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文档简介

隧道掘进机施工通风方案

一、工程概况与通风需求分析

1.1项目基本信息

本隧道工程为XX交通干线控制性工程,全长12.8km,最大埋深850m,隧道穿越地层以Ⅲ级围岩为主,局部为Ⅳ、Ⅴ级破碎带,含少量瓦斯。采用TBM(隧道掘进机)法施工,分进口、出口两个工作面同步掘进,TBM直径12.5m,设计掘进速度40m/天,最大独头掘进长度达6.4km。隧道内设置双车道施工便道,同时配置出渣列车、混凝土喷射台车、辅助作业车辆等内燃设备,高峰期设备总功率达1200kW。

1.2隧道设计参数与施工特点

隧道设计断面为马蹄形,净断面面积86.6㎡,采用复合式衬砌,初期支护为锚杆+喷射混凝土,二次衬模筑混凝土。施工过程中,TBM掘进与同步衬砌平行作业,洞内空间相对密闭,作业人员密度约8人/1000㎡,同时存在岩渣运输、混凝土浇筑等多工序交叉作业。施工特点表现为:独头距离长、设备密集、产尘产污环节集中、通风难度大。

1.3施工环境对通风的核心要求

(1)粉尘控制:TMB刀盘破岩产生岩尘,喷射混凝土产生水泥粉尘,粉尘浓度需满足《工作场所有害因素职业接触限值》(GBZ2.1)要求,总粉尘浓度≤8mg/m³,呼吸性粉尘≤4mg/m³;

(2)有害气体稀释:隧道内可能存在的瓦斯(CH₄)浓度需控制在≤0.5%(体积比),CO浓度≤30mg/m³,氮氧化物(NO₂)≤10mg/m³;

(3)温湿度调节:设备散热及围岩散热导致洞内温度升高,夏季作业温度需≤28℃,相对湿度≤70%;

(4)新风供给:每个作业面需满足每人4m³/min的新鲜风量,同时考虑内燃设备需风量(每kW设备供风量≥3m³/min)。

1.4污染物来源及危害分析

(1)粉尘来源:TBM刀盘切割岩体(占比60%)、喷射混凝土(占比25%)、运输车辆行驶(占比15%),长期吸入可导致尘肺病,降低能见度影响施工安全;

(2)有害气体来源:围岩中瓦斯逸出(主要成分CH₄)、内燃设备尾气(CO、NO₂、SO₂),瓦斯积聚可能引发爆炸,CO中毒可致人员伤亡;

(3)热量来源:TMB液压系统(占比50%)、内燃设备(占比30%)、围岩散热(占比20%),高温环境导致作业人员疲劳,增加安全风险。

1.5通风标准确定

依据《铁路隧道工程施工通风技术规程》(TB10120)、《公路隧道通风设计细则》(JTG/TD70/2-02),结合本工程特点,确定通风核心指标:

①风量:按最大独头掘进长度6.4km、设备总功率1200kW、作业人员50人计算,需风量Q=max(按人员需风量50×4=200m³/min,按设备需风量1200×3=3600m³/min,按稀释瓦斯需风量10000m³/min)=10000m³/min;

②风压:考虑风管沿程阻力及局部阻力,风压需≥3500Pa;

③风速:洞内作业段风速≥0.5m/s,最大风速≤6m/s,确保有效排尘且不扬尘。

二、通风系统设计与计算

2.1通风方式选择

2.1.1压入式通风

压入式通风是隧道掘进机施工中常用的通风方式,其核心原理是通过风机将新鲜空气从隧道入口压入,沿风管输送至工作面,从而稀释污染物并排出废气。在本工程中,由于隧道独头掘进长度达6.4km,且设备密集运行,压入式通风能有效确保新鲜空气优先到达作业区域,降低有害气体浓度。具体实施时,采用大功率轴流风机,风管直径1.8m,材质为阻燃PVC,以减少沿程阻力。压入式通风的优势在于操作简单、维护成本低,特别适合长距离隧道施工。然而,其缺点在于可能将已开挖区域的污染物重新带入工作面,需配合局部除尘措施。工程师通过对比分析,结合本工程的高粉尘和瓦斯风险,压入式通风成为首选方案,但需在风管出口设置喷雾降尘装置,以增强粉尘控制效果。

2.1.2抽出式通风

抽出式通风与压入式相反,通过风机从工作面附近抽出污染空气,经风管排出隧道外。这种方式在处理高浓度有害气体时效果显著,尤其适用于本工程中可能存在的瓦斯逸出场景。其工作原理是,风机安装于隧道出口,风管延伸至掘进机后方,直接抽取污染空气。抽出式通风的优点在于能快速降低工作面附近的污染物浓度,避免二次污染,且对温湿度调节有辅助作用。然而,其缺点是风管布置复杂,需考虑风管密封性以防漏风,同时风机功率要求较高。在本工程中,抽出式通风作为备用方案,当压入式通风效果不足时启用,例如在瓦斯浓度超标时,通过自动监测系统切换至抽出模式,确保安全。工程师评估后,抽出式通风在本工程中应用比例约为30%,主要针对高风险区域。

2.1.3混合式通风

混合式通风结合压入式和抽出式的优点,形成双向气流系统,是长距离隧道施工的理想选择。本工程采用压入-抽出混合式通风,即从入口压入新鲜空气,同时从出口抽出污染空气,形成循环气流。这种方式能有效覆盖整个隧道长度,减少污染物积累,特别适合本工程中设备散热和粉尘集中的特点。实施时,在隧道两端各设置一组风机,压入风机风量8000m³/min,抽出风机风量6000m³/min,风管采用分段连接。混合式通风的优势在于气流稳定,温湿度控制更佳,且能适应施工动态变化。工程师通过模拟计算,混合式通风可使洞内风速保持在0.8m/s,满足标准要求。其缺点是初始投资高,需协调两套系统运行。在本工程中,混合式通风作为主要方案,占比70%,确保施工全周期安全。

2.2风量计算

2.2.1按人员需风量计算

人员需风量是通风设计的基础,根据《工作场所有害因素职业接触限值》,每个作业人员需新鲜风量4m³/min。本工程高峰期作业人员50人,分布在掘进机、喷射混凝土和运输区域。计算公式为Q人员=人数×单人需风量,即Q人员=50×4=200m³/min。工程师考虑人员移动性,在计算中增加20%安全系数,实际需风量240m³/min。此风量确保作业区氧气充足,避免因人员密集导致窒息风险。在实际应用中,风管出口风速设计为1.5m/s,以保证人员活动区域空气流通。计算结果与设备需风量对比后,人员需风量较小,但作为基本保障不可或缺。

2.2.2按设备需风量计算

设备需风量源于内燃设备散热和尾气排放,根据《铁路隧道工程施工通风技术规程》,每kW设备需风量3m³/min。本工程设备总功率1200kW,包括TMB液压系统、喷射台车和运输车辆。计算公式为Q设备=总功率×单位需风量,即Q设备=1200×3=3600m³/min。工程师考虑设备运行间歇性,增加15%冗余,实际需风量4140m³/min。此风量有效稀释CO和NO₂浓度,防止设备过热。在实施中,风管布置优先覆盖设备密集区,如TMB后方,确保风量均匀分布。计算显示,设备需风量远超人员需风量,成为主导因素,需与有害气体稀释需求综合评估。

2.2.3按稀释有害气体计算

稀释有害气体风量针对瓦斯和CO等污染物,依据《公路隧道通风设计细则》,瓦斯浓度需控制在0.5%以下。本工程隧道穿越含瓦斯地层,可能逸出CH₄,同时内燃设备产生CO。计算公式为Q有害=最大污染物排放量/允许浓度。瓦斯排放量按掘进速度40m/天估算,CH₄浓度0.1%,需风量Q瓦斯=10000m³/min;CO排放量按设备功率计算,浓度30mg/m³,需风量QCO=8000m³/min。工程师取最大值Q有害=10000m³/min,作为设计基准。实际应用中,结合自动监测系统,动态调整风机转速。此风量确保有害气体不积聚,避免爆炸和中毒风险。计算结果表明,稀释需风量最大,主导整体通风方案。

2.3风压计算

2.3.1沿程阻力计算

沿程阻力是风管内空气流动的摩擦阻力,直接影响风机选型。计算公式为H沿程=λ×(L/D)×(ρ×v²/2),其中λ为摩擦系数,取0.02;L为风管长度6.4km;D为风管直径1.8m;ρ为空气密度1.2kg/m³;v为风速10m/s。代入得H沿程=0.02×(6400/1.8)×(1.2×10²/2)=1707Pa。工程师考虑风管材质和安装质量,增加10%安全系数,实际H沿程=1877Pa。此阻力值确保风管内气流稳定,避免压力损失过大。在施工中,风管采用分段连接,每节长100m,减少接头阻力。计算显示,沿程阻力占总风压主要部分,需优化风管设计以降低阻力。

2.3.2局部阻力计算

局部阻力源于风管弯头、变径等部件,造成气流突变。计算公式为H局部=ξ×(ρ×v²/2),其中ξ为局部阻力系数,取1.5;v为风速10m/s;ρ为1.2kg/m³。代入得H局部=1.5×(1.2×10²/2)=90Pa。工程师考虑施工中风管布置复杂,增加多个弯头,实际ξ值取2.0,H局部=120Pa。此阻力值影响风机效率,需在风管设计中减少急转弯。本工程中,风管转弯半径大于5倍直径,降低ξ值。计算表明,局部阻力较小,但不可忽视,需与沿程阻力叠加。

2.3.3总风压确定

总风压是沿程阻力和局部阻力之和,决定风机选型。计算公式为H总=H沿程+H局部=1877+120=1997Pa。工程师考虑风机效率和系统波动,增加20%安全系数,实际H总=2400Pa。此风压值确保风机能克服所有阻力,维持稳定气流。在实施中,选用轴流风机,风压2500Pa,风量12000m³/min。计算结果与风量需求匹配,确保通风系统高效运行。总风压的确定是通风设计的关键步骤,直接影响施工安全和成本。

三、通风设备选型与布置

3.1风机选型

3.1.1风机类型选择

针对本工程长距离、大风量、高风压的通风需求,选用矿用对旋轴流风机作为核心设备。该类型风机具有结构紧凑、风压高、效率稳定的特点,特别适合隧道狭长空间。具体型号为FBCDZ-10-2×250型,双电机设计,单台额定功率250kW,总功率500kW。风机叶片采用高强度铝合金材料,表面喷涂防腐涂层,适应隧道内高湿、粉尘环境。工程师通过对比离心风机、射流风机等类型,最终确定对旋轴流风机为最优选择,其最大风量可达12000m³/min,风压2500Pa,完全匹配第二章计算得出的总风压需求。

3.1.2性能参数确定

风机性能参数需严格依据通风系统设计计算结果确定。本工程选用两台主风机并联运行,单台风量6000m³/min,风压2500Pa。电机采用防爆型设计,防护等级IP55,适应隧道内瓦斯环境。风机配备变频调速系统,可根据实时监测数据自动调整转速,实现风量动态调节。工程师在选型过程中特别关注风机效率曲线,确保在70%-90%负荷区间运行时效率不低于85%,降低能耗。同时,风机叶轮动平衡精度控制在G2.5级以内,减少运行振动,延长使用寿命。

3.1.3安装与维护要点

风机安装在隧道洞口专用风机房内,基础采用钢筋混凝土整体浇筑,减震垫厚度50mm,减少振动传递至围岩。风机进出口设置消音装置,噪声控制在85dB以下。维护方面,每运行500小时需检查轴承润滑情况,采用锂基润滑脂;每季度清理叶轮表面附着物,防止积尘导致失衡。工程师制定详细的维护计划,确保风机在施工全周期内稳定运行,避免因故障导致通风中断。

3.2风管系统设计

3.2.1风管材质选择

风管作为通风系统的"血管",材质选择直接影响系统效率。本工程选用阻燃抗静电PVC涂覆布风管,厚度1.2mm,经纬向抗拉强度≥3000N/5cm。该材质具有重量轻(仅为钢风管的1/10)、摩擦系数小(λ=0.018)、耐腐蚀等优点。工程师通过对比钢风管、玻纤风管等类型,确定PVC涂覆布为最优选择,其沿程阻力比钢风管低20%,且安装便捷,可随TMB掘进延伸。风管颜色采用醒目橙红色,便于夜间施工识别。

3.2.2风管直径计算

风管直径直接影响风速和阻力损失。根据风量12000m³/min和风速控制要求(0.5-6m/s),计算得出风管直径1.8m。工程师采用流体力学公式D=√(4Q/3600πv),其中Q=12000m³/min,v=10m/s(经济风速),得出D=1.79m,取整为1.8m。为减少局部阻力,风管变径处采用渐扩管,扩散角≤15°。实际施工中,风管分节制作,每节长度10m,通过快速卡箍连接,密封性能达到95%以上。

3.2.3风管布置方案

风管布置需兼顾气流均匀性和施工便利性。本工程采用"单管压入+双支抽出"的混合布置:主风管沿隧道右侧壁铺设,距地面1.8m;支风管在TMB后方分叉,覆盖喷射混凝土区和人员活动区。风管悬挂采用专用吊带,每3m设置一处固定点,避免因车辆碰撞导致脱落。在TMB刀盘区域,风管采用柔性伸缩节设计,适应设备移动时的变形。工程师通过CFD模拟优化布置方案,确保工作面风速≥0.5m/s,回风区污染物浓度达标。

3.3辅助设备配置

3.3.1除尘装置选型

针对TMB掘进产生的高浓度岩尘,配置湿式除尘器作为核心除尘设备。选用MD-1000型矿用湿式除尘器,处理风量1000m³/min,除尘效率≥95%。该设备采用文丘里洗涤技术,通过高压水雾捕集粉尘,同时具有降温和加湿功能。除尘器安装在风管出口处,随TMB同步前移。工程师特别关注喷嘴布置,采用螺旋式喷嘴阵列,雾滴直径50-100μm,确保与粉尘充分接触。配套设置沉淀池和循环水系统,实现水资源重复利用,减少施工废水排放。

3.3.2监测系统部署

通风效果依赖实时监测数据支撑。本工程配置四合一气体检测仪(CH₄、CO、O₂、温度),每200m设置一个监测点,数据通过无线传输至洞口控制中心。风速传感器采用皮托管式,安装在风管关键节点,实时反馈风速变化。监测系统设定三级预警阈值:一级(CH₄≥0.3%)启动声光报警,二级(CH₄≥0.4%)自动增加风机转速,三级(CH₄≥0.5%)触发紧急停机程序。工程师通过历史数据训练AI预测模型,提前1小时预警潜在通风风险,实现主动防控。

3.3.3应急设备配置

为应对突发通风故障,配置两套备用系统:一套柴油驱动风机(风量3000m³/min),配备500L柴油储备;一套移动式射流风机(风量500m³/min),可快速部署至工作面。应急照明采用防爆LED灯,沿风管每50m设置一处,确保断电时能见度≥5m。工程师编制《通风应急预案》,明确故障类型、处置流程和责任人,每季度组织实战演练。特别针对瓦斯突出风险,配置防爆自救器50套,存放于隧道两侧壁专用箱内,确保30秒内可取用。

四、通风系统运行管理与维护

4.1运行管理制度

4.1.1值班值守规范

通风系统实行24小时专人值班制度,每班配备两名持证操作员,负责监控风机运行状态、记录风量风压数据、检查气体浓度。值班人员每小时巡查一次设备,重点检查电机温度、轴承异响、电压稳定性等参数,发现异常立即启动备用系统并上报。交接班时需填写《通风设备运行日志》,详细记录风机启停时间、故障处理情况、环境监测数据等信息,确保信息连续可追溯。

4.1.2动态调节机制

根据施工进度实时调整通风参数。当TBM掘进速度超过30m/天时,自动将风机转速提高10%;在喷射混凝土作业时段,启动局部增压风机增强工作面风速。系统通过物联网平台接收掘进机位置信号,提前500m延伸风管,避免出现通风盲区。瓦斯浓度波动时,采用阶梯式调节:0.3%以下维持基础风量,0.3%-0.4%增加20%风量,0.4%以上启动双风机并联模式。

4.1.3数据监测流程

隧道内每300m设置环境监测点,实时采集CO、CH₄、粉尘浓度数据。监测数据通过5G网络传输至洞口控制中心,超过阈值时自动触发声光报警。控制中心设置三色预警系统:黄色(CH₄≥0.2%)提示巡检,橙色(≥0.4%)启动强化通风,红色(≥0.5%)联动施工设备紧急停机。每日生成《环境质量报告》,分析污染物分布趋势,指导通风策略优化。

4.2日常维护保养

4.2.1风机维护标准

主风机每运行500小时进行一级保养:清理叶轮积尘,检查轴承润滑脂状态(采用锂基润滑脂,填充量占轴承腔1/3);每2000小时进行二级保养:更换密封件,动平衡校验(精度≤G2.5级)。电机维护需断电操作,使用兆欧表检测绝缘电阻(≥100MΩ),紧固所有电气接线端子。建立《风机健康档案》,记录历次维护数据,预测轴承、叶片等易损件剩余寿命。

4.2.2风管维护措施

每周进行风管完整性检查,重点排查破损、漏风部位。发现漏风时,采用专用胶带进行临时封堵,24小时内更换破损风管节段。风管悬挂点每月检查一次,确保吊带无老化、卡箍无松动。在TMB移动时,风管伸缩节需同步调整,避免拉伸过度导致撕裂。定期清洗风管内壁(每季度一次),清除积尘和冷凝水,保持通风效率。

4.2.3除尘系统保养

湿式除尘器每班清理集尘箱,每周检查喷嘴堵塞情况(雾化效果测试:雾滴直径50-100μm达标)。循环水系统每半月更换一次,防止藻类滋生。文丘里洗涤器喉管磨损量超过2mm时及时更换,保证除尘效率≥95%。维护人员需佩戴防毒面具操作,避免接触含尘废水。

4.3应急处理预案

4.3.1瓦斯超限处置

当监测到CH₄浓度≥0.5%时,立即执行三级响应:启动紧急停机程序切断非防爆电源,人员撤至新鲜风流处,开启备用柴油风机(风量3000m³/min)。同时组织专业检测小组佩戴正压式呼吸器进入现场,确认瓦斯来源。若发现局部积聚,采用风筒引导稀释;若属地层逸出,调整通风模式为全断面抽出式,并加密监测频次至每10分钟一次。

4.3.2风机故障应对

单台风机故障时,30秒内自动切换至备用风机;双风机同时故障时,立即启用柴油驱动应急风机,同时组织人员手动启动洞口备用射流风机。故障风机需在2小时内完成检修,无法修复时调运备用设备。期间通过调整风管分支阀门,优先保障工作面通风,人员密集区域采用移动式风筒送风。

4.3.3火灾通风策略

隧道发生火灾时,启动定向排烟模式:关闭火源区域风管,开启下游风管阀门,形成从火源向出口的定向气流。同时启动喷雾降温系统,在火源上游形成水雾屏障。人员疏散路线设置逆风标识,引导人员向新鲜风流方向撤离。高温区域(≥60℃)采用耐高温风管(工作温度≤200℃),防止风管熔断导致通风中断。

五、通风系统效果评估与优化

5.1监测数据分析

5.1.1关键指标监测

系统在隧道内布设了32个固定监测点,每处安装四合一气体检测仪,实时采集粉尘浓度、CH₄、CO、O₂及温湿度数据。掘进工作面增设2台移动式粉尘仪,每30分钟记录一次岩尘浓度。监测数据显示,TBM刀盘区域粉尘浓度峰值达12mg/m³,超过标准限值8mg/m³,主要因刀盘高速旋转产生大量细颗粒岩尘。瓦斯浓度在Ⅳ级围岩段出现0.32%的瞬时波动,未触发报警阈值,但显示局部存在积聚风险。

5.1.2数据趋势分析

连续三个月的监测数据表明,粉尘浓度呈现"掘进高峰-喷射作业-运输阶段"的阶梯式波动规律。其中喷射混凝土作业时段粉尘浓度平均为9.5mg/m³,较其他时段高出40%。温湿度数据则显示,设备散热导致洞内温度比外界高8-12℃,夏季午后温度峰值达32℃,湿度长期维持在75%-85%区间。CO浓度与内燃设备运行时段高度吻合,运输车辆密集时段浓度达25mg/m³,接近限值30mg/m³。

5.1.3问题定位

通过空间插值分析发现,距工作面200-300m区域存在通风盲区,风速低于0.3m/s,导致污染物积聚。风管在TMB移动过程中频繁出现褶皱变形,局部漏风率达15%。除尘器喷嘴堵塞频次达每周3次,显著降低捕尘效率。瓦斯监测点布置过于稀疏,部分区域未能实现全覆盖。

5.2效果评估方法

5.2.1客观指标评估

建立三级评估体系:一级指标包括污染物达标率、通风能耗、系统可靠性。二级指标细化至粉尘≤8mg/m³的达标率(当前92%)、CH₄浓度≤0.5%的达标率(100%)、吨掘进能耗(当前1.2kWh/m³)。三级指标监测风机故障率(月均1.2次)、风管完好率(87%)等。评估采用百分制,当前综合得分85分,其中环保指标92分,安全指标95分,经济指标78分。

5.2.2主观评价反馈

每月组织作业人员填写《通风舒适度问卷》,涵盖空气质量、温度感知、噪声影响等维度。统计显示85%人员认为粉尘控制效果良好,但喷射作业区仍感刺鼻;78%人员反映高温时段体感不适,建议增加局部降温措施。司机群体普遍反映运输巷道风速不足,扬尘影响视线。管理人员指出应急响应时间需缩短至5分钟以内。

5.2.3对标分析

与同类工程对比显示,本系统在瓦斯控制方面表现优异(达标率100%),但粉尘控制落后行业平均水平5个百分点。能耗指标高于行业标杆15%,主要因风机长期满负荷运行。应急响应时间行业先进水平为3分钟,本系统需优化至5分钟内。

5.3持续优化措施

5.3.1技术升级方案

在通风盲区增设3台射流风机,形成"主风管+射流"的复合气流。风管悬挂高度从1.5m调整至1.8m,减少车辆碰撞风险。除尘器升级为双文丘里结构,增加二级旋风分离装置,除尘效率提升至98%。引入AI预测模型,基于掘进参数提前30分钟预警粉尘峰值。

5.3.2管理机制完善

建立"班组-工区-项目部"三级通风管理责任体系,将通风指标纳入月度考核。修订《通风设备操作手册》,新增故障快速处置流程图。实施"通风之星"评选,激励员工主动维护设备。每季度组织跨部门通风分析会,协调施工工序与通风需求。

5.3.3动态调整策略

开发通风参数智能调节算法,根据实时监测数据自动控制风机转速。在Ⅳ级围岩段实施"短掘长通风"模式,每掘进50m停机20分钟强化通风。高温时段启动喷雾降温系统,雾化颗粒直径控制在30-50μm。运输高峰期启用局部增压风筒,确保巷道风速≥1.0m/s。

六、安全风险防控与应急预案

6.1风险识别与分级

6.1.1施工阶段风险

隧道掘进施工过程中,不同作业阶段呈现差异化的安全风险。在TBM掘进阶段,刀盘高速旋转产生火花风险,同时破碎岩层可能引发局部瓦斯涌出,监测数据显示Ⅳ级围岩段瓦斯浓度波动区间为0.1%-0.32%。喷射混凝土作业时,水泥粉尘与岩尘混合形成高浓度气溶胶,作业面1.5米范围内粉尘峰值达15mg/m³,超过国家标准限值。运输阶段车辆频繁启动排放尾气,在巷道转弯处形成CO积聚,实测浓度达28mg/m³,接近30mg/m³的警戒线。

6.1.2设备故障风险

通风系统自身故障可能引发连锁安全事件。风机轴承超温是最常见隐患,某次运行中电机温度达92℃,触发自动停机保护。风管在TMB移动时易发生褶皱变形,导致局部风阻增加,某次风管破损后漏风率达20%,使工作面风速降至0.2m/s。除尘器喷嘴堵塞频次较高,平均每周发生2-3次,导致除尘效率从95%骤降至70%。监测系统通信中断时有发生,最长中断时间达45分钟,期间无法实时获取环境数据。

6.1.3环境异常风险

地质条件变化带来不可预见风险。隧道穿越断层带时,岩层裂隙发育导致瓦斯异常涌出,某次监测点CH₄浓度在10分钟内从0.2%升至0.45%。高温季节围岩散热加剧,洞内温度持续维持在32℃,湿度达85%,造成作业人员中暑。暴雨天气导致洞口积水倒灌,某次积水漫过风机基础,引发电机短路。爆破作业产生的冲击波可能导致风管接头脱落,某次爆破后风管位移达30cm,影响通风效果。

6.2防控措施

6.2.1技术防控手段

建立多层次技术防护体系。在TMB刀盘区域安装防爆电机,防护等级达ExdI,杜绝火花风险。瓦斯监测点加

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