信息化監(jiān)控技術(shù)在瓦斯隧道中的應(yīng)用研究

陳雨龍，杜欣融

(中國葛洲壩集團三峽建設(shè)工程有限公司 宜昌市 443000)

0 引言

隧道工程建設(shè)不可避免地要遇到穿越煤系地層和賦存瓦斯的隧道。《鐵路隧道工程施王技術(shù)指南》(TZ204-2008)中規(guī)定“鐵路隧道勘測與施工過程中，通過地質(zhì)勘探或施工檢測表明隧道內(nèi)存在瓦斯時，該隧道應(yīng)定為瓦斯隧道”。統(tǒng)計了在建設(shè)瓦斯隧道施工過程中可能發(fā)生的各種事故的比例，其中瓦斯事故的比例為10%，在所有類型的隧道施工安全事故中位居第二，僅次于冒頂事故(66%)[1]。瓦斯隧道施工過程中所面臨的瓦斯災(zāi)害主要表現(xiàn)為5個方面，即中毒、窒息、燃燒、爆炸和突出，其中以瓦斯爆炸最易發(fā)生，而瓦斯爆炸一旦發(fā)生，將會造成巨大的經(jīng)濟損失和重大的人員傷亡。事故的提前預(yù)防與有效管控，關(guān)鍵的技術(shù)就是針對人的行為的約束以及對環(huán)境變化的有效監(jiān)管[2]。

現(xiàn)代的計算機技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展為信息化技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)的建立提供了可靠的技術(shù)支持，也為瓦斯隧道施工這一危險的施工作業(yè)提供了保障。人員定位系統(tǒng)可實現(xiàn)將洞內(nèi)施工人員的實時位置和動態(tài)軌跡等信息通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制計算機控制平臺，計算機和洞口LED屏顯示洞內(nèi)人員位置；視頻監(jiān)控系統(tǒng)在洞內(nèi)掘進工作面、二次襯砌段和洞口等位置布置攝像機，通過無線網(wǎng)橋技術(shù)實現(xiàn)24h傳輸至視頻服務(wù)器，并實現(xiàn)通過監(jiān)視器與移動端實時觀看；瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)采取人工檢測與瓦斯自動監(jiān)測相結(jié)合的瓦斯檢測方法，可實現(xiàn)不間斷的對洞內(nèi)CH4、H2S、CO、CO2、溫度及風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)的采集、傳輸與處理[3]。

依托巴通萬高速公路王家?guī)r特長高瓦斯隧道，研究人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)三種信息化監(jiān)控技術(shù)在瓦斯隧道施工中的應(yīng)用研究，對探討瓦斯隧道信息化技術(shù)的應(yīng)用，提升瓦斯隧道施工管理技術(shù)水平、提高瓦斯隧道施工安全監(jiān)管力度具有重要的指導(dǎo)意義。

1 瓦斯隧道的信息化監(jiān)控系統(tǒng)

瓦斯隧道的信息化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，其中人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要針對作業(yè)人員的管理與約束，瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)主要針對作業(yè)環(huán)境的監(jiān)控與管理[4]。

1.1 人員定位系統(tǒng)

人員定位系統(tǒng)采用RFID射頻識別技術(shù)，通過射頻標簽、讀卡器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成部分，達到洞內(nèi)施工人員的實時位置和動態(tài)軌跡等信息通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至管理平臺，顯示洞內(nèi)人員位置的目的。值得注意的是，人員定位系統(tǒng)不僅僅可以定位作業(yè)人員，也可以通過定位人員定位相對應(yīng)的機械設(shè)備以及物質(zhì)材料。

基于人員定位系統(tǒng)的瓦斯隧道施工管理必須遵循“統(tǒng)一發(fā)卡、唯一信息、統(tǒng)一管理”的原則，實行“人卡對應(yīng)”制度，憑卡上崗，持卡進洞。

人員定位系統(tǒng)具有以下主要功能：

(1)考勤管理。系統(tǒng)能夠?qū)崟r對進出洞內(nèi)作業(yè)人員、機械設(shè)備、物質(zhì)材料進行數(shù)量、分布狀況以及行動軌跡情況進行分類統(tǒng)計，并且可以自動匯總、存儲、顯示以上信息。詳細的可以按照姓名、工種、部門、機械設(shè)備種類、物質(zhì)材料種類等條件查詢考勤情況。

(2)定位管理。系統(tǒng)可以實時查詢具體某一個區(qū)域的人員、機械設(shè)備與物質(zhì)材料的具體信息，包括數(shù)量、分布以及軌跡等信息，對加強人員和設(shè)備使用監(jiān)控提供準確的數(shù)據(jù)，一方面保證作業(yè)人員、管理人員、機械設(shè)備等的出勤率和到崗率，另一方面也可杜絕因人員不到位情況導(dǎo)致的責(zé)任事故的發(fā)生。

(3)限制管理。系統(tǒng)可設(shè)置人員限制條件并觸發(fā)報警，限制條件包括兩大類：

①通過進入隧道人員實際數(shù)量與標簽識別卡數(shù)量的對比，限制無卡人員進入作業(yè)區(qū)并觸發(fā)報警；

②通過設(shè)置特定區(qū)域的報警觸發(fā)事件，設(shè)定標簽識別卡的權(quán)限，例如爆破作業(yè)時的警戒區(qū)，非授權(quán)人員進入會顯示并報警。

(4)災(zāi)后急救。隧道內(nèi)一旦發(fā)生事故，事故發(fā)生點能夠第一時間獲取洞內(nèi)信息，包含人員數(shù)量、人員信息、人員位置等，這些信息為災(zāi)后救援與預(yù)防二次災(zāi)害發(fā)生提供重要決策依據(jù)，可進行高效率的搶險和救護。

1.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

瓦斯隧道的施工工藝有別于一般的隧道工程，通風(fēng)、鉆孔、爆破、機械等均存在差異，在高瓦斯隧道中表現(xiàn)得更為明顯，因此在施工作業(yè)中對施工人員的規(guī)范約束變得尤為重要。事前的技術(shù)、安全交底與規(guī)章制度的制定、宣講都能夠在一定程度上對施工人員的作業(yè)進行約束，但是針對施工過程中的作業(yè)管理依然是靠傳統(tǒng)的管理模式，即現(xiàn)場管理人員深入施工作業(yè)區(qū)巡視檢查、監(jiān)督。但是傳統(tǒng)的管理模式，不僅受限于人力投入及管理人員水平，而且管理效率低下且存在盲區(qū)。

近年來，隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)以及圖像處理、傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，使得視頻監(jiān)控系統(tǒng)在施工現(xiàn)場的應(yīng)用成為可能。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要通過對監(jiān)控點視頻圖像采集、調(diào)用、控制等操作來針對某特定施工作業(yè)區(qū)域進行管理，它能夠24h實時反饋施工現(xiàn)場情況，在第一時間內(nèi)將施工現(xiàn)場情況以圖像或聲音的形式呈現(xiàn)給項目管理人員，從而使管理人員有效地作出反應(yīng)，并將發(fā)生事件全程錄像、即時抓拍、備份存儲，并對重要數(shù)據(jù)進行記錄，為處理事故提供切實證據(jù)[5]。

現(xiàn)階段的視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用三級架構(gòu)：一為視頻前端，主要包括了攝像機、現(xiàn)場項目部；二為Internet傳輸網(wǎng)絡(luò)，主要包括了前端信號的傳輸以及分控中心或者各種移動端；三為視頻監(jiān)控管理中心，主要包括服務(wù)器、存儲器以及顯示大屏。其中的一級架構(gòu)是關(guān)鍵，主要采用無線網(wǎng)橋技術(shù)，利用無線傳輸方式實現(xiàn)在兩個或多個網(wǎng)絡(luò)之間搭起通信的橋梁，最遠傳輸距離可達30km。

瓦斯隧道可以在主要的施工區(qū)域和重要的警戒區(qū)域，即洞內(nèi)掘進工作面、二次襯砌段和洞口位置布置攝像機，通過無線網(wǎng)橋技術(shù)將監(jiān)控畫面?zhèn)鬏敩F(xiàn)場管理中心，再通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控管理中心、移動端。通過監(jiān)控系統(tǒng)可以實時、不間斷地了解瓦斯隧道施工動態(tài)情況，提高了對現(xiàn)場施工的管理效率與管理水平，也增強了對作業(yè)人員的約束力，有效地減少了違規(guī)操作等，確保了施工質(zhì)量和施工人員安全。

1.3 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)

瓦斯隧道的重大危險源之一是瓦斯隧道施工封閉的環(huán)境中的瓦斯氣體對實體工程及作業(yè)人員的傷害，例如窒息、中毒、燃燒、爆炸等，主要因素為瓦斯?jié)舛?、引火溫度以及氧氣濃度?/p>

針對瓦斯隧道的瓦斯災(zāi)害，較為有效的、理想的措施就是通風(fēng)與對瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測。

通風(fēng)是瓦斯隧道施工中稀釋瓦斯體積分數(shù)、保障正常施工環(huán)境的主要手段；瓦斯監(jiān)測可展示瓦斯隧道施工中有害氣體的濃度，為預(yù)防瓦斯事故發(fā)生的主要措施，為制定瓦斯隧道施工措施提供依據(jù)。通風(fēng)的監(jiān)測參數(shù)主要為風(fēng)速與風(fēng)壓，通過風(fēng)速、風(fēng)壓的參數(shù)測定可以明確通風(fēng)效果。

瓦斯監(jiān)測技術(shù)在一定程度上可對瓦斯隧道的施工管理具有指導(dǎo)意義，而瓦斯隧道施工管理具有直接指導(dǎo)施工作業(yè)的作用，特別是通過瓦斯監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)資料合理、有效、及時地調(diào)整隧道施工工藝、通風(fēng)方案等，對保證工程安全、質(zhì)量，確保工程進度、成本有著舉足輕重的作用[6]。瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)采取人工檢測與瓦斯自動監(jiān)測相結(jié)合的瓦斯檢測方法，主要監(jiān)測的內(nèi)容有：洞內(nèi)各個施工作業(yè)區(qū)的CH4、H2S、CO、CO2濃度含量，溫度和濕度及風(fēng)速和風(fēng)壓等參數(shù)，并將參數(shù)信息反饋給系統(tǒng)管理中心，管理中心可提前設(shè)置限制參數(shù)，以制定相應(yīng)的處置措施，例如啟動報警、加強通風(fēng)、切斷電源或者疏散作業(yè)人員等。

瓦斯自動監(jiān)測與人工檢測構(gòu)成了瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，以自動監(jiān)測為主，人工檢測為輔，相輔相成、相互驗證、相互彌補。瓦斯自動監(jiān)測是將信號傳感器布置在待檢測區(qū)域，數(shù)據(jù)傳輸通過無線網(wǎng)橋技術(shù)進行傳輸至系統(tǒng)管理中心，實現(xiàn)洞內(nèi)、洞外實時監(jiān)測及預(yù)警；人工監(jiān)測主要針對瓦斯自動監(jiān)測未能涉及的局部作業(yè)區(qū)域，包括了局部的開挖面、使用中的機電設(shè)備、人員集中區(qū)域、瓦斯可能的聚集區(qū)，彌補瓦斯自動監(jiān)測分散的缺點。

2 實例應(yīng)用

巴通萬高速公路王家?guī)r隧道，位于四川盆地東北緣與陜南鄂西山地之過渡地帶，隧道穿越白田壩組、須家河組煤系地層，屬于高瓦斯特長隧道。

王家?guī)r隧道屬于分離式隧道，隧道開挖施工采用進口+斜井+出口5個工作面進行施工作業(yè)，并于每個洞口設(shè)置管理中心，集中對定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)進行管理。

王家?guī)r隧道的每個作業(yè)洞口均設(shè)置人員定位系統(tǒng)，為每位作業(yè)人員、管理人員錄入信息，制備標簽識別卡，同時為部分機械設(shè)備配備標簽識別卡，嚴格實行憑卡上崗，持卡進洞制度。共布設(shè)人員定位系統(tǒng)5套，制備標簽識別卡250張，備用標簽識別卡30張，并在洞內(nèi)掘進工作面和洞口管理中心及值班室設(shè)置防爆應(yīng)急電話，確保信息安全暢通。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)于作業(yè)洞口設(shè)置球形攝像頭，可進行360°旋轉(zhuǎn)的所有區(qū)域范圍監(jiān)控；于洞內(nèi)的襯砌臺車前、后布置槍機攝像頭，固定監(jiān)控掘進工作面與二次襯砌段。共布設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)3套，球形攝像頭布置5個，槍機攝像頭布置10個。

王家?guī)r隧道通風(fēng)采用獨頭壓入式通風(fēng)，于洞口30m處布設(shè)2臺軸流風(fēng)機通過雙抗風(fēng)管(阻燃、抗靜電)將新鮮空氣送至洞內(nèi)掘進工作面，風(fēng)管最前端距工作面10m；于作業(yè)臺車、加寬段、避車洞、橫行通道等處增加局扇通風(fēng)；于一般段落采用射流風(fēng)機通風(fēng)；力爭做到瓦斯?jié)舛劝聪♂尩?0.5%以下。

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)采取瓦斯自動監(jiān)測與人工檢測相結(jié)合的原則，人工檢測配備低濃度光干涉瓦檢儀、高濃度光干涉瓦檢儀、風(fēng)速表等檢測儀表，主要針對掘進工作面、回風(fēng)流處、作業(yè)臺車、仰拱作業(yè)區(qū)、避車洞、橫行通道、動火作業(yè)區(qū)進行檢測及作業(yè)旁站檢測；自動監(jiān)測采用礦用KJ90自動監(jiān)測報警系統(tǒng)，針對掘進工作面、高瓦斯及瓦斯突出工區(qū)的回風(fēng)巷、機電設(shè)備硐室的進風(fēng)側(cè)、回風(fēng)流處、主通風(fēng)機的風(fēng)管處等設(shè)置傳感器進行自動監(jiān)測。瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主要在針對CH4、H2S、CO、CO2濃度含量，溫度和濕度及風(fēng)速和風(fēng)壓等參數(shù)進行測定。共布設(shè)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)5套。

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)在檢測到回風(fēng)流處瓦斯?jié)舛?0.5%時報警，在檢測到掘進工作面瓦斯?jié)舛?1.0%時報警。斷電處理措施原則為：當掘進工作面瓦斯?jié)舛取?.0%，切斷掘進工作面及其附近20m內(nèi)全部電氣設(shè)備；當襯砌臺車處瓦斯?jié)舛取?.0%，切斷襯砌臺車至掘進工作面之間的全部電氣設(shè)備；當回風(fēng)流處瓦斯?jié)舛取?.0%，切斷已襯砌地段的全部電氣設(shè)備。

王家?guī)r隧道的人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)很好地規(guī)范了作業(yè)人員的行為規(guī)范，且增強了施工管理的有效性、及時性；瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)則安全、有效地保證了作業(yè)環(huán)境的實時監(jiān)控與快速反應(yīng)。人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)形成了一套綜合信息化監(jiān)控技術(shù)，并取得了良好的反饋。

3 結(jié)語

(1)人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)針對作業(yè)人員的管理與約束，瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)主要針對作業(yè)環(huán)境的監(jiān)控與管理，三者有機結(jié)合，構(gòu)成了一套綜合的瓦斯隧道信息化監(jiān)控技術(shù)。

(2)信息化監(jiān)控技術(shù)成功應(yīng)用于王家?guī)r高瓦斯特長隧道，并取得了良好的反饋，對提升瓦斯隧道施工管理技術(shù)水平、提高瓦斯隧道施工安全監(jiān)管力度具有重要意義。