瓦斯特長隧道中智能除塵系統(tǒng)技術(shù)的研究與運用

劉 杰

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

0 前 言

我國是一個多山的國家，75%左右的國土是山地或重丘，交通線路在穿越山區(qū)時必然需要修建大量的隧道工程。隧道工程在穿越煤系地層和賦存瓦斯的地區(qū)，作業(yè)過程中會產(chǎn)生大量有毒有害氣體和粉塵。如打眼、放炮、裝卸渣、噴射混凝土等作業(yè)會產(chǎn)生大量粉塵，可導(dǎo)致塵肺、矽肺病，對人體健康危害較大；此外易燃易爆的粉塵和瓦斯還會導(dǎo)致爆炸事故。因此必須做好防塵和防爆工作。查閱相關(guān)資料得知：粉塵職業(yè)病死亡人數(shù)約為工傷的2.5倍，這是觸目驚心的；洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境差，影響作業(yè)人員職業(yè)健康和施工降效，為有效降低瓦斯?jié)舛群捅苊馔咚贡?，并降低粉塵濃度、改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境，滿足職業(yè)健康要求，因此，隧道內(nèi)瓦斯控制和除塵等是瓦斯隧道建設(shè)管理不容忽視的重要環(huán)節(jié)。隨著隧道長度不斷增加，隧道建設(shè)不斷挑戰(zhàn)更長的記錄，挑戰(zhàn)更加復(fù)雜的工程地質(zhì)，而這些都為隧道施工洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境提出了更高的要求。

1 瓦斯隧道除塵現(xiàn)狀應(yīng)用

通過查閱相關(guān)資料，國內(nèi)外針對粉塵防治技術(shù)做了大量的研究和分析，從各種通風(fēng)方式、除塵裝備等方面都有了較大進步，實踐應(yīng)用中減少了粉塵的產(chǎn)生，隨著國內(nèi)監(jiān)管力度加大，安全和職業(yè)健康意識大大提高，加上資金的投入，隧道作業(yè)環(huán)境得到了改善。但是由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同、施工方式不同等，對各種粉塵災(zāi)害成因缺少根本性分析研究，應(yīng)對措施的可靠性和針對性不具體，隧道施工作業(yè)很難從根本上解決粉塵災(zāi)害對職業(yè)健康的損傷程度，針對隧道施工除塵技術(shù)的研究中：石明楊[1]介紹了隧道靜電除塵器的原理和特點，闡述了公路隧道靜電除塵技術(shù)的安裝方式和運營效果；項海燕[2]介紹了隧道除塵養(yǎng)護技術(shù)的工作原理、設(shè)備樣圖、技術(shù)要點和使用效果；劉濤[3]對隧道施工中防塵技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢進行研究，提出了防塵技術(shù)改進的相關(guān)建議并就未來發(fā)展趨勢展開分析。

通過查閱分析以上文獻，瓦斯隧道除塵技術(shù)一直沒有取得重大進步，除塵手段仍然以常規(guī)方式為主，如機械或人工配合鉆機鉆孔、隧道內(nèi)靠掌子面附近采用水封爆破進行降塵、碴堆灑水濕潤濕透防止機械裝碴過程中產(chǎn)生揚塵、隧洞內(nèi)初期支護混凝土全部采用濕噴機或濕噴臺車作業(yè)等，通過機械通風(fēng)將粉塵排除洞外的過程中會污染全部隧道，直接危害洞內(nèi)所有作業(yè)人員，導(dǎo)致作業(yè)人員職業(yè)的危害程度更加嚴(yán)峻。

針對以上存在的一些不足，本文研究出發(fā)點是通過一種智能除塵系統(tǒng)，既能及時除塵降害、凈化隧道內(nèi)空氣，又能短時間內(nèi)改善作業(yè)環(huán)境、提升通視效果，工作效率快、除塵率高，在瓦斯隧道中安全高效利用。

2 工程情況

華鎣山隧道屬特長隧道，設(shè)計為雙洞六車道，隧道左線(ZK23+467～ZK28+485)全長5 018 m，右線(K23+467～K28+467)全長5 000 m，總體走向約298°，為雙向隧道，左右分修，兩線相距16～30 m，隧道凈空高度為8.0 m，寬度達12.5 m。根據(jù)勘察報告，華鎣山隧道穿越觀音峽背斜兩翼及核部含煤地層三疊系須家河組和二疊系龍?zhí)督M，背斜兩翼須家河組地層中的煤層均為可采煤層，煤層厚一般0.3 m，洞身段背斜西翼煤層傾角68°～72°，背斜東翼煤層傾角70°～74°。在背斜核部區(qū)域龍?zhí)督M地層分布多層可采煤，厚度一般在0.8 m左右，由于構(gòu)造復(fù)雜，煤層傾角變化較大，但總體在65°左右。其中須家河組煤層屬低瓦斯煤，發(fā)生瓦斯突出、煤塵爆炸及煤層自燃的可能性小，而龍?zhí)督M煤層屬高瓦斯煤，易發(fā)生瓦斯突出、煤塵爆炸及煤層自燃現(xiàn)象。隧道屬高瓦斯隧道，施工過程會產(chǎn)生大量瓦斯和粉塵，必須采取專門措施加強管理，確保作業(yè)安全和職業(yè)健康。

3 瓦斯隧道智能除塵技術(shù)

技術(shù)團隊認(rèn)真研究隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境，開展通風(fēng)裝置和除塵結(jié)構(gòu)工藝試驗，經(jīng)過多次試驗和改進，研發(fā)了一種噴淋除塵系統(tǒng)和智能風(fēng)力除塵系統(tǒng)。

3.1 除塵系統(tǒng)組成與技術(shù)流程

瓦斯隧道智能噴淋除塵系統(tǒng)主要由增壓泵、過水管、霧化噴頭、電磁閥和粉塵濃度傳感器、上位機和控制器等組成；在掌子面的施工臺車上固定安裝噴淋除塵裝置，注意噴淋裝置的保護；粉塵濃度傳感器與上位機的信號接收端相連接，上位機的信號輸出端與控制器的信號接收端相連接，控制器的控制端與電磁閥信號相連接，過水管的進水口處密封連通設(shè)置有電磁閥；霧化噴頭為間隔固定安裝在過水管上的多個；霧化噴頭是水形成高壓氣霧，且霧化后水能與粉塵充分接觸，增大了水與粉塵的接觸面，大幅提高了除塵效果，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

智能風(fēng)力除塵系統(tǒng)主要由風(fēng)機、變頻器、通風(fēng)管和風(fēng)速檢測儀；風(fēng)機的電源接口與變頻器的電源輸出接口相連，風(fēng)機的進風(fēng)口位于瓦斯隧道外，風(fēng)機的出風(fēng)口與通風(fēng)管的進風(fēng)口相貫通；通風(fēng)管的出風(fēng)口鄰近掌子面不超過20 m；風(fēng)速檢測儀固定安裝在鄰近掌子面的施工臺車上，風(fēng)速檢測儀的信號輸出端與上位機信號相連，上位機與控制器信號相連，控制器與變頻器的控制信號端相連接，根據(jù)風(fēng)速情況自行啟動，操作方便快捷，與噴淋系統(tǒng)同步使用，更進一步提高了除塵效果。圖1為除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

1-瓦斯隧道；11-掌子面；21-粉塵濃度傳感器；3-風(fēng)機；4-變頻器；5-通風(fēng)管；6-上位機；7-控制器；81-鄰近掌子面的施工臺車；82-二襯臺車；83-瓦斯隧道入口處；9-過水管；91-霧化噴頭；92-長管；93-短管；94-連接管；95-中間連接管。

3.2 技術(shù)原理

智能噴淋和風(fēng)力除塵系統(tǒng)，根據(jù)洞內(nèi)粉塵濃度傳感器和風(fēng)速傳感器、控制器等智能裝置系統(tǒng)，水通過噴淋管和噴頭噴出形成霧狀空間，當(dāng)含塵煙霧通過時，霧狀液滴會攔截固體塵粒，與其發(fā)生碰撞并凝聚，當(dāng)液體內(nèi)所含固體雜質(zhì)較多、凝聚顆粒較大時就會降落；微細霧化重量輕，通過高強風(fēng)機快速有力的風(fēng)力將霧化后的除塵液體遠距離推送，擴大除塵液體有效工作面積，除塵液體對空氣中的粉塵進行吸附、混合，成團后迅速降落，從而達到降塵和養(yǎng)護的目的。此技術(shù)運用除塵效果非常好，高效環(huán)保、操作便捷、制造成本低廉、節(jié)約能源。

3.3 智能噴淋除塵系統(tǒng)主要設(shè)計方案

第一道噴淋裝置安裝開挖臺車上，噴淋除塵系統(tǒng)中過水管的進水口處密封連通設(shè)置電磁閥；多個霧化噴頭間隔固定安裝在過水管上；過水管與連接管的一端密封固定連接，連接管的另一端構(gòu)成進水口。兩根連接管與兩根短管固定相連，這樣一來兩根連接管上分別連接一個電磁閥，使得當(dāng)其中一個電磁閥出現(xiàn)故障無法操控時，可通過控制另一個電磁閥來實現(xiàn)噴淋除塵；兩根長管上的霧化噴頭互為交錯設(shè)置。這樣使得在同一隧道寬度方向的霧化噴頭之間的間隔更短，使得在同一隧道寬度方向的霧化噴頭排布得更多，從而形成更理想的“噴淋除塵幕墻”，在使用時可通過控制器來操控電磁閥并使其處于常開狀態(tài)，從而持續(xù)及時地對鄰近掌子面(掌子面處鉆進所產(chǎn)生揚塵濃度大)的空間進行噴淋(霧)除塵，噴嘴霧化形成水霧，由于水霧顆粒是微米級的，非常細小，能夠吸附空氣中雜質(zhì)，霧滴粒徑約為塵粒直徑的150倍時降塵效果較佳。塵粒與霧滴間的相對運動速度愈大，慣性碰撞愈劇烈，碰撞效率愈高。霧滴粒徑>1 μm的粉塵以慣性捕獲為主，對亞微米塵粒(<0.5 μm)以擴散捕獲為主，對于0.5～1 μm的塵粒，這兩種降塵都起作用。為提高水霧的降塵效果，可在噴淋(霧)水中添加濕潤劑提高效果。

通過粉塵濃度傳感器來實時監(jiān)測環(huán)境中揚塵的濃度，當(dāng)通過粉塵濃度傳感器測得的數(shù)據(jù)低于預(yù)設(shè)值時，電磁閥關(guān)閉；當(dāng)通過粉塵濃度傳感器測得的數(shù)據(jù)高于預(yù)設(shè)值時，控制器自動開啟電磁閥進行噴淋除塵，從而提高了噴淋除塵的自動化、智能化運行程度，并節(jié)約了用水、用電能源，減少作業(yè)場所因超時噴霧、無效噴霧而引起的大面積集水，使噴霧降塵更節(jié)能高效，系統(tǒng)造價和運行成本低。

第二道噴淋除塵裝置安裝在瓦斯隧道內(nèi)的混凝土襯砌臺車上，混凝土襯砌臺車通常位于已施工隧道內(nèi)長度段距離鄰近掌子面的施工臺車100～200 m位置處，同樣原理通過實施能夠?qū)炷烈r砌臺車處的空氣進行除塵。

第三道噴淋除塵裝置通過支撐架固定安裝在瓦斯隧道入口處，能夠?qū)ν咚顾淼廊肟谔幍目諝膺M行除塵，以保證排入大氣中的氣體符合環(huán)保要求。后期根據(jù)隧道襯砌長度和洞內(nèi)環(huán)境需要，可以在混凝土襯砌臺車至隧道進口處增設(shè)一道或幾道噴淋裝置來凈化和除塵。

施工通風(fēng)是瓦斯隧道施工安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理的通風(fēng)系統(tǒng)和效果是實現(xiàn)隧道快速施工、保障施工安全和作業(yè)人員健康的重要保證，瓦斯隧道制定了專項通風(fēng)方案，隧道粉塵可以借助瓦斯通風(fēng)實現(xiàn)風(fēng)力除塵，風(fēng)力除塵結(jié)構(gòu)的設(shè)置將隧道外部清潔的空氣輸送至掌子面處，使得隧道內(nèi)孔空氣由掌子面處向隧道外排出，從而更新隧道內(nèi)的空氣，起到通過風(fēng)力來除塵的作用。且風(fēng)力除塵結(jié)構(gòu)在與噴淋除塵裝置相結(jié)合使用后，風(fēng)力除塵結(jié)構(gòu)的通風(fēng)能夠使得粉塵由掌子面外排，當(dāng)粉塵到達噴淋除塵裝置設(shè)置的位置時，即可通過霧化噴淋進行更為充分的清除?？梢?，風(fēng)力除塵結(jié)構(gòu)在與噴淋除塵裝置相結(jié)合能夠獲得更佳的除塵效果。

4 工程實例對比

目前，國內(nèi)已建或在建高速公路瓦斯隧道除塵采用常規(guī)濕式作業(yè)防塵，主要從四個方面采取措施：機械或人工配合鉆機鉆孔、隧道內(nèi)靠掌子面附近采用水封爆破進行降塵、碴堆灑水濕潤或濕透防止機械裝碴過程中產(chǎn)生揚塵以及隧洞內(nèi)初期支護混凝土全部采用濕噴機或濕噴臺車作業(yè)。采用常規(guī)濕式作業(yè)后發(fā)現(xiàn)工作效率低，各工序作業(yè)時間同比延長，隨著隧道開挖長度增加除塵時間也會同比增長，除塵降塵過程中消耗更多水資源且會產(chǎn)生大量廢水，洞內(nèi)粉塵捕集率低，凈化效率較低，通常為40%～50%。

本文通過渝(北)至廣(安)高速公路華鎣山隧道除塵系統(tǒng)改進和實際運行，在掌子面爆破600 s后分別測定安裝除塵設(shè)備前、后的隧道內(nèi)游離SiO2粉塵濃度，采用微電腦激光粉塵儀(LD-3C)測量游離SiO2粉塵濃度，每個測點進行不少于3次數(shù)據(jù)測定后取其均值作為最終值。

通過對除塵前、后的隧道內(nèi)游離SiO2粉塵濃度進行測定對比，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1，洞內(nèi)粉塵除塵凈化率高，較常規(guī)方法節(jié)省了除塵時間，同時除塵系統(tǒng)改進費用低，系統(tǒng)安裝時間短，方便快捷，智能噴淋除塵運行的同時也會節(jié)約用水，洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境和通視效果進一步得到改善，智能除塵系統(tǒng)運用既起到了自動除塵的目的，也大大提高施工進度，保障作業(yè)人員健康。

表1 游離SiO2粉塵實測濃度值對比

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，對本隧道一線作業(yè)人員進行健康體檢分析，通過對一線作業(yè)人員進場前體檢和體檢后退場約400人次對比，通過個體防護配備到位、洞內(nèi)通風(fēng)和除塵的技術(shù)運用，施工期間和完工均未發(fā)生一名塵肺職業(yè)病人。

5 結(jié)束語

1)采用智能化的通風(fēng)及噴淋除塵系統(tǒng)，比常規(guī)濕式作業(yè)效果明顯，通過信息技術(shù)及自動化技術(shù)的應(yīng)用，分析隧道內(nèi)環(huán)境參數(shù)，及時除塵降害、凈化隧道內(nèi)空氣，將絕大部分有毒有害氣體和粉塵在隧道內(nèi)通過除塵系統(tǒng)消減，實現(xiàn)短時間內(nèi)改善作業(yè)環(huán)境、提升通視效果的目的，有利于職業(yè)健康及施工安全保障，作為瓦斯隧道除塵首選。

2)新除塵技術(shù)運用具有工作效率快、除塵率高、安全可靠、操作方便等特點，能夠快速、高效地凈化隧道施工作業(yè)面空氣，極大地改善隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境，有很好的經(jīng)濟效益和社會效益，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值

3)瓦斯特長隧道通風(fēng)布置及智能除塵技術(shù)的應(yīng)用，為隧道通風(fēng)除塵提供了新的思路和技術(shù)方法，可供類似工程借鑒。

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