有軌運(yùn)輸改無軌運(yùn)輸方案比選
——以新涼風(fēng)埡隧道瓦斯突出為例

王明慧，曹美俊，凌飛翔，倪少權(quán)，羅加明，張橋

（1. 渝黔鐵路有限責(zé)任公司，重慶 400014；2. 西南交通大學(xué)，交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都610031；3. 中鐵十八局集團(tuán)有限公司，隧道工程公司，重慶400700；4. 國家鐵路局成都監(jiān)管局，成都610051；5. 西南政法大學(xué)，經(jīng)濟(jì)學(xué)院，重慶401120）

1 工程及地質(zhì)概況

渝黔鐵路的建成通車將大大改善渝黔間的交通條件，對推動區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[1,2]。渝黔鐵路新涼風(fēng)埡隧道出口正洞DK155+413～DK155+588，穿越含煤地層龍?zhí)督M（P2l），含可采煤層5層，分別為K2、K4、K5、K8、K9。主采煤層K2、K4、K5，厚度為1.5～2.0m，層位穩(wěn)定，壓力為（0.45～1.5）MPa，隧址區(qū)及周邊煤礦瓦斯絕對涌出量為0.13～3.02m3/min。該段含煤地層段為高瓦斯并具有突出風(fēng)險，為I級高風(fēng)險隧道[3]。

DK155+300處DZ-新涼風(fēng)埡-11號鉆孔，鉆孔深度467.1m，鉆孔揭示的地質(zhì)情況為：自上往下厚59.3m，揭示巖性為（10～27）W2：泥巖、頁巖夾灰?guī)r；厚143.4m揭示巖性為（10～28）W2：灰?guī)r夾泥灰?guī)r；厚88.1m揭示巖性為（11～1）W2：灰?guī)r；厚176.3m揭示巖性為（11～2）W2：頁巖夾煤層、砂巖。根據(jù)該鉆孔煤層自燃與煤塵瓦斯鑒定報(bào)告、隧道周邊煤礦瓦斯等級鑒定報(bào)告和桐梓煤礦在2004年7月14日、2006年6月30日發(fā)生煤層瓦斯突出爆炸分析，說明該段含煤地層為高瓦斯并具有突出風(fēng)險。

2 煤層瓦斯災(zāi)害及防治基本原則

2.1 煤層瓦斯的概念和特性

煤層瓦斯是從煤（巖）層中逸出的各種有害氣體的總稱，其主要成分是甲烷（CH4），具有爆炸性、不穩(wěn)定性、滲透性、窒息性等特性。

煤層瓦斯爆炸的條件是：一定濃度的瓦斯、高溫火源的存在和充足的氧氣。當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀?%時，遇火不爆炸，但能在火焰外圍形成燃燒層；當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?.5%時，其爆炸威力最大（氧和瓦斯完全反應(yīng)）；瓦斯?jié)舛仍?6%以上時，失去爆炸性，但在空氣中遇火仍會燃燒。

煤層瓦斯在煤（巖）層中以兩種狀態(tài)存在，一是游離狀態(tài)，二是吸附狀態(tài)。兩種狀態(tài)的瓦斯處在不斷變化的動態(tài)平衡中，當(dāng)外界條件（如溫度、壓力）變化時，平衡就被打破，兩種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換。

煤層瓦斯的滲透性極高，擴(kuò)散速度快，較空氣高1.6倍，隧道掘進(jìn)過程中容易透過裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)松散的巖石或煤層滲透到隧道開挖空間。

煤層瓦斯雖然無毒，但其常伴有硫化氫、二氧化碳等有毒氣體，瓦斯?jié)舛壬?，會使空氣中氧氣濃度急劇下降，引起人員窒息。

2.2 煤層瓦斯防爆基本原則[4]

只有正確掌握瓦斯的性質(zhì)，并采取有效的措施，才能防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生。一是控制瓦斯的濃度，通過實(shí)時瓦斯監(jiān)測，及時加強(qiáng)通風(fēng)確保瓦斯?jié)舛鹊陀诒ń缦?；二是防止火源的出現(xiàn)。

2.3 防止煤層瓦斯爆炸的要求[5]

（1）對進(jìn)洞挖掘、裝載、運(yùn)輸?shù)纫圆裼蜑閯恿Φ脑O(shè)備進(jìn)行防爆改裝，并通過驗(yàn)收合格，滿足MT989—2006、MT990—2006相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[6,7]。

（2）電力供應(yīng)和電氣設(shè)備上嚴(yán)格執(zhí)行“三專兩閉鎖”和“MA”準(zhǔn)入制度，對于不防爆，沒有防爆安全標(biāo)識、國家明令禁止使用和淘汰的電氣防爆設(shè)備嚴(yán)禁進(jìn)洞使用。

（3）制定通風(fēng)方案，建立完善有效的通風(fēng)系統(tǒng)，采用巷道式通風(fēng)，滿足隧道瓦斯治理的通風(fēng)要求。

（4）實(shí)行自動監(jiān)測與人工監(jiān)測相結(jié)合的監(jiān)測體系。

（5）制訂嚴(yán)格的瓦斯管理制度，學(xué)習(xí)煤礦上的管理辦法，嚴(yán)格進(jìn)洞檢身制度，嚴(yán)禁攜帶煙、火及通信設(shè)備等進(jìn)洞，嚴(yán)禁穿化纖衣服進(jìn)洞，對于瓦斯容易聚集等敏感地點(diǎn)嚴(yán)禁動火，對于隧道內(nèi)其他可以進(jìn)行不防爆操作的地點(diǎn)采取了每次都制定安全措施并簽字貫徹的辦法。

3 無軌運(yùn)輸方案的可行性

3.1 隧道施工條件

渝黔鐵路新涼風(fēng)埡隧道有效凈空斷面大，正洞開挖工法多采用臺階法[8]，臺階凈空能夠滿足裝載機(jī)和自卸汽車進(jìn)行裝碴施工，襯砌的斷面凈空能夠滿足雙向行駛實(shí)現(xiàn)錯車。

3.2 巷道式通風(fēng)方案

隧道有專門用于輔助通風(fēng)用的平行導(dǎo)洞，進(jìn)入煤系地層段施工，采取的巷道式通風(fēng)方法，安裝兩組四臺風(fēng)機(jī)，并設(shè)兩條風(fēng)帶直接給正洞掘進(jìn)工作面供風(fēng)，能有效地解決通風(fēng)問題。除此之外，在風(fēng)速較大的隧道入口處也建議安裝風(fēng)速風(fēng)向傳感器，用來檢測隧道外山谷的風(fēng)速和風(fēng)向[9]。

3.3 設(shè)備防爆改裝

在爆炸性氣體環(huán)境中作業(yè)的以普通內(nèi)燃機(jī)為動力的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的電氣火花、排氣火花和機(jī)械火花以及危險高溫均可引燃混合氣體發(fā)生爆炸事故，根據(jù)這些原因，參照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT989—2006《礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件》和MT990—2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》，對在有爆炸性氣體環(huán)境中作業(yè)的普通工程車輛進(jìn)行防爆改裝。

（1）發(fā)電機(jī)改裝為符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求的隔爆型發(fā)電機(jī)。

（2）啟動機(jī)（馬達(dá)）改裝為符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求的隔爆型啟動機(jī)。

（3）蓄電池為閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池，安裝在電源控制箱內(nèi)，電路中接線處各種操縱開關(guān)均安裝于隔爆箱內(nèi)。

（4）照明、信號等燈具均采用了防爆產(chǎn)品（LED隔爆燈）。

（5）對于容易產(chǎn)生靜電積聚的非金屬件采取抗靜電措施。

（6）柴油機(jī)的排氣采用了補(bǔ)水箱式廢氣處理裝置和夾層排氣管道或絕熱材料包封措施，排氣支管和渦輪增壓器外殼選用納米陶瓷空心顆粒、硅鋁纖維、各種反射材料為主要成分的太空節(jié)能高溫隔熱材料，可抑制增壓器表面及排氣支管表面熱輻射和熱量傳導(dǎo)，控制其表面溫度在150℃以下。

從增壓器到廢氣處理箱之間用層套式水夾層管（不銹鋼管）連接，其內(nèi)用不銹鋼蛇型管，外用不銹鋼管，中間為水，以保證表面溫度在150℃以下。

在廢氣處理箱排氣出口處設(shè)置阻火柵欄，消除排氣引發(fā)的危險高溫和排氣火花，從而杜絕了引發(fā)爆炸的可能性。同時也可將柴油機(jī)機(jī)體表面溫度控制在≤150℃，排氣出口處的排氣溫度控制在≤70℃的安全范圍內(nèi)，符合MT990—2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》中4.16的技術(shù)要求。

（7）增設(shè)了自動保護(hù)設(shè)置。自動保護(hù)裝置為本安兼澆封型，可對工程車輛安全項(xiàng)目進(jìn)行保護(hù)，符合MT990—2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》中4.18.2.2的要求（見表1）。

（8）對沒有關(guān)斷閥的設(shè)備增設(shè)空氣關(guān)斷閥，一旦發(fā)生進(jìn)氣回火火花在氣缸外直接燃燒的意外情況，立即拉動關(guān)斷閥手柄，阻止空氣進(jìn)入氣缸，迫使設(shè)備停止工作。

隧道無軌運(yùn)輸設(shè)備全部從消除電氣、動力火花和控制高溫等方面進(jìn)行了防爆改裝，且增設(shè)了本安兼澆封型自動保護(hù)裝置，一旦監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)異常及時發(fā)出警報(bào)信號并使無軌運(yùn)輸設(shè)備動力系統(tǒng)停止工作，能夠滿足在高瓦斯工區(qū)環(huán)境中正常使用。

表1 保護(hù)項(xiàng)目及設(shè)定安全值Tab.1 Safety related operations and the threshold values

3.4 煤層瓦斯隧道管理制度

認(rèn)真貫徹“安全第一，預(yù)防為主”的方針，建立健全安全生產(chǎn)管理體系。成立安全領(lǐng)導(dǎo)小組，以項(xiàng)目經(jīng)理任組長，安全總監(jiān)任副組長，項(xiàng)目副經(jīng)理、專職安全員等其他成員為組員，全面執(zhí)行落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制[10]。

制訂嚴(yán)格的瓦斯管理制度，學(xué)習(xí)煤礦上的管理辦法，嚴(yán)格進(jìn)洞檢身制度，嚴(yán)禁攜帶煙、火等進(jìn)洞，嚴(yán)禁穿化纖衣服進(jìn)洞，對于進(jìn)風(fēng)隧道等敏感地點(diǎn)嚴(yán)禁動火，對于隧道內(nèi)其他可以進(jìn)行不防爆操作的地點(diǎn)采取了每次都制定安全措施并簽字貫徹的辦法。

建立瓦斯視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測記錄各個工作面瓦斯變化情況，超過預(yù)警值立即報(bào)警并短信通知主要管理人員，并安排三班專職瓦檢員、安全員巡視檢測瓦斯，實(shí)現(xiàn)瓦斯24小時監(jiān)測，確保隧道安全可控[11]。

3.5 瓦斯突出隧道和煤礦無軌運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)

過去我國煤礦井下輔助運(yùn)輸狀況與發(fā)達(dá)國家相比差距仍然較大，大多以有軌運(yùn)輸為主，20世紀(jì)90年代中期，國內(nèi)部分新建隧道和煤礦礦井開始采用無軌輔助運(yùn)輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有軌輔助運(yùn)輸，如中國神華集團(tuán)的大柳塔礦、山東兗礦集團(tuán)的濟(jì)三煤礦等。從使用情況看，采用無軌輔助運(yùn)輸方案后效率提高明顯，目前采用無軌運(yùn)輸或者混合運(yùn)輸?shù)拿旱V占煤礦總數(shù)的比重越來越大[12]。

4 有軌運(yùn)輸與無軌運(yùn)輸方式的比較分析

4.1 渝黔鐵路新涼風(fēng)埡隧道工程特點(diǎn)

（1）新涼風(fēng)埡隧道工期緊、進(jìn)度壓力大；

（2）正洞斷面大，每循環(huán)出碴量大；

（3）圍巖級別較高，多采用臺階法開挖，臺階長度、步距控制嚴(yán)格。

4.2 有軌運(yùn)輸方式

4.2.1 有軌運(yùn)輸?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)

（1）防爆程序簡單，不需要專門改制運(yùn)輸設(shè)備。

（2）空氣污染小，對正洞的風(fēng)量和風(fēng)壓需求較小，有利于人工洞內(nèi)作業(yè)。

4.2.2 有軌運(yùn)輸?shù)闹饕秉c(diǎn)

（1）出碴能力不足，增加循環(huán)時間，采用臺階法施工，因?yàn)槭懿介L關(guān)系的影響，仰拱至掌子面40～50m長度內(nèi)有臺階、作業(yè)臺架及移動棧橋，二襯前方難于形成雙車道運(yùn)輸，難于滿足進(jìn)度要求。

（2）工序較多，影響循環(huán)時間。軌道難于鋪設(shè)至掌子面，上臺階棄碴需用挖掘機(jī)、裝載機(jī)械倒運(yùn)至下臺階。

（3）需要二次轉(zhuǎn)載，對洞口場地要求較高，新涼風(fēng)埡隧道出口段場地狹窄，難于形成轉(zhuǎn)載系統(tǒng)。

（4）因仰拱裝碴、轉(zhuǎn)載等環(huán)節(jié)必須使用挖掘機(jī)和裝載機(jī)，單純在運(yùn)輸上采取有軌運(yùn)輸意義不大。

（5）有軌運(yùn)輸系統(tǒng)費(fèi)用高，初步估算需增加約2660萬元。

（6）輔助系統(tǒng)較復(fù)雜，占用人員較多，給安全管理帶來很大壓力。

4.3 無軌運(yùn)輸方式

4.3.1 無軌運(yùn)輸?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)

（1）工效高、速度快、工序簡單、相互干擾少、施工組織相對簡單；

（2）對洞口場地要求不高，對洞內(nèi)仰拱棧橋、襯砌臺車、洞外上坡等困難地形的適應(yīng)性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)從工作面至棄碴場的一次運(yùn)輸，不需要二次轉(zhuǎn)載。

（3）專用設(shè)備投入少，挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸汽車及混凝土罐車均為常用設(shè)備，不會造成機(jī)械設(shè)備的大量閑置。

4.3.2 無軌運(yùn)輸?shù)闹饕秉c(diǎn)

（1）隧道有效凈空斷面較大，適用于臺階法、全斷面法。

（2）施工通風(fēng)難度大，柴油機(jī)械產(chǎn)生的廢氣較多。

（3）運(yùn)輸設(shè)備需要專業(yè)的防爆改裝，改裝費(fèi)用投入高。

4.4 兩種運(yùn)輸方式的比較分析

4.4.1 主要機(jī)械設(shè)備的投入比較

表2為有軌運(yùn)輸和無軌運(yùn)輸主要機(jī)械設(shè)備投入對比，從表2可以看出，不考慮其他都要使用的設(shè)備和設(shè)施無軌運(yùn)輸和有軌運(yùn)輸分別合計(jì)774萬、3434.5萬。有軌運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械設(shè)備投入要比無軌運(yùn)輸多，而且有軌運(yùn)輸還需要配備必要的輔助系統(tǒng)、管理系統(tǒng)，運(yùn)輸成本大大增加。

表2 有軌運(yùn)輸和無軌運(yùn)輸主要機(jī)械設(shè)備投入對比表Tab.2 Cost of major equipments (rail transport and non-rail transport)

4.4.2 工作效率比較

（1）無軌運(yùn)輸組織簡單，不用鋪軌道，出碴靈活，工作效率高。而有軌運(yùn)輸，調(diào)度時間長，組織難度高，每次開挖都有鋪軌時間，否則裝載機(jī)運(yùn)距較遠(yuǎn)，造成出碴效率低。

（2）無軌運(yùn)輸條件下，仰拱作業(yè)面采用雙棧橋施工，移動靈活，可以同時滿足仰拱和出碴施工，施工干擾小。而有軌運(yùn)輸條件下，軌道的撥接頻繁，工作量大，仰拱施工速度慢，而且還會影響正常出碴，施工干擾大。

（3）無軌運(yùn)輸條件下，襯砌混凝土罐車運(yùn)輸量大，速度快，效率高，對混凝土的質(zhì)量性能保障較好；而有軌運(yùn)輸條件下，軌行式混凝土罐車運(yùn)量小，速度慢，效率低，要想保證混凝土質(zhì)量就要加大投入。

4.4.3 施工進(jìn)度影響比較

（1）有軌運(yùn)輸運(yùn)輸效率計(jì)算

梭式礦車?yán)碚撨\(yùn)行時間計(jì)算：洞內(nèi)運(yùn)輸距離約為l內(nèi)=2 000m，洞口段運(yùn)輸距離約為l外=100m；根據(jù)機(jī)車和梭礦一般行車速度并結(jié)合《鐵路隧道施工規(guī)范》要求，礦車平均運(yùn)行速度v=15km/h≈4m/s；礦車斗容量8m3；裝碴時間t1=7min；卸碴時間t2=10min；減速會車時間t3=3min。一輛礦車一次運(yùn)碴所需要的時間：

18t直流電瓶車一次牽引2臺梭式礦車同時作業(yè)，每次運(yùn)碴量為16m3，隧道斷面尺寸按120m2計(jì)算，按循環(huán)進(jìn)尺1m，松散系數(shù)取1.5，有軌運(yùn)輸循環(huán)出碴時間：

（2）無軌運(yùn)輸運(yùn)輸效率計(jì)算

自卸汽車?yán)碚撨\(yùn)行時間計(jì)算：洞內(nèi)運(yùn)輸距離約為l內(nèi)=2000m，洞口段運(yùn)輸距離約為l外=100m；根據(jù)汽車一般行車速度并結(jié)合《鐵路隧道施工規(guī)范》要求，自卸汽車平均運(yùn)行速度v=15km/h≈4m/s；自卸汽車斗容量15m3；綜合考慮裝車、卸車時間t=15min。一輛自卸汽車一次運(yùn)碴所需要的時間：

按照4輛自卸汽車同時作業(yè)，每輛汽車運(yùn)碴量為15m3，隧道斷面尺寸按120m2計(jì)算，按循環(huán)進(jìn)尺1m，松散系數(shù)取1.5，則無軌運(yùn)輸循環(huán)出碴時間：

綜合考慮自卸汽車裝碴等待時間及其他因素，無軌運(yùn)輸循環(huán)出碴時間為2h。

通過計(jì)算比較，有軌運(yùn)輸運(yùn)輸時間遠(yuǎn)比無軌運(yùn)輸時間長，難以滿足新涼風(fēng)埡隧道工期、進(jìn)度需要。

4.4.4 安全質(zhì)量影響比較

（1）無軌運(yùn)輸施工組織經(jīng)驗(yàn)豐富，安全可控性較高，而有軌運(yùn)輸對機(jī)械設(shè)備操作人員要求相對較高，缺乏組織經(jīng)驗(yàn)，安全度較低。

（2）無軌運(yùn)輸條件下，仰拱和二襯作業(yè)能夠跟緊開挖掌子面，及時形成封閉結(jié)構(gòu)，有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，確保施工安全，仰拱棧橋移動方便，便于文明施工作業(yè)。而有軌運(yùn)輸條件下，難以確保仰拱和二襯與開挖掌子面的距離，而且仰拱工作面交叉作業(yè)多，施工組織難度較大，不僅嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，而且對施工質(zhì)量、安全都不利。

5 結(jié) 論

通過渝黔鐵路新涼風(fēng)埡煤層瓦斯突出隧道運(yùn)輸方案分析比較，可以看出瓦斯突出隧道無軌運(yùn)輸優(yōu)于有軌運(yùn)輸。渝黔鐵路新涼風(fēng)埡隧道通過有效瓦斯監(jiān)控方法、切實(shí)可行的防爆改裝措施、嚴(yán)格的通風(fēng)管理制度，采用無軌運(yùn)輸方案成功通過了煤層瓦斯突出段施工，既滿足了瓦斯突出隧道機(jī)械設(shè)備防爆安全的要求，還在較大程度上降低了運(yùn)輸成本，提高了運(yùn)輸效率，實(shí)現(xiàn)了瓦斯突出隧道施工的安全、高效。同時也說明無軌運(yùn)輸是今后瓦斯突出隧道運(yùn)輸方式發(fā)展的趨勢。

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