雙線高速公路煤與瓦斯突出隧道通風研究

張杰 ZHANG Jie

（中鐵二十五局集團第四工程有限公司，柳州 545000）

0 引言

在隧道施工中有很多危險因素是隧道施工的風險源，其中煤與瓦斯突出問題是隧道施工中危險性最嚴重的安全隱患。煤與瓦斯突出是施工過程中發生的一種瓦斯的突然劇烈運動并造成十分巨大的動力效應現象，其破壞性極大，易引起瓦斯爆炸等突發性自然災害。當隧道施工至煤層位置時，受隧道施工的影響使得煤層內瓦斯壓力平衡狀態受到破壞，從而造成瓦斯氣體及巨大的彈性能力突然被釋放，瓦斯及混合物以極快的速度噴射至作業區域，噴射出的瓦斯在遇到火源后燃燒或爆炸，從而對隧道內的人員機械設備甚至整個隧道產生嚴重的安全威脅。在貴州省桐梓至新蒲高速公路項目建林巖隧道施工中，項目部通過對隧道通風系統進行優化和改良，從而在短時間內可快速降低在煤與瓦斯突出時隧道空氣中的瓦斯含量，保障了隧道內人員和設備的安全，同時也縮短隧道內有害氣體的排放時間，也加快了隧道施工進度。改進后的通風系統在煤與瓦斯隧道施工中取得很好的效果。

1 工程概況

桐新高速公路1-2 標段位于貴州省遵義市匯川區及桐梓縣境內，起訖里程為YK4+832～YK12+840，線路總長8.008㎞。起點位于匯川區板橋鎮止于桐梓縣茅石鎮。其中隧道共計有3 座分別為：四平隧道出口、建林巖隧道進口和宗寶山隧道進口，其中建林巖隧道長度最長，地質最為復雜，危險性最高，施工難度最大。

建林巖隧道左線起訖樁號為ZK6+605～ZK10+534，長3929m，右線起訖樁號為YK6+630～YK10+520，長3890m，其中左線ZK9+480～ZK9+990（510m），右線YK9+490～YK10+010（520m）處穿越高瓦斯煤系地層。設計為分離式特長隧道，隧道襯砌內輪廓采用三心圓，內輪廓設計高程距拱頂高度5m，凈寬10.75m，左右幅均為單向坡，縱坡坡率為-2%。

2 隧道通風方案設計

建林巖隧道為瓦斯隧道，左右幅各設置一條1.5m 防靜電、阻燃的風管。當風管需穿越臺車時，為避免臺車移動作業損傷風管，需將風管從臺車門架內側穿越，從而避免風管因臺車移動造成損傷，滿足隧道內通風量要求。

采用管道壓入式通風，主風機和備用風機距離隧道洞口位置不得小于30m，已確保風機吸入空氣的新鮮，防止洞內排出的空氣被風機二次吸入。為加強通風效果，在掌子面超挖位置、隧道斷面變化位置、隧道坍塌區域、二次襯砌臺車作業區域、防水板作業區域等作業人員較多位置安裝局扇，以便加強上述區域的通風量，防止上述區域瓦斯濃度超標。風管設置在邊墻上，高度不得低于施工車輛高度，當距離工作面50m 范圍時需采用折疊式風管。見圖1所示。

圖1 建林巖隧道出口風機布置示意圖

3 通風量計算

3.1 通風量計算

隧道掘進施工需風量，按照隧道內各工序同時作業施工人員最多時、瓦斯等有毒有害氣體涌出情況、隧道內內燃氣作業數量最多時、允許最小風速、一次爆破所用最多炸藥量等條件逐個進行檢驗，取其中的最大值作為最終的隧道用風量。

①按照隧道內各工序同時作業施工人員最多時的新鮮空氣計算風量。

隧道作業人員用風Q人=4×N×K

其中：4——每人需風量（m3/min）；

N——最大班進洞人數，50 人；

K——風量備用系數，取1.15；

計算得：Q1=230m3。

②按稀釋和排炮煙所需風量計算。

通風區段臨界長度：

A——同時爆破的炸藥量（kg），最大斷面開挖時，A=200kg；

S——隧道斷面積（m2），隧道深部為V 級類圍巖開挖斷面按105m2；

b——爆破時所產生的有害氣體量，b=40m3/kg；

K——擴散系數，K=0.53；

t——通風時間（min）長隧道按30min 計；

計算公式

③按將瓦斯濃度稀釋到0.5%以下計算風量。

Q=q×k/r

Q——隧道通風量，m3/min；

q——瓦斯絕對涌出量，1.47m3/min；

r——工作面回風流瓦斯允許濃度，%，取0.5%；

k——瓦斯涌出不均勻系數，取1.5～2.0。

按將瓦斯濃度稀釋到0.5%以下計算風量：

Q3=q×k/r=1.47×2/0.5%=588m3/min

④隧道內燃機器用風量。

Q=Q0T∑P

式中：Q0——內燃機作業最大功率單位時間內所需空氣量指標，1kW 的風量不宜小于4.5m/min；

∑P——同時在洞內作業的各種內燃機最大功率的總和（kW），計算隧道出渣時1 臺裝載機、2 臺出渣車，功率分別為162kW、107kW、150*2kW，經統計取∑P=569kW，內燃機利用率系數T=0.7

Q4=4.5×569*0.7=1792（m3/min）

⑤以隧道中最低風速計算風量校核。

根據《貴州省瓦斯隧道施工技術指南》，對于瓦斯容易聚集的位置，需加強局部通風，風速不宜小于1m/s。全隧道最低風速不小于0.25m/s。

按全隧最低風速0.25m/s 計算，

Q=60*S*Vmin

其中：

Q 為所需風量，m3/min；

S 為隧道開挖斷面，m2，最大選取瓦斯地段V 類圍巖開挖WS-Va 斷面，105m2；

Vmin為隧道允許最低風速，m/s，取0.25。

需風量Q=60*105*0.25=1575m3/min。

由①-⑤計算結果可知，隧道內通風量以內燃機滿負荷運轉時所用風量進行控制，工作面所需風量Q=1792m3/min，按《公路隧道施工技術規范》JTG/T3660-2020 規定，供風量應按實際需風量的1.5 倍計算；

3.2 風壓計算

隧道內通風阻力計算：風流與風管之間的摩擦力與局部摩擦力之和。

①摩擦阻力。

P阻=6.5×α×L×（Q/60）2/d5=4294Pa

其中α——風阻系數，取0.0025；

L——隧道通風長度，1000m；

d——配用風管直徑，Φ1.5m 計算。

②局部阻力。

P局=0.1P阻（Pa）

通風阻力為：摩擦阻力P阻+局部阻力

摩擦阻力P阻+局部阻力=1.1P=1.1*4294=4724Pa。

3.3 設備選型

結合上述計算，最大需風量為2688m3/min，最大通風阻力4724Pa。為確保隧道瓦斯工區通風安全，建林巖隧道出口段選擇SDF（C）-No12.5 型軸流風機，最大風量為2912m3/min，最大風壓為5355Pa，功率為2*110kW。

4 通風系統安裝及注意事項

4.1 風機安裝

應安裝在距離洞口30m 以外，風機支架應穩固結實，避免運行中振動，洞外風機周邊5m 范圍內不得有任何雜物或堆積物，通風機進氣口處設置鐵篦子防止吸入硬物損傷風葉，風機與風管處應采用加強型柔性管進行連接，風機與風管接口應綁扎牢固，減少接頭處的漏風。

4.2 風管安裝

風管機連接管必須采用正規廠家產品，風管進場后需審核其合格證等質量證明文件，風管安裝前后需對其外觀尺寸，密封性等進行檢查，尤其是風管接頭位置需完好嚴密，接頭粘貼牢固平順。由于該隧道為瓦斯隧道，因此通風管必須為阻燃材質，同時還需抗靜電，管體強度高，風管吊掛高度不得低于隧道凈高的2/3，風管與掛線的系掛必須采用麻繩，嚴禁采用鐵絲系掛。風管口到開挖掌子面的距離應不宜大于10m。

風管走向及安裝應平滑順直，不得有大的折角，接頭嚴密，百米漏風率控制在2%以內。通風管破裂損壞時，應及時修補或更換。風機支架采用工鋼焊接，埋入地面以下50cm，并澆筑50×50×50cm C20 混凝土基礎。見圖2 所示。

圖2 風機支架示意圖

4.3 風速測量

對于建林巖隧道中的風速，一般應選用中速風表（0.5～10m/s）或低速風表（0.3～5m/s）進行測定。采用機械式或電子式風表每旬對隧道風量進行測定，并填寫記錄表。

5 通風系統保障措施

①通風機必須按有關要求及規定進行“三專兩閉鎖”安裝，“三專”是指專用用電線路、專用用電開關和專用變壓器。同時通風機也要設置為雙回路，以便當一路斷電時，另一路應在10min 內接通，保證風機正常運轉；同時必須安設有瓦斯電閉鎖與風電閉鎖裝置，當隧道內瓦斯超限或停風時，必須能立即切斷隧道內所有非本質安全型電氣設備的電源。

圖3 建林巖隧道出口通風系統現場圖

②對局部使用的射流風機應加強保養，定時對其檢測管理，確保其作業正常連續。

③通風機的日常管理需安排專人進行負責，必須按照有關規定和章程進行對風機的使用、維修、保養。當風機斷電維修時需由專業安全人員統一指揮，不得隨意停開機。

④風管采用“長、大、直、新”，風管節段長度可加長到20m 一節，減少接頭數量和漏風量；風管安裝做到平、直、穩、緊，穿越砌襯臺車時盡量少彎曲不縮徑，以減少阻力；采用高強度、低摩擦阻力的新型風管和密封性好操作方便的拉鏈式接頭。

6 結束語

通過對隧道通風系統進行優化和改良，從而在短時間內可快速降低在煤與瓦斯突出時隧道空氣中的瓦斯含量，保障了隧道內人員和設備的安全，同時也縮短隧道內有害氣體的排放時間，也加快了隧道施工進度。改進后的通風系統在煤與瓦斯隧道施工中取得很好的效果，也為后續類似施工提供了借鑒和參考。