高寒地區長斜井擴挖通風技術分析與研究

石 春,李世斌,陳建龍

(中電建建筑集團有限公司,北京 100120)

1 概述

敦化電站引水系統斜井導井貫通,打破了原來的盲洞效應,洞室水汽和煙塵順著導井通道上下流動,受外界氣候氣壓和洞室正壓風機驅動,煙氣流動呈現不規律狀態,晴好天氣為上行方向,陰雨或霧天為下行方向,氣候變換期間,煙氣自然驅動力較差,呈現洞室滯留狀態,對斜井施工和鄰近作業面如鋼管安裝焊接、混凝土襯砌造成極大影響,解決洞室群通風排煙迫在眉睫。

此前,眾多學者關于施工通風技術方面做了大量的研究,金珍宏[1]通過布置通風系統來改善地下洞室群的施工通風條件；費萬堂等[2]研究設計出高寒地區冬季隧道內施工防寒保暖散煙系統,結合管道通風和自然通風的方式進行通風；王勤學等[3]通過對通風防塵標準、通風設備選擇、通風系統布置等研究,探討長隧洞鉆爆法施工通風散煙問題的重要性；劉芳明等[4]通過選擇合理的通風量、通風方式、通風設備和系統布置方案,采用合適的噴霧灑水、改進施工設備等綜合工程措施,降低洞內空氣中主要有害氣體和粉塵,達到改善作業環境的空氣質量。

多數學者主要是對洞室群或長隧洞通風問題研究為主,而高寒地區長斜井通風問題卻少有研究。因此本文通過對高寒地區長斜井擴挖通風的研究,提出了一種有效解決高寒地區斜井擴挖通風方案。

2 工程概述

2.1 工程概況

敦化抽水蓄能電站引水系統主要由1#引水系統和2#引水系統組成,每條引水洞含2 個斜井段：上斜井和下斜井,共4 條斜井,坡度均為55°,斷面均為馬蹄型。

其中上斜井單長為419.06m,開挖斷面為6.8*6.7m(馬蹄形),單段石方開挖量約為16862m3；下斜井單長為466.36m,開挖斷面為6.0*5.9m(馬蹄形),單段石方開挖量約為13851m3。斜井總長度為1770.84m,石方總開挖量約為61426m3。單條斜井施工順序為先正導井或反導井開挖,然后再從上至下進行擴挖。

1#上斜井上彎段距引水上支洞與引水管道上平段交岔處約70m,下彎段距引水中支岔洞與引水管道中平段交岔處約為338m；1#下斜井上彎段距引水中支洞與引水高壓管道中平段交岔處約為139m,下彎段距引水下支洞與引水高壓管道下平段交岔處約為14m。無施工支洞直接通往斜井段。

2.2 煙氣來源

(1)爆破煙塵：斜井全斷面爆破,每炮使用巖石炸藥約120kg。(2)車輛設備尾氣：出渣車、裝載機、混凝土罐車、通勤車尾氣。(3)焊接煙塵：鋼管焊接、鋼筋焊接、零星構件焊接煙塵。(4)生產粉塵：扒渣、裝載機裝渣、倉面清倉、灌漿拆倒水泥產生粉塵。(5)水汽：洞室內空氣中水分預冷凝結形成。

2.3 通風方式優化

目前風機組基本滿足洞室風量流通置換,但純壓入式通風方式在斜井導井貫通后,尤其是冬春季節,受外界嚴寒氣候影響,通風能力減弱程度較大。由于上下貫通,洞室群風流紊亂。多個通風口與洞外貫通,自然風進洞不再是難事,主要考慮盡快將污濁廢氣排出洞室,減少煙氣在掌子面集聚,加快新鮮風量輸入作為解決通風思路,擬在斜井段增設可逆真空射流風機,加快巷道空氣流通,結合冬季施工洞室保溫措施,輔助以“人造盲洞”設置,達到掌子面、作業面空氣清新的目的,滿足正常施工條件。

3 斜井開挖通風措施

目前洞室主要使用的軸流風機設備應用到斜井擴挖中會存在以下局限性：(1)功率大(2*55kW、2*75kW、2*90kW、2*110kW),購置和運行電費用較高。(2)自重較大(2.5t 以上),斜井大盤臺車限重為3t,安裝風險較大。(3)軸流風機直徑較大(直徑1m～1.8m),影響斜井大盤臺車上下正常運行。

考慮到目前通風設備局限性以及斜井擴挖過程中面臨的通風問題,急需尋找一種能夠有效解決斜井空氣流動且成本較低的方法。

3.1 再造盲洞效應

洞室群是一組聯通的網管結構,空氣在巷道中流通時方向紊亂,還有不同程度的“窩風”效應,不能形成有效的回流,借助洞室巖壁和豎向封堵材料形成盲洞,正向新鮮空氣壓入作業面,驅逐煙塵廢氣,為掌子面、作業面工作人員提供新鮮空氣,提高作業面能見度,保證作業效率。

(1)在斜井上下彎段各設置阻風門,骨架為型鋼結構,有一定的強度,采用鎖腳錨桿固定,面板為彩鋼板鐵皮,沿隧洞底板兩側采用鉸鏈固定在門柱上,一側面板可留取人員通行平開門一樘,斜井彎段處阻風門見圖1。大門上部采用鐵皮密封,與洞壁接觸部位采用土工布,砂漿或發泡膠進行封堵,大大減少巷道內空氣對流速度。新鮮空氣壓入工作面時,很快將煙塵廢氣置換,作業面空氣良好。

(2)斜井導井設計尺寸為2.4*2.4m 矩形斷面,作業人員在司鉆和錨噴作業時將井口封閉,減少井下煙氣向上流動。可在每個斜井導井掌子面處采用帆布風包下放到導井上口,用尼龍繩固定在井口篦子橫撐鋼筋上,然后充入氣體,風包與導井井壁貼合,風包上方加蓋保護材料,裝藥爆破時將風包放氣,提出導井口,收起備用,斜井導井風包設計示意圖見圖2。導井上口封閉形成盲洞效應,作業面廢氣被壓入的新鮮空氣置換,可以始終保持作業面空氣清晰,能見度高。

圖1 斜井彎段處阻風門

(3)及時對引水隧洞上游處調壓井進行固結灌漿后再封閉,封閉后的調壓井可以防止空氣從調壓井口進入到洞室內,減少空氣在洞室群內流動,從而有效地減少洞內煙塵廢氣流竄,提高工作面能見度以及空氣質量。

3.2 加速空氣流通

在陰晴氣候變化期間,洞室氣壓處于基本平衡狀態,煙霧聚集在洞室,呈現滯留現象,工作面基本無法施工,需要采取機械驅動,迫使巷道空氣流動,將新鮮空氣引入掌子面,達到作業面清晰、空氣新鮮。在原通風設計基礎上,增設射流風機來驅動巷道空氣向設定方向快速流通。

隧道射流風機主要用于地下隧道或者交通隧道的通風換氣以及發生火災時的消防排煙,是一種應用范圍廣泛的工業風機類型,具有壓力高流量大的特點并具有效率高,節能、噪音低、安裝方便等特點,能在隧道中起到重要作用。隧道射流風機不占用交通面積,不需要另外修建風道,土建造價低；隧道射流風機安裝容易,運行、維護簡單,是一種很經濟的通風方式。隧道射流風機將隧道本身作為風道,風機工作時,能從給定的能量中,產生較高的推力。隧道中空氣的一部分被風機吸入,經葉輪做功后,由風機出口高速噴出。基于沖擊傳動原理,高速氣流把能量傳給隧道內的另一部分空氣,帶動其一起向后流動,從而把隧道內的空氣推向出口一端,并從進口吸入新鮮空氣。對于較長的隧道,當氣流速度衰減到一定值之后,下一組風機又以同樣的方式繼續帶動空氣流動,實現了排除隧道內污染空氣的目的。

SDS(R)型遂道射流風機有電子式和機械式兩種切換方式,可在30 秒鐘內正反轉切換到風機額定轉速。遂道射流風機采用先進技術工藝所研制開發的新產品,其外殼由美國進口專用機床旋壓翻邊成形,葉輪段內壁經精細加工,既保證機殼的同軸度和強度,又保證葉片徑向間隙,表面涂裝處理,外形美觀及防腐性能優良。內置鼠籠全封閉式射流通風機配套電機,并設法蘭安裝盤,電機絕緣等級為H 級,防腐等級為IP55。其風量大小可以通過改變葉片數和葉片角度來滿足要求。對于噪聲要求高場合,可增加消聲器來減少其噪聲。

3.3 可逆式射流風機反向抽排

原軸流風機為單向風機,將風機分別移位,改為反向抽排方式將進風口附近廢氣抽排,三岔口布置較大功率風機接力,將煙塵廢氣排出,室外氣溫較低,氣壓高,新鮮空氣自然通過各支洞口、調壓井井口等進入巷道和洞室,實現掌子面、作業面空氣置換。由于鋼管運輸實現大節進洞,負壓風管影響較大,暫不設置,在煙氣較大部位,采用移動式射流風機輔助加快廢氣向反抽風機口方向流動。可逆式射流風機示意圖及設計參數見圖3。

圖3 可逆式射流風機示意圖及設計參數

以下斜井為例,選用4 臺SDS(R)-6.3-2P-4-30°型可逆式射流風機按照100m 左右接力,對下斜井擴挖時加強通風。風機功率15kW,出機口風速36.4m/s,風量11.3m3/s,推力468N,整機重量377kg,分別安裝于上井口、井下100m、井下200m、井下300m 處,根據斜井自流風向選擇正向送風或反向抽風,達到掌子面空氣清新的目的。可逆式射流風機SDS 性能參數見表1。

3.3.1 通風機布置

(1)上支洞工區

a.在引水上支洞及岔洞接近2# 引水洞口布置2*55kW 軸流風機各一臺,接引直徑1.2m 風筒布,反抽煙塵至三岔口連接2*90kW 風機接力,通過風筒布將煙塵排出上支洞口。

表1 可逆式射流風機SDS 性能參數

b.在調壓井阻抗孔上游側布置2*55kW 軸流風機各一臺,接引1.0m 風筒布,向引水隧洞壓入新鮮空氣,迫使引水隧洞襯砌鋼筋綁扎焊接煙塵散出,通過反抽風機排出。

c.在斜井上口、井下100m、井下200m 分別安裝射流風機一組,根據自然風流向調整風機正反向運轉,正向運轉,氣流向上走,底部阻風門關閉,掌子面污濁氣體上行至反抽風機排出；反向運轉,氣流向下走,底部阻風門打開,污濁空氣下行通過中支洞反抽風機排出。

d.調壓井及下部5.6m 斷面鋼筋焊接煙塵通過調壓井自流排出。

(2)中支洞工區

a.在引水中支洞和中支岔洞接近2#引水洞口布置2*75kW 和2*55kW 軸流風機各一臺,接引直徑1.2m 風筒布,反抽煙塵至三岔口連接2*110kW 變頻風機接力,通過風筒布將煙塵壓出中支洞口。

b.在下斜井井口、井下100m、井下200m、井下300m處分別設置射流風機一臺,根據自然風流向調整風機正反向運轉,正向運轉,氣流向上走,底部阻風門關閉,掌子面污濁氣體上行至反抽風機排出；反向運轉,氣流向下走,底部阻風門打開,污濁空氣下行通過下支洞反抽風機排出。

c.在高壓管道中平段布置移動式射流風機各一組,隨鋼管安裝進度向前移動,根據洞室巷道風向調整風機正反轉,保持作業面空氣清新,焊接煙塵上行或下行都可通過交叉口反抽風機排出。

d.在下支洞與2#下平段岔口設置2*75kW 軸流風機一臺,接引直徑1.2m 風筒布,反抽煙塵至下支洞口,促進下平段、支管段和下斜井下行煙塵排出,見圖4。

3.3.2 加強隧道通風的管理措施

(1)文明施工隊組織專門的通風工班,建立健全管理制度,通風機派專人管理值守,按規程要求操作風機,定期檢修和潤滑風機。

圖4 可逆式射流風機布置示意圖

(2)狠抓“防漏降阻”工作,只有管道漏風率和摩阻系數小,才能確保單機送風距離長,效果好。因此,應設置專職風管維修工,每班必須對全部風管進行檢查,不平、不順之處及時調直調平。發現風管破損漏風及時處理。輕微破損的管節,采用快干膠水粘補,粘補后30 分鐘不得送風,嚴重破損的管節,必須及時更換,從而降低漏風系數,保證管道密封度。

(3)加強運輸設備的維修保養制度,按照設備管理要求定期維修,特別是進氣和燃油系統,進行強化保養,并實施燃油沉淀過濾方法,減少廢氣的排放量。

(4)對施工產生的粉塵進行綜合治理,除采用常規的機械通風、濕式鑿巖、除渣灑水、沖洗巖幫、個人防護外,還可采取局部凈化的處理方法,控制塵源所產生的粉塵擴散等措施,可大大改善工作面的環境質量。

3.4 成本投入情況對比分析

具體以1#下斜井擴挖(直線段長426m)為例,來說明采取以上通風措施前后的成本投入情況。

每天現場作業人員投入情況為鉆工7 人,扒渣工5人,鉆工工資350 元/天,扒渣工工資200 元/天,進度延誤履約考核1000 元/天,射流風機2 萬元/臺,其功率為15kW,1# 下斜井正常擴挖完成預計需要170 天,1 臺145kW 空壓機(按24 小時運行,電費0.6 元/kW·h 計算)。

(1)采取以上措施前,斜井擴挖循環進尺為1.5 天/3m,人員總投入為122.26 萬元,同時洞內煙塵霧氣大,能見度低,空氣質量差,現場作業人員工作效率大大降低。

(2)采取以上通風措施后,斜井擴挖循環進尺為1.0天/3m,人員總投入為81.71 萬元,且洞內煙塵霧氣明顯減小,空氣質量滿足作業要求,對臨近工作面影響大大降低。

通過對比分析：采取通風措施后的斜井擴挖施工成本投入能夠節約40.55 萬元。

4 結束語

當洞外為晴朗天氣時,洞內產生的煙塵和水汽會呈向上游方向竄流趨勢,導致洞內上游方向煙塵和水汽較大,此時可以利用射流風機將上游口煙塵和水汽從中支洞抽排至洞外,當洞外出現陰雨或霧天氣時,洞內產生的煙塵和水汽會呈向下游方向竄流趨勢,導致洞內下游方向煙塵和水汽較大,此時反向抽排方式將下游側進風口附近煙塵和水汽抽排至交通洞外。采用“再造盲洞效應”及結合可逆式射流風機,不僅可以有效降低斜井擴挖工作面的煙塵和水汽,而且還減小了對臨近的鋼管安裝焊接、混凝土襯砌工作面的影響,且能夠有效降低成本投入。同時通過現場儀器檢測,洞內粉塵檢測值滿足施工要求,工作面能見度大,從而提高全員勞動生產率和量產能力。