 防爆灯具

为了在隧道内昏暗的环境下给车辆提供安全充分的照明，使用矿用防爆灯替代原车的照明系统，包括车前的两只矿用防爆远近变光灯和车后位置两只矿用防爆照明灯，保证了车辆在隧道内有一个良好的照明环境(图6)。

图6 防爆灯具

3.2.4 塑封启动马达及发电机

由于车型较多，启动马达和发电机与发动机各自不同的匹配关系，无法使用现有的矿用防爆发电机和启动马达。为防止发电机和启动马达在发生故障时有可能出现火花，可采用耐高温型阻燃材料进行塑封使其与外界隔绝，以基本达到防爆的目的。同时为解决温度升高后的耐用性问题，发电机采用改进后的耐高温型，保证其长期可靠地工作(图7)。