隧道瓦斯处理系统及方法与流程

本发明涉及隧道工程技术领域，尤其是一种隧道瓦斯处理系统及方法。

背景技术：

当隧道穿过煤层、油页岩或含沥青等的岩体，或从其附近通过围岩破碎或节理发育的岩层时，隧道周围的岩层中会向隧道内渗透瓦斯气体。隧道内的瓦斯气体若不能及时排出隧道外，达到一定浓度后则会发生燃烧或爆炸。在隧道修建阶段，瓦斯爆炸有可能会造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡；在隧道运营阶段，瓦斯爆炸有可能会造成轨道的破坏，严重时造成人员伤亡。

在自然条件恶劣，多地区终年积雪的隧道区域，无法进行传统的地表调绘，高海拔地区缺氧、气候多变、交通困难，勘探设备和人员难以抵达现场，给现场地质钻探、瓦斯测试及检测工作都带来严峻的挑战。这些原因使得瓦斯气体勘察设计难度大，隧道修建以及运营过程中无法准确预测瓦斯何时逸出，因此，在这种隧道的修建及运营过程中，极易由于瓦斯浓度超标而发生燃烧或爆炸。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可降低隧道内瓦斯浓度的隧道瓦斯处理系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：隧道瓦斯处理系统，包括用于监测隧道内瓦斯浓度的瓦斯监测传感器和用于向隧道内排放二氧化碳气体的排气装置；

所述排气装置包括排气管、引流管、控制阀、分叉管、单向阀、第一密封容器和第二密封容器；所述第一密封容器内装有碳酸盐溶液，所述第二密封容器内装有酸溶液；

所述引流管的第一端从第一密封容器顶部的第一通孔向下插入第一密封容器内的碳酸盐溶液中；所述引流管的第二端从第二密封容器顶部的第二通孔向下插入第二密封容器内的酸溶液中；所述引流管与第一通孔和第二通孔之间均密封连接；

所述排气管的进口端与第一密封容器内碳酸盐溶液上方的气体腔连通；所述控制阀设置在排气管上；所述分叉管的第一端与位于排气管的进口端至控制阀之间的排气管的内部连通，所述分叉管的第二端与第二密封容器的内部连通；所述单向阀设置在分叉管上，以使分叉管内的介质从分叉管的第一端向第二端流动。

进一步的，所述控制阀为自动控制阀门，所述瓦斯监测传感器与控制阀连接；当瓦斯监测传感器监测到隧道内瓦斯的浓度超过设定的安全值时，瓦斯监测传感器发出信号至控制阀，以使控制阀自动打开；当瓦斯监测传感器监测到隧道内瓦斯的浓度低于设定的安全值时，瓦斯监测传感器发出信号至控制阀，以使控制阀自动关闭。

进一步的，所述引流管的第一端在第一密封容器内向下延伸至第一密封容器底壁的位置；所述引流管的第二端在第二密封容器内向下延伸至第二密封容器底壁的位置。

进一步的，所述排气管的进口端与第一密封容器的顶部密封连接；第一密封容器的顶部、且与排气管的进口端相对应的位置设置有连通排气管内部与第一密封容器内部的第一连通孔。

进一步的，所述分叉管的第二端与第二密封容器的顶部密封连接；第二密封容器的顶部、且与分叉管的第二端相对应的位置设置有连通分叉管内部与第二密封容器内部的第二连通孔。

进一步的，所述第二密封容器设置在第一密封容器的一侧。

进一步的，所述第二密封容器与第一密封容器之间通过固定件固定连接。

进一步的，所述第二密封容器与第一密封容器具有共用的容器壁。

进一步的，所述碳酸盐溶液为碳酸钠溶液或碳酸氢钠溶液；所述酸溶液为醋酸溶液或柠檬酸溶液。

隧道瓦斯处理方法，采用隧道瓦斯处理系统对隧道内的瓦斯进行处理，包括：

s1、将瓦斯监测传感器和排气装置安装在隧道内指定的安装位置；

s2、在瓦斯监测传感器内设定隧道内瓦斯浓度的安全值；调整控制阀处于关闭状态；调整第一密封容器内的气压，使其大于隧道内的气压；

s3、当瓦斯监测传感器监测到隧道内瓦斯浓度超过设定的安全值时，控制阀打开，第一密封容器内持续产生二氧化碳气体，并通过排气管排放至隧道内；

s4、当瓦斯监测传感器监测到隧道内瓦斯浓度低于设定的安全值时，控制阀关闭。

本发明的有益效果是：

1、通过瓦斯监测传感器对隧道内的瓦斯浓度进行监测，当隧道内的瓦斯浓度超过设定的安全值时，通过排气装置持续向隧道内排放二氧化碳气体，以降低隧道内瓦斯气体的浓度，杜绝瓦斯爆炸的风险，避免引发事故，提高隧道的安全性。

2、通过将控制阀设置为自动控制阀门，并将该控制阀与瓦斯监测传感器连接，以形成自动控制系统，自动监测隧道内的瓦斯浓度、并自动向隧道内排放二氧化碳气体；除了需要定期对该隧道瓦斯处理系统进行维护并更换碳酸盐溶液和酸溶液外，无需专人值守，维护成本低，不仅适用于正在修建的隧道，而且适用于处于运营状态的隧道，更适用于偏远地区交通不便的隧道工程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍；显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的隧道瓦斯处理系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中排气装置的第一种实施方式的结构示意图；

图3是本发明实施例中排气装置的第二种实施方式的结构示意图。

图中附图标记为：1-瓦斯监测传感器，2-排气装置，3-隧道，21-排气管，22-引流管，23-控制阀，24-分叉管，25-单向阀，26-第一密封容器，27-第二密封容器，28-固定件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

如图1所示，本发明实施例的隧道瓦斯处理系统，包括用于监测隧道3内瓦斯浓度的瓦斯监测传感器1和用于向隧道3内排放二氧化碳气体的排气装置2；

所述排气装置2包括排气管21、引流管22、控制阀23、分叉管24、单向阀25、第一密封容器26和第二密封容器27；所述第一密封容器26内装有碳酸盐溶液，所述第二密封容器27内装有酸溶液；

所述引流管22的第一端从第一密封容器26顶部的第一通孔向下插入第一密封容器26内的碳酸盐溶液中；所述引流管22的第二端从第二密封容器27顶部的第二通孔向下插入第二密封容器27内的酸溶液中；所述引流管22与第一通孔和第二通孔之间均密封连接；

所述排气管21的进口端与第一密封容器26内碳酸盐溶液上方的气体腔连通；所述控制阀23设置在排气管21上；所述分叉管24的第一端与位于排气管21的进口端至控制阀23之间的排气管21的内部连通，所述分叉管24的第二端与第二密封容器27的内部连通；所述单向阀25设置在分叉管24上，以使分叉管24内的介质从分叉管24的第一端向第二端流动。

所述瓦斯监测传感器11用于实时监测隧道3内瓦斯的浓度，该瓦斯监测传感器1可以采用现有技术中的产品，直接从市场上购买。所述排气装置2用于向隧道3内排放二氧化碳气体，以降低隧道3内瓦斯的浓度。

下面结合图2对排气装置2进行详细说明。

如图2所示，所述第一密封容器26内装有碳酸盐溶液，该碳酸盐溶液的浓度和体积应根据实际工艺而设定，在此不做具体的限定。所述第二密封容器27内装有酸溶液，该酸溶液的浓度和体积应根据实际工艺而设定，在此不做具体的限定。通过将第一密封容器26和第二密封容器27设置为密封结构，使其内部的液体和气体仅能沿设定的管道流动，避免发生泄漏。

如图2所示，所述引流管22大致呈倒u形，引流管22的两端分别是第一端和第二端；引流管22的第一端从第一密封容器26顶部的第一通孔向下插入第一密封容器26内的碳酸盐溶液中，引流管22的第二端从第二密封容器27顶部的第二通孔向下插入第二密封容器27内的酸溶液中。这样，当第一密封容器26内的气压小于第二密封容器27内的气压时，第二密封容器27内的酸溶液就会通过该引流管22进入到第一密封容器26内，进而与第一密封容器26内的碳酸盐溶液发生反应，生成二氧化碳气体。

如图2所示，所述排气管21的进口端与第一密封容器26内碳酸盐溶液上方的气体腔连通，这样可使第一密封容器26内产生的二氧化碳气体从排气管21排走。所述控制阀23设置在排气管21上，用于控制排气管21的开闭；当控制阀23打开时，第一密封容器26内的二氧化碳气体通过排气管21排放至隧道3内，当控制阀23关闭时，第一密封容器26内的二氧化碳气体停止向隧道3内排放。

如图2所示，所述分叉管24的两端分别是第一端和第二端，分叉管24的第一端与位于排气管21的进口端至控制阀23之间的排气管21的内部连通，分叉管24的第二端与第二密封容器27的内部连通，并在分叉管24上设置有用于控制介质流向的单向阀25。这样，首先可防止第二密封容器27内的气体或液体倒流至排气管21内，避免堵塞排气管21；其次，当控制阀23关闭，且第一密封容器26内的气压高于第二密封容器27内的气压时，第一密封容器26内的二氧化碳气体通过排气管21和分叉管24进入到第二密封容器27内，以平衡两个密封容器之间的气压。

隧道瓦斯处理方法，采用如上述实施例的隧道瓦斯处理系统对隧道3内的瓦斯进行处理，包括：

s1、将瓦斯监测传感器1和排气装置2安装在隧道3内指定的安装位置；

s2、在瓦斯监测传感器1内设定隧道3内瓦斯浓度的安全值；调整控制阀23处于关闭状态；调整第一密封容器26内的气压，使其大于隧道3内的气压；

s3、当瓦斯监测传感器1监测到隧道3内瓦斯浓度超过设定的安全值时，控制阀23打开，第一密封容器26内持续产生二氧化碳气体，并通过排气管21排放至隧道3内；

s4、当瓦斯监测传感器1监测到隧道3内瓦斯浓度低于设定的安全值时，控制阀23关闭。

下面结合图1、图2对该隧道瓦斯处理方法进行详细说明。

步骤s1中，如图1所示，所述瓦斯监测传感器1设置在指定安装位置处的隧道3顶部，排气装置2设置在指定安装位置处的隧道3一侧的底部或辅助坑道内。

步骤s2中，隧道3内瓦斯浓度的安全值应小于瓦斯爆炸界限的下限值，由于瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它受温度、压力、其他可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响，因此，在此不对安全值做具体的限定。

增大第一密封容器26内的气压的方式有很多，例如通过空气压缩机以增大第一密封容器26内的气压，但是这种方式操作麻烦，工作量较大。为了操作方便，降低工作量，本发明中提供了一种优选的实施方式，打开第一密封容器26上的进料口，向第一密封容器26内加入一定量的酸溶液，然后关闭该进料口，酸与碳酸盐进行反应生成二氧化碳气体，使第一密封容器26内的气压升高，然后二氧化碳气体通过排气管21和分叉管24进入到第二密封容器27内，以平衡两个密封容器内的气压；当第一密封容器26内的酸溶液完全反应后，则两个密封容器内的气压保持不变、且均大于隧道3内的气压。

在增大第一密封容器26内的气压时，为了将第一密封容器26内的空气全部排走，作为优选的实施方式，在第一密封容器26内加入一定量的酸溶液后，打开控制阀23，当检测到排气管21的出口端有二氧化碳气体逸出时关闭控制阀23，此时第一密封容器26内继续产生二氧化碳气体，使第一密封容器26内的气压升高，然后二氧化碳气体通过排气管21和分叉管24进入到第二密封容器27内，以平衡两个密封容器内的气压；当第一密封容器26内的酸溶液完全反应后，则两个密封容器内的气压保持不变、且均大于隧道3内的气压。

步骤s3中，当瓦斯监测传感器1监测到隧道3内的瓦斯浓度超过设定的安全值时，控制阀23打开，第一密封容器26内的气体通过排气管21排放至隧道3内；此时第一密封容器26内气压减小，在两个密封容器内气压差的作用下，第二密封容器27内的酸溶液通过引流管22持续进入第一密封容器26内，进而使酸溶液与碳酸盐溶液持续反应，生成大量的二氧化碳气体，二氧化碳气体通过排气管21排放至隧道3内，进而降低隧道3内的瓦斯浓度。

步骤s4中，当瓦斯监测传感器1监测到隧道3内的瓦斯浓度低于设定的安全值时，控制阀23关闭，此时，酸溶液仍然通过引流管22持续进入第一密封容器26内，第一密封容器26内仍然会产生二氧化碳气体，进而使第一密封容器26内的气压升高；当第一密封容器26内的气压高于第二密封容器27内的气压时，第二密封容器27内的酸溶液停止向第一密封容器26内输送，并且第一密封容器26内的二氧化碳气体通过排气管21和分叉管24进入到第二密封容器27内，以平衡两个密封容器内的气压；当第一密封容器26内的酸溶液完全反应后，两个密封容器内的气压保持不变、且两个密封容器内的气压均高于隧道3内的气压，为下次排气作好准备。

然后就可将瓦斯浓度在安全范围内的混合气体从隧道3内排走。具体的，当该隧道3为正在修建的隧道时，可以通过设置在隧道3内的抽排系统将混合气体排至隧道3的外部；当该隧道3为处于运行状态的隧道时，既可以通过设置在隧道3内的抽排系统将混合气体排至隧道3的外部，也可以通过列车行驶过程中产生的螺旋风将混合气体排至隧道3的外部。

本发明实施例的隧道瓦斯处理系统及方法，通过瓦斯监测传感器1实时监测隧道3内的瓦斯浓度，当隧道3内的瓦斯浓度超过设定的安全值时，通过排气装置2向隧道3内排放二氧化碳气体，以降低隧道3内瓦斯气体的浓度，杜绝瓦斯爆炸的风险，避免引发事故，提高隧道3的安全性。

所述控制阀23用于控制排气管21的开闭，该控制阀23可以是闸阀、截止阀、球阀或蝶阀等，当然还可以是其他结构的阀门，在此不做具体的限定。

作为一种实施方式，所述控制阀23可以是手动阀门，这种控制阀23适用于正在修建的隧道3。当瓦斯监测传感器1监测到隧道3内的瓦斯浓度超过设定的安全值时，工作人员手动打开控制阀23，以向隧道3内排放二氧化碳气体；当瓦斯监测传感器1监测到隧道3内的瓦斯浓度低于设定的安全值时，工作人员手动关闭控制阀23即可。

作为另一种实施方式，所述控制阀23可以是电动、液动或气动阀门，这种控制阀23适用于正在修建的隧道3，不仅提高工作人员的操作效率，降低工作量，并且可以实现远程控制。当瓦斯监测传感器1监测到隧道3内的瓦斯浓度超过设定的安全值时，工作人员打开控制阀23，以向隧道3内排放二氧化碳气体；当隧道3内的瓦斯浓度低于设定的安全值时，工作人员关闭控制阀23即可。

上述实施例中的控制阀23均需要工作人员手动操作，不适用于无人值守的隧道3。为了提高本发明实施例的隧道瓦斯处理系统的适用范围，作为优选的实施方式，所述控制阀23为自动控制阀门，所述瓦斯监测传感器1与控制阀23连接；当瓦斯监测传感器1监测到隧道3内瓦斯的浓度超过设定的安全值时，瓦斯监测传感器1发出信号至控制阀23，以使控制阀23自动打开；当瓦斯监测传感器1监测到隧道3内瓦斯的浓度低于设定的安全值时，瓦斯监测传感器1发出信号至控制阀23，以使控制阀23自动关闭。

所述控制阀23是一种自动控制阀门，其包括阀门本体、阀门执行器和控制模块，利用传感器的信号传输使控制模块发出指令来操作阀门执行器，进而使阀门本体打开和关闭，无需人工操作。当瓦斯监测传感器1监测到隧道3内瓦斯浓度超过设定的安全值时，瓦斯监测传感器1发出信号至控制阀23，当控制阀23上的控制模块接收到该信号后，控制模块发出打开指令来使阀门执行器动作，进而打开该控制阀23，以向隧道3内排放二氧化碳气体。当瓦斯监测传感器1监测到隧道3内瓦斯浓度低于设定的安全值时，瓦斯监测传感器1发出信号至控制阀23，当控制阀23上的控制模块接收到该信号后，控制模块发出关闭指令来使阀门执行器动作，进而关闭该控制阀23。当然，所述瓦斯监测传感器1可以与一个排气装置2中的控制阀23连接，也可以与多个排气装置2中的控制阀23连接，在此不做具体的限定。

本发明实施例的隧道瓦斯处理系统，通过将控制阀23设置为自动控制阀门，并将该控制阀23与瓦斯监测传感器1连接，以形成自动控制系统，自动监测隧道3内的瓦斯浓度、并自动向隧道3内排放二氧化碳气体，以达到降低隧道3内瓦斯浓度的目的，杜绝瓦斯爆炸的风险，避免引发事故，提高隧道的安全性。除了需要定期对该隧道瓦斯处理系统进行维护并更换碳酸盐溶液和酸溶液外，无需专人值守，维护成本低，不仅适用于正在修建的隧道3，而且适用于处于运营状态的隧道3，更适用于偏远地区交通不便的隧道工程。

为了增加引流管22的两端向下插入液体内的深度，作为优选的实施方式，如图2所示，所述引流管22的第一端在第一密封容器26内向下延伸至第一密封容器26底壁的位置；所述引流管22的第二端在第二密封容器27内向下延伸至第二密封容器27底壁的位置。

为了增大排气管21的进口端至第一密封容器26内液面的高度，以防止由于第一密封容器26内的液面高度上升而淹没排气管21的进口端，作为一种优选的实施方式，如图2所示，所述排气管21的进口端与第一密封容器26的顶部密封连接；第一密封容器26的顶部、且与排气管21的进口端相对应的位置设置有连通排气管21内部与第一密封容器26内部的第一连通孔。

当然，如图3所示，所述排气管21的进口端还可以从第一密封容器26顶部的通孔向下伸入第一密封容器26的内部，且使排气管21的进口端始终位于碳酸盐溶液上方的气体腔内，排气管21与第一密封容器26顶部的通孔之间密封连接。当然，所述排气管21的进口端还可以从第一密封容器26一侧的通孔插入第一密封容器26的内部、并向上延伸至碳酸盐溶液上方的气体腔内，所述排气管21与第一密封容器26一侧的通孔之间密封连接。具体的，应根据实际工艺设置排气管21的进口端伸入第一密封容器26内的长度，以保证该排气管21的进口端始终位于液面上方的气体腔内。

作为一种优选的实施方式，所述分叉管24的第二端与第二密封容器27的顶部密封连接；第二密封容器27的顶部、且与分叉管24的第二端相对应的位置设置有连通分叉管24内部与第二密封容器27内部的第二连通孔。

当然，如图3所示，所述分叉管24的第二端还可以从第二密封容器27顶部的通孔向下伸入第二密封容器27的内部，所述分叉管24与第二密封容器27顶部的通孔之间密封连接。当然，分叉管24的第二端可以位于第二密封容器27内酸溶液上方的气体腔内，也可以插入第二密封容器27内的酸溶液内，在此不作具体的限定。

所述第一密封容器26和第二密封容器27均可以包括顶板、底板和一圈侧板，顶板、底板和一圈侧板之间围成用于盛装反应原料的密封腔室。为了便于对第一密封容器26和第二密封容器27内的液体定期进行更换，作为优选的实施方式，所述第一密封容器26和第二密封容器27均包括箱体和密封盖合在箱体顶部开口的盖体，箱体和盖体之间围成用于盛装反应原料的密封腔室。当然，第一密封容器26和第二密封容器27还可以为其他结构，在此不做具体的限定。

如图2所示，所述第二密封容器27设置在第一密封容器26的一侧，这两个密封容器之间的距离可以根据隧道3内的空间进行布置，在此不进行具体的限定。第一密封容器26和第二密封容器27可以安装在共同的支撑底座上。进一步的，所述第二密封容器27与第一密封容器26之间通过固定件28固定连接。该固定件28可以是固定板、固定杆或固定块等。如图3所示，所述第二密封容器27与第一密封容器26具有共用的容器壁。当然，所述第二密封容器27还可以设置在第一密封容器26的内部；第一密封容器26还可以设置在第二密封容器27的内部，在此不做具体的限定。

本发明实施例的隧道瓦斯处理系统中，并不对碳酸盐溶液和酸溶液做具体的限定，只要它们可以发生反应生成二氧化碳气体即可。为了降低排气装置2在制造时对材料的要求，进而降低制造成本，并且提高工作人员在更换碳酸盐溶液和酸溶液时的安全性；本发明中提供了一种优选的实施方式，所述碳酸盐溶液为碳酸钠溶液或碳酸氢钠溶液等；所述酸溶液为醋酸溶液或柠檬酸溶液等。具体的，第一密封容器26中可以装有碳酸钠溶液或碳酸氢钠溶液，还可以装有碳酸钠溶液与碳酸氢钠溶液的混合溶液。第二密封容器27中可以装有醋酸溶液或柠檬酸溶液，还可以装有醋酸溶液与柠檬酸溶液的混合溶液。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。