改造者：余世剛

高瓦斯公路隧道安全監(jiān)控技術(shù)

改造者：余世剛

高瓦斯隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)通過安裝在隧道關(guān)鍵部位的傳感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測隧道內(nèi)環(huán)境狀況，并將其顯示以便工作人員讀取。安全監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)包括風(fēng)電甲烷閉鎖、作業(yè)機(jī)械防爆改裝監(jiān)控、隧道人員定位系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。這四個(gè)子系統(tǒng)具有自動識別閉鎖，安全隱患排查，救援調(diào)查等作用。四個(gè)子系統(tǒng)的增加使得高瓦斯隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)更加完整、更加可靠，為隧道的安全施工起著關(guān)鍵性作用。

我國的公路、鐵路建設(shè)正處于飛速的發(fā)展中。目前已累計(jì)修建瓦斯隧道70余座，其中3km以上長度的有43座。都汶高速公路紫坪鋪隧道（原名董家山隧道）瓦斯爆炸是我國迄今為止最嚴(yán)重的隧道瓦斯爆炸事故，龍泉驛五洛路1號隧道在2015年2月24日發(fā)生瓦斯爆炸。這些事故都為高瓦斯隧道安全施工敲響了警鐘。為了提高管理效率增加安全保障，高瓦斯隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)因其可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測隧道內(nèi)各項(xiàng)有毒有害氣體指標(biāo)，并發(fā)出報(bào)警和斷電指令。

安全監(jiān)控技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀

西方一些發(fā)達(dá)國家通過使用以太網(wǎng)，加上智能算法已經(jīng)將安全監(jiān)控系統(tǒng)提高到一個(gè)新的高度。在煤礦中，開展研究瓦斯突出動態(tài)預(yù)測技術(shù)和突出危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測技術(shù)。

在我國，公路系統(tǒng)對瓦斯隧道的研究相對較少，施工主要參考《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》、《煤礦安全規(guī)程》以及《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》。對于監(jiān)控系統(tǒng)更是存在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備利用率低、控制方案效率低、維護(hù)成本高等等問題。在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)研究中，我國各大科研單位和生產(chǎn)廠家相繼推出了各類煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測管理系統(tǒng)。

高瓦斯隧道監(jiān)控系統(tǒng)

高瓦斯隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源為基礎(chǔ)，通過高性能的網(wǎng)絡(luò)連接形成快速可靠的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。處于隧道監(jiān)控室的PC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取分布在隧道各個(gè)地方的傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測值，當(dāng)有參數(shù)超標(biāo)則發(fā)出聲光報(bào)警以及斷電等信號。同時(shí)PC機(jī)將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，存儲和處理。監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通訊接口、打印機(jī)設(shè)備、不間斷電源、監(jiān)控分站、分站電源和各種監(jiān)控傳感器組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

作業(yè)機(jī)械防爆也是高瓦斯隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要的組成部分。按照要求所有在高瓦斯隧道中施工的作業(yè)機(jī)械都必須是防爆的。而一些經(jīng)過防爆改裝的車也可以避免造成瓦斯爆炸燃燒等事故，這樣的防爆車也可以進(jìn)入隧道施工，現(xiàn)行技術(shù)對機(jī)械防爆改裝主要分為車輛整車防爆改裝和車輛局部防爆改裝兩種。

人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和風(fēng)電甲烷閉鎖系統(tǒng)也是安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。人員定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)感知隧道內(nèi)施工工作人員的位置，狀態(tài)等信息，提高人員調(diào)度管理和災(zāi)害人員救助水平的功能。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道動態(tài)施工，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全和質(zhì)量等問題，可以完成諸如瓦斯隧道和重要項(xiàng)目的監(jiān)測和風(fēng)險(xiǎn)評估等。風(fēng)電甲烷閉鎖的功能，給瓦斯隧道的安全生產(chǎn)提供了重要的保障。一旦瓦斯?jié)舛瘸?，主機(jī)發(fā)出指令使繼電器成為開路點(diǎn)，風(fēng)電閉鎖線成為斷路點(diǎn)，掌子面電源開關(guān)被切斷。

高瓦斯隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)的工程應(yīng)用

圖1　高瓦斯隧道監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

華鎣山隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

渝廣高速公路華鎣山隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控中心站部分、傳輸部分、監(jiān)控前端設(shè)備組成。

監(jiān)控前端設(shè)備：硫化氫傳感器、一氧化碳傳感器、甲烷傳感器、風(fēng)速傳感器、防爆攝像頭和人員定位讀卡器等。

中心站部分：包括監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸接口等設(shè)備。監(jiān)控主機(jī)選用工控微型計(jì)算機(jī)，主要用來接收監(jiān)測信號、校正、報(bào)警判別、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、磁盤存儲、顯示、聲光報(bào)警、人機(jī)對話、輸出控制、控制打印輸出、與管理網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接等。

傳輸部分：傳輸主干線路采用電纜傳輸。華鎣山隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)布置圖見圖2。

華鎣山隧道作業(yè)機(jī)械防爆改裝采用車載式甲烷斷電（熄火）控制裝置。該裝置安裝于施工機(jī)械上，實(shí)時(shí)監(jiān)測其周圍環(huán)境空氣中的瓦斯?jié)舛龋瑐鞲衅髟诩淄闈舛?.3％時(shí)，裝置發(fā)出聲光報(bào)警；達(dá)到0.5％后，控制裝置發(fā)出車輛自動斷電（熄火）信號，控制車輛實(shí)現(xiàn)自動斷電熄火功能；當(dāng)降低到0.3％，即解除報(bào)警和斷電熄火，機(jī)械方可再次啟動。

圖2　華鎣山隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)布置圖

系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

甲烷傳感器選用KGJ28A型低濃度甲烷傳感器，能用于煤礦井下或其他有甲烷氣體的場所。硫化氫傳感器采用KGQ8礦用硫化氫傳感器，可以連續(xù)固定地檢測煤礦井下空氣中的硫化氫含量，為本質(zhì)安全型產(chǎn)品。一氧化碳傳感器采用GTH1000礦用一氧化碳傳感器（以下簡稱傳感器），主要用于煤礦井下監(jiān)測一氧化碳?xì)怏w濃度。

D1型斷電器（以下簡稱斷電器）是一種能接收關(guān)聯(lián)設(shè)備的控制命令，在煤礦井下控制防爆開關(guān)執(zhí)行斷電控制的裝置，該斷電器同時(shí)具有斷電反饋功能，能真實(shí)反映防爆開關(guān)的執(zhí)行結(jié)果。

BA18（A）礦用本安型攝像儀用于煤礦井下視頻圖像的采集。可用于煤礦井下有爆炸性氣體及其混合物的場合。該攝像儀采用CCD成像器件，并配合光纖傳輸進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，具有外形輕便，性能穩(wěn)定，清晰度高，使用靈活等特點(diǎn)。

KJ86N系列型監(jiān)控分站是安全監(jiān)控系統(tǒng)井下部分的關(guān)鍵組成設(shè)備，以美國德州半導(dǎo)體公司MSP430系列16位單片機(jī)為核心，配置多個(gè)模擬量入口和開關(guān)量入口，連續(xù)采集傳感器信號，經(jīng)單片機(jī)處理后按設(shè)定參數(shù)執(zhí)行控制操作。該分站能與地面監(jiān)控室計(jì)算機(jī)通訊，將采集信號傳送到地面監(jiān)控室，也可執(zhí)行監(jiān)控室發(fā)出的各種遠(yuǎn)程控制指令，還具有智能通訊口，可連接各種智能設(shè)備。

使用情況及效果

華鎣山隧道使用安全監(jiān)控系統(tǒng)后，可以在隧道監(jiān)控室實(shí)時(shí)的觀察到隧道各處的氣體濃度情況、隧道內(nèi)人員位置和個(gè)數(shù)以及隧道內(nèi)各個(gè)工序施工情況。方便了管理，同時(shí)多層次的安全管理系統(tǒng)，做到了多層保護(hù)多層預(yù)防。

安全監(jiān)控系統(tǒng)基本可以排除有毒有害氣體對隧道施工的危害，以為一旦有氣體超限系統(tǒng)會立刻報(bào)警并作出相應(yīng)的措施，免除氣體對人員的傷害。風(fēng)電甲烷閉鎖系統(tǒng)為安全監(jiān)控系統(tǒng)提供了保障，在“監(jiān)”的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了“控”。在華鎣山隧道使用期間對隧道施工安全起到了較大的意義。

結(jié)語

高瓦斯隧道安全監(jiān)控技術(shù)是隧道安全施工的重要保障，在隧道施工安全，降低隧道作業(yè)人員勞動強(qiáng)度，重大災(zāi)害預(yù)警，隱患排查，安全避險(xiǎn)，應(yīng)急救援，事故調(diào)查，人員、設(shè)備和環(huán)境監(jiān)管等方面發(fā)揮著重要作用，在今后建設(shè)安全高效、環(huán)境友好、生態(tài)友好的隧道建設(shè)中發(fā)揮更大和不可替代的作用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.041