高瓦斯隧道施工机械配置及防爆改装技术

2020-10-30王明慧张忠爱李开兰

建筑机械化 2020年9期

王明慧，刘盛，张忠爱，李开兰，张桥

(1.渝黔铁路有限责任公司,重庆 400014；2.中铁隧道集团一处有限公司,重庆 401121)

渝黔铁路天坪隧道位于贵州省桐梓县,全长13 978.252m,隧道设置“平导+2 斜井+横洞（主、副井）”。其中,正洞DK128+234～DK124+860段和平导PDK128+240～PDK124+640 段的施工任务由横洞瓦斯突出工区负责承担。在线路前进方向左侧则为横洞（主井）,并与正洞左线中线交于PDK128+234,长1 050m,主要用于开挖正洞。线路前进方向左侧另有横洞（副井）,在PDK128+210 与平导中线相交,长1 061m,主要用于开挖平导。

隧道在DK127+710～DK127+850 段穿越龙潭组煤系地层,龙潭组共有3～22 层煤,主要有9 层煤,其中稳定可采煤有2 层,较稳定的可采煤有3 层,其余4 层煤稳定性差,局部可采。其中对隧道影响较大的为C3、C5、C6 煤层。根据实际揭露,天坪隧道C3、C5、C6 各煤层煤质为焦煤,其中C6 煤层平均1.48m,C5 煤层平均1.46m,C3 煤层平距0.6m。煤层走向与隧道交角为64°,倾角72°,为急倾斜煤层,并伴随有F12 断层的错动。根据检测报告,C6 煤层瓦斯吨煤含量达11.47m3,瓦斯压力1.036MPa；C5 煤层瓦斯吨煤含量9.87m3,瓦斯压力1.112MPa；C3 煤层瓦斯吨煤含量13.91m3,瓦斯压力1.342MPa,孔口瓦斯监测浓度最大达到8%,回风流中瓦斯含量均小于0.5%。

1 总体施工方法及措施

1.1 施工方法

天坪隧道横洞瓦斯突出工区采用物探、地质素描、超前钻孔、地质调查等手段进行超前地质预报。

施工方法包括：装载机配合自卸汽车运输出碴多功能作业台架人工钻孔,光面爆破开挖；装载机配合自卸汽车运输出碴；湿喷机配套湿喷机械手进行锚喷网支护；挖掘机配合自卸汽车仰拱出碴；无钉铺挂防水板；液压模板台车进行二次衬砌施工；轴流压入式通风,局部局扇辅助；混凝土集中拌制、罐车运输、泵送入模。

1.2 具体施工措施

依据瓦斯隧道施工相关技术规定,对通风进行专项设计、专项监测,严格实行闭锁管理风电、瓦电；施工用电设有双回路电源,当一路发生故障停止供电时,另一回路能担负前全部负荷；采用防爆电缆进洞,进入隧道的施工机械及电气设备应具有防爆或隔爆性能,对装碴运输设备进行防爆改装；采用“三人联锁”制严格管控开挖爆破,瓦斯浓度不得超过允许范围,否则严禁爆破；采用瓦斯自动监控系统、便携式瓦检仪、人工光干涉瓦检仪等多种方法及时检测瓦斯浓度；加强洞内动火和用电管理。

2 主要机械设备配置

2.1 通风设备

正洞选用2×132kW 轴流风机与∅1.8m抗静电、阻燃风管,平导选用2×110kW 轴流风机与∅1.5m 抗静电、阻燃风管,局部采用防爆型局扇辅助,风机采用YJV0.38kV-3×185+1×185mm2交联聚氯乙烯低压电力电缆。

2.2 开挖支护机械

为防止煤层突出,保证巷道稳定,采用“弱爆破,短进尺”方式,结合自身特点和施工组织规模正洞配置了22 台YT28 型风动凿岩机（风钻）,平导配置了9 台YT28 型风动凿岩机（风钻）,煤系地层配置了5 台风煤钻,均配合开挖作业台架使用；配备PZ-7I 防爆湿喷机4 台,防爆改装湿喷机械手1 台。

2.3 装碴机械

目前,大断面隧道常用的大容量装碴设备防爆型较少,且防爆型装碴设备效率低,机动性差,在隧道施工中受限制。高瓦斯和瓦斯突出隧道中也有用改装防爆装载机和挖掘机的先例,保证了高瓦斯隧道的施工安全。

天坪隧道横洞高瓦斯工区正洞配置了2 台ZLC50C 装载机,1 台PC220 挖掘机；平导配置了1 台ZLC50C 装载机,1 台PC110 挖掘机,均进行了防爆改装。

2.4 运输设备

2.4.1 运输方式选择

隧道运输方式不同则运输设备配置不同,目前国内山区隧道施工主要有有轨运输和无轨运输两种形式。

有轨运输方式受横洞洞口场地条件限制,机动性较差；该隧道主要以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主,正洞大断面开挖采用长台阶法施工,由于有轨运输爬坡能力差,严重影响施工进度；有轨运输受设备、人员技能影响较大,安全性不高,且施工组织复杂。

无轨运输方式施工组织简明,调度灵活,装碴、出碴效率高,施工进度较快；仰拱施工与掌子面开挖匹配较好,二衬封闭成环快速,有利于结构稳定性,衬砌混凝土罐车运输效率较高,有利于保证混凝土强度和密实性。

结合天坪隧道横洞高瓦斯工区实测瓦斯浓度、施工通风管理、总体工期要求等,选用无轨运输方式。

2.4.2 运输设备配置

配置了25t 出碴运输车6 台,10m3混凝土运输罐车3 台,8t 自卸农用车2 台,均进行防爆改装,改装方法与装碴机械相同。

2.5 衬砌设备

配置了1 台自制12m 衬砌模板台车,模板台车电机采用防爆电机,1 台HBT60 改装混凝土输送泵,2 台SUB8.0F 注浆机,10 台防爆式振捣器。

2.6 其他设备

配置了1 台MKQJ-120 防爆潜孔钻机,2 台∅40 防爆炮泥机,2 台SLW80-215i 防爆抽水机。

2.7 供配电

2.7.1 外部电源

横洞工区采用双电源系统+备用发电机。横洞附近捷镇村捷镇中学处T 接一条10kV 高压农网线路,架设约3km 线路至横洞施工区域,洞外安装630kVA 变压器3 台,安装800kVA、500kVA 变压器各1 台供临时用电；架设10kV的施工临电专线为横洞高瓦斯工区提供用电,可作为应急备用电源；由于农忙季节农网可能会拉闸限电,另配置两台500kW 发电机组作为备用电源。

2.7.2 电压

横洞瓦斯突出工区各级配电和机电设备额定电压,限制如下：①低压不大于380V；②高压不大于10kV；③远距离控制线路不大于36V；④照明、手持用电设备、电话、信号供电不大于127V。

2.7.3 照明用电

照明功率120kW,电压等级127V,采用防爆变压器分段变压铺设,选用3×6+2×2mm2阻燃防爆型电缆送入洞内,每10m 安装1 个DGS-127-100 矿用防爆照明LED 巷道灯,施工地段安装防爆投光灯,满足瓦斯突出隧道道路照明和施工照明需要。

2.7.4 通讯信号

煤系地层施工期间,使用新型交换机系统设备,采用3 套HJD-80D 型煤矿小型调度电话交换机,新建地面压风机房并安装电话,适当增加电话门数。通讯线路由主、副井引入平导和正洞,在地面调度室、主要通风机房、值班室、压风机房安装普通话机,瓦斯抽放站、爆炸材料库房、开挖工作面安装KTH-33 型本安电话话机,共计26 部。

煤系地层段封闭完成后,确保无线通讯全覆盖,隧道施工骨干人员均配置了GT207 型本安移动电话。

3 装碴运输设备防爆改装及使用管理

由于通常情况下无轨运输方式施工设备大多为非防爆型产品,不符合瓦斯隧道施工安全技术要求,易发生爆破事故,所以要对其进行防爆改装。

3.1 防爆改装的原理

当防爆系统启动后,如果施工环境瓦斯浓度达到系统设定的危险临界值时（比如按照有关规定设定为0.3%）,报警器发出声光报警,施工人员立即停止作业并查明原因,原因查明并排除后方可恢复作业,从而能够提前处置危险。当出现瓦斯浓度急剧上升或者是施工现场未及时进行人工处置等极端情况时,一旦瓦斯浓度达到系统设定危险极限值0.5%后,系统将强行对机械断油熄火,杜绝爆炸事故发生。

3.2 防爆改装关键技术

3.2.1 动力系统改装

动力系统主要由防爆柴油机、进气系统、柴油机冷却系统、废气处理系统等组成。其改装要点有以下几点。

1）防爆电启动柴油机。

2）由水夹层波纹管、水夹层排气管、补水箱、废气处理箱等组成废气处理系统。柴油机排出的废气由水夹层排气管、水夹层波纹管引入废气处理箱,并对废气处理箱的安装误差进行补偿。废气处理箱的作用是进一步冷却和洗涤废气,清除炭烟及溶解废气中的部分有害气体,并经防爆栅栏熄灭废气中的火焰,以保证废气排放应符合煤标及排气安全,如图1 所示。