CN111219203B - 一种辅助坑道的瓦斯排放系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辅助坑道的瓦斯排放系统，包含连通辅助坑道的通风口，所述通风口能够用于放入存储装置，所述存储装置具有阀门，所述辅助坑道内设有瓦斯浓度采集部件，所述阀门和瓦斯浓度采集部件均连通控制系统，所述控制系统根据所述瓦斯浓度采集部件的采集数据控制所述阀门启闭，所述存储装置的阀门开启时能够释放气体。本装置能够有效降低封闭后的辅助坑道内的瓦斯浓度，杜绝瓦斯爆炸风险，避免引发事故，提高隧道运营的安全性，保障人员财产安全，有效节省人力成本，科学高效，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，特别涉及一种辅助坑道的瓦斯排放系统。
背景技术
瓦斯是指从煤层或者岩层内溢出的各种有害气体的总称，其主要成分是甲烷，由于甲烷易燃且具有爆炸危险，会对隧道的施工和运营造成巨大安全隐患。
现有技术中，隧道内的瓦斯防治主要采用封堵结合隧道内通风的方式进行，其主要措施包括：（1）隧道衬砌采用防水层等卷材全环封闭止水、气；（2）提高衬砌混凝土的抗渗性能；（3）在隧道内根据瓦斯浓度实施强制通风。由于隧道主要采用堵的方式进行瓦斯防治，衬砌背后的瓦斯气体，仅有极其微量的部分通过渗透以及现有隧道的排水结构引出，而大量的瓦斯实际在衬砌背后集聚，引起衬砌背后水压和瓦斯压力回升，最终侵入隧道正常运营空间产生安全隐患甚至引发事故。而通过现有隧道排水结构引出的瓦斯，在排水结构中水气混合，在隧道底部全纵向进行流通，虽然仅为微量，但也实际增加了瓦斯逸出的风险。
同样地，隧道的辅助坑道在隧道修建完毕后往往对其洞口采用封堵墙进行封堵，如果辅助坑道岩层中的瓦斯气体逸出并聚集在辅助坑道内部，将会带来巨大安全隐患，然而辅助坑道在隧道运营期间又必须封堵，辅助坑道内的瓦斯气体难以排出，一旦发生爆炸将会严重危害隧道的安全运营。
发明内容
本发明的目的在于克服现有隧道在运营期间封堵的辅助坑道中可能存在瓦斯聚集，导致有爆炸风险，甚至引发安全事故、严重危害隧道安全运营等上述不足，提供一种辅助坑道的瓦斯排放系统及排放方法。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种辅助坑道的瓦斯排放系统，包含连通辅助坑道的通风口，所述通风口能够用于放入存储装置，所述存储装置具有阀门，所述辅助坑道内设有瓦斯浓度采集部件，所述阀门和瓦斯浓度采集部件均连通控制系统，所述控制系统根据所述瓦斯浓度采集部件的采集结果控制所述阀门启闭，所述存储装置的阀门开启时能够释放气体。
采用本发明所述的一种辅助坑道的瓦斯排放系统，将所述存储装置通过与所述辅助坑道连通的通风口放入到所述辅助坑道内，所述瓦斯浓度采集部件能够实时或间隔的采集所述辅助坑道内的瓦斯浓度数据，当所述瓦斯浓度数据超过预设限值时，控制系统控制所述存储装置的阀门开启释放气体，使得所述辅助坑道气压增大，进而从所述通风口排出，以便降低所述辅助坑道的瓦斯浓度，所述存储装置的存量不足时，可以继续通过所述通风口增加所述储存装置，以便持续的保证对所述辅助坑道内的瓦斯排放，本装置能够有效降低封闭后的辅助坑道内的瓦斯浓度，杜绝瓦斯爆炸风险，避免引发事故，提高隧道运营的安全性，保障人员财产安全，有效节省人力成本，科学高效，具有良好的应用前景。
优选的，所述存储装置释放的气体包含氮气或惰性气体或空气。
采用上述设置方式，即可以通过释放氮气或惰性气体或空气来增大所述辅助坑道内的气压，以便将所述辅助坑道内的气体排出，从而降低瓦斯浓度。
优选的，所述瓦斯浓度采集部件包含若干个，所有所述瓦斯浓度采集部件均布于所述辅助坑道的内壁上部。
采用上述设置方式，有利于提高监测数据的准确度。
优选的，所述辅助坑道的坑底为斜面，所述辅助坑道的尾端低于所述辅助坑道设有封堵墙的一端。
采用上述设置方式，即当所述辅助坑道的形式为斜井和下坡的平行导坑，能够利于所述存储装置沿地面滚入所述辅助坑道的尾端，以提高排放瓦斯的效率和效果。
优选的，所述辅助坑道内设有滑槽，所述滑槽设于所述通风口下方，所述滑槽的尾端低于所述滑槽靠近所述通风口的一端。
如所述辅助坑道为横洞或其他形式的平行导坑，或者坑道地面杂物较多，采用上述设置方式，便于所述存储装置滑至所述滑槽尾端，利于在所述辅助坑道尽头释放气体，提高排放瓦斯的效率和效果。
优选的，所述通风口位于所述辅助坑道的封堵墙上方，所述通风口的朝向与通风口处的常年风向垂直。
由于甲烷的相对分子质量较小，采用上述设置方式，利于瓦斯气体的排出，同时避免外部气体因风向倒灌入所述辅助坑道内，还能便于外部自然风流动产生负压从而吸出所述辅助坑道内的空气。
优选的，还包含若干个氧气浓度采集部件，所有所述氧气浓度采集部件均布于所述辅助坑道的内壁。
由于爆炸浓度极限与辅助坑道内空气中的氧体积分数有关，增设氧气浓度采集部件，便于更加准备的确定爆炸浓度极限，以便更加科学合理的安排气体的投放时机和投放体量。
优选的，所述控制系统为PLC控制器。
一种辅助坑道的瓦斯排放方法，应用如上述任一所述的一种辅助坑道的瓦斯排放系统，包含如下步骤：
a、瓦斯浓度采集部件采集辅助坑道内的瓦斯浓度数据，当所述瓦斯浓度数据在第一预设周期内持续大于或等于第一预设阈值时，控制系统控制存储装置的阀门开启；
b、所述存储装置释放气体后，当所述瓦斯浓度数据在第二预设周期内持续小于第二预设阈值时，控制系统控制存储装置的阀门关闭；
c、重复步骤a-b；
采用本发明所述的一种辅助坑道的瓦斯排放方法，通过对所述辅助坑道内的瓦斯浓度数据进行监测，当所述瓦斯浓度数据在第一预设周期内持续大于或等于第一预设阈值时，控制投入到所述辅助坑道内的存储装置的阀门开启，以增大所述辅助坑道内的气压，从而将气体从所述通风口排出，进而降低所述辅助坑道的瓦斯浓度，当所述瓦斯浓度数据在第二预设周期内持续小于第二预设阈值时，即排除了爆炸风险，控制所述存储装置的阀门关闭，停止释放气体，重复进行上述步骤，能够长久地实现对所述辅助坑道内瓦斯气体的循环监测及排出，有效杜绝爆炸事故发生，提高隧道运营的安全性，保障人员财产安全，除人工添加存储装置外，无需专人值守维护，维护成本低，安全效益高，尤其适用于偏远地区的隧道工程。
优选的，所述第一预设阈值为所述辅助坑道内的甲烷爆炸极限浓度，所述第二预设阈值小于所述第一预设阈值。
由于瓦斯气体主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，因此采用甲烷爆炸极限浓度有利于简化监测环节难度；同时，由于爆炸还需要明火，因此，将甲烷爆炸极限浓度作为所述第一预设阈值能够有效减少排放次数和所需的气体释放量，有利于降低维护成本。
一种液氮的添加质量的计算方法，应用如上述任一所述的一种辅助坑道的瓦斯排放方法，所述存储装置为液氮罐，所需的液氮质量通过m i =28（g/mol）﹡V i /n计算，其中，m i 表示第i次所需的液氮质量，n表示气体摩尔体积，，V i 表示第i次所需的氮气体积，B i 表示第i次辅助坑道内的甲烷爆炸极限浓度，K i 表示第i次的第二预设阈值，表示所述辅助坑道内气体的总体积。
所述存储装置为液氮罐，即采用液氮挥发来挤出辅助坑道内的瓦斯气体，安全清洁环保，但会导致所述辅助坑道内的空气组成发生变化，进而导致甲烷爆炸极限浓度发生变化，根据上述方式计算出所需液氮的质量再进行液氮罐的投放，能够科学合理地添加液氮，避免液氮的浪费或不足，有效节约人力物力成本，保证排放效果。
综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用本发明所述的一种辅助坑道的瓦斯排放系统，能够有效降低封闭后的辅助坑道内的瓦斯浓度，杜绝瓦斯爆炸风险，避免引发事故，提高隧道运营的安全性，保障人员财产安全，有效节省人力成本，科学高效，具有良好的应用前景。
2、采用本发明所述的一种辅助坑道的瓦斯排放方法，能够长久地实现对所述辅助坑道内瓦斯气体的循环监测及排出，有效杜绝爆炸事故发生，提高隧道运营的安全性，保障人员财产安全，除人工添加存储装置外，无需专人值守维护，维护成本低，安全效益高，尤其适用于偏远地区的隧道工程。
3、采用本发明所述的一种液氮的添加质量的计算方法，以此进行液氮罐的投放，能够科学合理地添加液氮，避免液氮的浪费或不足，有效节约人力物力成本，保证排放效果。
附图说明
图1为本发明所述的一种辅助坑道的瓦斯排放系统的结构示意图；
图2为实施例2所述的一种辅助坑道的瓦斯排放系统的结构示意图。
图中标记：1-辅助坑道，11-封堵墙，12-滑槽，2-通风口，3-存储装置，4-瓦斯浓度采集部件。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本发明所述的一种辅助坑道的瓦斯排放系统，包含连通辅助坑道1的通风口2，优选的，所述通风口2位于所述辅助坑道1的封堵墙11上方，所述通风口2的朝向与通风口2处的常年风向垂直，以利于甲烷气体的排出，同时避免外部气体因风向倒灌入所述辅助坑道1内，还能便于外部自然风流动产生负压从而吸出所述辅助坑道内的空气。
所述通风口2的尺寸要求能够放入存储装置3，所述存储装置3可以储存如氮气或惰性气体或空气，即如所述存储装置3可以为液氮罐、高压氮气钢瓶、惰性气体罐、压缩空气罐，所述存储装置3具有阀门，如电磁阀，所述存储装置3的阀门开启时能够释放气体，以此增大所述辅助坑道1内的气压，以便将所述辅助坑道1内的气体排出，从而降低瓦斯浓度，所述存储装置3的存量不足时，可以继续通过所述通风口2增加所述储存装置3，以便持续的保证对所述辅助坑道1内的瓦斯排放。
所述辅助坑道1内设有瓦斯浓度采集部件4，所述瓦斯浓度采集部件4能够实时或间隔的采集所述辅助坑道1内的瓦斯浓度数据，由于甲烷占瓦斯成分的绝大多数，因此可只采集甲烷气体的浓度，如MQ-4气体传感器，所述瓦斯浓度采集部件4包含若干个，所有所述瓦斯浓度采集部件4均布于所述辅助坑道1的内壁上部，有利于提高监测数据的准确度，所述阀门和瓦斯浓度采集部件4分别无线通讯连接控制系统，所述控制系统为PLC控制器或计算机，所述控制系统根据所述瓦斯浓度采集部件4的采集结果控制所述电磁阀启闭。
在本实施例中如所述辅助坑道1的坑底为斜面，所述辅助坑道1的尾端低于所述辅助坑道1设有封堵墙11的一端，即所述辅助坑道1的形式为斜井和下坡的平行导坑，将所述存储装置3通过所述通风口2放入到所述辅助坑道1内，所述存储装置3能够沿地面滚入所述辅助坑道1的尾端，从所述辅助坑道1的末端释放气体，以提高排放瓦斯的效率和效果。
另外，还可以增设若干个氧气浓度采集部件，如所述辅助坑道1的内壁上均布有若干个GYH25型氧气传感器，由于爆炸浓度极限与辅助坑道内空气中的氧体积分数有关，增设氧气浓度采集部件，便于更加准备的确定爆炸浓度极限，以便更加科学合理的安排如氮气、惰性气体的投放时机和投放体量。
本装置能够有效降低封闭后的辅助坑道内的瓦斯浓度，杜绝瓦斯爆炸风险，避免引发事故，提高隧道运营的安全性，保障人员财产安全，有效节省人力成本，科学高效，具有良好的应用前景。
实施例2
如图2所示，本发明所述的一种辅助坑道的瓦斯排放系统，其结构与实施例1大致相同，其不同之处在于，如所述辅助坑道1为横洞或其他形式的平行导坑，或者坑道地面杂物较多，在所述辅助坑道1内设置滑槽12，所述滑槽12通长设置，所述滑槽12设于所述通风口2下方，所述滑槽12的尾端低于所述滑槽12靠近所述通风口2的一端，所述存储装置3通过所述滑槽12滑至所述辅助坑道1的尾端，利于在所述辅助坑道1尽头释放气体，提高排放瓦斯的效率和效果。
实施例3
本发明所述的一种辅助坑道的瓦斯排放方法，包含应用如实施例1-2任一所述的一种辅助坑道的瓦斯排放系统，包含如下步骤：
a、瓦斯浓度采集部件4采集辅助坑道1内的瓦斯浓度数据，当所述瓦斯浓度数据在第一预设周期内持续大于或等于第一预设阈值时，控制系统控制存储装置3的阀门开启；
b、所述存储装置3释放气体后，当所述瓦斯浓度数据在第二预设周期内持续小于第二预设阈值时，控制系统控制存储装置3的阀门关闭；
c、重复步骤a-b。
由于瓦斯气体主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，因此，如瓦斯浓度采集部件4采集甲烷浓度，瓦斯爆炸极限浓度采用甲烷爆炸极限浓度有利于简化监测环节难度；同时，由于即使达到爆炸极限浓度，爆炸还需要明火，因此，将甲烷爆炸极限浓度作为所述第一预设阈值能够有效减少排放次数和所需的气体释放量，有利于降低维护成本。
通过所述瓦斯浓度采集部件4对所述辅助坑道1内的瓦斯浓度数据进行监测，当所述瓦斯浓度数据在第一预设周期内持续大于或等于第一预设阈值时，所述第一预设周期可以为一周、15天、一个月，最长不超过12个月，如所述甲烷浓度数据在一个月内持续超过5%（甲烷的爆炸极限浓度），或所述甲烷浓度数据为5%的2倍，即需要投入所述存储装置3对瓦斯气体进行排放，控制系统控制所述存储装置3的阀门开启，随着气体的释放，所述甲烷浓度数据降低，当其小于第二预设阈值，所述第二预设阈值根据实际需要确定，如所述第二预设阈值为所述第一预设阈值的0-40%，然后控制系统控制存储装置3的阀门关闭。之后，随着瓦斯气体的继续逸出，当所述瓦斯浓度采集部件4第二次监测到当所述甲烷浓度数据在第一预设周期内持续大于或等于第一预设阈值时，所述控制系统控制所述存储装置3进行第二次气体释放，当所述甲烷浓度数据第二次小于所述第二预设阈值，所述控制系统控制所述存储装置3停止气体释放，重复进行上述步骤，能够长久地实现对所述辅助坑道1内瓦斯气体的循环监测及排出，有效杜绝爆炸事故发生，提高隧道运营的安全性，保障人员财产安全，除人工添加所述存储装置3外，无需专人值守维护，维护成本低，安全效益高，尤其适用于偏远地区的隧道工程。
以填充氮气为例，若所述存储装置3为液氮罐，所需液氮质量的计算方法为：
m i =28（g/mol）﹡V i /n；
其中，m i 表示第i次所需的液氮质量，n表示气体摩尔体积，，V i 表示第i次所需的氮气体积，B i 表示第i次所述辅助坑道1内的甲烷爆炸极限浓度，K i 表示第i次的第二预设阈值，表示所述辅助坑道1内气体的总体积。
具体的，当所述甲烷浓度采集部件第一次监测到辅助坑道1内对应周期内甲烷浓度高于甲烷初始爆炸极限浓度B 1 =5%，5%为常用实验值；也可以假定隧道修建完成后辅助坑道内没有瓦斯，辅助坑道1内气体为空气，由21%氧气与78%的其他气体组成，甲烷爆炸极限浓度为B i =0.55C i ，C i 为甲烷完全燃烧时化学理论体积分数，若空气中氧体积分数按21%计，C 1 =0.21/（0.21+p），p为甲烷完全燃烧时氧气与甲烷的摩尔数比值，由CH4+2O2→CO2+2H2O，可得p=2，进而得到B 1 =5.2%。
向所述辅助坑道1内添加氮气，可以打开液氮瓶阀门，从所述通风口2处向辅助坑道内放入液氮瓶，或者从所述通风口2处向辅助坑道内放入带有电磁阀的液氮瓶，液氮瓶滚入辅助坑道内部后，远程控制电磁阀使液氮瓶挥发释放氮气，按常温常压下的气体摩尔体积进行计算，所述辅助坑道1内第一次添加液氮质量为m 1 =28（g/mol）*V 1 /22.4，V 1 =（5%-K 1 ）/5%，V 1 为第一次所需的氮气体积，K 1 表示第一次的第二预设阈值，表示所述辅助坑道1内气体的总体积，当所述甲烷浓度数据小于K 1 ，所述控制系统控制所述存储装置3停止气体释放。
当所述甲烷浓度采集部件第二次监测到辅助坑道1内对应周期内的甲烷浓度高于第二次爆炸极限浓度B 2 ，B 2 =0.55C 2 ，C 2 根据计算，然后根据第二次的K 2 能够结合m 2 =28（g/mol）*V 2 /22.4，V 2 =（B 2 -K 2 ）/B 2 ，计算出第二次所需的液氮质量m 2 ，然后向所述述辅助坑道1内添加对应质量的液氮，重复上述步骤，能够便于根据计算得出每次所需的氮气量，以便科学合理投放，尤其对于偏远地区的隧道工程，便于合理安排人工投入。若所述辅助坑道1内设有所述氧气浓度采集部件时，前述计算中的氧体积分数可替换为实际监测数据来进行计算。
当然若所述存储装置3为压缩空气罐，则每次排出瓦斯而释放的气体不会改变空气组成，则后续第2、3…次的甲烷爆炸极限浓度不变，即所述第一预设阈值不会改变、第二预设阈值也可以不变，每次达到所述第二预设阈值所需的空气体积在不考虑温度气压的影响下也可以保持一致。
所述存储装置3内也可填充惰性气体，也能够将瓦斯气体排出，同时随着所述辅助坑道1内的惰性气体量增加到某一数值时，瓦斯气体就不能爆炸，也能够有效防止所述辅助坑道1出现瓦斯爆炸风险。
当然，也可以每次添加不同的气体来实现对瓦斯气体的排出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种液氮的添加质量的计算方法，其特征在于，应用于一种辅助坑道的瓦斯排放系统，瓦斯排放系统包含连通辅助坑道(1)的通风口(2)，所述通风口(2)能够用于放入存储装置(3)，所述存储装置(3)具有阀门，所述辅助坑道(1)内设有瓦斯浓度采集部件(4)，所述阀门和瓦斯浓度采集部件(4)均连通控制系统，所述控制系统根据所述瓦斯浓度采集部件(4)的采集结果控制所述阀门启闭，所述存储装置(3)的阀门开启时能够释放气体；
应用于一种辅助坑道的瓦斯排放方法，包含如下步骤：
a、瓦斯浓度采集部件(4)采集辅助坑道(1)内的瓦斯浓度数据，当所述瓦斯浓度数据在第一预设周期内持续大于或等于第一预设阈值时，控制系统控制存储装置(3)的阀门开启，所述第一预设阈值为所述辅助坑道(1)内的甲烷爆炸极限浓度；
b、所述存储装置(3)释放气体后，当所述瓦斯浓度数据在第二预设周期内持续小于第二预设阈值时，控制系统控制所述存储装置(3)的阀门关闭；
c、重复步骤a-b；
所述存储装置(3)为液氮罐，所需的液氮质量通过m i =28（g/mol）﹡V i /n计算，其中，m i 表示第i次所需的液氮质量，n表示气体摩尔体积，，V i 表示第i次所需的氮气体积，B i 表示第i次辅助坑道(1)内的甲烷爆炸极限浓度，K i 表示第i次的第二预设阈值，表示所述辅助坑道(1)内气体的总体积。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预设阈值小于所述第一预设阈值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述辅助坑道(1)的坑底为斜面，所述辅助坑道(1)的尾端低于所述辅助坑道(1)设有封堵墙(11)的一端。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述辅助坑道(1)内设有滑槽(12)，所述滑槽(12)设于所述通风口(2)下方，所述滑槽(12)的尾端低于所述滑槽(12)靠近所述通风口(2)的一端。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述瓦斯浓度采集部件(4)包含若干个，所有所述瓦斯浓度采集部件(4)均布于所述辅助坑道(1)的内壁上部。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述通风口(2)位于所述辅助坑道(1)的封堵墙(11)上方，所述通风口(2)的朝向与通风口(2)处的常年风向垂直。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包含若干个氧气浓度采集部件，所有所述氧气浓度采集部件均布于所述辅助坑道(1)的内壁。
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