許丹丹

(中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

1 工程概況

杉樹陀隧道全長(zhǎng)4 732 m，分進(jìn)出口工區(qū)同時(shí)掘進(jìn)，進(jìn)口工區(qū)長(zhǎng)2 100 m，采用無軌出碴方式；出口工區(qū)長(zhǎng)2 632 m，有平導(dǎo)，采用有軌出碴方式。隧道進(jìn)口段通過背斜砂巖、頁巖夾1～3層薄層劣煤的含煤地層，埋深達(dá)150 m，洞身中部主要通過石灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r夾頁巖地層，埋深淺，灰?guī)r中的溶洞可能有瓦斯聚集；在ZK33+751處穿過二疊系含煤地層，上覆地層封蓋條件較好，煤層長(zhǎng)15 m，厚4.15 m，瓦斯含量7.85 m3/t，瓦斯壓力1.75 MPa，最大涌出量15.25 m3/min，逸出危險(xiǎn)性大，如何解決好隧道施工通風(fēng)是保證其施工安全的關(guān)鍵。因此，對(duì)穿越煤層長(zhǎng)瓦斯隧道施工通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行深入研究，提出風(fēng)量大、安全保證系數(shù)高、施工進(jìn)度快、資金投入少、經(jīng)濟(jì)效益好的穿越煤層長(zhǎng)瓦斯隧道通風(fēng)施工方法，以保證瓦斯隧道施工安全，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 瓦斯隧道施工通風(fēng)特點(diǎn)

(1)瓦斯在一定條件下能燃燒和爆炸，施工通風(fēng)除要有足夠的風(fēng)量將其稀釋到允許濃度外，還需保持一定的風(fēng)速，以避免瓦斯在頂板形成層狀積聚，這是瓦斯隧道通風(fēng)最大的特點(diǎn)[1]。

(2)瓦斯隧道一般設(shè)計(jì)有輔助導(dǎo)坑，在輔助導(dǎo)坑同正洞貫通前，隧道是只有一個(gè)出口或入口的單獨(dú)巷道，此時(shí)僅能采用風(fēng)管式通風(fēng)；當(dāng)輔助導(dǎo)坑同正洞貫通以后，洞內(nèi)各通道形成貫通風(fēng)流，此時(shí)有多種通風(fēng)方式可選擇，這是瓦斯隧道施工通風(fēng)的又一特點(diǎn)。

(3)瓦斯隧道施工受許多因素的影響，施工方法、施工機(jī)具及施工人員等是經(jīng)常變化的，施工條件變了，通風(fēng)就要及時(shí)調(diào)整，這是瓦斯隧道施工通風(fēng)的第三個(gè)特點(diǎn)。為了給這種調(diào)整提供條件，在通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須留有足夠的富余量。

(4)風(fēng)機(jī)和風(fēng)管的外形尺寸及布置方式受狹窄的施工場(chǎng)地限制；安裝、維護(hù)作業(yè)受后面工序的干擾；風(fēng)管易被損壞[2]。對(duì)于瓦斯隧道，為確保良好的通風(fēng)效果，必須要有有效的管理措施與方法，把風(fēng)管漏風(fēng)減少到最小。

3 瓦斯隧道施工通風(fēng)方法

3.1 風(fēng)機(jī)和風(fēng)管選擇

(1)確定風(fēng)量。瓦斯隧道所需通風(fēng)量包括排出瓦斯、柴油機(jī)尾氣所需通風(fēng)量和爆破作業(yè)、噴混凝土作業(yè)所需通風(fēng)量。排出瓦斯所需通風(fēng)量要結(jié)合最危險(xiǎn)的瓦斯涌出形式確定。瓦斯涌出有四種形式[3-4]：①常規(guī)涌出。瓦斯從煤層及巖層的微小孔隙通道持續(xù)緩慢排出。②非常規(guī)涌出。煤層及巖層空洞中存在的大量瓦斯在隧道開挖時(shí)攜帶煤塊、煤粉快速大量排出。③瓦斯噴出。大量瓦斯在壓力狀態(tài)下從煤層及巖層中的裂隙短時(shí)或長(zhǎng)時(shí)間噴出。④瓦斯與煤突出。在隧道開挖中，由于開挖面的煤壁短時(shí)間被破壞，煤層及巖層深處的大量瓦斯與煤瞬間涌出，這種瓦斯涌出危害極大。因此，排出瓦斯所需通風(fēng)量計(jì)算時(shí)采用第四種形式按式(1)進(jìn)行計(jì)算。

Q1=100V/M

(1)

式中：Q1為排出瓦斯所需通風(fēng)量，m3/min；M為瓦斯體積分?jǐn)?shù)，%；V為瓦斯排出量，m3/min。杉樹陀隧道施工通風(fēng)中防爆瓦斯?jié)舛纫鬄椋阂灰韴F(tuán)風(fēng)或總回風(fēng)中瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于0.75%，其他風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于0.5%。

爆破作業(yè)所需通風(fēng)量按式(2)進(jìn)行計(jì)算。

Q2=0.368P/RαT

(2)

式中：Q2為爆破作業(yè)所需通風(fēng)量，m3/min；P為爆破后產(chǎn)生的一氧化碳等有害物質(zhì)量，m3；R為通風(fēng)效率，通常R=1；α為一氧化碳含量控制值；T為通風(fēng)時(shí)間，min。P=AΔLβX，其中A為隧道斷面凈面積；ΔL為隧道一次開挖進(jìn)尺，m；β為炸藥單位用量，kg/m3；X為炸藥產(chǎn)生的一氧化碳有害物質(zhì)含量，m3/kg。

柴油機(jī)尾氣所需通風(fēng)量按式(3)進(jìn)行計(jì)算。

Q3=∑HGqGαG

(3)

式中：Q3為柴油機(jī)尾氣所需通風(fēng)量，m3/min；HG為使用柴油機(jī)的額定功率，W；qG為使用柴油機(jī)所需通風(fēng)量，m3/(min·W)；αG為使用柴油機(jī)的工作效率。αG=(∑wnt)/wnt,其中w為同類柴油機(jī)功率值，W；n為同類柴油機(jī)臺(tái)數(shù)，臺(tái)；t為同類柴油機(jī)在T內(nèi)的工作時(shí)間，min。

正常情況下濕噴混凝土作業(yè)和鉆孔工序同時(shí)進(jìn)行，爆破、出碴時(shí)一般不進(jìn)行濕噴混凝土作業(yè)，而濕噴混凝土所產(chǎn)生的煙塵遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于爆破和出碴產(chǎn)生的煙塵，因此，如果洞內(nèi)通風(fēng)能夠滿足后者，前者自然能夠滿足。由上可得瓦斯隧道所需要的總通風(fēng)量Q總=Q1+Q2+Q3，式中各項(xiàng)通風(fēng)量均取最大值。

(2)風(fēng)機(jī)選擇。通風(fēng)機(jī)的選擇取決于通風(fēng)系數(shù)和瓦斯隧道所需的總通風(fēng)量，具體還應(yīng)結(jié)合以下三個(gè)方面：一是所選擇的風(fēng)管的類型；二是瓦斯隧道的輔助導(dǎo)坑的設(shè)計(jì)情況；三是瓦斯隧道已擬定好的獨(dú)頭巷道施工長(zhǎng)度。通風(fēng)機(jī)選擇依據(jù)公式(4)進(jìn)行。

Q機(jī)=αQ總

(4)

式中：α為通風(fēng)系數(shù)，一般取2；Q機(jī)為通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)能力。

(3)風(fēng)管選擇。隧道施工風(fēng)管的選擇很重要，尤其是瓦斯隧道所需供風(fēng)量大，宜選擇大直徑風(fēng)管?？蓪?duì)柔性風(fēng)管和剛性風(fēng)管相比較，施工時(shí)結(jié)合實(shí)際情況按表1進(jìn)行選擇。施工時(shí)應(yīng)注意，瓦斯隧道通常同時(shí)采用吸出式、壓入式兩種通風(fēng)方式，一般情況下柔性風(fēng)管和剛性風(fēng)管同時(shí)使用，且使用的數(shù)量有很大差距。

表1 風(fēng)管技術(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 通風(fēng)方式確定

瓦斯隧道通風(fēng)必須能夠確保以下兩點(diǎn)：第一是掌子面通風(fēng)好，能夠有效降低瓦斯?jié)舛戎猎试S范圍內(nèi)；第二是洞內(nèi)其余部位空氣無回流、無層狀積聚[5]。瓦斯隧道可根據(jù)隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度的不同而采取不同的通風(fēng)方式：(1)在獨(dú)頭巷道施工長(zhǎng)度小于1 000 m的情況下，可采用圖1壓入式通風(fēng)方式。壓入式通風(fēng)風(fēng)流的有效射程較遠(yuǎn)，工作面時(shí)刻被新鮮空氣沖刷，稀釋瓦斯及排除煙塵較快，其污風(fēng)沿巷道全長(zhǎng)排出，當(dāng)風(fēng)量一定時(shí)，如果巷道過長(zhǎng)易造成瓦斯在洞內(nèi)回流或聚集，時(shí)間長(zhǎng)了存在安全隱患，因此巷道越長(zhǎng)越不安全。(2)獨(dú)頭巷道施工長(zhǎng)度在1 000～2 000 m時(shí)，可采用圖2混合式通風(fēng)方式。為有效減少開挖面附近的瓦斯?jié)舛?，開挖面附近通風(fēng)用壓入式；在開挖面后則采用吸出式通風(fēng)，以避免發(fā)生污風(fēng)循環(huán)，引起瓦斯聚集或回流，吸出式通風(fēng)即新風(fēng)從巷道口流入，污風(fēng)經(jīng)風(fēng)管吸出洞外，缺點(diǎn)是必須用剛性風(fēng)管。(3)在瓦斯隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度超2 000 m時(shí)，一般設(shè)計(jì)有平導(dǎo)、橫洞或斜井，此時(shí)可采用圖3巷道式通風(fēng)方式。巷道式通風(fēng)方式即正洞與輔助導(dǎo)坑共同構(gòu)成通風(fēng)回路。其特點(diǎn)是過風(fēng)面積大，阻力小，可加速空氣流動(dòng)速度，迅速降低瓦斯?jié)舛?，提高通風(fēng)效率，節(jié)約通風(fēng)動(dòng)力，但由于風(fēng)管要經(jīng)過橫通道，安裝和管理不便。

圖1 壓入式通風(fēng)

圖2 混合式通風(fēng)

圖3 巷道式通風(fēng)

(4)綜合考慮前面3種通風(fēng)方式，最終決定杉樹陀瓦斯隧道進(jìn)口工區(qū)1 000 m以內(nèi)單線獨(dú)頭巷道采用壓入式通風(fēng)方式；進(jìn)口工區(qū)1 150～2 100 m范圍內(nèi)采用混合式通風(fēng)方式，采用大直徑風(fēng)管通風(fēng)，見圖4；出口工區(qū)1 200 m以內(nèi)單線獨(dú)頭巷道采用壓入式通風(fēng)方式；出口工區(qū)1 460～2 632 m范圍內(nèi)采用巷道式通風(fēng)方式，均采用大直徑風(fēng)管通風(fēng)，見圖5。洞內(nèi)作業(yè)時(shí)，即便瓦斯?jié)舛仍谠试S范圍內(nèi)，也應(yīng)連續(xù)通風(fēng)，強(qiáng)制排出洞內(nèi)各類施工機(jī)械設(shè)備放出的廢氣，保證洞內(nèi)的空氣新鮮。因檢修、停電等原因停風(fēng)時(shí)，必須撤出人員，切斷電源。

圖4 杉樹陀瓦斯隧道進(jìn)口通風(fēng)

圖5 杉樹陀瓦斯隧道出口通風(fēng)

3.3 風(fēng)機(jī)與風(fēng)管安裝

(1)風(fēng)機(jī)安裝。將風(fēng)機(jī)水平安放在預(yù)制好的支架上，調(diào)平、調(diào)整方向，用螺栓固定。風(fēng)機(jī)安裝應(yīng)符合設(shè)計(jì)及使用要求。電氣控制柜安設(shè)在干燥無塵且便于風(fēng)機(jī)操作的地方，接通電源。分別啟動(dòng)2臺(tái)電機(jī)(包括備用電機(jī))，檢查電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向是否與箭頭所指的方向一致。

(2)風(fēng)管安裝。不同類型的風(fēng)管安裝方法不同，柔性風(fēng)管較輕，但安裝困難；剛性風(fēng)管較重，但安裝簡(jiǎn)單，下面重點(diǎn)介紹柔性風(fēng)管的安裝方法。①風(fēng)管運(yùn)輸。風(fēng)管的基本材料為維、滌綸增強(qiáng)塑布，距離短時(shí)可人工運(yùn)輸，距離長(zhǎng)時(shí)可用小型運(yùn)輸車運(yùn)輸，運(yùn)輸過程中避免在鋒利物上拖拉，以防刺破。②檢查修補(bǔ)。使用前先檢查風(fēng)管質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)破損、漏洞、缺吊環(huán)或脫膠等缺陷時(shí)，應(yīng)先修補(bǔ)后安裝。③位置選擇。風(fēng)管一般掛于隧道起拱線部位和拱頂，選擇時(shí)要結(jié)合襯砌臺(tái)車的不同類型而定，盡可能減少互相干擾。④錨栓預(yù)埋。固定吊鐵線的預(yù)埋件要提前安裝，間距以5～10 m為宜，并設(shè)置在同一水平直線上，吊掛線每100 m用緊線器拉直定位，將鐵線每間隔8 m固定在預(yù)埋件上。⑤吊掛安裝。按包覆式捆綁法連接風(fēng)管，接頭處進(jìn)風(fēng)管在內(nèi)，出風(fēng)管在外，進(jìn)出風(fēng)管都有反邊，反邊長(zhǎng)度與接頭寬度一致，接頭必須綁扎結(jié)實(shí)，嚴(yán)密平整，每層風(fēng)管至少由兩道軟鐵絲固定，見圖6；拉鏈?zhǔn)浇宇^內(nèi)封簾必須在出風(fēng)口，外封簾在進(jìn)風(fēng)口，見圖7。⑥分段調(diào)直。每掛完一節(jié)風(fēng)管，要連同接頭一起向延伸方向?qū)L(fēng)管調(diào)直、拉緊，然后再掛下一節(jié)風(fēng)管，最后在管路的出風(fēng)口配接一短節(jié)帶鋼圈的風(fēng)管，以保障出風(fēng)口的有效射流作用。⑦整體調(diào)直。全部風(fēng)管掛好后，應(yīng)從風(fēng)機(jī)出口開始，間斷性高速送風(fēng)，使整條風(fēng)管做到無褶皺、無扭曲。⑧調(diào)試使用。風(fēng)管與風(fēng)機(jī)聯(lián)好后啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，調(diào)試運(yùn)行，并檢查風(fēng)機(jī)、風(fēng)管有無異常，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修正。

圖6 鋼圈式接頭接法

圖7 拉鏈?zhǔn)浇宇^接法

(3)洞外固定式通風(fēng)機(jī)宜布置在隧道洞外距洞口20～30 m范圍內(nèi)，但應(yīng)與其他管線分開，單獨(dú)設(shè)立于一側(cè)；洞內(nèi)移動(dòng)式通風(fēng)機(jī)宜布置在場(chǎng)地寬闊、空氣流通、無干擾的部位。軟風(fēng)管最好懸掛于拱腰處，風(fēng)管末端距工作面最佳距離為20～25 m，最大不宜超過30 m。

3.4 風(fēng)機(jī)、風(fēng)管的保護(hù)和維修

(1)風(fēng)管和風(fēng)機(jī)應(yīng)專職管理，定期排放風(fēng)管內(nèi)的積塵、積水，以免因積水損壞風(fēng)管吊鼻。在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口宜配一節(jié)有分流窗的減壓硬管，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)前開放分流窗，待風(fēng)管鼓起后再關(guān)閉。爆破作業(yè)時(shí)，應(yīng)在放炮前關(guān)閉風(fēng)機(jī)，炮響后再啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，以避免因爆破沖擊破壞風(fēng)管。(2)避免將電線、電纜、照明燈等壓在風(fēng)管上，風(fēng)管周圍不能堆放尖銳物件。動(dòng)力線路、照明線路不應(yīng)安裝在風(fēng)管同一側(cè)。(3)檢查接頭，如有尖刺、變形、開裂等缺陷，應(yīng)修理后再使用，拉鏈?zhǔn)斤L(fēng)管需平時(shí)打蠟，使拉鏈無阻卡現(xiàn)象。(4)通風(fēng)軟管二次復(fù)用時(shí)，應(yīng)撤出洞外進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)時(shí)將破洞周邊清洗干凈，曬干后，用聚氯乙烯膠均勻涂在破洞周邊3～5 cm處，同時(shí)涂補(bǔ)塑料布，涂膠厚度為0.1～0.15 mm，待膠液微黏手時(shí)進(jìn)行黏合，并施以壓力，靜態(tài)凝固48 h，也可進(jìn)行熱補(bǔ)(手拿輕便式熱焊槍)。風(fēng)管布為合成纖維與塑料復(fù)合制成，不宜存放在烈日曝曬下的場(chǎng)所，否則易老化損壞。(5)通風(fēng)軟管的修補(bǔ)。修補(bǔ)前應(yīng)先將破損處擦拭干凈，不得帶灰塵、泥土、油污等。待破損處干凈、干燥后涂專用膠黏劑，在清潔風(fēng)管布上涂同樣厚度的膠黏劑，然后附于破損處，用手壓緊粘牢。

4 結(jié)語

(1)施工中應(yīng)及時(shí)對(duì)開挖面、爆破20 m范圍內(nèi)、局部塌方冒頂、隧道總回風(fēng)、各種作業(yè)臺(tái)車和機(jī)械附近20 m內(nèi)、電動(dòng)機(jī)及其開關(guān)附近20 m內(nèi)等風(fēng)流中的瓦斯含量以及隧道中各臨時(shí)站點(diǎn)如變電所、水泵站、水倉(cāng)等處的瓦斯含量進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，以確保隧道施工安全。

(2)該通風(fēng)技術(shù)采用大直徑風(fēng)管，實(shí)現(xiàn)了大風(fēng)量供風(fēng)，有效解決了瓦斯隧道所需供風(fēng)量大這一難題。同時(shí)大直徑風(fēng)管通風(fēng)每延米增加的費(fèi)用僅100～150元，與中小直徑風(fēng)管相比較每月可節(jié)約18～30萬元，既可實(shí)現(xiàn)大風(fēng)量供風(fēng)，又可節(jié)約資源。

(3)采用該通風(fēng)技術(shù)能夠迅速將瓦斯?jié)舛冉抵猎试S范圍內(nèi)，消除安全隱患，通風(fēng)效果好，施工進(jìn)度快，掘進(jìn)長(zhǎng)度超過2 000 m時(shí)，Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖月進(jìn)尺可達(dá)到150～180 m，比以往同級(jí)圍巖的瓦斯隧道提高30～50 m，保證了施工安全，提高了施工效率。