斗磨高瓦斯隧道通风施工技术

何 磊

中铁二十局集团第六工程有限公司 陕西 西安 710032

摘 要：结合斗磨高瓦斯隧道施工通风设计和施工现场具体应用，详细介绍了斗磨高瓦斯隧道的施工通风方案、风量计算及风机的选型、瓦斯局部超限处理，通风管理等技术安全措施，保证隧道安全施工，对类似的高瓦斯隧道施工具有借鉴作用。

关键词：高瓦斯 隧道 施工通风 巷道

1 工程概况

斗磨高瓦斯隧道位于安顺西～关岭区间，为客运专线双线隧道，隧道进口里程D1K841+144，出口里程D1K843+220，全长2076m。为超前探明前方地质情况，加强瓦斯段施工施工通风效果，减少有害气体对施工的危害，并兼顾施工期间排水，隧道于进口端线路前进方向左线线路右侧30米设置平行导坑，全长1170m。平导设置5个横通道与正洞连接，间距约250m。

隧道洞身D1K841+533~D1K842+327穿越二叠系上统龙潭组（P₂l）、长兴组-大隆组（P₂c+d）含煤地层。瓦斯压力梯度为0.00515MPa/m，煤层瓦斯含量为16.01m³/t,煤层瓦斯涌出量为3.41m³/min，隧道施工开挖过程中煤与瓦斯突出的危险性较大。

2 施工通风设计

2.1通风设计原理

隧道进口进入高瓦斯段后采用巷道式通风。巷道式通风利用做靠近开挖工作面的横通道在正洞和平导之间形成一个循环流系统，正洞、平导开挖工作面的新鲜风流由安装在正洞非瓦斯段的大功率轴流风机提供流入，工作面产生的污风由射流风机诱导从最靠近开挖工作面的横通道流入平导，再沿平导流向洞外，为避免循环风，除用作回风的横通道外，不用的横通道设置风门进行封闭，

2.2设计方案

采用巷道式通风，具体分阶段通风方案设计如下所述。

2.1.1第一阶段

第一个横通道贯通前，正洞和平导均采用压入式通风，风机均设在距离洞口30m处。如图1所示。

图1 第一阶段压入式通风

2.2.2第二阶段

当正洞及平导均通过1#横通道时，实施第二阶段通风，采用巷道式通风，风机均设在正洞且安装在距离1#横通道大于30m处，并采用射流风机引导风向及加强排污速度，其中一台轴流风机通过1#横通道直接压入平导，利用平导作为排污风巷道将污风排出洞外。如图2所示。

图2 第二阶段巷道排污风

2.2.3第三阶段

当正洞及平导均通过两个横通道或以上时，步骤同第二阶段，但不作为回风巷道的横通道必须设置挡风墙及风门。如图3所示。

图3 第三阶段巷道排污风

2.2.4第四阶段

第四阶段：平导施工完成后，步骤同第二阶段，但平导压入式风机取消，采用平导端头横通道作为排污风巷道，不作为回风巷道的横通道必须设置挡风墙及风门。如图4所示。

图4第四阶段巷道排污风

3 风量计算及风机选型

3.1 风筒选择

风量的增加必然导致管道损失增加，电能消耗增加，为节约电能，必需采用较大直径的通风管道。但管道直径增大也要求较大的横洞断面满足安装管道的要求，导致工程量及投资增加。权衡这两个方面作较优的选择，斗磨隧道正洞通风管道采用内径1.6m的抗静电、阻燃双抗风管，平导通风管道采用内径1.3m的抗静电、阻燃双抗风管。

3.2 风量计算

3.3.1正洞无轨运输风量计算

1）按洞内允许最小风速计算

根据施工图及《铁路瓦斯隧道技术规范》要求：正洞及平导内仰拱填充面以上断面内净空最小风速大于0.5m/s。

Q₁=60vA，式中Q—工作面风量，m³/s；V—允许最低风速，取大值1 m/s；A—开挖断面积，正洞取150m²；Q₁=4500m³/min。

2)按洞内最多人数计算

Q₂=q·n，式中q—每人供应新鲜空气，取5m³/人·min；n—同一时间最多工作人数，取100人；Q₂=500 m³/min。

3）按稀释无轨运输废弃计算

Q₃=KN，式中K—使用内燃每KW所需风量，取3m³/min；N—使用内燃机总KW（装载机2台，每台功率154.5KW；自卸车3台，重车1台，空车2台，满载功率160KW，空载功率80KW；混凝土运输车3辆，重车2辆，空车1辆，满载功率160KW，空载功率80KW；内燃机的使用功率为额定功率的80%）；Q₃=2098.8m³/min。

4）按绝对瓦斯涌出量

Q₄=Q_CH4/(B_g-B_g0)·K，式中Q_CH4—瓦斯绝对涌出量，3.41m³/s；B_g —掌子面允许瓦斯浓度，取0.5%；B_g0—送入掌子面风流中瓦斯的浓度，取0，K—瓦斯涌出不均稀系数，K值一般取1.5～2，暂按1.5计算。Q₄=1023 m³/min。

5）按同时起爆炸药量计算

Q₅=5Ab/t，A—最大装药量，取360kg；b—炸药爆炸时有害气体生成量，取40；t—通风时间，取30分钟；Q₅=2400 m³/min。

从以上结果中选取最大值Q=4500m³/min，计算需要轴流风机提供的风量。

管道漏风系数P=1/(1-L/100·P₁₀₀)，式中P₁₀₀—百米漏风率，取1%；L—管道长度，取970；P=1.107

正洞风机供风量：Q_机=PQ=83.025 m³/s。

3.3.2正洞风压计算

通风机全压必须大于通风管道的通风阻力损失H_P≥H（沿程阻力损失和局部阻力损失两部分）。

1)沿程管道（风管）阻力损失

H_f=λ×L／d×ρ×ν²／2，式中λ—管道达西系数，无因次，一般为0.012～0.015，取值0.015；L—通风管道长度，正洞取970m；d—通风管道直径，取1.6m；ρ—空气密度，取1.2Kg/m²；

ν—平均风速，ν= ，ν=39.267m/s

故得出正洞沿程管道阻力力损失H_f =8412.9Pa ，由于风速大，导致沿程阻力损失过大，可以实现，但经济性较差。

若采用双套风机供风，每台供风量为Q_机的1/2即41.51 m³/s，ν=19.63m/s。

得出正洞沿程管道阻力力损失H_f =2102.5Pa。

2）风管接头局部压力损失

H_z1=n·ξ_j0·ρ×ν²／2，式中n—风管接头数目，取97；ξ_j0—管筒接头局部阻力系数，取0.15；ρ—空气密度，取1.2Kg/m²；ν—平均风速，计算得19.63 m/s；

得出正洞风管接头局部压力损失H_z=3363.99 Pa

故通风阻力H= H_f+H_z=5466.49 Pa

3.3.3平导有轨运输风量计算

1）按洞内允许最小风速计算

根据施工图及《铁路瓦斯隧道技术规范》要求：正洞及平导内仰拱填充面以上断面内净空最小风速大于0.5m/s。

Q₁=60vA，式中Q—工作面风量，m³/s；V—允许最低风速，取大值1 m/s；A—开挖断面积，平导取30m²；Q₁=900m³/min。

2)按洞内最多人数计算

Q₂=q·n，式中q—每人供应新鲜空气，取5m³/人·min；n—同一时间最多工作人数，取40人；Q₂=200 m³/min。

3）按绝对瓦斯涌出量

Q₄=Q_CH4/(B_g-B_g0)·K，式中Q_CH4—瓦斯绝对涌出量，3.41m³/s；B_g —掌子面允许瓦斯浓度，取0.5%；B_g0—送入掌子面风流中瓦斯的浓度，取0，K—瓦斯涌出不均稀系数，K值一般取1.5～2，暂按1.5计算。Q₄=1023 m³/min。

4）按同时起爆炸药量计算

Q₅=5Ab/t，A—最大装药量，取80kg；b—炸药爆炸时有害气体生成量，取40；t—通风时间，取30分钟；Q₅=533.33 m³/min。

从以上结果中选取最大值Q=1023m³/min=17.05m³/s，计算需要轴流风机提供的风量。

管道漏风系数P=1/(1-L/100·P₁₀₀)，式中P₁₀₀—百米漏风率，取1%；L—管道长度，取970；P=1.107

平导风机供风量：Q_机=PQ=18.87 m³/s。

3.3.4风压计算

通风机全压必须大于通风管道的通风阻力损失H_P≥h（沿程阻力损失和局部阻力损失两部分）。

1)沿程管道（风管）阻力损失

H_f=λ×L／d×ρ×ν²／2，式中λ—管道达西系数，无因次，一般为0.012～0.015，取值0.015；L—通风管道长度，平导取970m；d—通风管道直径，取1.3m；ρ—空气密度，取1.2Kg/m²；

ν—平均风速，ν= ，ν=13.52m/s

故得出正洞沿程管道阻力力损失H_f =1227.5Pa

2）风管接头局部压力损失

H_z1=n·ξ_j0·ρ×ν²／2，式中n—风管接头数目，取97；ξ_j0—管筒接头局部阻力系数，取0.15；ρ—空气密度，取1.2Kg/m²；ν—平均风速，计算得13.52 m/s；

得出平导风管接头局部压力损失H_z1=1595.76 Pa

3）风管拐弯局部压力损失

H_z2=n·ξ_bei·ρ×ν²／2，式中n—拐弯个数，取2；ξ_bei—管筒拐弯局部阻力系数，取1.55；ρ—空气密度，取1.2Kg/m²；ν—平均风速，计算得13.52m/s；

得出平导风管拐弯局部压力损失H_z2=340 Pa

故通风阻力h= H_f+H_z1+ H_z2=3163.26 Pa

3.3 风机选型及验算

采用FBCDZ系列矿用防爆型压入式对旋轴流局部通风机。该型风机具有结构紧凑，噪声小，效率高等优点。该型风机适应性能强，由于装有两台电动机，各带动一个叶轮运转，既可整机运转，又可单级使用，因此，使用该型机可减少能耗，节约资金通风机为煤矿用隔爆型，防爆标志：Exd1，FBDCZ-A型技术参数详见下表1。

表1 FBDCZ-A型技术参数

根据前面的计算结果及考虑到留有一定的富余空间，正洞洞采用FBDCZ(A)-6-NO 型2×250KW 风机两台，并联通风，单台风机性能为：高速风量92.5 m³/s＞41.51 m³/s，最大静压5893 Pa＞5466.49 Pa，满足要求。平导采用FBDCZ(A)-6-NO 型2×110KW 风机1台，风机性能为：高速风量47.3 m³/s＞18.87m³/s，最大静压3772 Pa＞3163.26 Pa，满足要求。为诱导风流，配置SLFJ100-2K型22KW射流风机12台。

风速验算：根据《铁路瓦斯隧道技术规范》要求：防止瓦斯积聚的风速不小于1m/s。正洞按单台风机最大风量92.5 m³/s验算，其最大风速为2×92.5/1.107/150=1.114 m/s，大于1m/s，满足要求。平导按风机最大风量47.3m³/s验算，其最大风速为47.3/1.107/30=1.424 m/s，大于1m/s，满足要求。

3.4通风效果

通风是防治瓦斯灾害的，为确保通风效果，需对隧道内风速进行检测。检测地点为开挖工作面，回风流及瓦斯易于集聚的地点。斗磨高瓦斯隧道风速检测包括人工检测和自动监控系统检测两方面。人工检测采用高中风速表，结果取平均值。自动监控系统主要依靠安装在掌子面5m以内及距离洞口30m回风侧的风速传感仪记录风速。

检测结果显示，主洞平均风速0.61m/s，平导平均风速0.73 m/s，风速较为稳定。瓦斯监测数据也表明，在该通风系统下，浓度超限多在放炮排烟时间内，放炮后30分钟，瓦斯浓度会显著下降。

4 空洞瓦斯超限处理

煤系地层隧道施工，以沉积岩为主，岩性变化大，往往会经常出现严重超挖或塌方，而瓦斯积聚于此空洞，浓度可达50%~80%。虽然此通风系统能有效降低瓦斯浓度，但这些因严重超挖和塌方引起的空洞却处于通风盲区，根据斗磨高瓦斯隧道施工经验，当空洞范围不大时采用压风排除法。具体操作如下：在高压风管上接出分支，并在支管上设若干个喷嘴，利用压风将空洞集聚的瓦斯排除。如图5所示。

图5压风排除瓦斯示意图

5 通风管理措施

1）施工通风成立专门组织，负责通风管理、维修，建立瓦斯通风监控系统，测定风速、风量等参数。

2）压入式通风机装设在洞外或洞内新鲜风流中，避免无风循环。

3）风机安设两路电源，当一路电源停止供电时，备用发电机组可在15分钟内接通，保证风机正常运转。

4）通风机采用专用变压器、专用开关、专用线路供电，安装风电闭锁，瓦电闭锁装置。

5）除用作回风的横通道外，其它不用的横通道及时封闭，这是减少漏风、避免形成循环风的关键措施。

6）施工期间，实行24小时连续通风。因停电、检修等原因停风时，必须撤出人员，切断电源。恢复通风前，必须检测瓦斯浓度。当瓦斯浓度超过1%，回风系统不得供电进人，必须制定排除瓦斯的安全措施。只有经过检查证实停风区内瓦斯浓度不超过1%时，回风系统方可恢复供电。

6结束语

1）分阶段巷道式通风能有效降低瓦斯浓度，保证高瓦斯隧道施工安全。

2）当单台风机作业风压指标要求难以实现或经济性较差时，采用两套风机供风可有效降低风压指标，且效果良好。

3）压风处理空洞集聚瓦斯具有安全、可靠、操作简单、效果良好等优点。

4）通风效果的好坏，通风设计是前提，管理是关键。

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