殷 康，高 健，張興彬，王 波，楊沛基

（1.河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南省洛陽(yáng)市 471700；2.華北科技學(xué)院 應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院，北京市 101601）

0 引言

抽水蓄能電站洞室爆破施工產(chǎn)生的粉塵會(huì)長(zhǎng)時(shí)間聚集在掌子面，進(jìn)一步在洞室中擴(kuò)散，極大程度上影響作業(yè)人員的身體健康。黨的十九大以來，對(duì)環(huán)保提出更高要求，各級(jí)環(huán)保部門及職業(yè)病管理機(jī)構(gòu)非常關(guān)注環(huán)保措施，目前常規(guī)的治理方式是通過正壓通風(fēng)將放炮后掌子面產(chǎn)生的粉塵排出，但是粉塵在排出過程中會(huì)進(jìn)一步的擴(kuò)散去污染整個(gè)隧道，并且存在除塵效果不明顯、耗能大等問題。因此開展洞室煙塵凈化研究工作刻不容緩。

近年來，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者關(guān)于洞室煙塵凈化技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的成果，孫會(huì)想等[1]依托白鶴灘水電站工程，研究地下洞室群開挖期通風(fēng)散煙特點(diǎn)和規(guī)律，形成了一套高效節(jié)能的通風(fēng)散煙系統(tǒng)；亓守臣等[2]根據(jù)長(zhǎng)大隧道的特征，針對(duì)長(zhǎng)大隧道各個(gè)不同時(shí)期提出了具體的粉塵控制技術(shù)措施及方案；譚信榮等[3]基于油竹山隧道，通過分析隧道空氣數(shù)據(jù)，提出了隧道內(nèi)干式除塵機(jī)與隧道通風(fēng)結(jié)合的措施，有效降低了隧道粉塵含量；趙亞鵬[4]通過調(diào)查研究脈沖袋式除塵器在山西陽(yáng)煤電石化工有限責(zé)任公司的應(yīng)用實(shí)例情況，介紹了脈沖袋式除塵器的結(jié)構(gòu)形式、除塵原理及除塵效果；劉紹銀[5]對(duì)影響電除塵器二次揚(yáng)塵的各種因素及生成的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并介紹了對(duì)于二次揚(yáng)塵的檢測(cè)方法；牛學(xué)勤[6]介紹了自激濕式除塵器在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)所出現(xiàn)的問題，對(duì)自激式濕式除塵器提出了改進(jìn)意見。趙玉報(bào)等[7]介紹了干式除塵機(jī)的除塵機(jī)理，探討了干式除塵機(jī)的除塵工藝并進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用。羅方武[8]基于長(zhǎng)大隧道施工的粉塵治理問題，提出了一種干式除塵方案，并對(duì)其除塵機(jī)理和應(yīng)用問題展開了分析。白雁楠和喬鑫[9，10]基于余吾煤礦的掘進(jìn)工作面，應(yīng)用了干式除塵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況進(jìn)行了相對(duì)的改進(jìn)。通過上述分析可知，一些專家學(xué)者雖然也進(jìn)行了一些干式除塵器的探索，但是，并沒有進(jìn)行廣泛的推廣應(yīng)用，目前洞室煙塵凈化大多還是通過傳統(tǒng)的隧道通風(fēng)，將掌子面的粉塵和有害氣體排出。

針對(duì)上述問題，本文開展洞室開挖煙塵凈化裝置設(shè)備尺寸優(yōu)化、主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)、多裝置兼容性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，結(jié)合河南洛寧抽水蓄能電站洞室施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，研發(fā)一套可移動(dòng)式洞室開挖煙塵凈化裝置，并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該洞室開挖煙塵凈化裝置除塵效率高、操作安全，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

河南洛寧抽水蓄能電站距洛寧縣城約17km，洛寧縣有高速公路通往洛陽(yáng)市和鄭州市，公路里程分別為80km和201km。

河南洛寧抽水蓄能電站裝機(jī)容量1400MW，裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為350MW的水泵水輪發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等任務(wù)[11，12]。電站上水庫(kù)集雨面積0.69km2，正常蓄水位1230.00m，正常蓄水位以下庫(kù)容833萬m3，死水位1204.00m，死庫(kù)容199萬m3。下水庫(kù)集雨面積25.9km2，正常蓄水位620.00m，正常蓄水位以下庫(kù)容895萬m3，死水位588.00m，死庫(kù)容256萬m3，額定水頭604m。

河南洛寧抽水蓄能電站主要由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、發(fā)電廠房等組成，輸水系統(tǒng)和發(fā)電廠房為復(fù)雜的地下系統(tǒng)工程，包括通風(fēng)洞、交通洞等平洞、豎井、斜井、地下廠房等[13]。在鉆孔、炸藥爆破、掘進(jìn)工作等施工生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量粉塵，嚴(yán)重影響作業(yè)人員人身安全和職業(yè)健康，是影響洞室施工安全、制約開挖進(jìn)度的重要因素[14]。傳統(tǒng)的隧道通風(fēng)是在洞口設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)，采用正壓通風(fēng)的方式，沿隧道排出粉塵和有害氣體，粉塵和有害氣體在排出過程中會(huì)擴(kuò)散污染整個(gè)隧道，危害所有進(jìn)洞的人員，并且存在除塵效果不明顯、耗電量大等問題。同時(shí)自然通風(fēng)經(jīng)濟(jì)節(jié)能，但受氣象條件、洞室整體規(guī)劃、機(jī)械通風(fēng)設(shè)備及通風(fēng)通道的影響及制約，通風(fēng)效果難以有效控制[15]。研發(fā)一套洞室開挖煙塵凈化裝置，減少爆破后的施工等待時(shí)間，提高施工速度，爆破產(chǎn)生的粉塵被吸入洞室開挖煙塵凈化裝置，可直接在粉塵源處降塵除塵，而不是傳統(tǒng)的利用通風(fēng)機(jī)通過隧道壓出排到大氣里，有效凈化施工掌子面的環(huán)境，有效減少粉塵及有害氣體在洞室中擴(kuò)散，避免污染掌子面以外的空氣，縮短通風(fēng)時(shí)間，降低能耗。

2 洞室開挖煙塵凈化裝置

2.1 設(shè)備構(gòu)造

如圖1所示，洞室煙塵凈化裝置分為過濾系統(tǒng)、脈沖清灰系統(tǒng)、箱體鋼結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)吸塵臂部件和電氣控制系統(tǒng)。其洞室煙塵凈化系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 洞室煙塵凈化裝置參數(shù)表Table 1 Table of parameters for the soot purification device in the cave chamber

圖1 洞室開挖煙塵凈化裝置Figure 1 The hole room digs the soot purification device

過濾系統(tǒng)中采用的過濾元件材質(zhì)是聚酯纖維，每個(gè)過濾元件過濾面積可達(dá)到9.4m2，過濾精度達(dá)到3μm，并采用熒光粉檢測(cè)無泄漏。

脈沖清灰系統(tǒng)中所用的元器件抗震性能好、振動(dòng)強(qiáng)度良好，且在3.5MPa氣壓噴吹下濾芯膨脹振動(dòng)效果良好，其中所安裝的電磁閥經(jīng)0.7MPa噴吹測(cè)試，安裝質(zhì)量良好，測(cè)得偏心量程附合圖紙要求。

箱體鋼結(jié)構(gòu)中的箱體漏風(fēng)率控制在2%以下，箱體密封完整無泄露，采用防銹刷漆工藝。

回轉(zhuǎn)吸塵臂部件中采用的是口徑φ450×2、長(zhǎng)度3.5m的吸塵臂，吸塵臂上下升降可靠自如，穩(wěn)定無卡死現(xiàn)象，吸塵臂旋轉(zhuǎn)角度±40°，上、下90°，部件中的位置傳感器支架牢固可靠，可調(diào)節(jié)，在突然停電時(shí)減速機(jī)自帶抱剎功能不會(huì)下落，旋轉(zhuǎn)氣缸帶有鎖氣功能不會(huì)失控。

電氣控制系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)控制電路、空壓機(jī)控制電路、脈沖噴吹控制器和回轉(zhuǎn)吸塵臂控制電路。其中風(fēng)機(jī)電器配置可靠，具有短路、過載、缺相等保護(hù)功能；脈沖噴吹控制器噴吹時(shí)間、間隔時(shí)間可調(diào)，性能穩(wěn)定；回轉(zhuǎn)吸塵臂控制電路中傳感器控制電路可調(diào)可控，性能良好，以及三相五線航空插頭、座，安全等級(jí)高，防水防塵。

洞室開挖煙塵凈化裝置設(shè)備在洞室中電器控制防塵措施較好，在飄塵情況下正常工作，不會(huì)影響傳感器運(yùn)行，洞頂?shù)男∷槭侣湓?～8m高度以內(nèi)下落對(duì)設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生損壞現(xiàn)象。在設(shè)備遇到突發(fā)情況，吸塵管上升、下落，回旋動(dòng)作的相互自鎖保護(hù)中不會(huì)失控，設(shè)備正常運(yùn)行。設(shè)備在-20℃或50℃的氣候環(huán)境運(yùn)轉(zhuǎn)，所有部件運(yùn)轉(zhuǎn)正常，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)震動(dòng)噪聲不高于75dB（A）。

2.2 工作機(jī)理

洞室開挖煙塵凈化裝置主要使用濾筒作為過濾的介質(zhì)，如圖2所示，用來收集粉塵，當(dāng)在空氣流動(dòng)的粉塵通過濾筒過程中，將粉塵截留收集在濾筒上，隨著作業(yè)時(shí)間增加會(huì)逐漸形成粉塵初層，這個(gè)時(shí)候除塵效率最高，完全可以用來凈化掌子面放炮后產(chǎn)生的大量粉塵。

圖2 濾筒照片F(xiàn)igure 2 Filter Photo

2.3 煙塵凈化裝置適用性及經(jīng)濟(jì)性分析

煙塵凈化裝置適用于獨(dú)頭掘進(jìn)時(shí)期洞室放炮后的煙塵凈化，洞室掘進(jìn)斷面一般在100～150m2，洞室長(zhǎng)度一般長(zhǎng)于1km，這樣的洞室煙塵不易散去，長(zhǎng)距離的通風(fēng)風(fēng)量損耗比較大。

放炮后煙塵凈化裝置的工作時(shí)間為15～20min，使用通風(fēng)機(jī)排煙的時(shí)間一般在30min以上，降低了能耗，同時(shí)，煙塵被吸入煙塵凈化裝置，不會(huì)污染整個(gè)隧道，一臺(tái)煙塵凈化裝置的價(jià)格與一臺(tái)進(jìn)口風(fēng)機(jī)的價(jià)格大致相同，在施工單位的承受范圍之內(nèi)。

2.4 煙塵凈化裝置與自然通風(fēng)及其他散煙除塵方式對(duì)比

煙塵凈化裝置與自然通風(fēng)及其他散煙除塵方式對(duì)比如表2所示，煙塵凈化裝置除塵時(shí)間最短，同時(shí)，煙塵被吸入裝置內(nèi)，不會(huì)污染洞室內(nèi)的環(huán)境，提高了施工效率，改善了洞室內(nèi)的空氣質(zhì)量。

表2 煙塵凈化裝置與自然通風(fēng)及其他散煙除塵方式對(duì)比Table 2 Comparison of soot purification devices with natural ventilation and other smoke removal methods

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

通過對(duì)地下廠房放炮施工后掌子面環(huán)境凈化過程中的主要污染物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和對(duì)洞室開挖煙塵凈化裝置的使用效果進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合凈化后掌子面內(nèi)污染物質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)可移動(dòng)式洞室除塵系統(tǒng)的凈化能力及效果進(jìn)行評(píng)估和分析。

主要檢測(cè)對(duì)象為放炮施工后的粉塵濃度和爆破時(shí)產(chǎn)生的有毒有害氣體，如CO、SO2等。根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)定，洞室內(nèi)有害氣體重量允許濃度標(biāo)準(zhǔn)如下：CO2≤10mg/m3；CO≤30mg/m3；SO2≤15mg/m3，洞室內(nèi)粉塵最高允許濃度≤ 3.5mg/m3。

3.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)地點(diǎn)為洛寧抽水蓄能電站進(jìn)場(chǎng)交通洞施工現(xiàn)場(chǎng)，施工洞室斷面為7.8m×7.8m，濕度為30%，溫度為25℃，洞室開挖煙塵凈化裝置與掌子面之間的距離為60m，爆破10min后，凈化系統(tǒng)開始工作，試驗(yàn)時(shí)采用自然通風(fēng)，設(shè)備為現(xiàn)場(chǎng)自循環(huán)，在同樣的工作環(huán)境下，濾筒壽命為1～1.5年。試驗(yàn)過程如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)過程Figure 3 Test Process

進(jìn)場(chǎng)交通洞爆破后，掌子面附近產(chǎn)生大量煙塵，粉塵分散度高，此時(shí)的粉塵濃度達(dá)到70mg/m3。當(dāng)開啟洞室開挖煙塵凈化裝置后，能夠明顯看到煙塵被煙塵凈化裝置吸入。當(dāng)煙塵凈化裝置工作5min時(shí)，空氣質(zhì)量有明顯的改善，粉塵濃度下降到9mg/m3左右。隨著凈化裝置工作時(shí)間的增加，施工環(huán)境中的粉塵濃度被凈化到2mg/m3左右，此時(shí)工作面的空氣含量已符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)煙塵凈化裝置工作到15min時(shí)，工作人員能夠清晰地看到洞室內(nèi)部，能見度較高，呼吸舒暢，空氣新鮮。

3.2 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)及分析

待爆破后，煙塵凈化裝置開始工作前，需先將激光粉塵儀（見圖4）和有毒有害氣體檢測(cè)儀（見圖5）放置在距離掌子面15m的位置。激光粉塵儀是利用激光光束照射到含塵氣流上，使光束產(chǎn)生散射光，粉塵濃度越高，產(chǎn)生的散射光強(qiáng)度越大，由此測(cè)出粉塵濃度。激光粉塵儀具有監(jiān)測(cè)快速、靈敏、穩(wěn)定性好、無噪聲、操作簡(jiǎn)便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還具備氣幕屏蔽及潔凈氣自清洗功能，確保光學(xué)系統(tǒng)不受污染；具有與計(jì)算機(jī)雙向通信功能，可通過PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，打印出曲線圖。有毒有害氣體檢測(cè)儀（見圖5）采用紅外遙控控制，在-30℃～50℃下正常工作，可監(jiān)測(cè)出CO、SO2、O3、H2S等有毒有害氣體濃度，輕型便捷，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其中儀器具有音頻指示功能，音頻頻率越高代表氣體濃度越高。

圖4 激光粉塵儀Figure 4 laser dust meter

圖5 有毒有害氣體檢測(cè)儀Figure 5 Toxic and harmful gas detector

當(dāng)爆破作業(yè)5min后，煙塵凈化裝置開啟運(yùn)行凈化，激光粉塵儀和有毒有害氣體檢測(cè)儀也同步開始對(duì)凈化過程中不同時(shí)間段的粉塵濃度、CO濃度和SO2濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最后得到如圖6所示曲線圖。如圖6所示爆破后洞室掌子面內(nèi)的粉塵濃度在經(jīng)過洞室開挖煙塵凈化裝置凈化后，隨著洞室開挖煙塵凈化裝置工作時(shí)間的增加，其中煙塵凈化裝置在凈化粉塵濃度、CO濃度和SO2濃度的前7min有很明顯的效果，其濃度值隨著工作時(shí)間急劇下降。在洞室開挖煙塵凈化裝置凈化工作的第15min時(shí)掌子面內(nèi)粉塵濃度由70mg/m3左右降低至0mg/m3左右，與此同時(shí)掌子面內(nèi)的CO濃度和SO2濃度也由爆破后的最大濃度值降低到0mg/m3左右。試驗(yàn)證明，洞室開挖煙塵凈化裝置能夠在短時(shí)間內(nèi)將爆破后掌子面的粉塵濃度及其他有毒有害氣體的濃度值降低到0mg/m3左右，凈化效果顯著，避免作業(yè)人員長(zhǎng)時(shí)間吸入煙塵及其他有毒有害氣體危害身體健康，從而為工人提供了良好施工環(huán)境，也避免污染掌子面以外的空氣，達(dá)到綠色環(huán)保施工的效果。

圖6 爆破后掌子面粉塵及有害氣體濃度變化圖Figure 6 Map of changes in the concentration of palm flour dust and harmful gases after blasting

4 結(jié)論

（1）洞室爆破施工中會(huì)釋放出大量粉塵，洞室內(nèi)粉塵濃度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所規(guī)定的粉塵容許濃度，洞室開挖煙塵凈化裝置可直接在粉塵源處工作，降低粉塵質(zhì)量濃度，有效地防止粉塵由掌子面向整個(gè)地下洞室群的進(jìn)一步擴(kuò)散，避免作業(yè)人員長(zhǎng)時(shí)間吸入煙塵危害身體健康。

（2）洞室開挖煙塵凈化裝置包括過濾系統(tǒng)、脈沖清灰系統(tǒng)、箱體鋼結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)吸塵臂部件和電氣控制系統(tǒng)。

（3）通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，洞室開挖煙塵凈化裝置有效凈化施工掌子面的空氣環(huán)境，粉塵濃度由72mg/m3左右降低至0mg/m3左右，CO濃度由130mg/m3降低至0mg/m3左右，SO2濃度由50mg/m3降低至0mg/m3左右，為工人提供了良好舒適施工環(huán)境。