高瓦斯隧道施工通風(fēng)處理數(shù)值模擬分析

康小兵 丁 睿，2 許 模 趙帥軍

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059；2.中鐵二局股份有限公司，成都610032；3.湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，長沙410007）

西南交通大學(xué)用空氣動力學(xué)模型、交通模型、污染模型、控制模型對豎井排出式縱向通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)數(shù)值模擬。蘭州鐵路學(xué)院許云峰、高孟理等利用有限差分法對射流通風(fēng)流場進(jìn)行了分析。近幾年，西南交通大學(xué)在公路隧道通風(fēng)防災(zāi)方面也做過大量研究工作，關(guān)寶樹、楊其新、王明年、曾艷華等人分別開發(fā)編制過隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算程序，對二郎山隧道通風(fēng)、秦嶺終南山隧道通風(fēng)等工程進(jìn)行過研究［1］。

然而，從國內(nèi)外的隧道通風(fēng)數(shù)值模擬研究狀況可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)營通風(fēng)成為各國學(xué)者的主要研究對象，而施工通風(fēng)很少有人涉及。隧道施工通風(fēng)與運(yùn)營通風(fēng)有很大的區(qū)別，如果完全照搬運(yùn)營通風(fēng)的經(jīng)驗(yàn)和理論，顯然不合理。因此應(yīng)用已有的流體計(jì)算軟件對瓦斯隧道施工期間通風(fēng)降低瓦斯?jié)舛刃ЧM(jìn)行模擬計(jì)算，為隧道的施工通風(fēng)提供理論指導(dǎo)很有必要。

1 隧道施工中瓦斯的危害

1.1 瓦斯窒息

瓦斯是多種氣體的混合物，組成多達(dá)數(shù)十種，主要成分為CH4。CH4擴(kuò)散性比空氣高1.6倍，且不利于呼吸。因每立方米CH4質(zhì)量僅為0.716kg，比空氣輕，常積聚在隧洞頂部，造成局部瓦斯?jié)舛仍龈?，含氧量減少。由于瓦斯無色無味，很難防范，當(dāng)工作人員吸入一定量的瓦斯、空氣混合氣體（CH4體積分?jǐn)?shù)＞16%，O2體積分?jǐn)?shù)＜10%～12%）時(shí)，就會造成瓦斯窒息事故，嚴(yán)重的會導(dǎo)致死亡［2］。

1.2 瓦斯燃燒與爆炸

瓦斯和空氣混合后，在一定的條件下，遇高溫?zé)嵩窗l(fā)生熱－鏈?zhǔn)窖趸磻?yīng)，并產(chǎn)生高溫及高壓。瓦斯爆炸時(shí)會出現(xiàn)高溫高壓現(xiàn)象，瓦斯爆炸時(shí)溫度高達(dá)2 150～2 650℃，壓力達(dá)2～10MPa，沖擊波速度達(dá)340m／s以上，并產(chǎn)生大量劇毒的CO等有害氣體，會造成人員傷亡和摧毀隧洞設(shè)施和設(shè)備。有時(shí)還會引起煤塵爆炸和火災(zāi)，使生產(chǎn)難以短期內(nèi)恢復(fù)。瓦斯爆炸是煤礦和隧道中特有的一種后果極嚴(yán)重的災(zāi)害。

在瓦斯與氧氣濃度滿足一定條件時(shí)就有可能發(fā)生爆炸。瓦斯的體積分?jǐn)?shù)過低（＜5%時(shí)），氧化生成的熱量與分解的活化中心都不足以發(fā)展成連鎖反應(yīng)（爆炸），只能燃燒；而瓦斯體積分?jǐn)?shù)過高（＞16%時(shí)），相對來說氧的體積分?jǐn)?shù)就不夠，只能有一部分的瓦斯與氧氣發(fā)生反應(yīng)，不但不能生成足夠的活化中心，而且氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量也易被多余的瓦斯和周圍介質(zhì)吸收而降溫，也不能形成爆炸。在新鮮空氣中，瓦斯的體積分?jǐn)?shù)達(dá)9.5%時(shí)，混合氣體中的瓦斯和氧氣全部參加反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)最完全，產(chǎn)生的溫度和壓力也最大。另外，氧氣的體積分?jǐn)?shù)在12%～20%時(shí)，爆炸才能發(fā)生。必須指出，瓦斯爆炸界限并不是固定不變的，當(dāng)受到一定因素影響時(shí)（如混有其他可燃?xì)怏w），爆炸界限會相應(yīng)縮小或擴(kuò)大［3－5］。

1.3 瓦斯突出

隧道瓦斯突出是指在掘進(jìn)過程中瓦斯的突然噴出。這種噴出是在短時(shí)間內(nèi)（數(shù)分鐘甚至數(shù)秒鐘）從煤層深處向開挖空間噴出大量瓦斯，產(chǎn)生很大的沖擊力量，會摧毀隧道支護(hù)、推翻隧道中存放的車輛和其他設(shè)備、破壞通風(fēng)設(shè)施、使風(fēng)流反向等。

2 隧道通風(fēng)模擬計(jì)算的理論基礎(chǔ)

2.1 隧道通風(fēng)模擬計(jì)算假定

隧道通風(fēng)計(jì)算以空氣動力學(xué)基本理論為基礎(chǔ)，為了便于研究，需對通風(fēng)流體做如下假定：

a.流體為連續(xù)介質(zhì)

將流體視為連續(xù)介質(zhì)，質(zhì)點(diǎn)間無空隙。按照物質(zhì)不滅定律，在單位時(shí)間內(nèi)流管各斷面上通過的流體質(zhì)量應(yīng)不變。對于密度為常量的穩(wěn)定流，即各斷面上的流量不變，此原理即稱為連續(xù)性定律。

b.流體是不可壓縮的

自然界普遍存在的是真實(shí)流體。通常流體都具有黏性、壓縮性和膨脹性。在隧道通風(fēng)計(jì)算中，通風(fēng)壓力一般都在常壓范圍內(nèi)，隧道內(nèi)溫度變化不大，風(fēng)速也遠(yuǎn)小于音速，因此空氣的體積和密度變化不足以影響計(jì)算結(jié)果的精度，故通常將隧道內(nèi)的氣體假定為不可壓縮體。

c.流體為穩(wěn)定流

當(dāng)流體在流動過程中，流場空間點(diǎn)上任何流動要素（如壓力和流速）都不隨時(shí)間變化，即稱這種流動為穩(wěn)定流。因?yàn)樗淼劳L(fēng)中空氣的流動在微觀上是復(fù)雜的，但在宏觀上可視為穩(wěn)定流，因此隧道通風(fēng)計(jì)算中所遇到的各種風(fēng)流類型，一般可認(rèn)為是穩(wěn)定流或可簡化成穩(wěn)定流而不會影響到實(shí)際應(yīng)用［6，7］。

2.2 流體能量守恒定律

不可壓縮的穩(wěn)定流體在管道內(nèi)作非均勻流動時(shí)，其壓力與速度沿流程各斷面的變化（包括摩阻損失）服從于能量守恒定律，稱之為伯努利定理，以方程式表示即為伯努利方程［8］。由以上幾個(gè)假定，可得到隧道通風(fēng)一維常規(guī)計(jì)算所遵循的2個(gè)基本方程。

式中：A為隧道過流截面的面積；v為隧道中空氣平均流速；Q為隧道過流截面流量。

穩(wěn)定流的伯努利方程：

式中：p為相對靜壓；a為斷面上的動能校正系數(shù)，即用斷面流速計(jì)算的實(shí)際動能與按平均流速計(jì)算的動能的比值；Ek為流體的動能；Ep為流體的位能；Hw為壓力損失。

3 計(jì)算模型的建立

CFD軟件 （computational fluid dynamics，即計(jì)算流體動力學(xué)，簡稱CFD）以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實(shí)際問題。在建模過程中所需要的輸入值，包括定義求解的幾何區(qū)域、選擇物理模型、給出流體參數(shù)、給出邊界條件和初始條件以及產(chǎn)生體網(wǎng)格5個(gè)方面［9－11］。

以紫坪鋪隧道瓦斯涌出為研究對象，瓦斯涌出模擬計(jì)算考慮施工時(shí)瓦斯從掌子面均勻涌出，并向隧道進(jìn)口方向擴(kuò)散發(fā)展，所取隧道計(jì)算域長度為l，橫斷面高7.25m，寬10.98m。將隧道進(jìn)口所在斷面取為直角坐標(biāo)系中的X＝0平面。瓦斯涌出發(fā)生在該計(jì)算域內(nèi)，取隧道進(jìn)口處作為計(jì)算通風(fēng)口，掌子面設(shè)為瓦斯進(jìn)口邊界條件，風(fēng)機(jī)口設(shè)為進(jìn)風(fēng)口邊界，隧道壁設(shè)為固體壁面邊界，詳見圖1所示。為了提高與現(xiàn)實(shí)的貼近性，并降低模擬的復(fù)雜性，本次模擬的2個(gè)風(fēng)筒換算成1個(gè)風(fēng)筒，計(jì)算模型斷面網(wǎng)格劃分見圖2。軸流風(fēng)機(jī)型號：SDF（C）－No12.5型，最大電機(jī)功率：2×110 kW，2組風(fēng)機(jī)并聯(lián)，d＝1.5m。

圖1 隧道橫斷面以及瓦斯涌出面縱向分布圖Fig.1 Tunnel cross－section and longitudinal distribution of gas gushing out

圖2 計(jì)算模型斷面網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Graph of calculation sectional model mesh

初始條件，在t＝0s時(shí)：隧道內(nèi)空氣密度（ρa(bǔ)）為1.225kg／m3；隧道內(nèi)平均溫度為20℃；壁面粗糙度為0.36；瓦斯涌出初始體積分?jǐn)?shù)為10%；瓦斯密度（ρg）為 0.716kg／m3；黏度為 1.6468×10－5。

邊界條件：隧道出入口相對壓力為0Pa；隧道內(nèi)平均風(fēng)速為0m／s。

計(jì)算參數(shù)：隧道斷面積為60m2；最小洞內(nèi)風(fēng)速為0.5m／s；風(fēng)管最大直徑（d）為1.5m；隧道開挖長度（l）為1 700m；風(fēng)筒出口距掌子面距離（l－l1）為20m。

4 隧道通風(fēng)流場的數(shù)值模擬分析

在風(fēng)機(jī)開啟工況下，入口風(fēng)速對隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛戎涤绊戄^風(fēng)機(jī)影響小很多，稀釋瓦斯?jié)舛戎饕匡L(fēng)機(jī)來調(diào)整，所以不考慮入口風(fēng)速。

《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》中提到《煤礦安全規(guī)程》第107條規(guī)定在架線電機(jī)車巷道容許最低風(fēng)速為1m／s，采煤工作面、掘進(jìn)中的煤巷和煤巖巷為0.25m／s。國外有資料說風(fēng)速在0.3m／s時(shí)，甲烷會從發(fā)生點(diǎn)反流形成甲烷帶；當(dāng)風(fēng)速為0.5m／s時(shí)，甲烷幾乎不會發(fā)生反流，但也會形成甲烷帶；當(dāng)風(fēng)速＞1m／s時(shí)，甲烷散亂，則不會形成甲烷帶，不會在上部聚積［12］。中國南昆線家竹箐隧道實(shí)測資料，洞內(nèi)防瓦斯聚積風(fēng)速＜1m／s時(shí)，拱頂瓦斯的體積分?jǐn)?shù)大多為＞2%。因此本次計(jì)算工況考慮以下情況：掌子面風(fēng)速為1m／s、0.5m／s和0.2m／s這3種情況。

4.1 掌子面風(fēng)速為1m／s時(shí)

當(dāng)掌子面風(fēng)速為1m／s時(shí)，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛取L(fēng)速模擬結(jié)果見圖3～圖7。

從圖3中可以明顯看出掌子面處瓦斯體積濃度在時(shí)間1 526s內(nèi)的變化，隨著時(shí)間的延長，瓦斯的體積濃度總體趨勢是逐漸降低的。在前50s內(nèi)出現(xiàn)一次波谷和一次波峰，主要是新鮮風(fēng)先經(jīng)過風(fēng)筒口運(yùn)移至掌子面，立刻將掌子面處的瓦斯稀釋，造成濃度急劇下降；因運(yùn)移受阻而在此處形成渦流區(qū)，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛仍诖硕虝壕奂?，形成前期的峰值。隨著新鮮風(fēng)的不斷輸入，渦流區(qū)的氣體不斷被置換稀釋，故濃度也隨之被降低。大約在1 450s時(shí)，掌子面瓦斯的體積分?jǐn)?shù)降低到0.5%；隨著時(shí)間的不斷延長，新鮮風(fēng)不斷地補(bǔ)充，瓦斯?jié)舛葘⒗^續(xù)降低。圖4為模型中1 526s時(shí)風(fēng)筒出口至掌子面瓦斯?jié)舛仍茍D，可見除掌子面瓦斯涌出面濃度較高外，隧道洞身內(nèi)瓦斯的體積分?jǐn)?shù)都在0.5%以下。

圖4 風(fēng)筒出口至掌子面瓦斯?jié)舛仍茍D（1 526s）Fig.4 The gas concentration cloud from duct outlet to tunnel face

圖5 掌子面回風(fēng)速度隨時(shí)間變化曲線圖Fig.5 Curve of the tunnel face air velocity versus time

圖6 風(fēng)筒出口至掌子面間速度云圖（1 526s）Fig.6 The velocity cloud from duct outlet to tunnel face

圖7 隧道入口處瓦斯速度隨時(shí)間變化曲線圖Fig.7 Curve of the gas velocity versus time at the inlet of the tunnel

從圖5可以看出，速度也出現(xiàn)一個(gè)峰值，也是漩渦引起的；但隨著時(shí)間的變化，逐漸地降低，最后出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合圖6我們可以很明確地看出，整個(gè)掌子面的風(fēng)速不是一個(gè)等值，故掌子面速度持平出現(xiàn)在約1.3m／s；在距掌子面約10～15 m處，出現(xiàn)一個(gè)較周圍顏色深的區(qū)域，是射流區(qū)域與回流區(qū)域交界的地方，兩者風(fēng)速方向相反，能量降低一部分導(dǎo)致風(fēng)速較周圍偏低。

從圖7中可以看出，隧道出口風(fēng)速大約在1.05m／s。在實(shí)際情況中，隧道內(nèi)有襯砌車、雜物、來回運(yùn)渣車等，回風(fēng)阻力會變大，甚至大幾倍，因此回風(fēng)的速度將會減慢，需增加射流風(fēng)機(jī)來增強(qiáng)回風(fēng)速率，提高通風(fēng)效率。

在該風(fēng)速送風(fēng)情形下，能滿足使隧道內(nèi)瓦斯的體積分?jǐn)?shù)降為0.5%的安全值通風(fēng)要求。

4.2 掌子面風(fēng)速為0.5m／s時(shí)

當(dāng)掌子面風(fēng)速為0.5m／s時(shí)，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速模擬結(jié)果見圖8～圖11。

圖8 掌子面瓦斯的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化曲線圖Fig.8 Curve of the tunnel face gas concentration versus time

圖9 風(fēng)筒出口至掌子面間速度云圖（4ks）Fig.9 The velocity cloud from duct outlet to tunnel face

圖10 掌子面處回風(fēng)速度矢量云圖Fig.10 The air velocity vector cloud image at the tunnel face

從圖8中可以明顯看出掌子面處瓦斯體積濃度在時(shí)間4ks內(nèi)的變化，隨著時(shí)間的延長，瓦斯的體積濃度總體趨勢是逐漸降低。在前50s內(nèi)出現(xiàn)一次波谷和一次波峰，主要是新鮮風(fēng)先經(jīng)過風(fēng)筒口運(yùn)移至掌子面，立刻將掌子面處的瓦斯稀釋，造成濃度急劇下降；因運(yùn)移受阻而在此處形成渦流區(qū)，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛仍诖硕虝壕奂?，形成前期的峰值。隨著新鮮風(fēng)的不斷輸入，渦流區(qū)的氣體不斷被置換稀釋，故濃度也隨之被降低。大約在2.7ks時(shí)，掌子面瓦斯的體積分?jǐn)?shù)降低到0.5%；隨著時(shí)間的不斷延長，新鮮風(fēng)不斷地補(bǔ)充，瓦斯?jié)舛葘⒗^續(xù)降低，到4ks時(shí)瓦斯的體積分?jǐn)?shù)可降到0.1%。

圖11 掌子面處回風(fēng)速度隨時(shí)間變化曲線圖Fig.11 Curve of the tunnel face air velocity versus time

從圖9和圖10可以看出，風(fēng)從風(fēng)筒出來經(jīng)掌子面反射后形成一渦旋，正是由于這個(gè)渦旋才引起了瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速會出現(xiàn)一個(gè)峰值。從矢量云圖（圖10）可以得知，隨著時(shí)間的變化，瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速逐漸地降低，最后出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖11我們可以很明顯地看出，整個(gè)掌子面的風(fēng)速不是一個(gè)等值，掌子面速度持平出現(xiàn)在約0.62m／s；在圖9中距掌子面約10～15m處，出現(xiàn)一個(gè)較周圍顏色深的區(qū)域，是射流區(qū)域與回流區(qū)域交界的地方，兩者風(fēng)速方向相反，能量降低一部分導(dǎo)致風(fēng)速較周圍偏低。在實(shí)際情況中，隧道內(nèi)有襯砌車、雜物、來回運(yùn)渣車等，回風(fēng)阻力會變大，甚至大幾倍，因此回風(fēng)的速度將會減慢，需增加射流風(fēng)機(jī)來增強(qiáng)回風(fēng)速率，提高通風(fēng)效率。

在該風(fēng)速送風(fēng)情形下，能滿足使隧道內(nèi)瓦斯的體積分?jǐn)?shù)降為0.5%的安全值通風(fēng)要求。

4.3 掌子面風(fēng)速為0.2m／s時(shí)

當(dāng)掌子面風(fēng)速為0.2m／s時(shí)，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速模擬結(jié)果見圖12～圖14。

圖12 掌子面處瓦斯的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化曲線圖Fig.12 Curve of the tunnel face gas concentration versus time

圖13 掌子面處回風(fēng)速度隨時(shí)間變化曲線圖Fig.13 Curve of the tunnel face air velocity versus time

圖14 風(fēng)筒出口至掌子面間速度云圖（6ks）Fig.14 The velocity cloud from duct outlet to tunnel face

從圖12中可以明顯看出，掌子面處瓦斯的體積分?jǐn)?shù)在時(shí)間6ks內(nèi)的變化，隨著時(shí)間的延長，瓦斯的體積分?jǐn)?shù)總體趨勢是逐漸降低。在前50s內(nèi)出現(xiàn)一次波谷和一次波峰，主要是新鮮風(fēng)先經(jīng)過風(fēng)筒口運(yùn)移至掌子面，立刻將掌子面處的瓦斯稀釋，造成濃度急劇下降，因運(yùn)移受阻而在此處形成渦流區(qū)，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛仍诖硕虝壕奂?，形成前期的峰值。隨著新鮮風(fēng)的不斷輸入，渦流區(qū)的氣體不斷被置換稀釋，故濃度也隨之被降低。在6ks時(shí)，掌子面瓦斯的體積分?jǐn)?shù)仍未達(dá)到0.5%；隨著時(shí)間的不斷延長，新鮮風(fēng)不斷地補(bǔ)充，瓦斯?jié)舛入m然還存在隨時(shí)間的增加而下降的趨勢，但因初始風(fēng)速低、風(fēng)量小，新鮮風(fēng)流達(dá)不到稀釋瓦斯的風(fēng)量，瓦斯的體積分?jǐn)?shù)始終在0.5%以上。

從圖13、圖14可以看出，當(dāng)掌子面風(fēng)速為0.2m／s時(shí)，隧道掌子面處仍會出現(xiàn)渦流。在渦旋的影響下，隧道內(nèi)風(fēng)速也會出現(xiàn)一個(gè)峰值，隨著時(shí)間的變化，逐漸地降低，最后出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

按一般經(jīng)驗(yàn)與要求，大斷面隧道施工，洞內(nèi)最小風(fēng)速為0.15m／s。而瓦斯隧道防瓦斯很關(guān)鍵的一點(diǎn)就是要求盡快排出瓦斯，盡快降低濃度；洞內(nèi)空氣如果不流動，出現(xiàn)空氣相對靜止，必然產(chǎn)生瓦斯積聚，極易產(chǎn)生不安全事故。在該風(fēng)速送風(fēng)情形下，不能滿足使隧道內(nèi)瓦斯的體積分?jǐn)?shù)降為0.5%的安全值通風(fēng)要求。根據(jù)多座隧道的工程實(shí)踐，瓦斯隧道內(nèi)通風(fēng)最小風(fēng)速必須＞0.5m／s。

5 小結(jié)

高瓦斯隧道施工的污染源有很多，其中易燃易爆的瓦斯危害最為嚴(yán)重。瓦斯比空氣輕，隧道中涌出的甲烷停滯在隧道拱頂?shù)母咛?，氣流小時(shí)，呈甲烷帶的層狀滯流，因此需通過有效的通風(fēng)方式稀釋和排出瓦斯氣體。通過對紫坪鋪高瓦斯隧道以上各工況的通風(fēng)模擬情況分析可知，在瓦斯涌出發(fā)生后，隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)不同風(fēng)速會產(chǎn)生不同的通風(fēng)效果，從瓦斯?jié)舛冉档头矫鎭砜矗?m／s風(fēng)速能滿足通風(fēng)要求，0.5m／s風(fēng)速基本能滿足通風(fēng)要求，0.2m／s風(fēng)速不能滿足通風(fēng)要求。因此，在瓦斯隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮瓦斯?jié)舛扰c風(fēng)速風(fēng)量來選擇風(fēng)機(jī)型號，并結(jié)合多種通風(fēng)方式以達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的隧道通風(fēng)要求。

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