高瓦斯隧道機械設備簡易改裝與主動防爆改裝

郭 銳

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

近年來，高瓦斯隧道施工安全事故頻發，引起施工企業的高度重視。開展高瓦斯隧道施工作業，要認真貫徹落實安全管理制度，借助高性能設備和防爆機械設備作業，減少安全隱患，實現安全生產的目標。很多高瓦斯隧道機械設備無法達到工程作業的要求，需要進行改裝，為施工作業的開展提供保障。

1 高瓦斯隧道施工的安全風險

瓦斯爆炸為主要安全風險，為安全防控重點內容。瓦斯爆炸需要達到以下條件：①濃度。將空氣和瓦斯混合氣體遇到火后能夠引起爆炸的濃度范圍，定義為瓦斯爆炸界限，在5%～16%內。將＜5%的區域，劃分為燃燒區域；對濃度不超過9.5%的區域，為不易爆炸區域；濃度超過16%的區域為易爆區域；②引火溫度。瓦斯引火溫度通常在650～750 ℃，不過會隨著瓦斯濃度以及火源性質等產生變化。如果瓦斯含量處于7%～8%時，很容易引燃。隨著混合氣體的壓力增加，引燃溫度隨之降低；③氧的濃度。如果作業空間內存在著大量的瓦斯，但是氧氣濃度比較低，即使有火源，發生爆炸的風險比較?。徊贿^如果有氧氣進入，并且濃度＞12%，遇到火源會立即發生爆炸。

高瓦斯隧道施工作業環境下，存在著可以滿足瓦斯爆炸的兩大條件，包括溢出瓦斯與氧氣濃度。作業時，若采取無軌運輸方式的非防爆機械設備，存在著瓦斯爆炸的高風險。若想實現對爆炸事故的有效預防和避免，要做好瓦斯濃度監控；對作業機械普通電器部件，采取防爆改裝措施，實現對電氣火花的隔離，達到安全作業的要求。

2 高瓦斯隧道機械設備改裝形式與要求

2.1 簡易改裝

高瓦斯隧道機械設備采取簡易改裝方案，主要是安裝用于瓦斯濃度監測的裝置，當作業環境內的瓦斯濃度達到預設值，車輛柴油機立即斷油熄火停止作業。排氣配套滅火罩，不屬于主動防爆改裝，沒有防爆性，不可以在存在瓦斯與煤塵等氣體作業環境下使用，即不適用于高瓦斯隧道作業環境。此類工程環境下，極易發生瓦斯突出與集聚的危險，雖然配套了通風系統，但是難以解決問題，如果出現火花或者高溫情況，則會造成瓦斯爆炸或者燃燒，因此要做好全面的防范。采取的簡易改裝措施，選擇柴油機自動保護裝置上配置傳感器，無法消除車輛開關和接頭等類型的電器火花，并且無法消除柴油機排氣高溫，更無法立即停車，因此還需要對機械設備進行防爆改裝。

2.2 主動防爆改裝

按照現行的規定，防爆柴油機和車輛必須要設置自動保護裝置，當出現異常情況能夠快速報警，使得車輛動力系統自動停止運行。異常情況整理如下：①排氣溫度最大值達到70 ℃；②表面溫度最大值達到150 ℃；③冷卻水溫度最高值達到95 ℃或者設計值；④機油壓力最低值達到設定最低壓力等。采取主動防爆改裝，將作業巷道內部的瓦斯監控系統斷電裝置，改裝到工程車上，無法達到規定的功能與防爆性能，當發生瓦斯突出的情況，未等實現快速報警停車，爆炸事故就已經發生。如果采取此改裝方案的車輛，進入到高瓦斯作業區域或者瓦斯突出地帶，難以實現防爆。

2.3 全部防爆改裝

對于上述兩種簡易防爆改裝存在的不足和問題，全部防爆改裝能有效克服。按照MT 990—2006 以及MT/T 989—2006 標準，配置防爆柴油機自動保護裝置，遇到異常情況時，系統能夠在1 min 內停車。需要注意的是，改裝時要充分考慮報警到實現斷油停機所需的時間，以及警報后快速轉移車輛的時間，切實保障防爆改裝的價值實現。

3 高瓦斯隧道機械設備的改裝實例分析

3.1 案例概述

以新高坡隧道貴州段為例，為單線隧道，全長4140 m，最大埋深約445 m。DK304+059～DK306+650 段為高瓦斯，DK306+650～DK308+199 段為低瓦斯，DK306+468 處下穿成貴鐵路。出口里程DK308+199，設計為6‰、10.4‰、及11‰的單面上坡。全隧道DK306+150.841～DK307+638.510 段位于半徑8000 m 的右偏曲線上，其余地段均為直線；Ⅳ級圍巖1497 m、Ⅴ級圍巖2643 m。根據相關規定，低瓦斯隧道，洞內施工設備可以不改裝，高瓦斯隧道只對洞內設備進行改裝，對行走設備只加裝瓦斯斷電設備?，F結合改裝方案進行分析。

3.2 改裝思路

此隧道工程機械設備改裝的基本思路如下：①對發動機尾氣，采取處理措施，同時完全消除排氣火焰，使得排氣溫度最大程度上降低。采取此措施，使得發動機尾氣中的明火無法與外部環境的可燃氣體接觸，通過控制瓦斯爆炸發生的條件避免爆炸發生。除此之外，采取上述措施，能夠避免高溫尾氣與可燃氣體接觸，避免爆炸的發生；②選用降溫涂料，對發動機的表面高溫位置進行覆蓋，使其與外界斷絕聯系；③改裝電氣系統，圍繞發電機系統和自動系統以及照明系統等進行改造，切斷瓦斯與明火直接接觸；④配置自動保護裝置，實現對防爆系統運行和瓦斯濃度的監控，增強系統運行的安全性[1]。

3.3 改裝位置

從改裝實踐來說主要改裝部位如下：①塑封起動機。對隧道工程使用的普通工程車輛配置的起動機，采取注膠密封措施，實現和外界可燃氣的有效隔絕，進而達到防爆要求?；诎踩a目的，選擇礦用隔爆型控制按鈕，當作車輛起動機的開關，確保車輛啟停操作時的火花不會和外界空氣接觸，避免引發故障。對普通工程車輛使用的照明燈與信號燈進行改裝，選擇礦用隔爆型照明燈以及信號燈；②柴油機自動保護裝置。改裝中，選用礦用柴油機自動保護裝置，發揮裝置的功能，實現對瓦斯和排氣溫度以及發動機溫度等的動態化監測。對于自動保護裝置，嚴格按照標準要求配置[2]。選擇的自動保護裝置，必須為隔爆型。配置此裝置，實際應用中，當某項指標超出設定的安全值，裝置能夠自動報警，促使車輛可以快速自動斷電熄火，停止運行，并且能夠提醒駕駛員進行檢查。配置的自動保護裝置，監測柴油機機體表面溫度，設定值為≤150 ℃，自動保護值為（148±2）℃；監測柴油機排氣溫度，設定值為≤70 ℃，自動保護值為（68±2）℃；監測機油油壓變化，設定值為＜0.15 MPa，自動保護值為（0.15±0.01）MPa；監測補水箱水位變化，設定值為＞60 mm 水位，自動保護值為缺水；監測甲烷濃度變化，設定值為0.5% CH4，自動保護值為0.75% CH4；③尾氣處理。改裝方案中，對于尾氣處理，使用夾層排氣管道與水箱裝置處理。選擇廢氣處理箱排氣口位置，設置阻火柵欄，進而消除排氣火花。為了能夠實現對火花源以及熱源的有效消除，嚴格把控柴油機表面溫度，使其<150 ℃；對于排氣出口位置，將溫度控制在≤70 ℃。對于尾氣處理系統，由雙層水冷排氣冷紋管以及雙層水冷排氣彎管等組成。作業時，為駕駛人員提供便攜式瓦斯檢測儀器，將安全值設定為0.5% CH4，如果甲烷濃度超過了設定的安全值，設備可以自動報警，駕駛人員要立即停止作業并且快速撤離，等到隧道內部經過通風處理達到安全作業狀態后，再開展施工作業。隧道內部的作業車輛，必須要配置便攜式滅火器，并且定期對其進行檢查；④管道。對雙層水冷排氣波紋涵管以及雙層水冷排氣彎管，選擇夾層中行走水方案，借助水的力量，完成對排氣管道的降溫處理，并且冷卻尾氣[3]。除此之外，發揮雙層水冷波紋管道的作用，能夠將車架上放置的廢氣處理箱與水冷波紋管發動機有效連接，同時減少車架與發動機的振動耦合。

3.4 電氣系統

此隧道工程中，進行防爆改裝，電氣系統的改裝策略如下：①選擇礦用隔爆型蓄電池作為對象進行改裝。實際作業中，電路的控制元件和蓄電池，如果處于運行狀態或者故障狀態，難以避免產生火花。若其和作業環境中存在的可燃氣體接觸，必然會引發爆炸。對于此類風險，選擇礦用隔爆型蓄電池封閉，同時對接線口部分運用注膠以及橡膠的方式進行處理[4]；②選用隔爆型控制按鈕。此類按鈕內部設置了啟動機的控制開關，通過封裝的方式，實現了和外部可燃氣體的隔離，使得明火無法和可燃氣體接觸，避免爆發的發生。對起動機設備，采取注膠密封處理措施，實現和外界可燃氣體的隔絕；③選用礦用隔爆型主令開關。此類開關內部封裝有照明燈的控制開關，實現了和外界可燃氣體的隔絕，確保沒有明火和可燃氣體接觸，避免爆炸的發生。

3.5 改裝效果分析

國內當前適用于高瓦斯隧道作業環境的專用防爆柴油機械比較少，需要進行防爆改裝，使其能夠達到防爆要求。現行的工程規范，對高瓦斯隧道作業環境中的機械車輛防爆等級、形式和改裝方式沒有明確的要求，主要包括車載瓦斯檢測儀+電閉鎖改裝方案、電氣隔爆改裝方案、綜合防爆改裝方案。不同方案的優勢和缺陷不同，采用車載瓦斯檢測儀+電閉鎖改裝方案，可以享有簡單可靠和低成本優勢；而電氣隔爆改裝方案、綜合防爆改裝方案后期運行維護工作量比較大。綜合分析，為了滿足隧道作業環境下的機械設備運行要求，對于普通作業車輛，可以配備便攜式瓦斯檢測儀器；對于低瓦斯隧道工程，采取車載瓦斯檢測儀+電閉鎖改裝方案；對于高瓦斯隧道，采取車載瓦斯檢測儀+電閉鎖改裝或者電氣隔爆改裝方案。對于瓦斯突出施工段，綜合運用多種防爆改裝方案。

上述隧道工程中，對于瓦斯突出施工段，為了確保作業的安全性，杜絕爆炸事故的發生，采取了綜合防爆改裝方案。通過采取以下措施獲得了不錯的成效：①洞內設施各類機電設備采用防爆型，移動設備（裝載機、挖機、汽車）安裝了瓦斯斷電系統；②超前地質預報設備：防爆鉆機2 臺；③鉆孔設備：風動鑿巖機、防爆型煤電鉆；④供風、供水、照明設備：防爆型軸流風機、阻燃型防靜電通風管、抽水機、高壓水箱、發電機、變壓器、防爆燈等；⑤瓦斯監測設備：光學瓦檢儀、便攜式瓦檢報警儀、瓦斯自動檢測報警斷電裝置、多參數檢測報警儀等；⑥塑封起動機、柴油機自動保護裝置、尾氣處理等。

總體來說，采取車載瓦斯檢測儀+電閉鎖改裝+電氣隔爆改裝等綜合防爆方案。

4 結束語

結合機械設備的防爆改裝，通過實際案例進行了分析，總結了適用于高瓦斯隧道工程施工的機械設備改裝方法。經過工程施工檢驗，采取綜合防爆方案，對保障隧道施工安全有序開展，起到了積極的作用，具有推廣應用價值。