瓦斯监测系统在隧道施工中的应用

朱得斌

摘要：基于瓦窑岭高瓦斯隧道在施工过程中瓦斯监测系统的应用，重点介绍了瓦斯监测系统的设备组成、系统布局、系统配置和施工中的具体应用。在施工过程中采用人工瓦斯检测和瓦斯监测系统相互配合，对整个施工过程进行现场实际监测，使施工中瓦斯浓度得到有效控制，保证施工环境安全。最终总结得出瓦斯监测系统的应用对指导高瓦斯隧道施工的重要性。

关键词：瓦斯检测；瓦斯隧道；瓦斯监测系统；瓦斯浓度

中图分类号：U456.33文献标志码：B

Abstract： Based on the application of gas monitoring system in the construction process of Wayaolin gas tunnel， an introduction of various gas detection methods was made systematically，including the equipment， system layout and configuration， and practical application in the construction. In addition， it was proposed that the gas detection by manpower and gas monitoring system should be combined to effectively control the gas concentration and provide a safe construction environment.

Key words： gas detection； gas tunnel； gas monitoring system； concentration of gas

0引言

近年來，中国加大基础设施建设，对高速公路的投入不断增加。在穿越煤层的公路隧道建设中，瓦斯爆炸仍是安全生产的最大威胁[14]。接连发生的多起公路隧道瓦斯爆炸事故令人触目惊心，因此通过强化瓦斯管理提高通风、瓦斯监控水平，已成为高瓦斯公路隧道瓦斯检测最迫切的任务之一[58]。

本文以瓦窑岭高瓦斯公路隧道建设项目为背景，在整个施工过程中通过对瓦斯控制过程进行现场实际调查，分析所采用的瓦斯检测技术、监控系统和检测设备，总结应用瓦斯监测系统对指导高瓦斯隧道施工的重要性。

1工程概况

瓦窑岭隧道建设项目属于国家青兰高速山西段临吉高速公路，位于山西省临汾市乡宁县双鹤乡境内，为上、下行分离式双向四车道长隧道，隧道左洞全长1 464.44 m，右洞全长1 470 m，是采空区瓦斯隧道。隧道设计行车速度为80 km·h-1，单向纵坡坡度为200%，净高为50 m，最小曲线半径为1 050 m。隧道穿越Ⅳ、Ⅴ级围岩，衬砌结构设计为复合式衬砌，进口采用端墙式洞门，出口采用削竹式洞门。

瓦窑岭隧道施工前对采空区进行治理，施工中注意通风，并采取瓦斯监测系统与相关技术措施进行瓦斯监测。隧道瓦斯监测系统在采用自动监控的同时，也采用人工监测，2种监测方式功能互补、职能互动，形成较为完善的联控监控体系，能及时报告隧道进、出口瓦斯浓度并有报警功能，能及时采取相应的防范措施对隧道施工进行有效的动态管理。

2隧道瓦斯检测监控系统

应隧道施工和管理的要求，为保障施工安全，隧道瓦斯检测监控系统主要对矿用瓦斯监控系统进行相应的改造。在传统瓦斯检测装置的基础上，将遥测、遥控技术以及监视、电子计算机等多种先进技术装置组成新的隧道瓦斯检测监控系统。

隧道瓦斯检测监控系统在整个施工过程中检测和监视CH4、CO等有关气体浓度、环境及洞内工作面的机电设备运行状态等，数据的分析和处理采用计算机来完成，是对洞内施工环境或施工过程进行控制的一种系统[913]。

对矿井空气成分的监测是传统煤矿瓦斯监控系统的监测内容，空气中污染物的浓度是主要的监测指标，包括CH4、CO、NO、NO2、炮烟等；温度、风速等指标属于对空气物理状态的监测；同时还要监测施工中各种设备的运行状况。隧道施工过程中的主要监测内容相对煤矿瓦斯监控系统进行了简化，主要包括对隧道内空气成分、风机风速和施工过程中洞内人员（人数）。

KJ90新型宽带快速反应综合监控系统是该隧道施工过程中采用的瓦斯监控系统，由中国煤炭科学研究院重庆分院研制。监控分站采用八模八开KFD2型大分站，分别在开挖掌子面、边墙开挖面、衬砌工作面、洞口回风流中设置KG9701低浓度瓦斯探测器。

2.1KJ90瓦斯监控系统的组成

KJ90新型宽带快速反应综合监控系统主要由地面监控中心站接入服务器、防爆工业以太网交换机、网络终端、网管设备、洞内宽带传输分站、传输光缆及双绞线、有毒有害气体及工矿传感器、断电控制器等设备与监控系统主控软件共同组成。其中监控系统主控软件是KJ90宽带快速反应综合监控系统的核心。瓦斯报警断电装置是隧道中应用较广泛的瓦斯监测仪器，长期自动、连续监测风流中的瓦斯浓度。当瓦斯浓度超限时，仪器发出声光报警信号；为保证施工安全，当瓦斯浓度超过断电值时，主机切断洞内电器设备的电源，防止产生火花，引起爆炸。

瓦窑岭高瓦斯隧道采用ADJ2型瓦斯报警断电仪、AK20A瓦斯报警切断仪切断洞内电器设备的电源。另外，常用的仪器主要还有AWD3型瓦斯报警断电仪、KJ700S智能型风电瓦斯闭锁装置、FD2B1型风电瓦斯闭锁装置等。

2.2隧道监控系统布局

隧道施工过程中，严格按要求进行瓦斯浓度的检测。在隧道洞口设置瓦斯检测系统控制室，配备主机1台，分机2台，工作人员2名。分别在隧道二次衬砌（检测回风流瓦斯浓度）和掌子面设置瓦斯传感器、CO传感器和风速传感器，为保证能够实时监测洞内瓦斯浓度，每个洞分别安装1套瓦斯检测设备。

瓦斯检测系统的布置包括洞口值班室、瓦斯检测安全员室、各工作面传感器布置及断电仪布置等。隧道施工过程中，检测系统分别对掌子面、边墙开挖面、衬砌工作面和洞口的瓦斯浓度、CO浓度及风速进行监测。瓦斯监测警报系统设置如图1所示。

在隧道施工过程中，根据不同的瓦斯浓度直接指导施工，为施工安全提供技术保障。瓦斯浓度施工指导见图2。

（1） 当隧道开挖工作面瓦斯浓度不小于05%时，第1次声光报警，可正常施工，但停止洞内内燃机；隧道开挖工作面瓦斯浓度不小于1.0%时，可正常施工，但停止放炮作业；隧道开挖工作面瓦斯浓度不小于1.5%时，切断隧道内全部非本质安全型电气设备（电焊设备、切割设备、非防爆改装的运输工具、混凝土泵机、钻机等）的电源并闭锁；当隧道开挖工作面瓦斯浓度小于1.0% 时，自动解锁。

（2）隧道开挖工作面回风流中的瓦斯浓度不小于10%时，声光报警，切断开挖隧道内全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当隧道开挖工作面回风流中的瓦斯浓度小于10%时，自动解锁。

（3） 局部瓦斯聚集浓度不小于2.0%时，20 m范围内停工、断电、撤人，加强通风。

瓦窑岭隧道掌子面传感器横断面布置见图3。分别在掌子面拱部设置1个瓦斯传感器和1个CO传感器，并在掌子面拱腰部设置1个瓦斯传感器。

2.3隧道监控系统人员配置

瓦窑岭隧道为瓦斯隧道，施工中建立专门防爆机构，制定严格的规章制度，全隧道定点设置瓦斯报警仪，監测隧道内瓦斯浓度变化情况。专业瓦斯检测人员、洞内领班人员和生产指挥者均携带便携式瓦斯报警仪，随时检测瓦斯浓度。

该项目施工过程中进口工作面配置安全工程师1名、现场安全员3名（1名负责现场安全，2名负责炸药库管理）、瓦斯检测员2名、洞内领班4名、现场技术员2名、项目副经理1名。出口工作面与进口工作面人员配置相同。另外，现场监理员与监理安全工程师也对现场有监督指导义务。

瓦窑岭隧道施工中技术人员数量较充足，真正做到了对瓦斯浓度的实时监测。瓦斯检测员严格执行“一炮三检”制度，即在钻孔前、钻孔后及爆破后分别进行及时的瓦斯浓度监测，对比瓦斯监测系统的数据，进一步为施工提供安全保障[1417]。

3现场瓦斯监测应用

瓦窑岭瓦斯隧道分为进口和出口2个工作面，每个工作面分别设置一整套KJ90瓦斯检测系统，在整个施工过程中检测瓦斯浓度、CO浓度及回风流风速。现场配置2名瓦斯检测系统管理人员，全天24 h对隧道内的瓦斯浓度进行实时监测。下面简单介绍KJ90瓦斯检测系统在实际监测中的几点应用。

3.1测点定义

系统定义的核心内容就是测点定义，只有先进行测点的定义，才能对数据进行监测。在菜单栏中用鼠标单击“参数设置（S）”菜单，弹出下拉式菜单，即可完成设置。

3.2报表编排与打印

瓦窑岭瓦斯隧道施工中采用的KJ90煤矿检测监控系统软件提供报表打印功能，按时间分有班报、日报、月报，按类型分有开关量报表、模拟量报表。报表内容包括类型、最大值、最大值时刻、最小值、最小值时刻、设定断电、设定报警、报警次数、超上控次数、超上控时间、断电次数、断电时长、故障次数、故障时间、馈电异常次数和馈电异常时间等[1819]。

3.3瓦斯浓度监测实例分析

隧道施工中为保证现场施工安全，防止瓦斯爆炸，进口和出口在采用自动监控的同时，也采用人工监测，二者互相验证。每个工作面安排2名瓦斯检测员进行瓦斯检测，分白班和夜班两班倒，在整个施工过程中不间断进行瓦斯浓度监控。瓦斯监测系统瓦斯浓度变化如图4所示，现场实际检测数据如表1所示。

4结语

在瓦斯隧道施工过程中，自动监控和人工监测同时进行，以确保施工过程的安全。在施工过程中先后出现2次瓦斯浓度超过5.0%的紧急情况，在此过程中瓦斯检测监控系统自动报警，自动断电，使洞内施工人员及时退出危险区域，避免了人员和财产的损失。

参考文献：

[1]刘西青.论国内煤矿瓦斯监控系统现状与发展[J].焦煤科技，2006（3）：3740.

[2]李洪彬，万成华.浅谈高瓦斯隧道的瓦斯预报和防治[J].筑路机械与施工机械化，2012，29（8）：7778.

[3]王敬.穿越不良地质路段特长隧道的设计和施工措施[J].筑路机械与施工机械化，2014，31（12）：9497.

[4]张磊，李永福，孙杰，等.瓦斯隧道施工通风流场及瓦斯迁移研究[J].地下空间与工程学报，2014，10（1）：184190.

[5]刘敦文，唐宇，李波，等.瓦斯隧道施工通风风筒优化数值模拟及试验研究[J].中国公路学报，2015，28（11）：98103，142.

[6]侯田海.内昆铁路朱嘎隧道施工通风技术[J].筑路机械与施工机械化，2003，20（4）：3739.

[7]王磊，郭洋洋.特长公路隧道运营网络通风技术[J].长安大学学报：自然科学版，2012，32（4）：5154.

[8]吕康成，伍毅敏.特长公路隧道排送组合通风设计计算[J].长安大学学报：自然科学版，2009，29（5）：8185.

[9]明建龙.高瓦斯隧道监控与施工通风设计[J].铁道建筑，2009（2）：1820.

[10]罗占夫.瓦斯隧道施工中瓦斯自动监测系统的设备选型及应用[J].隧道建设，2002（3）：2729.

[11]王军号，孟祥瑞.物联网感知技术在煤矿瓦斯监测系统中的应用[J].煤炭科学技术，2011，39（7）：6469.

[12]吴姗姗，黄友锐，史明，等.基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统的设计[J].煤矿机械，2012，33（5）：7073.

[13]苏举端，高春艳，谢殿荣，等.煤矿瓦斯监测系统的分析与研究[J].工业安全与环保，2009，35（10）：3032.

[14]郝俊锁，沈殿臣，王会军.梅岭关瓦斯隧道施工技术[J].现代隧道技术，2011，48（2）：141144.

[15]陈沅江，程刚.瓦斯隧道施工安全标准化管理实施方案研究[J].中国安全科学学报，2012，22（5）：142148.

[16]班晓军.隧道瓦斯监测体系优化设计与安全管理分析[J].北方交通，2013（12）：4750.

[17]赵菊梅，杨其新，刘东民.隧道瓦斯监测与爆炸预防[J].山西建筑，2007，33（31）：290291.

[18]康小兵，胡卸文，许模，等.高瓦斯隧道施工瓦斯监测系统研究[J].水力发电，2014，40（7）：9496.

[19]王春梅，周仕强，李磊.隧道工程瓦斯监测系统的研究[J].华东公路，2011（3）：4547.

[责任编辑：王玉玲]