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        信息化監(jiān)控技術在瓦斯隧道中的應用研究

        2021-11-27 21:46:01陳雨龍杜欣融
        北方交通 2021年4期
        關鍵詞:瓦斯工作面隧道

        陳雨龍,杜欣融

        (中國葛洲壩集團三峽建設工程有限公司 宜昌市 443000)

        0 引言

        隧道工程建設不可避免地要遇到穿越煤系地層和賦存瓦斯的隧道?!惰F路隧道工程施王技術指南》(TZ204-2008)中規(guī)定“鐵路隧道勘測與施工過程中,通過地質(zhì)勘探或施工檢測表明隧道內(nèi)存在瓦斯時,該隧道應定為瓦斯隧道”。統(tǒng)計了在建設瓦斯隧道施工過程中可能發(fā)生的各種事故的比例,其中瓦斯事故的比例為10%,在所有類型的隧道施工安全事故中位居第二,僅次于冒頂事故(66%)[1]。瓦斯隧道施工過程中所面臨的瓦斯災害主要表現(xiàn)為5個方面,即中毒、窒息、燃燒、爆炸和突出,其中以瓦斯爆炸最易發(fā)生,而瓦斯爆炸一旦發(fā)生,將會造成巨大的經(jīng)濟損失和重大的人員傷亡。事故的提前預防與有效管控,關鍵的技術就是針對人的行為的約束以及對環(huán)境變化的有效監(jiān)管[2]。

        現(xiàn)代的計算機技術、電子技術、通信技術、網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展為信息化技術的監(jiān)控系統(tǒng)的建立提供了可靠的技術支持,也為瓦斯隧道施工這一危險的施工作業(yè)提供了保障。人員定位系統(tǒng)可實現(xiàn)將洞內(nèi)施工人員的實時位置和動態(tài)軌跡等信息通過傳輸網(wǎng)絡傳輸至控制計算機控制平臺,計算機和洞口LED屏顯示洞內(nèi)人員位置;視頻監(jiān)控系統(tǒng)在洞內(nèi)掘進工作面、二次襯砌段和洞口等位置布置攝像機,通過無線網(wǎng)橋技術實現(xiàn)24h傳輸至視頻服務器,并實現(xiàn)通過監(jiān)視器與移動端實時觀看;瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)采取人工檢測與瓦斯自動監(jiān)測相結(jié)合的瓦斯檢測方法,可實現(xiàn)不間斷的對洞內(nèi)CH4、H2S、CO、CO2、溫度及風速等環(huán)境參數(shù)的采集、傳輸與處理[3]。

        依托巴通萬高速公路王家?guī)r特長高瓦斯隧道,研究人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)三種信息化監(jiān)控技術在瓦斯隧道施工中的應用研究,對探討瓦斯隧道信息化技術的應用,提升瓦斯隧道施工管理技術水平、提高瓦斯隧道施工安全監(jiān)管力度具有重要的指導意義。

        1 瓦斯隧道的信息化監(jiān)控系統(tǒng)

        瓦斯隧道的信息化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)測系統(tǒng),其中人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要針對作業(yè)人員的管理與約束,瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)主要針對作業(yè)環(huán)境的監(jiān)控與管理[4]。

        1.1 人員定位系統(tǒng)

        人員定位系統(tǒng)采用RFID射頻識別技術,通過射頻標簽、讀卡器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成部分,達到洞內(nèi)施工人員的實時位置和動態(tài)軌跡等信息通過傳輸網(wǎng)絡傳輸至管理平臺,顯示洞內(nèi)人員位置的目的。值得注意的是,人員定位系統(tǒng)不僅僅可以定位作業(yè)人員,也可以通過定位人員定位相對應的機械設備以及物質(zhì)材料。

        基于人員定位系統(tǒng)的瓦斯隧道施工管理必須遵循“統(tǒng)一發(fā)卡、唯一信息、統(tǒng)一管理”的原則,實行“人卡對應”制度,憑卡上崗,持卡進洞。

        人員定位系統(tǒng)具有以下主要功能:

        (1)考勤管理。系統(tǒng)能夠?qū)崟r對進出洞內(nèi)作業(yè)人員、機械設備、物質(zhì)材料進行數(shù)量、分布狀況以及行動軌跡情況進行分類統(tǒng)計,并且可以自動匯總、存儲、顯示以上信息。詳細的可以按照姓名、工種、部門、機械設備種類、物質(zhì)材料種類等條件查詢考勤情況。

        (2)定位管理。系統(tǒng)可以實時查詢具體某一個區(qū)域的人員、機械設備與物質(zhì)材料的具體信息,包括數(shù)量、分布以及軌跡等信息,對加強人員和設備使用監(jiān)控提供準確的數(shù)據(jù),一方面保證作業(yè)人員、管理人員、機械設備等的出勤率和到崗率,另一方面也可杜絕因人員不到位情況導致的責任事故的發(fā)生。

        (3)限制管理。系統(tǒng)可設置人員限制條件并觸發(fā)報警,限制條件包括兩大類:

        ①通過進入隧道人員實際數(shù)量與標簽識別卡數(shù)量的對比,限制無卡人員進入作業(yè)區(qū)并觸發(fā)報警;

        ②通過設置特定區(qū)域的報警觸發(fā)事件,設定標簽識別卡的權限,例如爆破作業(yè)時的警戒區(qū),非授權人員進入會顯示并報警。

        (4)災后急救。隧道內(nèi)一旦發(fā)生事故,事故發(fā)生點能夠第一時間獲取洞內(nèi)信息,包含人員數(shù)量、人員信息、人員位置等,這些信息為災后救援與預防二次災害發(fā)生提供重要決策依據(jù),可進行高效率的搶險和救護。

        1.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

        瓦斯隧道的施工工藝有別于一般的隧道工程,通風、鉆孔、爆破、機械等均存在差異,在高瓦斯隧道中表現(xiàn)得更為明顯,因此在施工作業(yè)中對施工人員的規(guī)范約束變得尤為重要。事前的技術、安全交底與規(guī)章制度的制定、宣講都能夠在一定程度上對施工人員的作業(yè)進行約束,但是針對施工過程中的作業(yè)管理依然是靠傳統(tǒng)的管理模式,即現(xiàn)場管理人員深入施工作業(yè)區(qū)巡視檢查、監(jiān)督。但是傳統(tǒng)的管理模式,不僅受限于人力投入及管理人員水平,而且管理效率低下且存在盲區(qū)。

        近年來,隨著計算機、網(wǎng)絡以及圖像處理、傳輸技術的飛速發(fā)展,使得視頻監(jiān)控系統(tǒng)在施工現(xiàn)場的應用成為可能。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要通過對監(jiān)控點視頻圖像采集、調(diào)用、控制等操作來針對某特定施工作業(yè)區(qū)域進行管理,它能夠24h實時反饋施工現(xiàn)場情況,在第一時間內(nèi)將施工現(xiàn)場情況以圖像或聲音的形式呈現(xiàn)給項目管理人員,從而使管理人員有效地作出反應,并將發(fā)生事件全程錄像、即時抓拍、備份存儲,并對重要數(shù)據(jù)進行記錄,為處理事故提供切實證據(jù)[5]。

        現(xiàn)階段的視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用三級架構:一為視頻前端,主要包括了攝像機、現(xiàn)場項目部;二為Internet傳輸網(wǎng)絡,主要包括了前端信號的傳輸以及分控中心或者各種移動端;三為視頻監(jiān)控管理中心,主要包括服務器、存儲器以及顯示大屏。其中的一級架構是關鍵,主要采用無線網(wǎng)橋技術,利用無線傳輸方式實現(xiàn)在兩個或多個網(wǎng)絡之間搭起通信的橋梁,最遠傳輸距離可達30km。

        瓦斯隧道可以在主要的施工區(qū)域和重要的警戒區(qū)域,即洞內(nèi)掘進工作面、二次襯砌段和洞口位置布置攝像機,通過無線網(wǎng)橋技術將監(jiān)控畫面?zhèn)鬏敩F(xiàn)場管理中心,再通過Internet網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控管理中心、移動端。通過監(jiān)控系統(tǒng)可以實時、不間斷地了解瓦斯隧道施工動態(tài)情況,提高了對現(xiàn)場施工的管理效率與管理水平,也增強了對作業(yè)人員的約束力,有效地減少了違規(guī)操作等,確保了施工質(zhì)量和施工人員安全。

        1.3 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)

        瓦斯隧道的重大危險源之一是瓦斯隧道施工封閉的環(huán)境中的瓦斯氣體對實體工程及作業(yè)人員的傷害,例如窒息、中毒、燃燒、爆炸等,主要因素為瓦斯?jié)舛取⒁饻囟纫约把鯕鉂舛取?/p>

        針對瓦斯隧道的瓦斯災害,較為有效的、理想的措施就是通風與對瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測。

        通風是瓦斯隧道施工中稀釋瓦斯體積分數(shù)、保障正常施工環(huán)境的主要手段;瓦斯監(jiān)測可展示瓦斯隧道施工中有害氣體的濃度,為預防瓦斯事故發(fā)生的主要措施,為制定瓦斯隧道施工措施提供依據(jù)。通風的監(jiān)測參數(shù)主要為風速與風壓,通過風速、風壓的參數(shù)測定可以明確通風效果。

        瓦斯監(jiān)測技術在一定程度上可對瓦斯隧道的施工管理具有指導意義,而瓦斯隧道施工管理具有直接指導施工作業(yè)的作用,特別是通過瓦斯監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)資料合理、有效、及時地調(diào)整隧道施工工藝、通風方案等,對保證工程安全、質(zhì)量,確保工程進度、成本有著舉足輕重的作用[6]。瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)采取人工檢測與瓦斯自動監(jiān)測相結(jié)合的瓦斯檢測方法,主要監(jiān)測的內(nèi)容有:洞內(nèi)各個施工作業(yè)區(qū)的CH4、H2S、CO、CO2濃度含量,溫度和濕度及風速和風壓等參數(shù),并將參數(shù)信息反饋給系統(tǒng)管理中心,管理中心可提前設置限制參數(shù),以制定相應的處置措施,例如啟動報警、加強通風、切斷電源或者疏散作業(yè)人員等。

        瓦斯自動監(jiān)測與人工檢測構成了瓦斯監(jiān)測系統(tǒng),以自動監(jiān)測為主,人工檢測為輔,相輔相成、相互驗證、相互彌補。瓦斯自動監(jiān)測是將信號傳感器布置在待檢測區(qū)域,數(shù)據(jù)傳輸通過無線網(wǎng)橋技術進行傳輸至系統(tǒng)管理中心,實現(xiàn)洞內(nèi)、洞外實時監(jiān)測及預警;人工監(jiān)測主要針對瓦斯自動監(jiān)測未能涉及的局部作業(yè)區(qū)域,包括了局部的開挖面、使用中的機電設備、人員集中區(qū)域、瓦斯可能的聚集區(qū),彌補瓦斯自動監(jiān)測分散的缺點。

        2 實例應用

        巴通萬高速公路王家?guī)r隧道,位于四川盆地東北緣與陜南鄂西山地之過渡地帶,隧道穿越白田壩組、須家河組煤系地層,屬于高瓦斯特長隧道。

        王家?guī)r隧道屬于分離式隧道,隧道開挖施工采用進口+斜井+出口5個工作面進行施工作業(yè),并于每個洞口設置管理中心,集中對定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)進行管理。

        王家?guī)r隧道的每個作業(yè)洞口均設置人員定位系統(tǒng),為每位作業(yè)人員、管理人員錄入信息,制備標簽識別卡,同時為部分機械設備配備標簽識別卡,嚴格實行憑卡上崗,持卡進洞制度。共布設人員定位系統(tǒng)5套,制備標簽識別卡250張,備用標簽識別卡30張,并在洞內(nèi)掘進工作面和洞口管理中心及值班室設置防爆應急電話,確保信息安全暢通。

        視頻監(jiān)控系統(tǒng)于作業(yè)洞口設置球形攝像頭,可進行360°旋轉(zhuǎn)的所有區(qū)域范圍監(jiān)控;于洞內(nèi)的襯砌臺車前、后布置槍機攝像頭,固定監(jiān)控掘進工作面與二次襯砌段。共布設視頻監(jiān)控系統(tǒng)3套,球形攝像頭布置5個,槍機攝像頭布置10個。

        王家?guī)r隧道通風采用獨頭壓入式通風,于洞口30m處布設2臺軸流風機通過雙抗風管(阻燃、抗靜電)將新鮮空氣送至洞內(nèi)掘進工作面,風管最前端距工作面10m;于作業(yè)臺車、加寬段、避車洞、橫行通道等處增加局扇通風;于一般段落采用射流風機通風;力爭做到瓦斯?jié)舛劝聪♂尩?0.5%以下。

        瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)采取瓦斯自動監(jiān)測與人工檢測相結(jié)合的原則,人工檢測配備低濃度光干涉瓦檢儀、高濃度光干涉瓦檢儀、風速表等檢測儀表,主要針對掘進工作面、回風流處、作業(yè)臺車、仰拱作業(yè)區(qū)、避車洞、橫行通道、動火作業(yè)區(qū)進行檢測及作業(yè)旁站檢測;自動監(jiān)測采用礦用KJ90自動監(jiān)測報警系統(tǒng),針對掘進工作面、高瓦斯及瓦斯突出工區(qū)的回風巷、機電設備硐室的進風側(cè)、回風流處、主通風機的風管處等設置傳感器進行自動監(jiān)測。瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主要在針對CH4、H2S、CO、CO2濃度含量,溫度和濕度及風速和風壓等參數(shù)進行測定。共布設瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)5套。

        瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)在檢測到回風流處瓦斯?jié)舛?0.5%時報警,在檢測到掘進工作面瓦斯?jié)舛?1.0%時報警。斷電處理措施原則為:當掘進工作面瓦斯?jié)舛取?.0%,切斷掘進工作面及其附近20m內(nèi)全部電氣設備;當襯砌臺車處瓦斯?jié)舛取?.0%,切斷襯砌臺車至掘進工作面之間的全部電氣設備;當回風流處瓦斯?jié)舛取?.0%,切斷已襯砌地段的全部電氣設備。

        王家?guī)r隧道的人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)很好地規(guī)范了作業(yè)人員的行為規(guī)范,且增強了施工管理的有效性、及時性;瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)則安全、有效地保證了作業(yè)環(huán)境的實時監(jiān)控與快速反應。人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)形成了一套綜合信息化監(jiān)控技術,并取得了良好的反饋。

        3 結(jié)語

        (1)人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)針對作業(yè)人員的管理與約束,瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)主要針對作業(yè)環(huán)境的監(jiān)控與管理,三者有機結(jié)合,構成了一套綜合的瓦斯隧道信息化監(jiān)控技術。

        (2)信息化監(jiān)控技術成功應用于王家?guī)r高瓦斯特長隧道,并取得了良好的反饋,對提升瓦斯隧道施工管理技術水平、提高瓦斯隧道施工安全監(jiān)管力度具有重要意義。

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