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      抽水蓄能電站施工期地下洞室臨時(shí)通風(fēng)分析研究

      2023-08-28 08:00:28景鵬云安壯壯
      電力安全技術(shù) 2023年7期
      關(guān)鍵詞:支洞洞室出線

      付 斌,景鵬云,安壯壯

      (山西垣曲抽水蓄能有限公司,山西 運(yùn)城 043700)

      0 引言

      地下洞室工程在開挖施工中會(huì)聚集很多種類污染源,主要包括爆破產(chǎn)生的有毒氣體、工程機(jī)械施工產(chǎn)生的廢氣、巖石內(nèi)產(chǎn)生的有害氣體、噴砼施工造成的粉塵、運(yùn)卸石渣時(shí)導(dǎo)致的煙塵等,如不及時(shí)通風(fēng)排出,會(huì)對(duì)作業(yè)人員造成很大傷害。目前常采用的機(jī)械通風(fēng)方法主要包括壓入式通風(fēng)、吸出式通風(fēng)、混合式通風(fēng)等方式。根據(jù)近年來地下洞室施工的工程經(jīng)驗(yàn),常采取壓入式通風(fēng),隨著通風(fēng)設(shè)備的發(fā)展,現(xiàn)有的新型軸流風(fēng)機(jī),送風(fēng)距離已經(jīng)可以達(dá)到近2 000 m,可以較好滿足獨(dú)頭開挖作業(yè)對(duì)通風(fēng)的要求[1],且設(shè)備型號(hào)多樣,可以滿足不同洞徑開挖的需求。

      1 工程概況

      某抽水蓄能電站裝機(jī)容量為1 200 MW,工程等別為一等,工程規(guī)模為大(1)型。永久性建筑物(主要包括上庫擋水建筑物、輸水建筑物、地下廠房、主變洞、母線洞、地上開關(guān)站、下庫泄水及擋水建筑物等)為一級(jí)建筑物,永久性次要建筑物(包括進(jìn)場(chǎng)交通洞、通風(fēng)兼出線洞等)為三級(jí)建筑物,臨時(shí)性建筑物為四級(jí)建筑物。施工期地下洞室通風(fēng)主要涉及的項(xiàng)目有通風(fēng)兼出線洞、廠房交通洞、自流排水洞、排水廊道、上水庫進(jìn)/出口、下水庫進(jìn)/出口、2號(hào)棄渣場(chǎng)排水洞以及1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、7號(hào)施工支洞洞口及洞身施工通風(fēng),其中尤以通風(fēng)兼出線洞和交通洞承擔(dān)的通風(fēng)任務(wù)為重,主要負(fù)責(zé)整個(gè)廠房施工期的地下通風(fēng)。

      2 通風(fēng)量計(jì)算

      電站臨時(shí)通風(fēng)設(shè)施主要布置在通風(fēng)兼出線洞、交通洞及施工支洞內(nèi),下面以通風(fēng)兼出線洞為例進(jìn)行通風(fēng)量的計(jì)算,其他洞室按此方法進(jìn)行計(jì)算,不再贅述。

      2.1 爆破藥量所需風(fēng)量

      根據(jù)《水利水電施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二冊(cè),爆破所需風(fēng)量計(jì)算[2]如下:

      式中:VL為爆破散煙計(jì)算風(fēng)量,m3/min;Q為同時(shí)爆破的炸藥量,kg;B為爆破時(shí)所產(chǎn)生的折成CO體積,L/kg;t為通風(fēng)時(shí)間,min。

      通風(fēng)兼出線洞尺寸為8 m×7.8 m,斷面面積約為62.4 m2,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),單方耗藥量約為1.3 kg/m3,每循環(huán)進(jìn)尺約為3 m,則每循環(huán)耗藥量243.36 kg。

      根據(jù)手冊(cè)炸藥爆破所產(chǎn)生CO體積為40 L/kg,通風(fēng)時(shí)間取30 min。則計(jì)算風(fēng)量約為27.04 m3/s。

      風(fēng)機(jī)風(fēng)量根據(jù)《水利水電施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二冊(cè)計(jì)算如下:

      式中:Vm為風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量,m3/min;V為洞室爆破需要的通風(fēng)量,m3/min;L為風(fēng)管長度,m;P為100 m風(fēng)管漏風(fēng)量,取1.5 %。

      通風(fēng)兼出線洞長1 276 m,結(jié)合類似工程,100 m風(fēng)管漏風(fēng)量取1.5 %,則風(fēng)機(jī)通風(fēng)量約為24.8 m3/s。

      式中:Vc為使用柴油設(shè)備時(shí)的風(fēng)量,m3/min;v0-為每千瓦所要風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn),m3/(kW·min);N為洞室施工的柴油設(shè)備的總共額定功率,kW。

      通風(fēng)兼出線洞開挖使用的柴油機(jī)械主要有NH178三臂鑿巖臺(tái)車(116 kW),3 m3側(cè)卸式裝載機(jī)(162 kW)和20 t自卸汽車(186 kW)。手冊(cè)中單位功率需風(fēng)量指標(biāo)為4.1 m3/(kW·min),則每臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車需風(fēng)量約為7.93 m3/s。每臺(tái)側(cè)卸式裝載機(jī)需風(fēng)量約為11.07 m3/s,每臺(tái)自卸汽車需風(fēng)量約為12.71 m3/s。根據(jù)DL/T 5397—2007《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,洞室使用柴油設(shè)備工作時(shí),應(yīng)依照柴油設(shè)備用風(fēng)與施工人員用風(fēng)求和計(jì)算。根據(jù)DL/T 5397—2007中附錄D.6.1.1,每人需要約3 m3/min新鮮空氣,掌子面最多工作人數(shù)約為20人;DL/T 5397—2007規(guī)定,當(dāng)洞、井位于海拔高程1 000 m以上時(shí),通風(fēng)量需乘以修正系數(shù)為1.3~1.5,本工程海拔高程低于1 000 m,本次設(shè)計(jì)不需乘以修正系數(shù),則人員需總風(fēng)量約為1 m3/s[3-4]。

      通風(fēng)兼出線洞通風(fēng)主要供給通風(fēng)兼出線洞、主變通風(fēng)洞、尾調(diào)補(bǔ)氣洞、主副廠房頂部、主變室上部、上部排水廊道開挖,且通風(fēng)兼出線洞與主變通風(fēng)洞同時(shí)開挖時(shí),所需風(fēng)量最大,但兩工作面可以通過合理安排施工順序減少所需通風(fēng)量,即主變通風(fēng)洞出渣時(shí),通風(fēng)兼出線洞可進(jìn)行鉆孔工作,通風(fēng)兼出線洞爆破時(shí),主變通風(fēng)洞不作業(yè),所以主變通風(fēng)洞出渣和通風(fēng)兼出線洞鉆孔為所需風(fēng)量最大工況,即一臺(tái)NH178三臂鑿巖臺(tái)車(116 kW),每臺(tái)需風(fēng)量約為7.93 m3/s,一臺(tái)3 m3側(cè)卸式裝載機(jī)(162 kW),每臺(tái)需風(fēng)量約為11.07 m3/s,和一臺(tái)20 t自卸汽車(186 kW),每臺(tái)需風(fēng)量約為12.71 m3/s。兩組人員同時(shí)工作,需風(fēng)量2 m3/s,設(shè)備與人員同時(shí)工作,所需風(fēng)量33.71 m3/s。

      當(dāng)采用壓入式通風(fēng)時(shí),通風(fēng)量由柴油機(jī)決定,考慮所漏掉的風(fēng)量仍有沖淡廢氣的作用,風(fēng)機(jī)風(fēng)量按下式計(jì)算[5]:

      考慮風(fēng)機(jī)可發(fā)揮最大效率為85 %,則需要的風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為29.2 m3/s。

      2.2 柴油機(jī)械計(jì)算

      按《水利水電施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二冊(cè),使用柴油機(jī)械時(shí)所需通風(fēng)量[2]計(jì)算如下:

      式中:Vm為風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量,m3/min;V為洞內(nèi)施工所需風(fēng)量,m3/min;L為風(fēng)管長度,m;P為100 m風(fēng)管漏風(fēng)量,取1.5 %。

      根據(jù)公式計(jì)算,風(fēng)機(jī)通風(fēng)量為36.97 m3/s,考慮風(fēng)機(jī)可發(fā)揮最大效率為85 %,則需要的風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為43.49 m3/s。

      根據(jù)《水利水電施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定,工作風(fēng)量須滿足作業(yè)人員的正常呼吸所需,并可稀釋、排出作業(yè)設(shè)備和爆破施工造成的巖塵及有害氣體,根據(jù)分別計(jì)算的所需風(fēng)量,選取最大值。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,大型柴油設(shè)備所需風(fēng)量較多,為43.49 m3/s。

      2.3 廠房通風(fēng)量核算

      據(jù)類似工程調(diào)查,廠房通風(fēng)量按照廠房內(nèi)空氣被置換一次所需時(shí)間控制,通風(fēng)兼出線洞主要負(fù)責(zé)主廠房上部及主變中上部的通風(fēng),主廠房上部及主變中上部體積約為12.1萬m3,根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,風(fēng)機(jī)出風(fēng)口通風(fēng)量為33.71 m3/s,則主廠房上部及主變中上部空氣置換一次所需時(shí)間為1.00 h,空氣置換情況較理想。

      2.4 風(fēng)速核算

      根據(jù)DL/T 5397—2007規(guī)定,工作面附近最小風(fēng)速不得低于0.15 m/s,洞內(nèi)最高溫度不超過15 ℃時(shí),風(fēng)速不大于0.5 m/s。

      根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量為33.71 m3/s,斷面面積為62.4 m3,掌子面風(fēng)速0.54 m/s,大于最小風(fēng)速要求。洞內(nèi)溫度若低于15 ℃時(shí),洞內(nèi)風(fēng)速要求不大于0.5 m/s,可適當(dāng)降低風(fēng)機(jī)通風(fēng)量,將風(fēng)速控制在要求范圍內(nèi)。

      2.5 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓計(jì)算

      根據(jù)風(fēng)壓計(jì)算公式,計(jì)算如下:

      式中:Ps為靜壓,Pa;v為風(fēng)帶內(nèi)風(fēng)速,m/s;σ為空氣比重,kg/m3;L為風(fēng)帶長度,m;D為風(fēng)帶直徑,m;λ為摩擦系數(shù)。

      風(fēng)帶長度略大于通風(fēng)兼出線洞洞長,約為1 300 m,摩擦系數(shù)通常鉆爆法取0.017,則靜壓為2 512 Pa,速度風(fēng)阻約為170 Pa,機(jī)器損耗風(fēng)阻約為100 Pa,則總風(fēng)阻為2 794 Pa,綜上通風(fēng)兼出線洞通風(fēng)量及風(fēng)壓計(jì)算見表1,同樣的方法,交通洞及施工支洞通風(fēng)量及風(fēng)壓計(jì)算見表2和表3。

      表1 通風(fēng)兼出線洞通風(fēng)量及風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果

      表2 交通洞通風(fēng)量及風(fēng)壓計(jì)算成果

      表3 施工支洞通風(fēng)量計(jì)算

      2.6 國內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)

      通過調(diào)研,收集相同發(fā)電容量的抽水蓄能電站通風(fēng)風(fēng)機(jī)選型參數(shù)見表4。

      表4 國內(nèi)抽水蓄能電站通風(fēng)風(fēng)機(jī)選型

      根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn),本次計(jì)算通風(fēng)兼出線洞和交通洞風(fēng)壓略小,為更好保證洞內(nèi)施工條件,本次通風(fēng)風(fēng)量及風(fēng)壓按工程經(jīng)驗(yàn)類比選取[6],可更好保證工作面通風(fēng)效果,因此通風(fēng)兼出線洞風(fēng)機(jī)風(fēng)量取50.4 m3/s,風(fēng)壓為3 550 Pa,交通洞風(fēng)機(jī)風(fēng)量取56.8 m3/s,風(fēng)壓為4 200 Pa。

      3 風(fēng)機(jī)選用

      臨時(shí)通風(fēng)均選用軸流式風(fēng)機(jī),通風(fēng)兼出線洞和交通洞較長,且都為地下廠房的主要通風(fēng)通道,其中通風(fēng)兼出線洞為主副廠房頂部及主變室上部開挖時(shí)的通風(fēng)通道,交通洞為主副廠房中部開挖時(shí)的通風(fēng)通道,因此兩洞洞口的風(fēng)機(jī)應(yīng)選用風(fēng)量大、送風(fēng)距離遠(yuǎn)的大功率風(fēng)機(jī)。通過調(diào)研,現(xiàn)在國外進(jìn)口的某大功率風(fēng)機(jī)在滿足通風(fēng)風(fēng)量要求的前提下,送風(fēng)距離可以達(dá)到2~3 km,因此本次兩洞選用該種風(fēng)機(jī),則洞內(nèi)不需要串聯(lián)風(fēng)機(jī)使用,可以直接從洞口將新鮮空氣泵入至掌子面,風(fēng)管可以選擇直徑為1.6 m的圓形風(fēng)管[7]。施工支洞斷面面積較小,且洞長較短,可以在洞口布置功率較小的風(fēng)機(jī),每掘進(jìn)500 m加串一組,增加供風(fēng)距離,風(fēng)管管徑可以選擇1.0 m。風(fēng)機(jī)與風(fēng)管選擇見表5。

      表5 風(fēng)機(jī)及風(fēng)管選擇

      4 通風(fēng)布置

      地下工程的通風(fēng)散煙的優(yōu)劣直接關(guān)系到施工作業(yè)人員的健康狀況,而且通風(fēng)效果直接影響地下洞室群的施工速度。根據(jù)以往抽水蓄能電站地下工程洞室群的布置特點(diǎn),結(jié)合該抽水蓄能電站實(shí)際,通風(fēng)散煙分三期設(shè)置[8-9]。

      1) 前期。所有洞室為獨(dú)頭工作面掘進(jìn),引水系統(tǒng)、廠房系統(tǒng)及尾水隧洞系統(tǒng)等部分互相不關(guān)聯(lián)。在此期間于交通洞、通風(fēng)兼出線洞洞口位置布置軸流風(fēng)機(jī),給工作面供風(fēng),施工支洞洞口及洞內(nèi)每500 m左右為一單元布置軸流風(fēng)機(jī)接力通風(fēng),具體示意詳見圖1。

      圖1 臨時(shí)通風(fēng)布置示意

      2) 中期。主體工程的排風(fēng)洞和排風(fēng)豎井貫通后,滿足利用洞內(nèi)外溫差和壓差進(jìn)行自然通風(fēng)的條件,采取強(qiáng)制通風(fēng)與自然通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)方式。

      3) 后期。洞室開挖結(jié)束,進(jìn)入土建施工和機(jī)電安裝工程階段后,排風(fēng)豎井、引水系統(tǒng)、廠區(qū)和尾水系統(tǒng)相互貫通,以自然通風(fēng)為主、強(qiáng)制式機(jī)械通風(fēng)為輔,低處洞口進(jìn)風(fēng),高處洞口出風(fēng),部分風(fēng)機(jī)給予輔助通風(fēng)。

      5 洞內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)措施

      地下洞室開挖時(shí)應(yīng)做好洞內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)工作,監(jiān)測(cè)工作分為定期檢測(cè)和爆破后檢測(cè)兩部分。施工單位有害氣體專業(yè)檢測(cè)人員使用檢測(cè)儀器定期對(duì)洞內(nèi)空氣進(jìn)行檢測(cè),每兩天進(jìn)行一次,在洞內(nèi)每200 m進(jìn)行一次取樣測(cè)試,并將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行公示,如檢測(cè)結(jié)果達(dá)不到空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求,則應(yīng)延長通風(fēng)散塵時(shí)間,并進(jìn)行灑水除塵處理。每次實(shí)施爆破后先進(jìn)行通風(fēng)和灑水除塵,并由專人佩戴安全設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備對(duì)掌子面空氣進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果達(dá)標(biāo)后,方可進(jìn)行出渣等后續(xù)工作[9]。各班組長、現(xiàn)場(chǎng)值班負(fù)責(zé)人應(yīng)佩戴移動(dòng)式檢測(cè)設(shè)備,如遇檢測(cè)設(shè)備報(bào)警,則應(yīng)停止洞內(nèi)人員工作,及時(shí)采取通風(fēng)除塵和灑水處理,待洞內(nèi)空氣達(dá)標(biāo)后,方可繼續(xù)工作。

      6 結(jié)束語

      結(jié)合某電站地下洞室布置的實(shí)際情況,通過對(duì)各洞室施工期所需風(fēng)量計(jì)算,確定了通風(fēng)兼出線洞、交通洞及1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、7號(hào)施工支洞風(fēng)機(jī)的選用和布置,通風(fēng)兼出線洞、交通洞已開挖360 m,相應(yīng)臨時(shí)通風(fēng)設(shè)施已按照上述計(jì)算結(jié)果及實(shí)際情況完成通風(fēng)前期的布設(shè)并投用。采用上述空氣監(jiān)測(cè)措施,目前一切運(yùn)行正常,洞內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo),下一步重點(diǎn)做好廠房開挖過程中,臨時(shí)通風(fēng)設(shè)施的運(yùn)行及驗(yàn)算工作,并做進(jìn)一步的深入研究。

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