信息化监控技术在瓦斯隧道中的应用研究

陈雨龙，杜欣融

(中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司 宜昌市 443000)

0 引言

隧道工程建设不可避免地要遇到穿越煤系地层和赋存瓦斯的隧道。《铁路隧道工程施王技术指南》(TZ204-2008)中规定“铁路隧道勘测与施工过程中，通过地质勘探或施工检测表明隧道内存在瓦斯时，该隧道应定为瓦斯隧道”。统计了在建设瓦斯隧道施工过程中可能发生的各种事故的比例，其中瓦斯事故的比例为10%，在所有类型的隧道施工安全事故中位居第二，仅次于冒顶事故(66%)[1]。瓦斯隧道施工过程中所面临的瓦斯灾害主要表现为5个方面，即中毒、窒息、燃烧、爆炸和突出，其中以瓦斯爆炸最易发生，而瓦斯爆炸一旦发生，将会造成巨大的经济损失和重大的人员伤亡。事故的提前预防与有效管控，关键的技术就是针对人的行为的约束以及对环境变化的有效监管[2]。

现代的计算机技术、电子技术、通信技术、网络技术的迅速发展为信息化技术的监控系统的建立提供了可靠的技术支持，也为瓦斯隧道施工这一危险的施工作业提供了保障。人员定位系统可实现将洞内施工人员的实时位置和动态轨迹等信息通过传输网络传输至控制计算机控制平台，计算机和洞口LED屏显示洞内人员位置；视频监控系统在洞内掘进工作面、二次衬砌段和洞口等位置布置摄像机，通过无线网桥技术实现24h传输至视频服务器，并实现通过监视器与移动端实时观看；瓦斯监测系统采取人工检测与瓦斯自动监测相结合的瓦斯检测方法，可实现不间断的对洞内CH4、H2S、CO、CO2、温度及风速等环境参数的采集、传输与处理[3]。

依托巴通万高速公路王家岩特长高瓦斯隧道，研究人员定位系统、视频监控系统与瓦斯监测系统三种信息化监控技术在瓦斯隧道施工中的应用研究，对探讨瓦斯隧道信息化技术的应用，提升瓦斯隧道施工管理技术水平、提高瓦斯隧道施工安全监管力度具有重要的指导意义。

1 瓦斯隧道的信息化监控系统

瓦斯隧道的信息化监控系统主要包括人员定位系统、视频监控系统与瓦斯监测系统，其中人员定位系统、视频监控系统主要针对作业人员的管理与约束，瓦斯监测系统主要针对作业环境的监控与管理[4]。

1.1 人员定位系统

人员定位系统采用RFID射频识别技术，通过射频标签、读卡器和数据管理系统组成部分，达到洞内施工人员的实时位置和动态轨迹等信息通过传输网络传输至管理平台，显示洞内人员位置的目的。值得注意的是，人员定位系统不仅仅可以定位作业人员，也可以通过定位人员定位相对应的机械设备以及物质材料。

基于人员定位系统的瓦斯隧道施工管理必须遵循“统一发卡、唯一信息、统一管理”的原则，实行“人卡对应”制度，凭卡上岗，持卡进洞。

人员定位系统具有以下主要功能：

(1)考勤管理。系统能够实时对进出洞内作业人员、机械设备、物质材料进行数量、分布状况以及行动轨迹情况进行分类统计，并且可以自动汇总、存储、显示以上信息。详细的可以按照姓名、工种、部门、机械设备种类、物质材料种类等条件查询考勤情况。

(2)定位管理。系统可以实时查询具体某一个区域的人员、机械设备与物质材料的具体信息，包括数量、分布以及轨迹等信息，对加强人员和设备使用监控提供准确的数据，一方面保证作业人员、管理人员、机械设备等的出勤率和到岗率，另一方面也可杜绝因人员不到位情况导致的责任事故的发生。

(3)限制管理。系统可设置人员限制条件并触发报警，限制条件包括两大类：

①通过进入隧道人员实际数量与标签识别卡数量的对比，限制无卡人员进入作业区并触发报警；

②通过设置特定区域的报警触发事件，设定标签识别卡的权限，例如爆破作业时的警戒区，非授权人员进入会显示并报警。

(4)灾后急救。隧道内一旦发生事故，事故发生点能够第一时间获取洞内信息，包含人员数量、人员信息、人员位置等，这些信息为灾后救援与预防二次灾害发生提供重要决策依据，可进行高效率的抢险和救护。

1.2 视频监控系统

瓦斯隧道的施工工艺有别于一般的隧道工程，通风、钻孔、爆破、机械等均存在差异，在高瓦斯隧道中表现得更为明显，因此在施工作业中对施工人员的规范约束变得尤为重要。事前的技术、安全交底与规章制度的制定、宣讲都能够在一定程度上对施工人员的作业进行约束，但是针对施工过程中的作业管理依然是靠传统的管理模式，即现场管理人员深入施工作业区巡视检查、监督。但是传统的管理模式，不仅受限于人力投入及管理人员水平，而且管理效率低下且存在盲区。

近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，使得视频监控系统在施工现场的应用成为可能。视频监控系统主要通过对监控点视频图像采集、调用、控制等操作来针对某特定施工作业区域进行管理，它能够24h实时反馈施工现场情况，在第一时间内将施工现场情况以图像或声音的形式呈现给项目管理人员，从而使管理人员有效地作出反应，并将发生事件全程录像、即时抓拍、备份存储，并对重要数据进行记录，为处理事故提供切实证据[5]。

现阶段的视频监控系统一般采用三级架构：一为视频前端，主要包括了摄像机、现场项目部；二为Internet传输网络，主要包括了前端信号的传输以及分控中心或者各种移动端；三为视频监控管理中心，主要包括服务器、存储器以及显示大屏。其中的一级架构是关键，主要采用无线网桥技术，利用无线传输方式实现在两个或多个网络之间搭起通信的桥梁，最远传输距离可达30km。

瓦斯隧道可以在主要的施工区域和重要的警戒区域，即洞内掘进工作面、二次衬砌段和洞口位置布置摄像机，通过无线网桥技术将监控画面传输现场管理中心，再通过Internet网络传输到监控管理中心、移动端。通过监控系统可以实时、不间断地了解瓦斯隧道施工动态情况，提高了对现场施工的管理效率与管理水平，也增强了对作业人员的约束力，有效地减少了违规操作等，确保了施工质量和施工人员安全。

1.3 瓦斯监测系统

瓦斯隧道的重大危险源之一是瓦斯隧道施工封闭的环境中的瓦斯气体对实体工程及作业人员的伤害，例如窒息、中毒、燃烧、爆炸等，主要因素为瓦斯浓度、引火温度以及氧气浓度。

针对瓦斯隧道的瓦斯灾害，较为有效的、理想的措施就是通风与对瓦斯浓度的监测。

通风是瓦斯隧道施工中稀释瓦斯体积分数、保障正常施工环境的主要手段；瓦斯监测可展示瓦斯隧道施工中有害气体的浓度，为预防瓦斯事故发生的主要措施，为制定瓦斯隧道施工措施提供依据。通风的监测参数主要为风速与风压，通过风速、风压的参数测定可以明确通风效果。

瓦斯监测技术在一定程度上可对瓦斯隧道的施工管理具有指导意义，而瓦斯隧道施工管理具有直接指导施工作业的作用，特别是通过瓦斯监测获得的数据资料合理、有效、及时地调整隧道施工工艺、通风方案等，对保证工程安全、质量，确保工程进度、成本有着举足轻重的作用[6]。瓦斯监测系统采取人工检测与瓦斯自动监测相结合的瓦斯检测方法，主要监测的内容有：洞内各个施工作业区的CH4、H2S、CO、CO2浓度含量，温度和湿度及风速和风压等参数，并将参数信息反馈给系统管理中心，管理中心可提前设置限制参数，以制定相应的处置措施，例如启动报警、加强通风、切断电源或者疏散作业人员等。

瓦斯自动监测与人工检测构成了瓦斯监测系统，以自动监测为主，人工检测为辅，相辅相成、相互验证、相互弥补。瓦斯自动监测是将信号传感器布置在待检测区域，数据传输通过无线网桥技术进行传输至系统管理中心，实现洞内、洞外实时监测及预警；人工监测主要针对瓦斯自动监测未能涉及的局部作业区域，包括了局部的开挖面、使用中的机电设备、人员集中区域、瓦斯可能的聚集区，弥补瓦斯自动监测分散的缺点。

2 实例应用

巴通万高速公路王家岩隧道，位于四川盆地东北缘与陕南鄂西山地之过渡地带，隧道穿越白田坝组、须家河组煤系地层，属于高瓦斯特长隧道。

王家岩隧道属于分离式隧道，隧道开挖施工采用进口+斜井+出口5个工作面进行施工作业，并于每个洞口设置管理中心，集中对定位系统、视频监控系统与瓦斯监测系统进行管理。

王家岩隧道的每个作业洞口均设置人员定位系统，为每位作业人员、管理人员录入信息，制备标签识别卡，同时为部分机械设备配备标签识别卡，严格实行凭卡上岗，持卡进洞制度。共布设人员定位系统5套，制备标签识别卡250张，备用标签识别卡30张，并在洞内掘进工作面和洞口管理中心及值班室设置防爆应急电话，确保信息安全畅通。

视频监控系统于作业洞口设置球形摄像头，可进行360°旋转的所有区域范围监控；于洞内的衬砌台车前、后布置枪机摄像头，固定监控掘进工作面与二次衬砌段。共布设视频监控系统3套，球形摄像头布置5个，枪机摄像头布置10个。

王家岩隧道通风采用独头压入式通风，于洞口30m处布设2台轴流风机通过双抗风管(阻燃、抗静电)将新鲜空气送至洞内掘进工作面，风管最前端距工作面10m；于作业台车、加宽段、避车洞、横行通道等处增加局扇通风；于一般段落采用射流风机通风；力争做到瓦斯浓度按稀释到<0.5%以下。

瓦斯监控系统采取瓦斯自动监测与人工检测相结合的原则，人工检测配备低浓度光干涉瓦检仪、高浓度光干涉瓦检仪、风速表等检测仪表，主要针对掘进工作面、回风流处、作业台车、仰拱作业区、避车洞、横行通道、动火作业区进行检测及作业旁站检测；自动监测采用矿用KJ90自动监测报警系统，针对掘进工作面、高瓦斯及瓦斯突出工区的回风巷、机电设备硐室的进风侧、回风流处、主通风机的风管处等设置传感器进行自动监测。瓦斯监控系统主要在针对CH4、H2S、CO、CO2浓度含量，温度和湿度及风速和风压等参数进行测定。共布设瓦斯监控系统5套。

瓦斯监控系统在检测到回风流处瓦斯浓度>0.5%时报警，在检测到掘进工作面瓦斯浓度>1.0%时报警。断电处理措施原则为：当掘进工作面瓦斯浓度≥1.0%，切断掘进工作面及其附近20m内全部电气设备；当衬砌台车处瓦斯浓度≥1.0%，切断衬砌台车至掘进工作面之间的全部电气设备；当回风流处瓦斯浓度≥1.0%，切断已衬砌地段的全部电气设备。

王家岩隧道的人员定位系统、视频监控系统很好地规范了作业人员的行为规范，且增强了施工管理的有效性、及时性；瓦斯监测系统则安全、有效地保证了作业环境的实时监控与快速反应。人员定位系统、视频监控系统与瓦斯监测系统形成了一套综合信息化监控技术，并取得了良好的反馈。

3 结语

(1)人员定位系统、视频监控系统针对作业人员的管理与约束，瓦斯监测系统主要针对作业环境的监控与管理，三者有机结合，构成了一套综合的瓦斯隧道信息化监控技术。

(2)信息化监控技术成功应用于王家岩高瓦斯特长隧道，并取得了良好的反馈，对提升瓦斯隧道施工管理技术水平、提高瓦斯隧道施工安全监管力度具有重要意义。