高瓦斯隧道机械设备简易改装与主动防爆改装

郭 锐

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

近年来，高瓦斯隧道施工安全事故频发，引起施工企业的高度重视。开展高瓦斯隧道施工作业，要认真贯彻落实安全管理制度，借助高性能设备和防爆机械设备作业，减少安全隐患，实现安全生产的目标。很多高瓦斯隧道机械设备无法达到工程作业的要求，需要进行改装，为施工作业的开展提供保障。

1 高瓦斯隧道施工的安全风险

瓦斯爆炸为主要安全风险，为安全防控重点内容。瓦斯爆炸需要达到以下条件：①浓度。将空气和瓦斯混合气体遇到火后能够引起爆炸的浓度范围，定义为瓦斯爆炸界限，在5%～16%内。将＜5%的区域，划分为燃烧区域；对浓度不超过9.5%的区域，为不易爆炸区域；浓度超过16%的区域为易爆区域；②引火温度。瓦斯引火温度通常在650～750 ℃，不过会随着瓦斯浓度以及火源性质等产生变化。如果瓦斯含量处于7%～8%时，很容易引燃。随着混合气体的压力增加，引燃温度随之降低；③氧的浓度。如果作业空间内存在着大量的瓦斯，但是氧气浓度比较低，即使有火源，发生爆炸的风险比较小；不过如果有氧气进入，并且浓度＞12%，遇到火源会立即发生爆炸。

高瓦斯隧道施工作业环境下，存在着可以满足瓦斯爆炸的两大条件，包括溢出瓦斯与氧气浓度。作业时，若采取无轨运输方式的非防爆机械设备，存在着瓦斯爆炸的高风险。若想实现对爆炸事故的有效预防和避免，要做好瓦斯浓度监控；对作业机械普通电器部件，采取防爆改装措施，实现对电气火花的隔离，达到安全作业的要求。

2 高瓦斯隧道机械设备改装形式与要求

2.1 简易改装

高瓦斯隧道机械设备采取简易改装方案，主要是安装用于瓦斯浓度监测的装置，当作业环境内的瓦斯浓度达到预设值，车辆柴油机立即断油熄火停止作业。排气配套灭火罩，不属于主动防爆改装，没有防爆性，不可以在存在瓦斯与煤尘等气体作业环境下使用，即不适用于高瓦斯隧道作业环境。此类工程环境下，极易发生瓦斯突出与集聚的危险，虽然配套了通风系统，但是难以解决问题，如果出现火花或者高温情况，则会造成瓦斯爆炸或者燃烧，因此要做好全面的防范。采取的简易改装措施，选择柴油机自动保护装置上配置传感器，无法消除车辆开关和接头等类型的电器火花，并且无法消除柴油机排气高温，更无法立即停车，因此还需要对机械设备进行防爆改装。

2.2 主动防爆改装

按照现行的规定，防爆柴油机和车辆必须要设置自动保护装置，当出现异常情况能够快速报警，使得车辆动力系统自动停止运行。异常情况整理如下：①排气温度最大值达到70 ℃；②表面温度最大值达到150 ℃；③冷却水温度最高值达到95 ℃或者设计值；④机油压力最低值达到设定最低压力等。采取主动防爆改装，将作业巷道内部的瓦斯监控系统断电装置，改装到工程车上，无法达到规定的功能与防爆性能，当发生瓦斯突出的情况，未等实现快速报警停车，爆炸事故就已经发生。如果采取此改装方案的车辆，进入到高瓦斯作业区域或者瓦斯突出地带，难以实现防爆。

2.3 全部防爆改装

对于上述两种简易防爆改装存在的不足和问题，全部防爆改装能有效克服。按照MT 990—2006 以及MT/T 989—2006 标准，配置防爆柴油机自动保护装置，遇到异常情况时，系统能够在1 min 内停车。需要注意的是，改装时要充分考虑报警到实现断油停机所需的时间，以及警报后快速转移车辆的时间，切实保障防爆改装的价值实现。

3 高瓦斯隧道机械设备的改装实例分析

3.1 案例概述

以新高坡隧道贵州段为例，为单线隧道，全长4140 m，最大埋深约445 m。DK304+059～DK306+650 段为高瓦斯，DK306+650～DK308+199 段为低瓦斯，DK306+468 处下穿成贵铁路。出口里程DK308+199，设计为6‰、10.4‰、及11‰的单面上坡。全隧道DK306+150.841～DK307+638.510 段位于半径8000 m 的右偏曲线上，其余地段均为直线；Ⅳ级围岩1497 m、Ⅴ级围岩2643 m。根据相关规定，低瓦斯隧道，洞内施工设备可以不改装，高瓦斯隧道只对洞内设备进行改装，对行走设备只加装瓦斯断电设备。现结合改装方案进行分析。

3.2 改装思路

此隧道工程机械设备改装的基本思路如下：①对发动机尾气，采取处理措施，同时完全消除排气火焰，使得排气温度最大程度上降低。采取此措施，使得发动机尾气中的明火无法与外部环境的可燃气体接触，通过控制瓦斯爆炸发生的条件避免爆炸发生。除此之外，采取上述措施，能够避免高温尾气与可燃气体接触，避免爆炸的发生；②选用降温涂料，对发动机的表面高温位置进行覆盖，使其与外界断绝联系；③改装电气系统，围绕发电机系统和自动系统以及照明系统等进行改造，切断瓦斯与明火直接接触；④配置自动保护装置，实现对防爆系统运行和瓦斯浓度的监控，增强系统运行的安全性[1]。

3.3 改装位置

从改装实践来说主要改装部位如下：①塑封起动机。对隧道工程使用的普通工程车辆配置的起动机，采取注胶密封措施，实现和外界可燃气的有效隔绝，进而达到防爆要求。基于安全生产目的，选择矿用隔爆型控制按钮，当作车辆起动机的开关，确保车辆启停操作时的火花不会和外界空气接触，避免引发故障。对普通工程车辆使用的照明灯与信号灯进行改装，选择矿用隔爆型照明灯以及信号灯；②柴油机自动保护装置。改装中，选用矿用柴油机自动保护装置，发挥装置的功能，实现对瓦斯和排气温度以及发动机温度等的动态化监测。对于自动保护装置，严格按照标准要求配置[2]。选择的自动保护装置，必须为隔爆型。配置此装置，实际应用中，当某项指标超出设定的安全值，装置能够自动报警，促使车辆可以快速自动断电熄火，停止运行，并且能够提醒驾驶员进行检查。配置的自动保护装置，监测柴油机机体表面温度，设定值为≤150 ℃，自动保护值为（148±2）℃；监测柴油机排气温度，设定值为≤70 ℃，自动保护值为（68±2）℃；监测机油油压变化，设定值为＜0.15 MPa，自动保护值为（0.15±0.01）MPa；监测补水箱水位变化，设定值为＞60 mm 水位，自动保护值为缺水；监测甲烷浓度变化，设定值为0.5% CH4，自动保护值为0.75% CH4；③尾气处理。改装方案中，对于尾气处理，使用夹层排气管道与水箱装置处理。选择废气处理箱排气口位置，设置阻火栅栏，进而消除排气火花。为了能够实现对火花源以及热源的有效消除，严格把控柴油机表面温度，使其<150 ℃；对于排气出口位置，将温度控制在≤70 ℃。对于尾气处理系统，由双层水冷排气冷纹管以及双层水冷排气弯管等组成。作业时，为驾驶人员提供便携式瓦斯检测仪器，将安全值设定为0.5% CH4，如果甲烷浓度超过了设定的安全值，设备可以自动报警，驾驶人员要立即停止作业并且快速撤离，等到隧道内部经过通风处理达到安全作业状态后，再开展施工作业。隧道内部的作业车辆，必须要配置便携式灭火器，并且定期对其进行检查；④管道。对双层水冷排气波纹涵管以及双层水冷排气弯管，选择夹层中行走水方案，借助水的力量，完成对排气管道的降温处理，并且冷却尾气[3]。除此之外，发挥双层水冷波纹管道的作用，能够将车架上放置的废气处理箱与水冷波纹管发动机有效连接，同时减少车架与发动机的振动耦合。

3.4 电气系统

此隧道工程中，进行防爆改装，电气系统的改装策略如下：①选择矿用隔爆型蓄电池作为对象进行改装。实际作业中，电路的控制元件和蓄电池，如果处于运行状态或者故障状态，难以避免产生火花。若其和作业环境中存在的可燃气体接触，必然会引发爆炸。对于此类风险，选择矿用隔爆型蓄电池封闭，同时对接线口部分运用注胶以及橡胶的方式进行处理[4]；②选用隔爆型控制按钮。此类按钮内部设置了启动机的控制开关，通过封装的方式，实现了和外部可燃气体的隔离，使得明火无法和可燃气体接触，避免爆发的发生。对起动机设备，采取注胶密封处理措施，实现和外界可燃气体的隔绝；③选用矿用隔爆型主令开关。此类开关内部封装有照明灯的控制开关，实现了和外界可燃气体的隔绝，确保没有明火和可燃气体接触，避免爆炸的发生。

3.5 改装效果分析

国内当前适用于高瓦斯隧道作业环境的专用防爆柴油机械比较少，需要进行防爆改装，使其能够达到防爆要求。现行的工程规范，对高瓦斯隧道作业环境中的机械车辆防爆等级、形式和改装方式没有明确的要求，主要包括车载瓦斯检测仪+电闭锁改装方案、电气隔爆改装方案、综合防爆改装方案。不同方案的优势和缺陷不同，采用车载瓦斯检测仪+电闭锁改装方案，可以享有简单可靠和低成本优势；而电气隔爆改装方案、综合防爆改装方案后期运行维护工作量比较大。综合分析，为了满足隧道作业环境下的机械设备运行要求，对于普通作业车辆，可以配备便携式瓦斯检测仪器；对于低瓦斯隧道工程，采取车载瓦斯检测仪+电闭锁改装方案；对于高瓦斯隧道，采取车载瓦斯检测仪+电闭锁改装或者电气隔爆改装方案。对于瓦斯突出施工段，综合运用多种防爆改装方案。

上述隧道工程中，对于瓦斯突出施工段，为了确保作业的安全性，杜绝爆炸事故的发生，采取了综合防爆改装方案。通过采取以下措施获得了不错的成效：①洞内设施各类机电设备采用防爆型，移动设备（装载机、挖机、汽车）安装了瓦斯断电系统；②超前地质预报设备：防爆钻机2 台；③钻孔设备：风动凿岩机、防爆型煤电钻；④供风、供水、照明设备：防爆型轴流风机、阻燃型防静电通风管、抽水机、高压水箱、发电机、变压器、防爆灯等；⑤瓦斯监测设备：光学瓦检仪、便携式瓦检报警仪、瓦斯自动检测报警断电装置、多参数检测报警仪等；⑥塑封起动机、柴油机自动保护装置、尾气处理等。

总体来说，采取车载瓦斯检测仪+电闭锁改装+电气隔爆改装等综合防爆方案。

4 结束语

结合机械设备的防爆改装，通过实际案例进行了分析，总结了适用于高瓦斯隧道工程施工的机械设备改装方法。经过工程施工检验，采取综合防爆方案，对保障隧道施工安全有序开展，起到了积极的作用，具有推广应用价值。