瓦斯監測系統在隧道施工中的應用

朱得斌

摘要：基于瓦窯嶺高瓦斯隧道在施工過程中瓦斯監測系統的應用，重點介紹了瓦斯監測系統的設備組成、系統布局、系統配置和施工中的具體應用。在施工過程中采用人工瓦斯檢測和瓦斯監測系統相互配合，對整個施工過程進行現場實際監測，使施工中瓦斯濃度得到有效控制，保證施工環境安全。最終總結得出瓦斯監測系統的應用對指導高瓦斯隧道施工的重要性。

關鍵詞：瓦斯檢測；瓦斯隧道；瓦斯監測系統；瓦斯濃度

中圖分類號：U456.33文獻標志碼：B

Abstract： Based on the application of gas monitoring system in the construction process of Wayaolin gas tunnel， an introduction of various gas detection methods was made systematically，including the equipment， system layout and configuration， and practical application in the construction. In addition， it was proposed that the gas detection by manpower and gas monitoring system should be combined to effectively control the gas concentration and provide a safe construction environment.

Key words： gas detection； gas tunnel； gas monitoring system； concentration of gas

0引言

近年來，中國加大基礎設施建設，對高速公路的投入不斷增加。在穿越煤層的公路隧道建設中，瓦斯爆炸仍是安全生產的最大威脅[14]。接連發生的多起公路隧道瓦斯爆炸事故令人觸目驚心，因此通過強化瓦斯管理提高通風、瓦斯監控水平，已成為高瓦斯公路隧道瓦斯檢測最迫切的任務之一[58]。

本文以瓦窯嶺高瓦斯公路隧道建設項目為背景，在整個施工過程中通過對瓦斯控制過程進行現場實際調查，分析所采用的瓦斯檢測技術、監控系統和檢測設備，總結應用瓦斯監測系統對指導高瓦斯隧道施工的重要性。

1工程概況

瓦窯嶺隧道建設項目屬于國家青蘭高速山西段臨吉高速公路，位于山西省臨汾市鄉寧縣雙鶴鄉境內，為上、下行分離式雙向四車道長隧道，隧道左洞全長1 464.44 m，右洞全長1 470 m，是采空區瓦斯隧道。隧道設計行車速度為80 km·h-1，單向縱坡坡度為200%，凈高為50 m，最小曲線半徑為1 050 m。隧道穿越Ⅳ、Ⅴ級圍巖，襯砌結構設計為復合式襯砌，進口采用端墻式洞門，出口采用削竹式洞門。

瓦窯嶺隧道施工前對采空區進行治理，施工中注意通風，并采取瓦斯監測系統與相關技術措施進行瓦斯監測。隧道瓦斯監測系統在采用自動監控的同時，也采用人工監測，2種監測方式功能互補、職能互動，形成較為完善的聯控監控體系，能及時報告隧道進、出口瓦斯濃度并有報警功能，能及時采取相應的防范措施對隧道施工進行有效的動態管理。

2隧道瓦斯檢測監控系統

應隧道施工和管理的要求，為保障施工安全，隧道瓦斯檢測監控系統主要對礦用瓦斯監控系統進行相應的改造。在傳統瓦斯檢測裝置的基礎上，將遙測、遙控技術以及監視、電子計算機等多種先進技術裝置組成新的隧道瓦斯檢測監控系統。

隧道瓦斯檢測監控系統在整個施工過程中檢測和監視CH4、CO等有關氣體濃度、環境及洞內工作面的機電設備運行狀態等，數據的分析和處理采用計算機來完成，是對洞內施工環境或施工過程進行控制的一種系統[913]。

對礦井空氣成分的監測是傳統煤礦瓦斯監控系統的監測內容，空氣中污染物的濃度是主要的監測指標，包括CH4、CO、NO、NO2、炮煙等；溫度、風速等指標屬于對空氣物理狀態的監測；同時還要監測施工中各種設備的運行狀況。隧道施工過程中的主要監測內容相對煤礦瓦斯監控系統進行了簡化，主要包括對隧道內空氣成分、風機風速和施工過程中洞內人員（人數）。

KJ90新型寬帶快速反應綜合監控系統是該隧道施工過程中采用的瓦斯監控系統，由中國煤炭科學研究院重慶分院研制。監控分站采用八模八開KFD2型大分站，分別在開挖掌子面、邊墻開挖面、襯砌工作面、洞口回風流中設置KG9701低濃度瓦斯探測器。

2.1KJ90瓦斯監控系統的組成

KJ90新型寬帶快速反應綜合監控系統主要由地面監控中心站接入服務器、防爆工業以太網交換機、網絡終端、網管設備、洞內寬帶傳輸分站、傳輸光纜及雙絞線、有毒有害氣體及工礦傳感器、斷電控制器等設備與監控系統主控軟件共同組成。其中監控系統主控軟件是KJ90寬帶快速反應綜合監控系統的核心。瓦斯報警斷電裝置是隧道中應用較廣泛的瓦斯監測儀器，長期自動、連續監測風流中的瓦斯濃度。當瓦斯濃度超限時，儀器發出聲光報警信號；為保證施工安全，當瓦斯濃度超過斷電值時，主機切斷洞內電器設備的電源，防止產生火花，引起爆炸。

瓦窯嶺高瓦斯隧道采用ADJ2型瓦斯報警斷電儀、AK20A瓦斯報警切斷儀切斷洞內電器設備的電源。另外，常用的儀器主要還有AWD3型瓦斯報警斷電儀、KJ700S智能型風電瓦斯閉鎖裝置、FD2B1型風電瓦斯閉鎖裝置等。

2.2隧道監控系統布局

隧道施工過程中，嚴格按要求進行瓦斯濃度的檢測。在隧道洞口設置瓦斯檢測系統控制室，配備主機1臺，分機2臺，工作人員2名。分別在隧道二次襯砌（檢測回風流瓦斯濃度）和掌子面設置瓦斯傳感器、CO傳感器和風速傳感器，為保證能夠實時監測洞內瓦斯濃度，每個洞分別安裝1套瓦斯檢測設備。

瓦斯檢測系統的布置包括洞口值班室、瓦斯檢測安全員室、各工作面傳感器布置及斷電儀布置等。隧道施工過程中，檢測系統分別對掌子面、邊墻開挖面、襯砌工作面和洞口的瓦斯濃度、CO濃度及風速進行監測。瓦斯監測警報系統設置如圖1所示。

在隧道施工過程中，根據不同的瓦斯濃度直接指導施工，為施工安全提供技術保障。瓦斯濃度施工指導見圖2。

（1） 當隧道開挖工作面瓦斯濃度不小于05%時，第1次聲光報警，可正常施工，但停止洞內內燃機；隧道開挖工作面瓦斯濃度不小于1.0%時，可正常施工，但停止放炮作業；隧道開挖工作面瓦斯濃度不小于1.5%時，切斷隧道內全部非本質安全型電氣設備（電焊設備、切割設備、非防爆改裝的運輸工具、混凝土泵機、鉆機等）的電源并閉鎖；當隧道開挖工作面瓦斯濃度小于1.0% 時，自動解鎖。

（2）隧道開挖工作面回風流中的瓦斯濃度不小于10%時，聲光報警，切斷開挖隧道內全部非本質安全型電氣設備的電源并閉鎖；當隧道開挖工作面回風流中的瓦斯濃度小于10%時，自動解鎖。

（3） 局部瓦斯聚集濃度不小于2.0%時，20 m范圍內停工、斷電、撤人，加強通風。

瓦窯嶺隧道掌子面傳感器橫斷面布置見圖3。分別在掌子面拱部設置1個瓦斯傳感器和1個CO傳感器，并在掌子面拱腰部設置1個瓦斯傳感器。

2.3隧道監控系統人員配置

瓦窯嶺隧道為瓦斯隧道，施工中建立專門防爆機構，制定嚴格的規章制度，全隧道定點設置瓦斯報警儀，監測隧道內瓦斯濃度變化情況。專業瓦斯檢測人員、洞內領班人員和生產指揮者均攜帶便攜式瓦斯報警儀，隨時檢測瓦斯濃度。

該項目施工過程中進口工作面配置安全工程師1名、現場安全員3名（1名負責現場安全，2名負責炸藥庫管理）、瓦斯檢測員2名、洞內領班4名、現場技術員2名、項目副經理1名。出口工作面與進口工作面人員配置相同。另外，現場監理員與監理安全工程師也對現場有監督指導義務。

瓦窯嶺隧道施工中技術人員數量較充足，真正做到了對瓦斯濃度的實時監測。瓦斯檢測員嚴格執行“一炮三檢”制度，即在鉆孔前、鉆孔后及爆破后分別進行及時的瓦斯濃度監測，對比瓦斯監測系統的數據，進一步為施工提供安全保障[1417]。

3現場瓦斯監測應用

瓦窯嶺瓦斯隧道分為進口和出口2個工作面，每個工作面分別設置一整套KJ90瓦斯檢測系統，在整個施工過程中檢測瓦斯濃度、CO濃度及回風流風速。現場配置2名瓦斯檢測系統管理人員，全天24 h對隧道內的瓦斯濃度進行實時監測。下面簡單介紹KJ90瓦斯檢測系統在實際監測中的幾點應用。

3.1測點定義

系統定義的核心內容就是測點定義，只有先進行測點的定義，才能對數據進行監測。在菜單欄中用鼠標單擊“參數設置（S）”菜單，彈出下拉式菜單，即可完成設置。

3.2報表編排與打印

瓦窯嶺瓦斯隧道施工中采用的KJ90煤礦檢測監控系統軟件提供報表打印功能，按時間分有班報、日報、月報，按類型分有開關量報表、模擬量報表。報表內容包括類型、最大值、最大值時刻、最小值、最小值時刻、設定斷電、設定報警、報警次數、超上控次數、超上控時間、斷電次數、斷電時長、故障次數、故障時間、饋電異常次數和饋電異常時間等[1819]。

3.3瓦斯濃度監測實例分析

隧道施工中為保證現場施工安全，防止瓦斯爆炸，進口和出口在采用自動監控的同時，也采用人工監測，二者互相驗證。每個工作面安排2名瓦斯檢測員進行瓦斯檢測，分白班和夜班兩班倒，在整個施工過程中不間斷進行瓦斯濃度監控。瓦斯監測系統瓦斯濃度變化如圖4所示，現場實際檢測數據如表1所示。

4結語

在瓦斯隧道施工過程中，自動監控和人工監測同時進行，以確保施工過程的安全。在施工過程中先后出現2次瓦斯濃度超過5.0%的緊急情況，在此過程中瓦斯檢測監控系統自動報警，自動斷電，使洞內施工人員及時退出危險區域，避免了人員和財產的損失。

參考文獻：

[1]劉西青.論國內煤礦瓦斯監控系統現狀與發展[J].焦煤科技，2006（3）：3740.

[2]李洪彬，萬成華.淺談高瓦斯隧道的瓦斯預報和防治[J].筑路機械與施工機械化，2012，29（8）：7778.

[3]王敬.穿越不良地質路段特長隧道的設計和施工措施[J].筑路機械與施工機械化，2014，31（12）：9497.

[4]張磊，李永福，孫杰，等.瓦斯隧道施工通風流場及瓦斯遷移研究[J].地下空間與工程學報，2014，10（1）：184190.

[5]劉敦文，唐宇，李波，等.瓦斯隧道施工通風風筒優化數值模擬及試驗研究[J].中國公路學報，2015，28（11）：98103，142.

[6]侯田海.內昆鐵路朱嘎隧道施工通風技術[J].筑路機械與施工機械化，2003，20（4）：3739.

[7]王磊，郭洋洋.特長公路隧道運營網絡通風技術[J].長安大學學報：自然科學版，2012，32（4）：5154.

[8]呂康成，伍毅敏.特長公路隧道排送組合通風設計計算[J].長安大學學報：自然科學版，2009，29（5）：8185.

[9]明建龍.高瓦斯隧道監控與施工通風設計[J].鐵道建筑，2009（2）：1820.

[10]羅占夫.瓦斯隧道施工中瓦斯自動監測系統的設備選型及應用[J].隧道建設，2002（3）：2729.

[11]王軍號，孟祥瑞.物聯網感知技術在煤礦瓦斯監測系統中的應用[J].煤炭科學技術，2011，39（7）：6469.

[12]吳姍姍，黃友銳，史明，等.基于無線傳感器網絡的煤礦瓦斯監測系統的設計[J].煤礦機械，2012，33（5）：7073.

[13]蘇舉端，高春艷，謝殿榮，等.煤礦瓦斯監測系統的分析與研究[J].工業安全與環保，2009，35（10）：3032.

[14]郝俊鎖，沈殿臣，王會軍.梅嶺關瓦斯隧道施工技術[J].現代隧道技術，2011，48（2）：141144.

[15]陳沅江，程剛.瓦斯隧道施工安全標準化管理實施方案研究[J].中國安全科學學報，2012，22（5）：142148.

[16]班曉軍.隧道瓦斯監測體系優化設計與安全管理分析[J].北方交通，2013（12）：4750.

[17]趙菊梅，楊其新，劉東民.隧道瓦斯監測與爆炸預防[J].山西建筑，2007，33（31）：290291.

[18]康小兵，胡卸文，許模，等.高瓦斯隧道施工瓦斯監測系統研究[J].水力發電，2014，40（7）：9496.

[19]王春梅，周仕強，李磊.隧道工程瓦斯監測系統的研究[J].華東公路，2011（3）：4547.

[責任編輯：王玉玲]