双线高速公路煤与瓦斯突出隧道通风研究

张杰 ZHANG Jie

（中铁二十五局集团第四工程有限公司，柳州 545000）

0 引言

在隧道施工中有很多危险因素是隧道施工的风险源，其中煤与瓦斯突出问题是隧道施工中危险性最严重的安全隐患。煤与瓦斯突出是施工过程中发生的一种瓦斯的突然剧烈运动并造成十分巨大的动力效应现象，其破坏性极大，易引起瓦斯爆炸等突发性自然灾害。当隧道施工至煤层位置时，受隧道施工的影响使得煤层内瓦斯压力平衡状态受到破坏，从而造成瓦斯气体及巨大的弹性能力突然被释放，瓦斯及混合物以极快的速度喷射至作业区域，喷射出的瓦斯在遇到火源后燃烧或爆炸，从而对隧道内的人员机械设备甚至整个隧道产生严重的安全威胁。在贵州省桐梓至新蒲高速公路项目建林岩隧道施工中，项目部通过对隧道通风系统进行优化和改良，从而在短时间内可快速降低在煤与瓦斯突出时隧道空气中的瓦斯含量，保障了隧道内人员和设备的安全，同时也缩短隧道内有害气体的排放时间，也加快了隧道施工进度。改进后的通风系统在煤与瓦斯隧道施工中取得很好的效果。

1 工程概况

桐新高速公路1-2 标段位于贵州省遵义市汇川区及桐梓县境内，起讫里程为YK4+832～YK12+840，线路总长8.008㎞。起点位于汇川区板桥镇止于桐梓县茅石镇。其中隧道共计有3 座分别为：四平隧道出口、建林岩隧道进口和宗宝山隧道进口，其中建林岩隧道长度最长，地质最为复杂，危险性最高，施工难度最大。

建林岩隧道左线起讫桩号为ZK6+605～ZK10+534，长3929m，右线起讫桩号为YK6+630～YK10+520，长3890m，其中左线ZK9+480～ZK9+990（510m），右线YK9+490～YK10+010（520m）处穿越高瓦斯煤系地层。设计为分离式特长隧道，隧道衬砌内轮廓采用三心圆，内轮廓设计高程距拱顶高度5m，净宽10.75m，左右幅均为单向坡，纵坡坡率为-2%。

2 隧道通风方案设计

建林岩隧道为瓦斯隧道，左右幅各设置一条1.5m 防静电、阻燃的风管。当风管需穿越台车时，为避免台车移动作业损伤风管，需将风管从台车门架内侧穿越，从而避免风管因台车移动造成损伤，满足隧道内通风量要求。

采用管道压入式通风，主风机和备用风机距离隧道洞口位置不得小于30m，已确保风机吸入空气的新鲜，防止洞内排出的空气被风机二次吸入。为加强通风效果，在掌子面超挖位置、隧道断面变化位置、隧道坍塌区域、二次衬砌台车作业区域、防水板作业区域等作业人员较多位置安装局扇，以便加强上述区域的通风量，防止上述区域瓦斯浓度超标。风管设置在边墙上，高度不得低于施工车辆高度，当距离工作面50m 范围时需采用折叠式风管。见图1所示。

图1 建林岩隧道出口风机布置示意图

3 通风量计算

3.1 通风量计算

隧道掘进施工需风量，按照隧道内各工序同时作业施工人员最多时、瓦斯等有毒有害气体涌出情况、隧道内内燃气作业数量最多时、允许最小风速、一次爆破所用最多炸药量等条件逐个进行检验，取其中的最大值作为最终的隧道用风量。

①按照隧道内各工序同时作业施工人员最多时的新鲜空气计算风量。

隧道作业人员用风Q人=4×N×K

其中：4——每人需风量（m3/min）；

N——最大班进洞人数，50 人；

K——风量备用系数，取1.15；

计算得：Q1=230m3。

②按稀释和排炮烟所需风量计算。

通风区段临界长度：

A——同时爆破的炸药量（kg），最大断面开挖时，A=200kg；

S——隧道断面积（m2），隧道深部为V 级类围岩开挖断面按105m2；

b——爆破时所产生的有害气体量，b=40m3/kg；

K——扩散系数，K=0.53；

t——通风时间（min）长隧道按30min 计；

计算公式

③按将瓦斯浓度稀释到0.5%以下计算风量。

Q=q×k/r

Q——隧道通风量，m3/min；

q——瓦斯绝对涌出量，1.47m3/min；

r——工作面回风流瓦斯允许浓度，%，取0.5%；

k——瓦斯涌出不均匀系数，取1.5～2.0。

按将瓦斯浓度稀释到0.5%以下计算风量：

Q3=q×k/r=1.47×2/0.5%=588m3/min

④隧道内燃机器用风量。

Q=Q0T∑P

式中：Q0——内燃机作业最大功率单位时间内所需空气量指标，1kW 的风量不宜小于4.5m/min；

∑P——同时在洞内作业的各种内燃机最大功率的总和（kW），计算隧道出渣时1 台装载机、2 台出渣车，功率分别为162kW、107kW、150*2kW，经统计取∑P=569kW，内燃机利用率系数T=0.7

Q4=4.5×569*0.7=1792（m3/min）

⑤以隧道中最低风速计算风量校核。

根据《贵州省瓦斯隧道施工技术指南》，对于瓦斯容易聚集的位置，需加强局部通风，风速不宜小于1m/s。全隧道最低风速不小于0.25m/s。

按全隧最低风速0.25m/s 计算，

Q=60*S*Vmin

其中：

Q 为所需风量，m3/min；

S 为隧道开挖断面，m2，最大选取瓦斯地段V 类围岩开挖WS-Va 断面，105m2；

Vmin为隧道允许最低风速，m/s，取0.25。

需风量Q=60*105*0.25=1575m3/min。

由①-⑤计算结果可知，隧道内通风量以内燃机满负荷运转时所用风量进行控制，工作面所需风量Q=1792m3/min，按《公路隧道施工技术规范》JTG/T3660-2020 规定，供风量应按实际需风量的1.5 倍计算；

3.2 风压计算

隧道内通风阻力计算：风流与风管之间的摩擦力与局部摩擦力之和。

①摩擦阻力。

P阻=6.5×α×L×（Q/60）2/d5=4294Pa

其中α——风阻系数，取0.0025；

L——隧道通风长度，1000m；

d——配用风管直径，Φ1.5m 计算。

②局部阻力。

P局=0.1P阻（Pa）

通风阻力为：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 设备选型

结合上述计算，最大需风量为2688m3/min，最大通风阻力4724Pa。为确保隧道瓦斯工区通风安全，建林岩隧道出口段选择SDF（C）-No12.5 型轴流风机，最大风量为2912m3/min，最大风压为5355Pa，功率为2*110kW。

4 通风系统安装及注意事项

4.1 风机安装

应安装在距离洞口30m 以外，风机支架应稳固结实，避免运行中振动，洞外风机周边5m 范围内不得有任何杂物或堆积物，通风机进气口处设置铁篦子防止吸入硬物损伤风叶，风机与风管处应采用加强型柔性管进行连接，风机与风管接口应绑扎牢固，减少接头处的漏风。

4.2 风管安装

风管机连接管必须采用正规厂家产品，风管进场后需审核其合格证等质量证明文件，风管安装前后需对其外观尺寸，密封性等进行检查，尤其是风管接头位置需完好严密，接头粘贴牢固平顺。由于该隧道为瓦斯隧道，因此通风管必须为阻燃材质，同时还需抗静电，管体强度高，风管吊挂高度不得低于隧道净高的2/3，风管与挂线的系挂必须采用麻绳，严禁采用铁丝系挂。风管口到开挖掌子面的距离应不宜大于10m。

风管走向及安装应平滑顺直，不得有大的折角，接头严密，百米漏风率控制在2%以内。通风管破裂损坏时，应及时修补或更换。风机支架采用工钢焊接，埋入地面以下50cm，并浇筑50×50×50cm C20 混凝土基础。见图2 所示。

图2 风机支架示意图

4.3 风速测量

对于建林岩隧道中的风速，一般应选用中速风表（0.5～10m/s）或低速风表（0.3～5m/s）进行测定。采用机械式或电子式风表每旬对隧道风量进行测定，并填写记录表。

5 通风系统保障措施

①通风机必须按有关要求及规定进行“三专两闭锁”安装，“三专”是指专用用电线路、专用用电开关和专用变压器。同时通风机也要设置为双回路，以便当一路断电时，另一路应在10min 内接通，保证风机正常运转；同时必须安设有瓦斯电闭锁与风电闭锁装置，当隧道内瓦斯超限或停风时，必须能立即切断隧道内所有非本质安全型电气设备的电源。

图3 建林岩隧道出口通风系统现场图

②对局部使用的射流风机应加强保养，定时对其检测管理，确保其作业正常连续。

③通风机的日常管理需安排专人进行负责，必须按照有关规定和章程进行对风机的使用、维修、保养。当风机断电维修时需由专业安全人员统一指挥，不得随意停开机。

④风管采用“长、大、直、新”，风管节段长度可加长到20m 一节，减少接头数量和漏风量；风管安装做到平、直、稳、紧，穿越砌衬台车时尽量少弯曲不缩径，以减少阻力；采用高强度、低摩擦阻力的新型风管和密封性好操作方便的拉链式接头。

6 结束语

通过对隧道通风系统进行优化和改良，从而在短时间内可快速降低在煤与瓦斯突出时隧道空气中的瓦斯含量，保障了隧道内人员和设备的安全，同时也缩短隧道内有害气体的排放时间，也加快了隧道施工进度。改进后的通风系统在煤与瓦斯隧道施工中取得很好的效果，也为后续类似施工提供了借鉴和参考。