摘要：文章结合工程实际，通过对高瓦斯隧道通风优化设计，检算隧道所需通风量，选取适当通风设备，采取安全技术保证措施，确保施工进度和生产安全。为今后类似工程施工安全管控提供了一定的借鉴。
关键词：高瓦斯隧道；通风；安全技术
1 工程概况
成贵铁路高坡隧道正洞里程为D3K338+601～D3K346+540，长7939m；由中铁十二局、十九局共同承建，分界里程为D3K343+169。十二局承担高坡隧道进口，正洞里程为D3K338+601～D3K343+169，长4568m；平导里程PDK340+371.46～PDK342+992，长2856m。隧道D3K342+060～D3K343+169为高瓦斯隧道段，长1109米，为满足施工通风需要，结合地形、地质条件，设置“2横洞+1平导+1通风竖井”的辅助坑道配置方案。十九局承担高坡隧道出口，正洞里程为D3K343+169～D3K346+540，长3371m；其中D3K343+169～D3K345+235段为高瓦斯段，其余地段为低瓦斯，施工辅助坑道包括主副斜井及洞身平导施工2187m。本文主要以十二局施工内容为主，分析高瓦斯隧道关键施工阶段的通风优化设计，隧道瓦斯段平面示意图如图1所示：
图1 隧道瓦斯段平面示意图
2 通风原则
在选择通风系统时应考虑：（1）绝对保证洞内二衬已完成地段和二衬未封闭地段至掘进面施工人员机具具有最大安全性。（2）开挖放炮30min内，工作面瓦斯浓度降低0.5%以下。（3）在隧道成型地段衬砌台车上、出碴运输车辆、电力设备集中点可采用连接隧道动力风来加强局部通风。（4）利用平导、横通道要管理好风门或及时封闭不用的通道。（5）通风系统稳定可靠，不因空气的温度变化，辅助通风机的运动或停止等的影响而发生变动。（6）通风干扰最小，掘进工作面必须采用独立通风。
3 通风方案
3.1 高坡隧道1#横洞工区通风
高坡隧道1#横洞工区承担正洞任务较短，送风距离1897m，为低瓦斯工区，采用压入式通风，在洞口配备2台HP3LN14#轴流风机（其中1台备用），经验算，满足施工要求。
3.2 高坡隧道2#横洞工区原通风设计
（1）通风方案
根据合同承诺和高坡隧道施工图，高坡隧道分为两个工区，高坡1#横洞采用独头掘进，往高坡2#横洞掘进1789m，高坡2#横洞完成后通过1#横通道进入正洞完成正洞施工任务2779m，平导施工2742m；2#横洞工区有正洞、平导工作面共计2个。高坡隧道2#横洞施工通风第二阶段示意图如图2所示。
图2 高坡隧道2#横洞施工通风第二阶段（压入式通风）示意图
（2）通风验算
①正洞无轨运输，根据要求工作面采用独立供风，通风最大长度为3300m。
Q需=max（Q炮烟.Q人员.Q瓦.Q炸药.Q内燃.Q风速）=（1507，500，970，2000，1938，2190）=2190m3/min。
Q机=Q需/A=2190/0.72=3041m3/min。
H=1.2H摩=1.2×1442.3=1730.8Pa。
根据上述Q机.H的计算结果，参考风机性能曲线选择风机，2#横洞洞口配备2台SDFNO-13型轴流风机（高速风量1695～3300m3/min，高效风量2691m3/min，全压930～5920Pa，电机功率2×132KW）。
②平导无轨双车道运输，根据要求工作面采用独立供风，通风最大长度为2700m。掌子面需风量计算Q需=max（Q炮烟.Q人员.Q瓦.Q炸药.Q内燃，Q风速）=（674，300，970，800，1503，750）1503m3/min。
Q机=Q需/A=1503/0.76=1978m3/min。
H=1.2H摩=1.2×1998.4=2398Pa。
通风竖井处配备两台SDFNO-11型轴流风机（高速风量1015～1985m3/min，高效风量1550m3/min；全压624～4150Pa，电机功率2×55kW）。
3.3高坡隧道2#横洞工区优化后通风设计
（1）通风方案
高坡隧道正洞剩余1050m（V级围岩），高坡隧道平导剩余330m，根据高坡隧道实施性施工组织设计要求，现场施工需通过平导7#横向联络通道开辟正洞第二工作面保证工期。高坡隧道1#横洞工区与2#横洞工区正洞贯通，利用现有设备，考虑安全、经济合理的原则上对原高坡隧道2#横洞工区通风方案进行优化。
根据高坡隧道施组设计和施工图，高坡隧道2#横洞工区需分别利用平导4#、6#、7#横向联络通道开辟正洞工作面，现高坡1#横洞工区与2#横洞工区贯通，将原通风方案中竖井处2台SDFNO-13型防爆轴流风机（电机功率2×132kW）和2#横洞口1台SDFNO-13型防爆轴流风机和1台SDFNO-12.5型防爆轴流风机（电机功率2×110kW）移至正洞里程D3K341+830处（4#与5#联络通道之间），封闭1#、2#、3#、4#横向联络通道以及正洞风机安放处，正洞施工运输均通过5#横向联络通道进入平导进出洞内，具体详见通风示意图，如图3所示。优化后，风机距目前正洞掌子面290m，距平导掌子面950m，大大缩短了通风距离，对瓦斯隧道煤系地层段施工安全更有利。
Q炮烟=7.5{（A×（S×L）2）}1/3/t=7.5{（A×（S×L）2）}1/3/t
=7.5×{（250×（140×290）2）}1/3/30 =1860m3/min。
式中：A为一次爆破所用最大装药量，正洞V级围岩一次爆破装。药量A=250kg，施工中据实调整。S为开挖断面积，正洞V级围岩S=140㎡。L临为临界长度，即稀释炮烟达到允许浓度所需隧道长度（m）。T为通风时间，一般为20～30min，取30min。
按洞内同一时间最多人计算：
Q人=4kN=4×1.25×100=5OOm3/min。
式中：4为每人每分钟供风标准，m3/min。K为隧道通风系数，包括隧道漏风和分配不均匀等因素，K=1.25。N为隧道内同时工作的最多人数，取100人。
按洞内同一时间爆破使用的最多炸药用量计算风量：
Q炸药=（5×A×b）/t=（5×250×40）/30=1667（m3/min）。
式中：B为公斤炸药爆破时所构成的一氧化碳体积，取40L。
按瓦斯绝对涌出量计算：
Q瓦＝K2·Q绝／（Bｇ允-Bｇ送）＝1.6×3.03/（0.005-0）=970m3/min。
式中：K2为风量备用系数，考虑隧道开挖断面不平顺.风筒漏风.瓦斯涌出不均衡等因素，取K2＝1.6。Q绝为瓦斯绝对涌出量，取实测数据，可选取参考值3.03m3/min，在施工中按实测值进行调整。Bｇ允为工作面允许瓦斯浓度，根据煤矿安全规程取0.5%。Bｇ送为送入风流中瓦斯浓度，新鲜风流瓦斯浓度为0。
按洞内使用内燃机械计算风量：
该隧道洞内内燃动力在出渣时期有ZLC50侧卸式装载机和CQ1261T自卸汽车。其中侧卸式装载机2台，最大功率162kw，计算功率145kw；4台自卸车（满载车2台，空车2台），满载功率按110kw，计算功率99kw，空车计算功率按满载80%计，即79kw。则需要风量为，计算公式：Q内燃=Q0×óP=3×（145×2+99×2+79×2）=1938m3/min。式中：óP-进洞内燃机械马力总数。
按洞内允许最低风速计算公式及参数取值：
Q风速=60SV=60×140×0.25=2100m3/min
Q需=max（Q炮烟.Q人.Q瓦.Q炸药.Q内燃.Q风速）=2100m3/min。
管漏风损失修正风量：
风机通风计算取最大通风长度L＝1010m。风管百米漏风系数a为1%，风机所需风量为Q机为：B=L/100=1010/100=10
A=（1-β）B=（1-0.01）10=0.90
Q机=Q需/A=2100/0.90=2333m3/min。
风压计算：
C=?×L=1×1010=1010；W=C/2D=1010/（2×1.6）=316
S风管=eD2/4=2.00㎡；
V=Q需/S风管=2100/2=1050m/min=17.5m/s
H摩=?×W×V2=0.0078×316×17.52=755Pa。
式中：?为空气密度，按?=1.0kg/m3计。V为风管内平均风速。
系统风压，为简化计算，取H=1.2H摩
H=1.2 H摩=1.2×755=906Pa。
根据上述Q机.H的计算结果，参考已有风机技术性能参数，正洞通风采用1台SDFNO-13型防爆轴流风机（高速风量1695～3300m3/min，全压930～5920Pa，电机功率2×132KW），满足施工要求。另外，安装1台SDFNO-12.5型防爆轴流风机（高速风量1550～2912m3/min，全压860～5355Pa，电机功率2×110KW）备用。
②平导无轨双车道运输
掌子面需风量计算，通风最大长度为1283+22=1305m（含PDK341+830-PDK343+113以及5#联络通道22m）。A=110Kg；S=50㎡；Q需=max（Q炮烟.Q人.Q瓦.Q炸药.Q内燃.Q风速）=（781，3003，970，733，1503，750）=1503m3/min；
Q机=Q需/A=1503/0.88=1708m3/min；H=1.2 H摩=1.2×684=821Pa。
风机采用两台SDFNO-13型防爆轴流风机，完全满足施工要求。
③7#横通道正洞第二工作面
通风最大长度为1010+329+46=1385m（含PDK341+830-PDK342+840、D3K342+840-D3K343+169以及5#、7#联络通道46m）。
Q需=max（Q炮烟.Q人员.Q瓦.Q炸药.Q内燃.Q风速）= max（2087，500，970，1667，1938，2100）=2100m3/min。
Q机=Q需/A=2100/0.87=2414m3/min。
H=1.2 H摩=1.2×1589=1907Pa。
开辟正洞第二工作面后，利用平导SDFNO-13型防爆轴流风机通风，满足施工通风要求。
（3）通风优化后的优点：一是距离短、风速大、通风效果好，生产安全有保障；二是多开一个工作面，施工效率高，工期有保障；三是为下步平导贯通后的巷道式通风提前做好前期准备；四是利用既有通风机械设备达到极好的通风效果，而且不仅保证施工环境和作业人员健康，而且节约了施工成本。
3.4高坡隧道平导贯通通风优化设计
高坡隧道正洞剩余1002m（V级围岩），平导已经贯通，根据高坡隧道施组设计要求，2#横洞工区现场施工需通过平导4#、6#、7#横向联络通道开辟正洞工作面保工期。利用现有设备对平导贯通后通风方案进行优化。
（1）平导贯通后通风优化方案
①高坡隧道平导贯通后，进口端（中铁十二局）将通风方案优化为巷道式通风，即：在正洞里程D3K342+030处（5#联络通道附近）安设SDFNO-13型防爆轴流风机3台（电机功率2×132kw，5#、6#、7#正洞工作面各一台，6#正洞工作面风管采用φ140cm），SDFNO-12.5型防爆轴流风机2台（供正洞5#工作面备用，另一台供6#、7#备用），并设立风墙，风墙采用砖砌，厚度为2.5m，大里程方向抹面，并在风墙上留设两道风门，风门开启朝大里程方向，封闭1#（采用两道风门）、2#、3#、4#横向联络通道，将正洞作为进风通道，正洞一切施工运输均通过5#横向联络通道从平导进出。为加快风速流动，在平导5#、6#、7#联络通道大里程5m处各安设一台防爆射流风机，其中5#、6#联络通道处射流风机功率为45kw，7#联络通道处射流风机功率为2×55kw，竖井处安设2×110kw抽风机，出风口均向出口方向，即十九局方向，射流风机数量3台。为保证施工安全，现场根据实际情况增加局扇，防止瓦斯聚集。优化后通风检算略，满足要求。
②出口端（中铁十九局）将通风方案优化为压入式通风，即：封闭8#、9#、10#（采用两道风门）、11#（可根据施工需要不封闭）、12#横通道，13#横通道作为正洞运输通道，出口正洞采用独头压入式通风（于主斜井洞口安设2台电机功率2×185kw防爆轴流风机），形成“双风机、双风管”的通风格局，在平导内安设4台45kw防爆射流风机，出风口均向出口方向，即十九局方向，射流风机数量4台。为保证施工安全，现场根据实际情况在盲巷处增加局扇，防止瓦斯集聚。优化后通风检算略，满足要求。平导贯通通风示意图如图4。
图5 高坡隧道贯通后通风示意图
4 通风效果检测
根据现场通风效果检测情况，隧道各阶段整体通风效果良好，通过KJ90NA型安全监控通过在洞内安装的甲烷传感器、风速传感器、一氧化碳等传感器测定洞内瓦斯浓度、一氧化碳浓度、硫化氢浓度、风速等参数，隧道最高瓦斯浓度均小于允许最低限值0.5％，隧道内通风风速均大于0.5m/s，易于积聚瓦斯处风速大于1m/s，满足施工安全要求。
5 安全管理措施
（1）瓦斯隧道必须要有可行、完善的通风系统（或方案）设计，并经过审批和方案论证。（2）瓦斯隧道的配风量、风量计算、风机选型等应进行检算，且与通风系统（或方案）相匹配。（3）瓦斯隧道施工必须指定一名主要领导负责瓦斯管理，瓦斯检查和监测、通风、测风、电器防爆等必须有专业人员和专职队伍负责。（4）瓦斯隧道的主要通风机必须实行“双回路供电”，且要具有一路断电时另一回路自动切换的功能。（5）高瓦斯隧道，必须装备“三专”和“两闭锁”，即专用变压器、专用开关、专用线路来对风机供电，通过风电闭锁和瓦电闭锁确保安全。（6）瓦斯隧道的电气设备和机械设备必须要与工区瓦斯划分等级相匹配来进行设备配套。（7）瓦斯隧道洞内供电系统必须有专门的设计方案，并经过审批和方案论证。（8）隧道内局部通风机的安装位置、风量配置和局扇的管理必须符合规程要求。（9）瓦斯隧道的通风系统改变或调整、瓦斯排放、片邦冒顶处理等涉及瓦斯安全的方案，必须编制专项方案，并经过审批和方案论证。（10）瓦斯隧道的施工必须要建立通风管理、瓦期检测管理、防火防爆管理、煤与瓦斯突出管理以及其他方面安全管理制度。
6 结束语
高瓦斯隧道在不同施工阶段及时调整和优化通风设计，通过压入式和巷道式通风有效转换，能够极大地改善隧道内环境，节约成本，保障施工进度、安全和职工健康。文章在今后同类瓦斯隧道施工中具有很高的借鉴价值。
参考文献
[1]TB 10120-2002，铁路瓦斯隧道技术规范[S].
[2]成贵铁路CGZQSG-11标实施性施工组织设计[Z].
[3]TZ 204-2008，铁路隧道工程施工技术指南[Z].
[4]国家煤矿安监局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2016.
[5]成贵铁路高瓦斯隧道施工安全管理办法和管理专项制度（2014[55]号文）[Z].
论文作者:孟春龙
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年8期
论文发表时间:2019/8/5
标签：隧道论文; 瓦斯论文; 高坡论文; 风机论文; 轴流论文; 风量论文; 工作面论文; 《建筑学研究前沿》2019年8期论文;