高寒地区长斜井扩挖通风技术分析与研究

石 春,李世斌,陈建龙

(中电建建筑集团有限公司,北京 100120)

1 概述

敦化电站引水系统斜井导井贯通,打破了原来的盲洞效应,洞室水汽和烟尘顺着导井通道上下流动,受外界气候气压和洞室正压风机驱动,烟气流动呈现不规律状态,晴好天气为上行方向,阴雨或雾天为下行方向,气候变换期间,烟气自然驱动力较差,呈现洞室滞留状态,对斜井施工和邻近作业面如钢管安装焊接、混凝土衬砌造成极大影响,解决洞室群通风排烟迫在眉睫。

此前,众多学者关于施工通风技术方面做了大量的研究,金珍宏[1]通过布置通风系统来改善地下洞室群的施工通风条件；费万堂等[2]研究设计出高寒地区冬季隧道内施工防寒保暖散烟系统,结合管道通风和自然通风的方式进行通风；王勤学等[3]通过对通风防尘标准、通风设备选择、通风系统布置等研究,探讨长隧洞钻爆法施工通风散烟问题的重要性；刘芳明等[4]通过选择合理的通风量、通风方式、通风设备和系统布置方案,采用合适的喷雾洒水、改进施工设备等综合工程措施,降低洞内空气中主要有害气体和粉尘,达到改善作业环境的空气质量。

多数学者主要是对洞室群或长隧洞通风问题研究为主,而高寒地区长斜井通风问题却少有研究。因此本文通过对高寒地区长斜井扩挖通风的研究,提出了一种有效解决高寒地区斜井扩挖通风方案。

2 工程概述

2.1 工程概况

敦化抽水蓄能电站引水系统主要由1#引水系统和2#引水系统组成,每条引水洞含2 个斜井段：上斜井和下斜井,共4 条斜井,坡度均为55°,断面均为马蹄型。

其中上斜井单长为419.06m,开挖断面为6.8*6.7m(马蹄形),单段石方开挖量约为16862m3；下斜井单长为466.36m,开挖断面为6.0*5.9m(马蹄形),单段石方开挖量约为13851m3。斜井总长度为1770.84m,石方总开挖量约为61426m3。单条斜井施工顺序为先正导井或反导井开挖,然后再从上至下进行扩挖。

1#上斜井上弯段距引水上支洞与引水管道上平段交岔处约70m,下弯段距引水中支岔洞与引水管道中平段交岔处约为338m；1#下斜井上弯段距引水中支洞与引水高压管道中平段交岔处约为139m,下弯段距引水下支洞与引水高压管道下平段交岔处约为14m。无施工支洞直接通往斜井段。

2.2 烟气来源

(1)爆破烟尘：斜井全断面爆破,每炮使用岩石炸药约120kg。(2)车辆设备尾气：出渣车、装载机、混凝土罐车、通勤车尾气。(3)焊接烟尘：钢管焊接、钢筋焊接、零星构件焊接烟尘。(4)生产粉尘：扒渣、装载机装渣、仓面清仓、灌浆拆倒水泥产生粉尘。(5)水汽：洞室内空气中水分预冷凝结形成。

2.3 通风方式优化

目前风机组基本满足洞室风量流通置换,但纯压入式通风方式在斜井导井贯通后,尤其是冬春季节,受外界严寒气候影响,通风能力减弱程度较大。由于上下贯通,洞室群风流紊乱。多个通风口与洞外贯通,自然风进洞不再是难事,主要考虑尽快将污浊废气排出洞室,减少烟气在掌子面集聚,加快新鲜风量输入作为解决通风思路,拟在斜井段增设可逆真空射流风机,加快巷道空气流通,结合冬季施工洞室保温措施,辅助以“人造盲洞”设置,达到掌子面、作业面空气清新的目的,满足正常施工条件。

3 斜井开挖通风措施

目前洞室主要使用的轴流风机设备应用到斜井扩挖中会存在以下局限性：(1)功率大(2*55kW、2*75kW、2*90kW、2*110kW),购置和运行电费用较高。(2)自重较大(2.5t 以上),斜井大盘台车限重为3t,安装风险较大。(3)轴流风机直径较大(直径1m～1.8m),影响斜井大盘台车上下正常运行。

考虑到目前通风设备局限性以及斜井扩挖过程中面临的通风问题,急需寻找一种能够有效解决斜井空气流动且成本较低的方法。

3.1 再造盲洞效应

洞室群是一组联通的网管结构,空气在巷道中流通时方向紊乱,还有不同程度的“窝风”效应,不能形成有效的回流,借助洞室岩壁和竖向封堵材料形成盲洞,正向新鲜空气压入作业面,驱逐烟尘废气,为掌子面、作业面工作人员提供新鲜空气,提高作业面能见度,保证作业效率。

(1)在斜井上下弯段各设置阻风门,骨架为型钢结构,有一定的强度,采用锁脚锚杆固定,面板为彩钢板铁皮,沿隧洞底板两侧采用铰链固定在门柱上,一侧面板可留取人员通行平开门一樘,斜井弯段处阻风门见图1。大门上部采用铁皮密封,与洞壁接触部位采用土工布,砂浆或发泡胶进行封堵,大大减少巷道内空气对流速度。新鲜空气压入工作面时,很快将烟尘废气置换,作业面空气良好。

(2)斜井导井设计尺寸为2.4*2.4m 矩形断面,作业人员在司钻和锚喷作业时将井口封闭,减少井下烟气向上流动。可在每个斜井导井掌子面处采用帆布风包下放到导井上口,用尼龙绳固定在井口篦子横撑钢筋上,然后充入气体,风包与导井井壁贴合,风包上方加盖保护材料,装药爆破时将风包放气,提出导井口,收起备用,斜井导井风包设计示意图见图2。导井上口封闭形成盲洞效应,作业面废气被压入的新鲜空气置换,可以始终保持作业面空气清晰,能见度高。

图1 斜井弯段处阻风门

(3)及时对引水隧洞上游处调压井进行固结灌浆后再封闭,封闭后的调压井可以防止空气从调压井口进入到洞室内,减少空气在洞室群内流动,从而有效地减少洞内烟尘废气流窜,提高工作面能见度以及空气质量。

3.2 加速空气流通

在阴晴气候变化期间,洞室气压处于基本平衡状态,烟雾聚集在洞室,呈现滞留现象,工作面基本无法施工,需要采取机械驱动,迫使巷道空气流动,将新鲜空气引入掌子面,达到作业面清晰、空气新鲜。在原通风设计基础上,增设射流风机来驱动巷道空气向设定方向快速流通。

隧道射流风机主要用于地下隧道或者交通隧道的通风换气以及发生火灾时的消防排烟,是一种应用范围广泛的工业风机类型,具有压力高流量大的特点并具有效率高,节能、噪音低、安装方便等特点,能在隧道中起到重要作用。隧道射流风机不占用交通面积,不需要另外修建风道,土建造价低；隧道射流风机安装容易,运行、维护简单,是一种很经济的通风方式。隧道射流风机将隧道本身作为风道,风机工作时,能从给定的能量中,产生较高的推力。隧道中空气的一部分被风机吸入,经叶轮做功后,由风机出口高速喷出。基于冲击传动原理,高速气流把能量传给隧道内的另一部分空气,带动其一起向后流动,从而把隧道内的空气推向出口一端,并从进口吸入新鲜空气。对于较长的隧道,当气流速度衰减到一定值之后,下一组风机又以同样的方式继续带动空气流动,实现了排除隧道内污染空气的目的。

SDS(R)型遂道射流风机有电子式和机械式两种切换方式,可在30 秒钟内正反转切换到风机额定转速。遂道射流风机采用先进技术工艺所研制开发的新产品,其外壳由美国进口专用机床旋压翻边成形,叶轮段内壁经精细加工,既保证机壳的同轴度和强度,又保证叶片径向间隙,表面涂装处理,外形美观及防腐性能优良。内置鼠笼全封闭式射流通风机配套电机,并设法兰安装盘,电机绝缘等级为H 级,防腐等级为IP55。其风量大小可以通过改变叶片数和叶片角度来满足要求。对于噪声要求高场合,可增加消声器来减少其噪声。

3.3 可逆式射流风机反向抽排

原轴流风机为单向风机,将风机分别移位,改为反向抽排方式将进风口附近废气抽排,三岔口布置较大功率风机接力,将烟尘废气排出,室外气温较低,气压高,新鲜空气自然通过各支洞口、调压井井口等进入巷道和洞室,实现掌子面、作业面空气置换。由于钢管运输实现大节进洞,负压风管影响较大,暂不设置,在烟气较大部位,采用移动式射流风机辅助加快废气向反抽风机口方向流动。可逆式射流风机示意图及设计参数见图3。

图3 可逆式射流风机示意图及设计参数

以下斜井为例,选用4 台SDS(R)-6.3-2P-4-30°型可逆式射流风机按照100m 左右接力,对下斜井扩挖时加强通风。风机功率15kW,出机口风速36.4m/s,风量11.3m3/s,推力468N,整机重量377kg,分别安装于上井口、井下100m、井下200m、井下300m 处,根据斜井自流风向选择正向送风或反向抽风,达到掌子面空气清新的目的。可逆式射流风机SDS 性能参数见表1。

3.3.1 通风机布置

(1)上支洞工区

a.在引水上支洞及岔洞接近2# 引水洞口布置2*55kW 轴流风机各一台,接引直径1.2m 风筒布,反抽烟尘至三岔口连接2*90kW 风机接力,通过风筒布将烟尘排出上支洞口。

表1 可逆式射流风机SDS 性能参数

b.在调压井阻抗孔上游侧布置2*55kW 轴流风机各一台,接引1.0m 风筒布,向引水隧洞压入新鲜空气,迫使引水隧洞衬砌钢筋绑扎焊接烟尘散出,通过反抽风机排出。

c.在斜井上口、井下100m、井下200m 分别安装射流风机一组,根据自然风流向调整风机正反向运转,正向运转,气流向上走,底部阻风门关闭,掌子面污浊气体上行至反抽风机排出；反向运转,气流向下走,底部阻风门打开,污浊空气下行通过中支洞反抽风机排出。

d.调压井及下部5.6m 断面钢筋焊接烟尘通过调压井自流排出。

(2)中支洞工区

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 轴流风机各一台,接引直径1.2m 风筒布,反抽烟尘至三岔口连接2*110kW 变频风机接力,通过风筒布将烟尘压出中支洞口。

b.在下斜井井口、井下100m、井下200m、井下300m处分别设置射流风机一台,根据自然风流向调整风机正反向运转,正向运转,气流向上走,底部阻风门关闭,掌子面污浊气体上行至反抽风机排出；反向运转,气流向下走,底部阻风门打开,污浊空气下行通过下支洞反抽风机排出。

c.在高压管道中平段布置移动式射流风机各一组,随钢管安装进度向前移动,根据洞室巷道风向调整风机正反转,保持作业面空气清新,焊接烟尘上行或下行都可通过交叉口反抽风机排出。

d.在下支洞与2#下平段岔口设置2*75kW 轴流风机一台,接引直径1.2m 风筒布,反抽烟尘至下支洞口,促进下平段、支管段和下斜井下行烟尘排出,见图4。

3.3.2 加强隧道通风的管理措施

(1)文明施工队组织专门的通风工班,建立健全管理制度,通风机派专人管理值守,按规程要求操作风机,定期检修和润滑风机。

图4 可逆式射流风机布置示意图

(2)狠抓“防漏降阻”工作,只有管道漏风率和摩阻系数小,才能确保单机送风距离长,效果好。因此,应设置专职风管维修工,每班必须对全部风管进行检查,不平、不顺之处及时调直调平。发现风管破损漏风及时处理。轻微破损的管节,采用快干胶水粘补,粘补后30 分钟不得送风,严重破损的管节,必须及时更换,从而降低漏风系数,保证管道密封度。

(3)加强运输设备的维修保养制度,按照设备管理要求定期维修,特别是进气和燃油系统,进行强化保养,并实施燃油沉淀过滤方法,减少废气的排放量。

(4)对施工产生的粉尘进行综合治理,除采用常规的机械通风、湿式凿岩、除渣洒水、冲洗岩帮、个人防护外,还可采取局部净化的处理方法,控制尘源所产生的粉尘扩散等措施,可大大改善工作面的环境质量。

3.4 成本投入情况对比分析

具体以1#下斜井扩挖(直线段长426m)为例,来说明采取以上通风措施前后的成本投入情况。

每天现场作业人员投入情况为钻工7 人,扒渣工5人,钻工工资350 元/天,扒渣工工资200 元/天,进度延误履约考核1000 元/天,射流风机2 万元/台,其功率为15kW,1# 下斜井正常扩挖完成预计需要170 天,1 台145kW 空压机(按24 小时运行,电费0.6 元/kW·h 计算)。

(1)采取以上措施前,斜井扩挖循环进尺为1.5 天/3m,人员总投入为122.26 万元,同时洞内烟尘雾气大,能见度低,空气质量差,现场作业人员工作效率大大降低。

(2)采取以上通风措施后,斜井扩挖循环进尺为1.0天/3m,人员总投入为81.71 万元,且洞内烟尘雾气明显减小,空气质量满足作业要求,对临近工作面影响大大降低。

通过对比分析：采取通风措施后的斜井扩挖施工成本投入能够节约40.55 万元。

4 结束语

当洞外为晴朗天气时,洞内产生的烟尘和水汽会呈向上游方向窜流趋势,导致洞内上游方向烟尘和水汽较大,此时可以利用射流风机将上游口烟尘和水汽从中支洞抽排至洞外,当洞外出现阴雨或雾天气时,洞内产生的烟尘和水汽会呈向下游方向窜流趋势,导致洞内下游方向烟尘和水汽较大,此时反向抽排方式将下游侧进风口附近烟尘和水汽抽排至交通洞外。采用“再造盲洞效应”及结合可逆式射流风机,不仅可以有效降低斜井扩挖工作面的烟尘和水汽,而且还减小了对临近的钢管安装焊接、混凝土衬砌工作面的影响,且能够有效降低成本投入。同时通过现场仪器检测,洞内粉尘检测值满足施工要求,工作面能见度大,从而提高全员劳动生产率和量产能力。