瓦斯特长隧道中智能除尘系统技术的研究与运用

2020-10-31刘杰

四川建材 2020年10期

刘杰

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610213)

0 前言

我国是一个多山的国家，75%左右的国土是山地或重丘，交通线路在穿越山区时必然需要修建大量的隧道工程。隧道工程在穿越煤系地层和赋存瓦斯的地区，作业过程中会产生大量有毒有害气体和粉尘。如打眼、放炮、装卸渣、喷射混凝土等作业会产生大量粉尘，可导致尘肺、矽肺病，对人体健康危害较大；此外易燃易爆的粉尘和瓦斯还会导致爆炸事故。因此必须做好防尘和防爆工作。查阅相关资料得知：粉尘职业病死亡人数约为工伤的2.5倍，这是触目惊心的；洞内作业环境差，影响作业人员职业健康和施工降效，为有效降低瓦斯浓度和避免瓦斯爆炸，并降低粉尘浓度、改善洞内作业环境，满足职业健康要求，因此，隧道内瓦斯控制和除尘等是瓦斯隧道建设管理不容忽视的重要环节。随着隧道长度不断增加，隧道建设不断挑战更长的记录，挑战更加复杂的工程地质，而这些都为隧道施工洞内作业环境提出了更高的要求。

1 瓦斯隧道除尘现状应用

通过查阅相关资料，国内外针对粉尘防治技术做了大量的研究和分析，从各种通风方式、除尘装备等方面都有了较大进步，实践应用中减少了粉尘的产生，随着国内监管力度加大，安全和职业健康意识大大提高，加上资金的投入，隧道作业环境得到了改善。但是由于地质结构不同、施工方式不同等，对各种粉尘灾害成因缺少根本性分析研究，应对措施的可靠性和针对性不具体，隧道施工作业很难从根本上解决粉尘灾害对职业健康的损伤程度，针对隧道施工除尘技术的研究中：石明杨[1]介绍了隧道静电除尘器的原理和特点，阐述了公路隧道静电除尘技术的安装方式和运营效果；项海燕[2]介绍了隧道除尘养护技术的工作原理、设备样图、技术要点和使用效果；刘涛[3]对隧道施工中防尘技术的现状与趋势进行研究，提出了防尘技术改进的相关建议并就未来发展趋势展开分析。

通过查阅分析以上文献，瓦斯隧道除尘技术一直没有取得重大进步，除尘手段仍然以常规方式为主，如机械或人工配合钻机钻孔、隧道内靠掌子面附近采用水封爆破进行降尘、碴堆洒水湿润湿透防止机械装碴过程中产生扬尘、隧洞内初期支护混凝土全部采用湿喷机或湿喷台车作业等，通过机械通风将粉尘排除洞外的过程中会污染全部隧道，直接危害洞内所有作业人员，导致作业人员职业的危害程度更加严峻。

针对以上存在的一些不足，本文研究出发点是通过一种智能除尘系统，既能及时除尘降害、净化隧道内空气，又能短时间内改善作业环境、提升通视效果，工作效率快、除尘率高，在瓦斯隧道中安全高效利用。

2 工程情况

华蓥山隧道属特长隧道，设计为双洞六车道，隧道左线(ZK23+467～ZK28+485)全长5 018 m，右线(K23+467～K28+467)全长5 000 m，总体走向约298°，为双向隧道，左右分修，两线相距16～30 m，隧道净空高度为8.0 m，宽度达12.5 m。根据勘察报告，华蓥山隧道穿越观音峡背斜两翼及核部含煤地层三叠系须家河组和二叠系龙潭组，背斜两翼须家河组地层中的煤层均为可采煤层，煤层厚一般0.3 m，洞身段背斜西翼煤层倾角68°～72°，背斜东翼煤层倾角70°～74°。在背斜核部区域龙潭组地层分布多层可采煤，厚度一般在0.8 m左右，由于构造复杂，煤层倾角变化较大，但总体在65°左右。其中须家河组煤层属低瓦斯煤，发生瓦斯突出、煤尘爆炸及煤层自燃的可能性小，而龙潭组煤层属高瓦斯煤，易发生瓦斯突出、煤尘爆炸及煤层自燃现象。隧道属高瓦斯隧道，施工过程会产生大量瓦斯和粉尘，必须采取专门措施加强管理，确保作业安全和职业健康。

3 瓦斯隧道智能除尘技术

技术团队认真研究隧道内作业环境，开展通风装置和除尘结构工艺试验，经过多次试验和改进，研发了一种喷淋除尘系统和智能风力除尘系统。

3.1 除尘系统组成与技术流程

瓦斯隧道智能喷淋除尘系统主要由增压泵、过水管、雾化喷头、电磁阀和粉尘浓度传感器、上位机和控制器等组成；在掌子面的施工台车上固定安装喷淋除尘装置，注意喷淋装置的保护；粉尘浓度传感器与上位机的信号接收端相连接，上位机的信号输出端与控制器的信号接收端相连接，控制器的控制端与电磁阀信号相连接，过水管的进水口处密封连通设置有电磁阀；雾化喷头为间隔固定安装在过水管上的多个；雾化喷头是水形成高压气雾，且雾化后水能与粉尘充分接触，增大了水与粉尘的接触面，大幅提高了除尘效果，系统结构见图1。

智能风力除尘系统主要由风机、变频器、通风管和风速检测仪；风机的电源接口与变频器的电源输出接口相连，风机的进风口位于瓦斯隧道外，风机的出风口与通风管的进风口相贯通；通风管的出风口邻近掌子面不超过20 m；风速检测仪固定安装在邻近掌子面的施工台车上，风速检测仪的信号输出端与上位机信号相连，上位机与控制器信号相连，控制器与变频器的控制信号端相连接，根据风速情况自行启动，操作方便快捷，与喷淋系统同步使用，更进一步提高了除尘效果。图1为除尘系统结构示意图。

1-瓦斯隧道；11-掌子面；21-粉尘浓度传感器；3-风机；4-变频器；5-通风管；6-上位机；7-控制器；81-邻近掌子面的施工台车；82-二衬台车；83-瓦斯隧道入口处；9-过水管；91-雾化喷头；92-长管；93-短管；94-连接管；95-中间连接管。

3.2 技术原理

智能喷淋和风力除尘系统，根据洞内粉尘浓度传感器和风速传感器、控制器等智能装置系统，水通过喷淋管和喷头喷出形成雾状空间，当含尘烟雾通过时，雾状液滴会拦截固体尘粒，与其发生碰撞并凝聚，当液体内所含固体杂质较多、凝聚颗粒较大时就会降落；微细雾化重量轻，通过高强风机快速有力的风力将雾化后的除尘液体远距离推送，扩大除尘液体有效工作面积，除尘液体对空气中的粉尘进行吸附、混合，成团后迅速降落，从而达到降尘和养护的目的。此技术运用除尘效果非常好，高效环保、操作便捷、制造成本低廉、节约能源。

3.3 智能喷淋除尘系统主要设计方案

第一道喷淋装置安装开挖台车上，喷淋除尘系统中过水管的进水口处密封连通设置电磁阀；多个雾化喷头间隔固定安装在过水管上；过水管与连接管的一端密封固定连接，连接管的另一端构成进水口。两根连接管与两根短管固定相连，这样一来两根连接管上分别连接一个电磁阀，使得当其中一个电磁阀出现故障无法操控时，可通过控制另一个电磁阀来实现喷淋除尘；两根长管上的雾化喷头互为交错设置。这样使得在同一隧道宽度方向的雾化喷头之间的间隔更短，使得在同一隧道宽度方向的雾化喷头排布得更多，从而形成更理想的“喷淋除尘幕墙”，在使用时可通过控制器来操控电磁阀并使其处于常开状态，从而持续及时地对邻近掌子面(掌子面处钻进所产生扬尘浓度大)的空间进行喷淋(雾)除尘，喷嘴雾化形成水雾，由于水雾颗粒是微米级的，非常细小，能够吸附空气中杂质，雾滴粒径约为尘粒直径的150倍时降尘效果较佳。尘粒与雾滴间的相对运动速度愈大，惯性碰撞愈剧烈，碰撞效率愈高。雾滴粒径>1 μm的粉尘以惯性捕获为主，对亚微米尘粒(<0.5 μm)以扩散捕获为主，对于0.5～1 μm的尘粒，这两种降尘都起作用。为提高水雾的降尘效果，可在喷淋(雾)水中添加湿润剂提高效果。

通过粉尘浓度传感器来实时监测环境中扬尘的浓度，当通过粉尘浓度传感器测得的数据低于预设值时，电磁阀关闭；当通过粉尘浓度传感器测得的数据高于预设值时，控制器自动开启电磁阀进行喷淋除尘，从而提高了喷淋除尘的自动化、智能化运行程度，并节约了用水、用电能源，减少作业场所因超时喷雾、无效喷雾而引起的大面积集水，使喷雾降尘更节能高效，系统造价和运行成本低。

第二道喷淋除尘装置安装在瓦斯隧道内的混凝土衬砌台车上，混凝土衬砌台车通常位于已施工隧道内长度段距离邻近掌子面的施工台车100～200 m位置处，同样原理通过实施能够对混凝土衬砌台车处的空气进行除尘。

第三道喷淋除尘装置通过支撑架固定安装在瓦斯隧道入口处，能够对瓦斯隧道入口处的空气进行除尘，以保证排入大气中的气体符合环保要求。后期根据隧道衬砌长度和洞内环境需要，可以在混凝土衬砌台车至隧道进口处增设一道或几道喷淋装置来净化和除尘。

施工通风是瓦斯隧道施工安全的关键环节，合理的通风系统和效果是实现隧道快速施工、保障施工安全和作业人员健康的重要保证，瓦斯隧道制定了专项通风方案，隧道粉尘可以借助瓦斯通风实现风力除尘，风力除尘结构的设置将隧道外部清洁的空气输送至掌子面处，使得隧道内孔空气由掌子面处向隧道外排出，从而更新隧道内的空气，起到通过风力来除尘的作用。且风力除尘结构在与喷淋除尘装置相结合使用后，风力除尘结构的通风能够使得粉尘由掌子面外排，当粉尘到达喷淋除尘装置设置的位置时，即可通过雾化喷淋进行更为充分的清除。可见，风力除尘结构在与喷淋除尘装置相结合能够获得更佳的除尘效果。

4 工程实例对比

目前，国内已建或在建高速公路瓦斯隧道除尘采用常规湿式作业防尘，主要从四个方面采取措施：机械或人工配合钻机钻孔、隧道内靠掌子面附近采用水封爆破进行降尘、碴堆洒水湿润或湿透防止机械装碴过程中产生扬尘以及隧洞内初期支护混凝土全部采用湿喷机或湿喷台车作业。采用常规湿式作业后发现工作效率低，各工序作业时间同比延长，随着隧道开挖长度增加除尘时间也会同比增长，除尘降尘过程中消耗更多水资源且会产生大量废水，洞内粉尘捕集率低，净化效率较低，通常为40%～50%。

本文通过渝(北)至广(安)高速公路华蓥山隧道除尘系统改进和实际运行，在掌子面爆破600 s后分别测定安装除尘设备前、后的隧道内游离SiO2粉尘浓度，采用微电脑激光粉尘仪(LD-3C)测量游离SiO2粉尘浓度，每个测点进行不少于3次数据测定后取其均值作为最终值。

通过对除尘前、后的隧道内游离SiO2粉尘浓度进行测定对比，监测数据见表1，洞内粉尘除尘净化率高，较常规方法节省了除尘时间，同时除尘系统改进费用低，系统安装时间短，方便快捷，智能喷淋除尘运行的同时也会节约用水，洞内作业环境和通视效果进一步得到改善，智能除尘系统运用既起到了自动除尘的目的，也大大提高施工进度，保障作业人员健康。