CN116591748A - 一种隧道爆破高效除尘系统及操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道爆破高效除尘系统及操作方法，包括掌子面与隧道洞口之间依次划分出射水区、喷雾区和标准区，该射水区与喷雾区的交界处设有作往返行走的台车，在台车上设有封闭帘、高压水枪和高压泵，该封闭帘阻挡掌子面上的爆破粉尘从射水区外溢，该高压水枪向射水区射水并自动集中强化高压除尘作业，而喷雾区的隧道边墙上通过若干个喷头对从射水区扩散至喷雾区的爆破粉尘形成分段精准喷雾除尘，并使喷雾后从喷雾区扩散至标准区的粉尘浓度达到国家卫生标准；因此，这种隧道内的除尘系统具有构造简单、经济节约、卫生环保、安全高效、自动化程度高等优点，其结合相应的施工方法，具有较高的经济效益、节能环保效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道环保建设领域，具体是指一种隧道爆破高效除尘系统及操作方法。
背景技术
钻眼爆破法在石质隧道开挖施工中有着广泛的应用，其原理是利用装入钻孔中的炸药爆炸时产生的冲击波及爆炸物做功来破碎隧道掌子面范围内的岩体，再用装载机械和运输车辆将破碎岩石运出隧道外。但隧道钻爆法施工是粉尘危害最严重的作业之一，爆破后产生的原始粉尘浓度最高，此后粉尘逐步向隧道外扩散，其浓度超过了国家职业卫生标准的要求，需要采取除尘措施降低粉尘浓度。目前隧道除尘方法主要为高压水降尘、喷雾洒水降尘、除尘机袋式除尘和通风除尘，其中通风除尘由于出风口距离掌子面较远除尘效果较差，故主要用于炮眼钻孔和移动燃油施工机械运行的排烟，而其他的除尘方法基本是采用人工配合机械进行除尘，操作人员在高浓度的粉尘中作业，会给操作人员带来较大的危害。因此，需要根据隧道钻眼爆破法产生和扩散粉尘的不同区域分布特点，研究安全高效的除尘方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷而提供一种构造简单、经济节约、卫生环保、安全高效的隧道爆破高效除尘系统及操作方法。
本发明的技术问题通过以下技术方案实现：
一种隧道爆破高效除尘系统，包括石质隧道开挖施工中需钻爆的掌子面和隧道洞口，所述的掌子面与隧道洞口之间依次划分出射水区、喷雾区和标准区，该射水区与喷雾区的交界处设置台车，且台车安放在沿隧道延伸方向设置的轨道上并作往返行走；所述的台车上设有封闭帘、高压水枪，以及通过水管连通高压水枪的高压泵，该封闭帘阻挡掌子面上的爆破粉尘从射水区外溢，该高压水枪向射水区射水并自动集中强化高压除尘作业；所述的喷雾区的隧道边墙上设有若干个喷头，该若干个喷头对从射水区扩散至喷雾区的爆破粉尘形成分段精准喷雾除尘，并使喷雾后从喷雾区扩散至标准区的粉尘浓度达到国家卫生标准。
所述的封闭帘将钻爆产生的大部分原始粉尘封闭在射水区，并通过自动遥控控制无人操作的台车往返行走和自动集中强化高压除尘作业，实现安全高效除尘；所述的喷雾区粉尘由两部分组成：一是钻爆产生的原始粉尘从封闭帘中泄漏的部分，二是射水区通过自动集中强化高压除尘后剩余粉尘扩散，该喷雾区全长为，喷雾区首端粉尘初始浓度为，喷雾区末端粉尘浓度为满足卫生标准，为了简化分析，粉尘不发生沉降且从喷雾区首端向末端扩散即一维扩散，粉尘扩散随时间变化即非稳态扩散，由菲克第二定律得喷雾区隧道横断面单位面积的粉尘浓度，则有如下粉尘扩散计算公式：
公式一、粉尘一维扩散非稳态计算
距离喷雾区首端处每单位长度t时刻粉尘的浓度偏微分为
上述偏分方程解为
式中
粉尘浓度由降至标准浓度所用的时间由解出；
公式二、分段精准喷雾除尘的喷头布置和喷头数量计算
喷雾区内采用旋转式喷头，隧道开挖面两侧边墙的顶部水平安装喷头，两侧边墙顶部之间的水平距离为，任意三个喷头的水平投影等距离为，喷头喷雾水滴射程半径为，当三个喷头喷雾水滴射程半径相交于等边三角形6个重叠拱形面积之和最小，喷灌喷水均匀度最高82.7%，达到最佳的喷雾效率；由于喷雾区粉尘从首端向末端扩散的浓度是由大到小变化的，若选用喷头水滴射程半径均为，理论上喷雾流量也由大到小连续变化最为经济，实际工作中简化为以分段选取模数化流量的喷头进行分段精准除尘；假设单位粉尘量所需的喷头喷雾分段精准除尘流量为，且粉尘浓度是均匀分布的，横断面积为A，以分三分段为例，选三分段长度均等于，则每分段的喷头数近似为，取喷头为整数，三分段中单个Ⅰ型喷头、Ⅱ型喷头、Ⅲ型喷头流量分别为，自动集中强化高压除尘作业t时刻后，则有
公式二由数值计算得到，取各分段Ⅰ型喷头、Ⅱ型喷头、Ⅲ型喷头数为整数组成各段正三角形喷头组合布置，第一分段喷头数为，第一分段与第二分段交界处选用Ⅰ型喷头，第二分段与第三分段交界处选用Ⅱ型喷头，以此为初步方案通过试验确定各分段长度、分段单个喷头流量、喷头数量；
公式三、除尘时间计算
除尘时间T为射水区自动集中强化高压除尘后粉尘浓度由降至所用的时间、喷雾区分段精准喷雾除尘后粉尘浓度由降至所用的时间和喷雾区分段继续精准喷雾除尘使射水区粉尘浓度由降至标准浓度所用的时间的总和，分别为上述三个时间段内各相应下降单位浓度所用的平均时间；
式中
近似地由解出，由于喷雾区继续喷雾的影响，小于该值；
公式一~公式三中的各符号定义为：
——分别为喷雾区内采用旋转式喷头，任意三个喷头的水平投影等距离长度、喷头喷雾水滴射程半径，；
A——隧道的断面积，；
——喷雾区任意处粉尘的浓度，；
——分别为喷雾区以分三分段为例的第一分段的粉尘总量、第二分段的粉尘总量、第三分段的粉尘总量，；
——粉尘的扩散系数，扩散系数为常数，查阅有关资料或由试验确定，；
——分别为射水区初始粉尘浓度、t时刻后喷雾区首端的粉尘浓度、喷雾区末端的粉尘浓度、国家粉尘卫生标准浓度，；
——分别为粉尘一维扩散时间、喷雾区首端粉尘浓度降至国家粉尘卫生标准浓度，s；
——分别为射水区自动集中强化高压除尘后粉尘浓度由降至所用的时间、喷雾区分段精准喷雾除尘后粉尘浓度由降至所用的时间和喷雾区分段继续精准喷雾除尘使射水区粉尘浓度由降至标准浓度所用的时间的总和，s；
——分别为射水区自动集中强化高压除尘后粉尘浓度由降至所用的时间内下降单位浓度所用的平均时间、喷雾区分段精准喷雾除尘后粉尘浓度由降至所用的时间内下降单位浓度所用的平均时间和喷雾区分段继续精准喷雾除尘使射水区粉尘浓度由降至标准浓度所用的时间内下降单位浓度所用的平均时间，由经验法、类比法或试验确定，；
——各三分段的喷头数，取整数，个；
——分别为射水区的长度由安全爆破距离确定、喷雾区的长度和标准区的长度根据具体确定，；
——分别为喷雾区以分三分段为例的各分段长度、平均长度、；
——分别为粉尘的扩散系数的倒数、单位粉尘浓度所需的喷头喷雾除尘流量，由经验法、类比法或试验确定，；
——分别为喷雾区三分段中单个Ⅰ型喷头、Ⅱ型喷头、Ⅲ型喷头流量，。
所述的台车是由骨架、设置在骨架底部并往返行走在轨道上的移动轮、设置在骨架一侧的爬梯和设置在骨架顶部的工作平台组成；所述的骨架两侧和顶部安装拱形钢板，该拱形钢板的形状与隧道开挖面轮廓线相同，并与隧道开挖面轮廓线之间预留5cm～10cm空隙。
所述的封闭帘是由多块矩形橡胶板经螺栓固定在拱形钢板上并呈平行布置，每块矩形橡胶板上端均伸出拱形钢板顶部5cm～10cm与隧道开挖面轮廓线贴合，每相邻两块矩形橡胶板之间均相互插入重叠2cm～3cm而形成弹性遮档结构；所述的封闭帘上部设置多个供所述高压水枪向射水区射水的喷枪孔。
所述的高压泵产生1MPa～10MPa水压力，并提供高压水枪的喷水流量为100L/min～200L/min，该高压水枪采用雾化喷头。
所述的骨架内安装驱动机，该驱动机通过自动遥控控制无人操作而驱动移动轮，隧道边墙和台车上安装自动粉尘浓度检测仪，所述的高压水枪向射水区射水并自动集中强化高压除尘后，经自动粉尘浓度检测仪反馈粉尘浓度数据，进而通过自动遥控指挥该驱动机驱动移动轮沿着轨道形成台车无人自动驾驶的前进运行或后退运行，并自动遥控供电和电缆收放，以及高压水枪的供水和水管收放。
所述的若干个喷头包括沿隧道延伸方向依次设置在喷雾区的隧道边墙上的Ⅰ型喷头、Ⅱ型喷头和Ⅲ型喷头，该Ⅰ型喷头、Ⅱ型喷头和Ⅲ型喷的喷雾水滴射程半径和仰角均相同而喷水流量不同，并在喷雾区组成梅花状各分段正三角形喷头组合布置。
所述的轨道沿隧道延伸方向设置有平行的两条；所述的骨架横跨设置在两条轨道上，该骨架中部设有预留在两条轨道之间的通行区；所述的封闭帘设置在该通行区。
所述的隧道两侧分别设有一直延伸出隧道洞口并汇流入隧道外的沉淀池的排水管，隧道内设有排风装置。
一种隧道爆破高效除尘系统的操作方法，包括如下步骤：
步骤一、制作台车、封闭帘
1、根据设计图纸和地质条件，确定隧道钻爆施工方案；
2、根据隧道横断面尺寸，拟定台车、封闭帘结构尺寸；
3、选择合格材料制作台车或利用现有施工二次衬砌钢筋安装台车改装，在台车上安装封闭帘，检验合格；
4、根据各区段粉尘浓度要求、射水压力、射水流量、雾化参数和台车运行速度的参数，自动遥控作业；
5、通过试验段试验、测试合格；
6、根据隧道钻爆开挖进度，逐步推进台车位置；
步骤二、初步划分射水区、喷雾区和标准区以及选择喷头规格、数量以及拟定喷头安装间距
1、通过以往施工经验、查阅有关资料或通过试验段检测钻爆粉尘最大浓度；
2、初步划分射水区、喷雾区和标准区长度；
3、根据高压水的压力、流量和雾化要求，选择高压泵、高压水枪和雾化的喷头规格、型号，并测试符合要求；
4、由公式一、公式二计算后确定喷雾区的喷头数量、流量和安装间距；用类比法或现场试验确定；
5、取各分段Ⅰ型喷头、Ⅱ型喷头、Ⅲ型喷头数为整数组成各分段正三角形喷头组合布置，第一分段喷头数为，第一分段与第二分段交界处选用Ⅰ型喷头，第二分段与第三分段交界处选用Ⅱ型喷头，以此为初步方案通过试验确定各分段长度、分段单个喷头流量、喷头数量；
6、由公式三计算时间，或用类比法、现场试验确定；
步骤三、安装喷雾区喷头
1、测量放样确定三分段安装Ⅰ型喷头、Ⅱ型喷头、Ⅲ型喷头的平面位置和高度，各分段平面位置为梅花状正三角形喷头组合布置；
2、按设计位置安装Ⅰ型喷头、Ⅱ型喷头、Ⅲ型喷头，并接入供水管；
3、喷雾区各分段两侧边墙上的首端和中间各安装一个自动粉尘浓度检测仪；
4、喷雾区的三类喷头和自动粉尘浓度检测仪自动遥控检测粉尘浓度和喷雾；
步骤四、射水区射水除尘
1、隧道岩石钻孔装药时，叉车将封闭帘的多块矩形橡胶板从中心对称位置横向分开，用钢丝绳将矩形橡胶板绑扎在台车两侧的骨架上，留出通行区的空间供施工车辆通行；
2、隧道岩石钻孔装药结束即将爆破时，解开钢丝绳，将矩形橡胶板恢复到封闭状态，人员撤离；
3、爆破规定时间确定无哑炮后，自动遥控启动台车、高压泵运行和高压水枪射水进行自动行走和射水作业，包括台车往返行走和射水作业；
4、通过台车上设置的自动粉尘浓度检测仪反馈数据，达到设定的粉尘浓度后结束射水区内射水除尘；
步骤五、喷雾区除尘
1、射水区内射水结束除尘后，自动遥控开启自动粉尘浓度检测仪检测粉尘浓度和自动遥控开启各类喷头进行喷雾除尘；
2、自动粉尘浓度检测仪全程自动遥控检测粉尘浓度，如粉尘浓度符合要求后自动遥控停止喷头喷雾。
与现有技术相比，本发明主要提供了一种隧道爆破高效除尘系统及操作方法，该系统包括石质隧道开挖施工中将钻爆掌子面至隧道洞口划分出射水区、喷雾区和标准区，并在射水区与喷雾区交界处设置台车，而台车上设有防止爆破粉尘外溢的封闭帘、高压水枪，以及通过水管连通高压水枪的高压泵，且台车可通过自动遥控实现无人操作、自动集中强化高压除尘作业和在轨道上往返行走或制动停止；同时，针对从射水区扩散至喷雾区的粉尘，可根据不同粉尘浓度通过优化设置科学合理的喷头喷雾流量再次分段精准除尘，从而使喷雾后从喷雾区扩散至标准区的粉尘浓度能够达到国家卫生标准。根据上述结构构造的设计，本发明具有如下优点：一是在掌子面以外安全距离设置可移动的封闭帘，除了起到消减隧道岩石边坡冲击波的作用外，还能将绝大部分爆破粉尘封闭在射水区内由高压水枪进行无人操作射水、自动集中强化除尘，有效提高了除尘效果和保障施工人员健康安全；二是喷雾区内粉尘通过优化设置科学合理的喷头喷雾流量再次分区精准除尘，针对性强，优化合理，效率高、费用低；三是粉尘和除尘水混合物，可经沉淀和净化后水循环使用，不污染环境，节能减排；四是隧道内设置排风装置可与上述系统共同排水除尘，并根据自动粉尘浓度检测仪的实时检测数据，由自动遥控统筹安排排风和除尘装置协调运行，节约电力，提高设备利用率，自动化程度更高；五是所提供的设计计算方法原理清晰、科学合理、实用易行，可指导隧道钻爆安全高效除尘系统的设计、安装和运行，也提高了安全性能和除尘效率。因此，本发明是一种构造简单、经济节约、卫生环保、安全高效、自动化程度高的一种隧道钻爆高效除尘系统，能体现以人为本和绿色工程建设理念，其结合相应的施工方法，具有较高的经济效益、节能环保效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明的立面示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为台车的结构示意图。
图4为封闭帘的结构示意图。
图5为喷雾区的喷头布置示意图。
具体实施方式
下面将按上述附图对本发明实施例再作详细说明。
如图1~图5所示，1.隧道、11.掌子面、12.射水区、13.喷雾区、14.标准区、15.轨道、2.台车、21.骨架、22.移动轮、23.爬梯、24.拱形钢板、25.工作平台、26.通行区、3.封闭帘、31.矩形橡胶板、32.螺栓、33.喷枪孔、4.驱动机、5.高压泵、6.喷头、61.Ⅰ型喷头、62.Ⅱ型喷头、63.Ⅲ型喷头。
一种隧道爆破高效除尘系统及操作方法，如图1、图2所示，涉及一种隧道环保建设领域，其结构包括石质隧道开挖施工中需钻爆的掌子面11和隧道洞口等。
所述的隧道1为道路从地层内部穿越的建筑物，该隧道1采用钻爆法施工时产生大量的粉尘；所述的掌子面11为开挖隧道施工中不断向前推进的工作面，根据隧道开挖钻爆法施工中粉尘分布情况可从掌子面至隧道洞口之间依次划分出射水区12、喷雾区13和标准区14。
本发明涉及的射水区12、喷雾区13喷雾降尘过程是水雾与粉尘相互作用凝结而除尘的过程，可把水化成水雾状的微细水滴喷洒于空气中，使其与粉尘颗粒碰撞接触，使尘粒被吸附在水中而随水滴降落。喷雾洒水不仅能吸附粉尘，还能溶解部分有害气体，降低洞内温度，使洞内空气变得清爽，特别是目前隧道施工广泛使用的乳化炸药主要由氧化剂水溶液、燃料油、乳化剂及高热剂等成分组成，爆炸后产生大量气体，其中部分气体对人体危害极大，而水雾正好能对有害气体，即CO2、NO2、SO2、NH等能起到净化作用。
所述的射水区12与喷雾区13的交界处设置台车2，该台车安放在沿隧道延伸方向设置的轨道15上并作往返行走。
所述的轨道15为供台车2使用的行驶铁轨，该轨道15沿隧道延伸方向设置有平行的两条，并与已有的二次衬砌台车轨道共用。
所述的台车2为钢质，由骨架21、移动轮22、爬梯23、拱形钢板24、工作平台25组成，可由自动遥控指挥，并由骨架21内安装的驱动机4驱动台车2无人驾驶自动前进运行或后退运行；所述的骨架21为台车2的主骨架，该骨架21横跨设置在两条轨道15上，并在骨架21中心部位预留通行区26的空间以供施工车辆通行；所述的移动轮22设置在骨架21底部，为台车2在轨道15上往返行走的车轮；所述的爬梯23设置在骨架21一侧，为操作人员上下台车2作业所用；所述的工作平台25设置在骨架21顶部，为操作人员进行作业的平台；所述的拱形钢板24为安装在骨架21的两侧和拱部的钢板，其形状与隧道开挖面轮廓线相同，并与隧道开挖面轮廓线之间预留5cm～10cm空隙，以免隧道开挖面欠挖阻碍台车2通过。
所述的驱动机4为驱动台车的电机，可由自动遥控驱动而无人驾驶台车自动前进运行、后退运行或制动停止在射水区12内，还可自动遥控供电和电缆收放，隧道边墙和台车上设有自动粉尘浓度检测仪。
所述的台车2上还设有封闭帘3、高压水枪，以及通过水管连通高压水枪的高压泵5，该封闭帘3阻挡掌子面11上的爆破粉尘从射水区12外溢，该高压水枪向射水区12射水并自动集中强化高压除尘作业。
其中，封闭帘3是由多块矩形橡胶板31经螺栓32固定在拱形钢板24上并呈平行布置，每块矩形橡胶板31上端均伸出拱形钢板24顶部5cm～10cm与隧道开挖面轮廓线贴合，每相邻两块矩形橡胶板31之间均相互插入重叠2cm～3cm而形成弹性遮档结构，基本全断面屏蔽隧道内开挖爆破产生的冲击波和粉尘；所述的矩形橡胶板31以橡胶为主体材料经硫化而制得的具有一定厚度和强度的片状产品，也可使用退役的橡胶输送带代替，废物利用和节约成本；所述的封闭帘3上部设置多个喷枪孔33，是供高压水枪向射水区12射水并清除粉尘而预留的射水预留孔洞。
所述的高压泵5产生1MPa～10MPa水压力，高压水枪的喷水流量100L/min～200L/min，该高压水枪采用雾化喷头，能在射水区12内自动集中强化高压除尘，并通过台车2上遥控自动粉尘浓度检测仪反馈数据，进而自动遥控指挥驱动台车2无人驾驶自动前进运行或后退运行在射水区12内射水集中强力除尘，达到设定的粉尘浓度后结束射水区内射水除尘，也可自动遥控高压水枪的供水和水管收放。
所述的喷雾区13的隧道边墙设有若干个喷头6，该若干个喷头对从射水区12扩散至喷雾区13的爆破粉尘形成分段精准喷雾除尘，并使喷雾后从喷雾区13扩散至标准区14的粉尘浓度达到国家卫生标准。
所述的若干个喷头6包括沿隧道延伸方向依次设置在喷雾区13的隧道边墙上的Ⅰ型喷头61、Ⅱ型喷头62和Ⅲ型喷头63，该Ⅰ型喷头61、Ⅱ型喷头62和Ⅲ型喷头63分别为喷雾区13除尘喷雾喷头，三类喷头喷雾水滴射程半径和仰角均相同，喷水流量不同，在喷雾区13组成梅花状各分段正三角形喷头组合布置；自动遥控喷雾区13三类喷头6和自动粉尘浓度检测仪，自动检测浓度、喷雾和启闭除尘喷雾喷头。
而隧道内的粉尘和除尘水混合物，可经隧道两侧排水管汇流入隧道外的沉淀池，再经沉淀和净化后，可作为除尘用水循环使用；同时隧道内的排风装置也与排水除尘装置协调配合，根据自动粉尘浓度检测仪的实时检测数据，由自动遥控统筹安排排风装置排烟和除尘装置运行。
所述的封闭帘3将钻爆产生的大部分原始粉尘封闭在射水区12，并通过自动遥控控制无人操作的台车2往返行走和自动集中强化高压除尘作业，实现安全高效除尘；所述的喷雾区13粉尘由两部分组成：一是钻爆产生的原始粉尘从封闭帘中泄漏的部分，二是射水区通过自动集中强化高压除尘后剩余粉尘扩散，该喷雾区全长为，喷雾区13首端粉尘初始浓度为，喷雾区13末端粉尘浓度为满足卫生标准，为了简化分析，粉尘不发生沉降且从喷雾区首端向末端扩散即一维扩散，粉尘扩散随时间变化即非稳态扩散，由菲克第二定律得喷雾区隧道横断面单位面积的粉尘浓度，则有如下粉尘扩散计算公式：
公式一、粉尘一维扩散非稳态计算
距离喷雾区13首端处每单位长度t时刻粉尘的浓度偏微分为
上述偏分方程解为
式中
粉尘浓度由降至标准浓度所用的时间由解出；
公式二、分段精准喷雾除尘的喷头6布置和喷头数量计算
喷雾区13内采用旋转式喷头6，隧道开挖面两侧边墙的顶部水平安装喷头，两侧边墙顶部之间的水平距离为，任意三个喷头6的水平投影等距离为，喷头喷雾水滴射程半径为，当三个喷头喷雾水滴射程半径相交于等边三角形6个重叠拱形面积之和最小，喷灌喷水均匀度最高82.7%，达到最佳的喷雾效率；由于喷雾区粉尘从首端向末端扩散的浓度是由大到小变化的，若选用喷头水滴射程半径均为，理论上喷雾流量也由大到小连续变化最为经济，实际工作中简化为以分段选取模数化流量的喷头进行分段精准除尘；假设单位粉尘量所需的喷头喷雾分段精准除尘流量为，且粉尘浓度是均匀分布的，横断面积为A，以分三分段为例，选三分段长度均等于，则每分段的喷头数近似为，取喷头为整数，三分段中单个Ⅰ型喷头61、Ⅱ型喷头62、Ⅲ型喷头63流量分别为，自动集中强化高压除尘作业t时刻后，则有
公式二由数值计算得到，取各分段Ⅰ型喷头、Ⅱ型喷头、Ⅲ型喷头数为整数组成各段正三角形喷头组合布置，第一分段喷头数为，第一分段与第二分段交界处选用Ⅰ型喷头，第二分段与第三分段交界处选用Ⅱ型喷头，以此为初步方案通过试验确定各分段长度、分段单个喷头流量、喷头数量；
公式三、除尘时间计算
除尘时间T为射水区自动集中强化高压除尘后粉尘浓度由降至所用的时间、喷雾区13分段精准喷雾除尘后粉尘浓度由降至所用的时间和喷雾区分段继续精准喷雾除尘使射水区粉尘浓度由降至标准浓度所用的时间的总和，分别为上述三个时间段内各相应下降单位浓度所用的平均时间；
式中
近似地由解出，由于喷雾区13继续喷雾的影响，小于该值；
公式一~公式三中的各符号定义为：
——分别为喷雾区13内采用旋转式喷头6，任意三个喷头的水平投影等距离长度、喷头喷雾水滴射程半径，；
A——隧道的断面积，；
——喷雾区13任意处粉尘的浓度，；
——分别为喷雾区13以分三分段为例的第一分段的粉尘总量、第二分段的粉尘总量、第三分段的粉尘总量，；
——粉尘的扩散系数，扩散系数为常数，查阅有关资料或由试验确定，；
——分别为射水区12初始粉尘浓度、t时刻后喷雾区13首端的粉尘浓度、喷雾区13末端的粉尘浓度、国家粉尘卫生标准浓度，；
——分别为粉尘一维扩散时间、喷雾区首端粉尘浓度降至国家粉尘卫生标准浓度，s；
——分别为射水区12自动集中强化高压除尘后粉尘浓度由降至所用的时间、喷雾区13分段精准喷雾除尘后粉尘浓度由降至所用的时间和喷雾区分段继续精准喷雾除尘使射水区粉尘浓度由降至标准浓度所用的时间的总和，s；
——分别为射水区12自动集中强化高压除尘后粉尘浓度由降至所用的时间内下降单位浓度所用的平均时间、喷雾区13分段精准喷雾除尘后粉尘浓度由降至所用的时间内下降单位浓度所用的平均时间和喷雾区分段继续精准喷雾除尘使射水区粉尘浓度由降至标准浓度所用的时间内下降单位浓度所用的平均时间，由经验法、类比法或试验确定，；
——各三分段的喷头数，取整数，个；
——分别为射水区12的长度由安全爆破距离确定、喷雾区13的长度和标准区的长度根据具体确定，；
——分别为喷雾区13以分三分段为例的各分段长度、平均长度、；
——分别为粉尘的扩散系数的倒数、单位粉尘浓度所需的喷头喷雾除尘流量，由经验法、类比法或试验确定，；
——分别为喷雾区13三分段中单个Ⅰ型喷头61、Ⅱ型喷头62、Ⅲ型喷头63流量，。
一种隧道爆破高效除尘系统的操作方法主要包括如下步骤：
步骤一、制作台车、封闭帘
1、根据设计图纸和地质条件，确定隧道钻爆施工方案；
2、根据隧道横断面尺寸，拟定台车、封闭帘结构尺寸；
3、选择合格材料制作台车或利用现有施工二次衬砌钢筋安装台车改装，在台车上安装封闭帘，检验合格；
4、根据各区段粉尘浓度要求、射水压力、射水流量、雾化参数和台车运行速度的参数，自动遥控作业；
5、通过试验段试验、测试合格；
6、根据隧道钻爆开挖进度，逐步推进台车2位置；
步骤二、初步划分射水区、喷雾区和标准区以及选择喷头规格、数量以及拟定喷头安装间距
1、通过以往施工经验、查阅有关资料或通过试验段检测钻爆粉尘最大浓度；
2、初步划分射水区12、喷雾区13和标准区14长度；
3、根据高压水的压力、流量和雾化要求，选择高压泵、高压水枪和雾化的喷头规格、型号，并测试符合要求；
4、由公式一、公式二计算后确定喷雾区13的喷头数量、流量和安装间距；用类比法或现场试验确定；
5、取各分段Ⅰ型喷头61、Ⅱ型喷头62、Ⅲ型喷头63数为整数组成各分段正三角形喷头组合布置，第一分段喷头数为，第一分段与第二分段交界处选用Ⅰ型喷头，第二分段与第三分段交界处选用Ⅱ型喷头，以此为初步方案通过试验确定各分段长度、分段单个喷头流量、喷头数量；
6、由公式三计算时间，或用类比法、现场试验确定；
步骤三、安装喷雾区喷头
1、测量放样确定三分段安装Ⅰ型喷头61、Ⅱ型喷头62、Ⅲ型喷头63的平面位置和高度，各分段平面位置为梅花状正三角形喷头组合布置；
2、按设计位置安装Ⅰ型喷头、Ⅱ型喷头、Ⅲ型喷头，并接入供水管；
3、喷雾区13各分段两侧边墙上的首端和中间各安装一个自动粉尘浓度检测仪；
4、喷雾区13的三类喷头6和自动粉尘浓度检测仪自动遥控检测粉尘浓度和喷雾；
步骤四、射水区射水除尘
1、隧道岩石钻孔装药时，叉车将封闭帘3的多块矩形橡胶板31从中心对称位置横向分开，用钢丝绳将矩形橡胶板绑扎在台车2两侧的骨架21上，留出通行区26的空间供施工车辆通行；
2、隧道岩石钻孔装药结束即将爆破时，解开钢丝绳，将矩形橡胶板31恢复到封闭状态，人员撤离；
3、爆破规定时间确定无哑炮后，自动遥控启动台车2、高压泵5运行和高压水枪射水进行自动行走和射水作业，包括台车2往返行走和射水作业；
4、通过台车2上设置的自动粉尘浓度检测仪反馈数据，达到设定的粉尘浓度后结束射水区内射水除尘；
步骤五、喷雾区除尘
1、射水区12内射水结束除尘后，自动遥控开启自动粉尘浓度检测仪检测粉尘浓度和自动遥控开启各类喷头6进行喷雾除尘；
2、自动粉尘浓度检测仪全程自动遥控检测粉尘浓度，如粉尘浓度符合要求后自动遥控停止喷头喷雾。
以上所述仅是本发明的具体实施例，本领域技术人员应该理解，任何与该实施例等同的结构设计，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种隧道爆破高效除尘系统，包括石质隧道（1）开挖施工中需钻爆的掌子面（11）和隧道洞口，其特征在于所述的掌子面（11）与隧道洞口之间依次划分出射水区（12）、喷雾区（13）和标准区（14），该射水区（12）与喷雾区（13）的交界处设置台车（2），且台车安放在沿隧道延伸方向设置的轨道（15）上并作往返行走；所述的台车（2）上设有封闭帘（3）、高压水枪，以及通过水管连通高压水枪的高压泵（5），该封闭帘（3）阻挡掌子面（11）上的爆破粉尘从射水区（12）外溢，该高压水枪向射水区（12）射水并自动集中强化高压除尘作业；所述的喷雾区（13）的隧道边墙上设有若干个喷头（6），该若干个喷头对从射水区（12）扩散至喷雾区（13）的爆破粉尘形成分段精准喷雾除尘，并使喷雾后从喷雾区（13）扩散至标准区（14）的粉尘浓度达到国家卫生标准。
2.根据权利要求1所述的一种隧道爆破高效除尘系统，其特征在于所述的封闭帘（3）将钻爆产生的大部分原始粉尘封闭在射水区（12），并通过自动遥控控制无人操作的台车（2）往返行走和自动集中强化高压除尘作业，实现安全高效除尘；所述的喷雾区（13）粉尘由两部分组成：一是钻爆产生的原始粉尘从封闭帘中泄漏的部分，二是射水区通过自动集中强化高压除尘后剩余粉尘扩散，该喷雾区全长为，喷雾区（13）首端粉尘初始浓度为，喷雾区（13）末端粉尘浓度为满足卫生标准，为了简化分析，粉尘不发生沉降且从喷雾区首端向末端扩散即一维扩散，粉尘扩散随时间变化即非稳态扩散，由菲克第二定律得喷雾区隧道横断面单位面积的粉尘浓度，则有如下粉尘扩散计算公式：
公式一、粉尘一维扩散非稳态计算
距离喷雾区（13）首端处每单位长度t时刻粉尘的浓度偏微分为
上述偏分方程解为
式中
粉尘浓度由降至标准浓度所用的时间由解出；
公式二、分段精准喷雾除尘的喷头（6）布置和喷头数量计算
喷雾区（13）内采用旋转式喷头（6），隧道开挖面两侧边墙的顶部水平安装喷头，两侧边墙顶部之间的水平距离为，任意三个喷头（6）的水平投影等距离为，喷头喷雾水滴射程半径为，当三个喷头喷雾水滴射程半径相交于等边三角形6个重叠拱形面积之和最小，喷灌喷水均匀度最高82.7%，达到最佳的喷雾效率；由于喷雾区粉尘从首端向末端扩散的浓度是由大到小变化的，若选用喷头水滴射程半径均为，理论上喷雾流量也由大到小连续变化最为经济，实际工作中简化为以分段选取模数化流量的喷头进行分段精准除尘；假设单位粉尘量所需的喷头喷雾分段精准除尘流量为，且粉尘浓度是均匀分布的，横断面积为A，以分三分段为例，选三分段长度均等于，则每分段的喷头数近似为，取喷头为整数，三分段中单个Ⅰ型喷头（61）、Ⅱ型喷头（62）、Ⅲ型喷头（63）流量分别为，自动集中强化高压除尘作业t时刻后，则有
公式二由数值计算得到，取各分段Ⅰ型喷头、Ⅱ型喷头、Ⅲ型喷头数为整数组成各段正三角形喷头组合布置，第一分段喷头数为，第一分段与第二分段交界处选用Ⅰ型喷头，第二分段与第三分段交界处选用Ⅱ型喷头，以此为初步方案通过试验确定各分段长度、分段单个喷头流量、喷头数量；
公式三、除尘时间计算
除尘时间T为射水区自动集中强化高压除尘后粉尘浓度由降至所用的时间、喷雾区（13）分段精准喷雾除尘后粉尘浓度由降至所用的时间和喷雾区分段继续精准喷雾除尘使射水区粉尘浓度由降至标准浓度所用的时间的总和，分别为上述三个时间段内各相应下降单位浓度所用的平均时间；
式中
近似地由解出，由于喷雾区（13）继续喷雾的影响，小于该值；
公式一~公式三中的各符号定义为：
——分别为喷雾区（13）内采用旋转式喷头（6），任意三个喷头的水平投影等距离长度、喷头喷雾水滴射程半径，；
A ——隧道的断面积，；
——喷雾区（13）任意处粉尘的浓度，；
——分别为喷雾区（13）以分三分段为例的第一分段的粉尘总量、第二分段的粉尘总量、第三分段的粉尘总量，；
——粉尘的扩散系数，扩散系数为常数，查阅有关资料或由试验确定，；
——分别为射水区（12）初始粉尘浓度、t时刻后喷雾区（13）首端的粉尘浓度、喷雾区（13）末端的粉尘浓度、国家粉尘卫生标准浓度，；
——分别为粉尘一维扩散时间、喷雾区首端粉尘浓度降至国家粉尘卫生标准浓度，s；
——分别为射水区（12）自动集中强化高压除尘后粉尘浓度由降至所用的时间、喷雾区（13）分段精准喷雾除尘后粉尘浓度由降至所用的时间和喷雾区分段继续精准喷雾除尘使射水区粉尘浓度由降至标准浓度所用的时间的总和，s；
——分别为射水区（12）自动集中强化高压除尘后粉尘浓度由降至所用的时间内下降单位浓度所用的平均时间、喷雾区（13）分段精准喷雾除尘后粉尘浓度由降至所用的时间内下降单位浓度所用的平均时间和喷雾区分段继续精准喷雾除尘使射水区粉尘浓度由降至标准浓度所用的时间内下降单位浓度所用的平均时间，由经验法、类比法或试验确定，；
——各三分段的喷头数，取整数，个；
——分别为射水区（12）的长度由安全爆破距离确定、喷雾区（13）的长度和标准区的长度根据具体确定，；
——分别为喷雾区（13）以分三分段为例的各分段长度、平均长度、；
——分别为粉尘的扩散系数的倒数、单位粉尘浓度所需的喷头喷雾除尘流量，由经验法、类比法或试验确定，；
——分别为喷雾区（13）三分段中单个Ⅰ型喷头（61）、Ⅱ型喷头（62）、Ⅲ型喷头（63）流量，。
3.根据权利要求1所述的一种隧道爆破高效除尘系统，其特征在于所述的台车（2）是由骨架（21）、设置在骨架底部并往返行走在轨道（15）上的移动轮（22）、设置在骨架一侧的爬梯（23）和设置在骨架顶部的工作平台（25）组成；所述的骨架（21）两侧和顶部安装拱形钢板（24），该拱形钢板的形状与隧道开挖面轮廓线相同，并与隧道开挖面轮廓线之间预留5cm～10cm空隙。
4.根据权利要求3所述的一种隧道爆破高效除尘系统，其特征在于所述的封闭帘（3）是由多块矩形橡胶板（31）经螺栓（32）固定在拱形钢板（24）上并呈平行布置，每块矩形橡胶板（31）上端均伸出拱形钢板顶部5cm～10cm与隧道开挖面轮廓线贴合，每相邻两块矩形橡胶板（31）之间均相互插入重叠2cm～3cm而形成弹性遮档结构；所述的封闭帘（3）上部设置多个供所述高压水枪向射水区射水的喷枪孔（33）。
5.根据权利要求3所述的一种隧道爆破高效除尘系统，其特征在于所述的高压泵（5）产生1MPa～10MPa水压力，并提供高压水枪的喷水流量为100L/min～200L/min，该高压水枪采用雾化喷头。
6.根据权利要求3所述的一种隧道爆破高效除尘系统，其特征在于所述的骨架（21）内安装驱动机（4），该驱动机通过自动遥控控制无人操作而驱动移动轮，隧道边墙和台车（2）上安装自动粉尘浓度检测仪，所述的高压水枪向射水区（12）射水并自动集中强化高压除尘后，经自动粉尘浓度检测仪反馈粉尘浓度数据，进而通过自动遥控指挥该驱动机（4）驱动移动轮（22）沿着轨道（15）形成台车无人自动驾驶的前进运行或后退运行，并自动遥控供电和电缆收放，以及高压水枪的供水和水管收放。
7.根据权利要求1所述的一种隧道爆破高效除尘系统，其特征在于所述的若干个喷头（6）包括沿隧道延伸方向依次设置在喷雾区（13）的隧道边墙上的Ⅰ型喷头（61）、Ⅱ型喷头（62）和Ⅲ型喷头（63），该Ⅰ型喷头、Ⅱ型喷头和Ⅲ型喷的喷雾水滴射程半径和仰角均相同而喷水流量不同，并在喷雾区（13）组成梅花状各分段正三角形喷头组合布置。
8.根据权利要求3所述的一种隧道爆破高效除尘系统，其特征在于所述的轨道（15）沿隧道延伸方向设置有平行的两条；所述的骨架（21）横跨设置在两条轨道上，该骨架中部设有预留在两条轨道之间的通行区（26）；所述的封闭帘（3）设置在该通行区（26）。
9.根据权利要求1所述的一种隧道爆破高效除尘系统，其特征在于所述的隧道（1）两侧分别设有一直延伸出隧道洞口并汇流入隧道外的沉淀池的排水管，隧道内设有排风装置。
10.根据权利要求1~9任一项所述的一种隧道爆破高效除尘系统的操作方法，其特征在于所述的操作方法包括如下步骤：
步骤一、制作台车、封闭帘
1、根据设计图纸和地质条件，确定隧道钻爆施工方案；
2、根据隧道横断面尺寸，拟定台车（2）、封闭帘（3）结构尺寸；
3、选择合格材料制作台车或利用现有施工二次衬砌钢筋安装台车改装，在台车上安装封闭帘，检验合格；
4、根据各区段粉尘浓度要求、射水压力、射水流量、雾化参数和台车运行速度的参数，自动遥控作业；
5、通过试验段试验、测试合格；
6、根据隧道钻爆开挖进度，逐步推进台车位置；
步骤二、初步划分射水区（12）、喷雾区（13）和标准区（14）以及选择喷头（6）规格、数量以及拟定喷头安装间距
1、通过以往施工经验、查阅有关资料或通过试验段检测钻爆粉尘最大浓度；
2、初步划分射水区（12）、喷雾区（13）和标准区（14）长度；
3、根据高压水的压力、流量和雾化要求，选择高压泵（5）、高压水枪和雾化的喷头规格、型号，并测试符合要求；
4、由公式一、公式二计算后确定喷雾区（13）的喷头（6）数量、流量和安装间距；用类比法或现场试验确定；
5、取各分段Ⅰ型喷头（61）、Ⅱ型喷头（62）、Ⅲ型喷头（63）数为整数组成各分段正三角形喷头组合布置，第一分段喷头数为，第一分段与第二分段交界处选用Ⅰ型喷头，第二分段与第三分段交界处选用Ⅱ型喷头，以此为初步方案通过试验确定各分段长度、分段单个喷头流量、喷头数量；
6、由公式三计算时间，或用类比法、现场试验确定；
步骤三、安装喷雾区喷头
1、测量放样确定三分段安装Ⅰ型喷头（61）、Ⅱ型喷头（62）、Ⅲ型喷头（63）的平面位置和高度，各分段平面位置为梅花状正三角形喷头组合布置；
2、按设计位置安装Ⅰ型喷头、Ⅱ型喷头、Ⅲ型喷头，并接入供水管；
3、喷雾区各分段两侧边墙上的首端和中间各安装一个自动粉尘浓度检测仪；
4、喷雾区的三类喷头（6）和自动粉尘浓度检测仪自动遥控检测粉尘浓度和喷雾；
步骤四、射水区射水除尘
1、隧道岩石钻孔装药时，叉车将封闭帘（3）的多块矩形橡胶板（31）从中心对称位置横向分开，用钢丝绳将矩形橡胶板绑扎在台车两侧的骨架（21）上，留出通行区（26）的空间供施工车辆通行；
2、隧道岩石钻孔装药结束即将爆破时，解开钢丝绳，将矩形橡胶板（31）恢复到封闭状态，人员撤离；
3、爆破规定时间确定无哑炮后，自动遥控启动台车（2）、高压泵运行和高压水枪射水进行自动行走和射水作业，包括台车往返行走和射水作业；
4、通过台车（2）上设置的自动粉尘浓度检测仪反馈数据，达到设定的粉尘浓度后结束射水区（12）内射水除尘；
步骤五、喷雾区除尘
1、射水区（12）内射水结束除尘后，自动遥控开启自动粉尘浓度检测仪检测粉尘浓度和自动遥控开启各类喷头进行喷雾除尘；
2、自动粉尘浓度检测仪全程自动遥控检测粉尘浓度，如粉尘浓度符合要求后自动遥控停止喷头喷雾。
Priority Applications (1)
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| CN202310692162.5A CN116591748A (zh) | 2023-06-13 | 2023-06-13 | 一种隧道爆破高效除尘系统及操作方法 |
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| CN202310692162.5A CN116591748A (zh) | 2023-06-13 | 2023-06-13 | 一种隧道爆破高效除尘系统及操作方法 |
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ID=87599173
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| CN (1) | CN116591748A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117868960A (zh) * | 2024-01-02 | 2024-04-12 | 中交二航局第二工程有限公司 | 一种长大隧道喷雾降尘系统及其工作方法 |
-
2023
- 2023-06-13 CN CN202310692162.5A patent/CN116591748A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117868960A (zh) * | 2024-01-02 | 2024-04-12 | 中交二航局第二工程有限公司 | 一种长大隧道喷雾降尘系统及其工作方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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