瓦斯特長隧道中智能除塵系統技術的研究與運用

劉 杰

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

0 前 言

我國是一個多山的國家，75%左右的國土是山地或重丘，交通線路在穿越山區時必然需要修建大量的隧道工程。隧道工程在穿越煤系地層和賦存瓦斯的地區，作業過程中會產生大量有毒有害氣體和粉塵。如打眼、放炮、裝卸渣、噴射混凝土等作業會產生大量粉塵，可導致塵肺、矽肺病，對人體健康危害較大；此外易燃易爆的粉塵和瓦斯還會導致爆炸事故。因此必須做好防塵和防爆工作。查閱相關資料得知：粉塵職業病死亡人數約為工傷的2.5倍，這是觸目驚心的；洞內作業環境差，影響作業人員職業健康和施工降效，為有效降低瓦斯濃度和避免瓦斯爆炸，并降低粉塵濃度、改善洞內作業環境，滿足職業健康要求，因此，隧道內瓦斯控制和除塵等是瓦斯隧道建設管理不容忽視的重要環節。隨著隧道長度不斷增加，隧道建設不斷挑戰更長的記錄，挑戰更加復雜的工程地質，而這些都為隧道施工洞內作業環境提出了更高的要求。

1 瓦斯隧道除塵現狀應用

通過查閱相關資料，國內外針對粉塵防治技術做了大量的研究和分析，從各種通風方式、除塵裝備等方面都有了較大進步，實踐應用中減少了粉塵的產生，隨著國內監管力度加大，安全和職業健康意識大大提高，加上資金的投入，隧道作業環境得到了改善。但是由于地質結構不同、施工方式不同等，對各種粉塵災害成因缺少根本性分析研究，應對措施的可靠性和針對性不具體，隧道施工作業很難從根本上解決粉塵災害對職業健康的損傷程度，針對隧道施工除塵技術的研究中：石明楊[1]介紹了隧道靜電除塵器的原理和特點，闡述了公路隧道靜電除塵技術的安裝方式和運營效果；項海燕[2]介紹了隧道除塵養護技術的工作原理、設備樣圖、技術要點和使用效果；劉濤[3]對隧道施工中防塵技術的現狀與趨勢進行研究，提出了防塵技術改進的相關建議并就未來發展趨勢展開分析。

通過查閱分析以上文獻，瓦斯隧道除塵技術一直沒有取得重大進步，除塵手段仍然以常規方式為主，如機械或人工配合鉆機鉆孔、隧道內靠掌子面附近采用水封爆破進行降塵、碴堆灑水濕潤濕透防止機械裝碴過程中產生揚塵、隧洞內初期支護混凝土全部采用濕噴機或濕噴臺車作業等，通過機械通風將粉塵排除洞外的過程中會污染全部隧道，直接危害洞內所有作業人員，導致作業人員職業的危害程度更加嚴峻。

針對以上存在的一些不足，本文研究出發點是通過一種智能除塵系統，既能及時除塵降害、凈化隧道內空氣，又能短時間內改善作業環境、提升通視效果，工作效率快、除塵率高，在瓦斯隧道中安全高效利用。

2 工程情況

華鎣山隧道屬特長隧道，設計為雙洞六車道，隧道左線(ZK23+467～ZK28+485)全長5 018 m，右線(K23+467～K28+467)全長5 000 m，總體走向約298°，為雙向隧道，左右分修，兩線相距16～30 m，隧道凈空高度為8.0 m，寬度達12.5 m。根據勘察報告，華鎣山隧道穿越觀音峽背斜兩翼及核部含煤地層三疊系須家河組和二疊系龍潭組，背斜兩翼須家河組地層中的煤層均為可采煤層，煤層厚一般0.3 m，洞身段背斜西翼煤層傾角68°～72°，背斜東翼煤層傾角70°～74°。在背斜核部區域龍潭組地層分布多層可采煤，厚度一般在0.8 m左右，由于構造復雜，煤層傾角變化較大，但總體在65°左右。其中須家河組煤層屬低瓦斯煤，發生瓦斯突出、煤塵爆炸及煤層自燃的可能性小，而龍潭組煤層屬高瓦斯煤，易發生瓦斯突出、煤塵爆炸及煤層自燃現象。隧道屬高瓦斯隧道，施工過程會產生大量瓦斯和粉塵，必須采取專門措施加強管理，確保作業安全和職業健康。

3 瓦斯隧道智能除塵技術

技術團隊認真研究隧道內作業環境，開展通風裝置和除塵結構工藝試驗，經過多次試驗和改進，研發了一種噴淋除塵系統和智能風力除塵系統。

3.1 除塵系統組成與技術流程

瓦斯隧道智能噴淋除塵系統主要由增壓泵、過水管、霧化噴頭、電磁閥和粉塵濃度傳感器、上位機和控制器等組成；在掌子面的施工臺車上固定安裝噴淋除塵裝置，注意噴淋裝置的保護；粉塵濃度傳感器與上位機的信號接收端相連接，上位機的信號輸出端與控制器的信號接收端相連接，控制器的控制端與電磁閥信號相連接，過水管的進水口處密封連通設置有電磁閥；霧化噴頭為間隔固定安裝在過水管上的多個；霧化噴頭是水形成高壓氣霧，且霧化后水能與粉塵充分接觸，增大了水與粉塵的接觸面，大幅提高了除塵效果，系統結構見圖1。

智能風力除塵系統主要由風機、變頻器、通風管和風速檢測儀；風機的電源接口與變頻器的電源輸出接口相連，風機的進風口位于瓦斯隧道外，風機的出風口與通風管的進風口相貫通；通風管的出風口鄰近掌子面不超過20 m；風速檢測儀固定安裝在鄰近掌子面的施工臺車上，風速檢測儀的信號輸出端與上位機信號相連，上位機與控制器信號相連，控制器與變頻器的控制信號端相連接，根據風速情況自行啟動，操作方便快捷，與噴淋系統同步使用，更進一步提高了除塵效果。圖1為除塵系統結構示意圖。

1-瓦斯隧道；11-掌子面；21-粉塵濃度傳感器；3-風機；4-變頻器；5-通風管；6-上位機；7-控制器；81-鄰近掌子面的施工臺車；82-二襯臺車；83-瓦斯隧道入口處；9-過水管；91-霧化噴頭；92-長管；93-短管；94-連接管；95-中間連接管。

3.2 技術原理

智能噴淋和風力除塵系統，根據洞內粉塵濃度傳感器和風速傳感器、控制器等智能裝置系統，水通過噴淋管和噴頭噴出形成霧狀空間，當含塵煙霧通過時，霧狀液滴會攔截固體塵粒，與其發生碰撞并凝聚，當液體內所含固體雜質較多、凝聚顆粒較大時就會降落；微細霧化重量輕，通過高強風機快速有力的風力將霧化后的除塵液體遠距離推送，擴大除塵液體有效工作面積，除塵液體對空氣中的粉塵進行吸附、混合，成團后迅速降落，從而達到降塵和養護的目的。此技術運用除塵效果非常好，高效環保、操作便捷、制造成本低廉、節約能源。

3.3 智能噴淋除塵系統主要設計方案

第一道噴淋裝置安裝開挖臺車上，噴淋除塵系統中過水管的進水口處密封連通設置電磁閥；多個霧化噴頭間隔固定安裝在過水管上；過水管與連接管的一端密封固定連接，連接管的另一端構成進水口。兩根連接管與兩根短管固定相連，這樣一來兩根連接管上分別連接一個電磁閥，使得當其中一個電磁閥出現故障無法操控時，可通過控制另一個電磁閥來實現噴淋除塵；兩根長管上的霧化噴頭互為交錯設置。這樣使得在同一隧道寬度方向的霧化噴頭之間的間隔更短，使得在同一隧道寬度方向的霧化噴頭排布得更多，從而形成更理想的“噴淋除塵幕墻”，在使用時可通過控制器來操控電磁閥并使其處于常開狀態，從而持續及時地對鄰近掌子面(掌子面處鉆進所產生揚塵濃度大)的空間進行噴淋(霧)除塵，噴嘴霧化形成水霧，由于水霧顆粒是微米級的，非常細小，能夠吸附空氣中雜質，霧滴粒徑約為塵粒直徑的150倍時降塵效果較佳。塵粒與霧滴間的相對運動速度愈大，慣性碰撞愈劇烈，碰撞效率愈高。霧滴粒徑>1 μm的粉塵以慣性捕獲為主，對亞微米塵粒(<0.5 μm)以擴散捕獲為主，對于0.5～1 μm的塵粒，這兩種降塵都起作用。為提高水霧的降塵效果，可在噴淋(霧)水中添加濕潤劑提高效果。

通過粉塵濃度傳感器來實時監測環境中揚塵的濃度，當通過粉塵濃度傳感器測得的數據低于預設值時，電磁閥關閉；當通過粉塵濃度傳感器測得的數據高于預設值時，控制器自動開啟電磁閥進行噴淋除塵，從而提高了噴淋除塵的自動化、智能化運行程度，并節約了用水、用電能源，減少作業場所因超時噴霧、無效噴霧而引起的大面積集水，使噴霧降塵更節能高效，系統造價和運行成本低。

第二道噴淋除塵裝置安裝在瓦斯隧道內的混凝土襯砌臺車上，混凝土襯砌臺車通常位于已施工隧道內長度段距離鄰近掌子面的施工臺車100～200 m位置處，同樣原理通過實施能夠對混凝土襯砌臺車處的空氣進行除塵。

第三道噴淋除塵裝置通過支撐架固定安裝在瓦斯隧道入口處，能夠對瓦斯隧道入口處的空氣進行除塵，以保證排入大氣中的氣體符合環保要求。后期根據隧道襯砌長度和洞內環境需要，可以在混凝土襯砌臺車至隧道進口處增設一道或幾道噴淋裝置來凈化和除塵。

施工通風是瓦斯隧道施工安全的關鍵環節，合理的通風系統和效果是實現隧道快速施工、保障施工安全和作業人員健康的重要保證，瓦斯隧道制定了專項通風方案，隧道粉塵可以借助瓦斯通風實現風力除塵，風力除塵結構的設置將隧道外部清潔的空氣輸送至掌子面處，使得隧道內孔空氣由掌子面處向隧道外排出，從而更新隧道內的空氣，起到通過風力來除塵的作用。且風力除塵結構在與噴淋除塵裝置相結合使用后，風力除塵結構的通風能夠使得粉塵由掌子面外排，當粉塵到達噴淋除塵裝置設置的位置時，即可通過霧化噴淋進行更為充分的清除?？梢?，風力除塵結構在與噴淋除塵裝置相結合能夠獲得更佳的除塵效果。

4 工程實例對比

目前，國內已建或在建高速公路瓦斯隧道除塵采用常規濕式作業防塵，主要從四個方面采取措施：機械或人工配合鉆機鉆孔、隧道內靠掌子面附近采用水封爆破進行降塵、碴堆灑水濕潤或濕透防止機械裝碴過程中產生揚塵以及隧洞內初期支護混凝土全部采用濕噴機或濕噴臺車作業。采用常規濕式作業后發現工作效率低，各工序作業時間同比延長，隨著隧道開挖長度增加除塵時間也會同比增長，除塵降塵過程中消耗更多水資源且會產生大量廢水，洞內粉塵捕集率低，凈化效率較低，通常為40%～50%。

本文通過渝(北)至廣(安)高速公路華鎣山隧道除塵系統改進和實際運行，在掌子面爆破600 s后分別測定安裝除塵設備前、后的隧道內游離SiO2粉塵濃度，采用微電腦激光粉塵儀(LD-3C)測量游離SiO2粉塵濃度，每個測點進行不少于3次數據測定后取其均值作為最終值。

通過對除塵前、后的隧道內游離SiO2粉塵濃度進行測定對比，監測數據見表1，洞內粉塵除塵凈化率高，較常規方法節省了除塵時間，同時除塵系統改進費用低，系統安裝時間短，方便快捷，智能噴淋除塵運行的同時也會節約用水，洞內作業環境和通視效果進一步得到改善，智能除塵系統運用既起到了自動除塵的目的，也大大提高施工進度，保障作業人員健康。

表1 游離SiO2粉塵實測濃度值對比

根據相關規定，對本隧道一線作業人員進行健康體檢分析，通過對一線作業人員進場前體檢和體檢后退場約400人次對比，通過個體防護配備到位、洞內通風和除塵的技術運用，施工期間和完工均未發生一名塵肺職業病人。

5 結束語

1)采用智能化的通風及噴淋除塵系統，比常規濕式作業效果明顯，通過信息技術及自動化技術的應用，分析隧道內環境參數，及時除塵降害、凈化隧道內空氣，將絕大部分有毒有害氣體和粉塵在隧道內通過除塵系統消減，實現短時間內改善作業環境、提升通視效果的目的，有利于職業健康及施工安全保障，作為瓦斯隧道除塵首選。

2)新除塵技術運用具有工作效率快、除塵率高、安全可靠、操作方便等特點，能夠快速、高效地凈化隧道施工作業面空氣，極大地改善隧道內作業環境，有很好的經濟效益和社會效益，具有廣泛的推廣應用價值

3)瓦斯特長隧道通風布置及智能除塵技術的應用，為隧道通風除塵提供了新的思路和技術方法，可供類似工程借鑒。

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