高瓦斯隧道工作面甲烷傳感器布置研究

劉石磊，楊高華，尹 龍

(1.中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南洛陽(yáng) 471009;2.中鐵隧道集團(tuán)六沾工程指揮部，云南宣威 655423)

0 引言

目前，AQ 1029—2007《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用管理規(guī)范》［1］對(duì)工作面甲烷傳感器的安裝有相應(yīng)要求，但這些要求對(duì)于大斷面瓦斯隧道施工還不夠具體，存在傳感器布置不合理、監(jiān)控盲區(qū)等問(wèn)題，不能充分發(fā)揮安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全保障作用。前人在相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)傳感器的布置有一些研究:文獻(xiàn)［2］對(duì)設(shè)備選型和和應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并給出了傳感器平面布置圖;文獻(xiàn)［3］對(duì)瓦斯監(jiān)測(cè)方法、監(jiān)測(cè)設(shè)備配置和監(jiān)測(cè)管理進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)［4］主要研究了監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題處理;文獻(xiàn)［5］雖然給出了甲烷傳感器的橫斷面布置圖，但不夠準(zhǔn)確，且沒(méi)有理論依據(jù);文獻(xiàn)［6］撰寫(xiě)的有關(guān)三聯(lián)隧道的傳感器布置也僅遵照文獻(xiàn)［1］要求執(zhí)行。以上文獻(xiàn)大部分研究都在甲烷傳感器平面圖布置和管理方面，對(duì)于橫斷面上甲烷傳感器安裝位置和數(shù)量目前仍缺乏足夠理論依據(jù)。本文以六沾鐵路三聯(lián)隧道為背景，開(kāi)展高瓦斯隧道工作面甲烷傳感器布置的研究。

1 工程概況

改建貴昆線六沾鐵路三聯(lián)隧道位于云南省宣威市境內(nèi)，隧道進(jìn)口里程為 D1K300+465，出口里程為D1K312+601，全長(zhǎng)12 136 m，最大埋深約280 m。洞身圍巖處于IV級(jí)和V級(jí)圍巖段，圍巖為玄武巖、砂巖、泥巖夾頁(yè)巖、煤層。隧道洞身圍巖情況較差，其中D1K305+980～D1K307+060(1 080 m)為煤層段，該段含煤6～13層，煤層厚0.13～1.8 m，一般厚0.39～1.13 m，煤層間距3.44～24.84 m。對(duì)本隧道現(xiàn)場(chǎng)勘察實(shí)測(cè)的煤層瓦斯壓力除深度較淺的C1煤層較低以外，其余壓力值較大(1.831～3.195 MPa)，按瓦斯壓力梯度計(jì)算的隧道洞身段煤層瓦斯壓力為2.533～3.299 MPa，煤層瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.54～12.87 m3/t，煤層瓦斯涌出量為4.606～15.816 m3/min，其瓦斯壓力、瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、瓦斯涌出量均屬高瓦斯工區(qū)。

2 物理模型的建立

依據(jù)三聯(lián)隧道某工區(qū)開(kāi)挖工作面的實(shí)際情況建立物理模型，隧道寬11.09 m，高9.35 m，隧道縱向長(zhǎng)度取50 m。壓入式通風(fēng)風(fēng)管的直徑為1 500 mm，風(fēng)管出風(fēng)口距開(kāi)挖工作面5 m，風(fēng)管中心距地面高度為3.75 m，開(kāi)挖工作面的瓦斯涌出量為8.332 m3/min。模型針對(duì)2種通風(fēng)量(2 200 m3/min和230 m3/min)進(jìn)行模擬，分析瓦斯在工作面的體積分?jǐn)?shù)分布情況。隧道幾何模型圖如圖1所示，隧道橫斷面圖如圖2所示。

模型用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用了非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分法，整個(gè)模型共劃分了626 905個(gè)網(wǎng)格。

3 數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 基本假設(shè)

1)假定等溫通風(fēng)，流體為不可壓縮、穩(wěn)態(tài)紊流，滿足Boussinesp假設(shè)。

2)紊流黏性具有各向同性。

3)以壓入式施工通風(fēng)的出風(fēng)口為進(jìn)口，以隧道回風(fēng)區(qū)初始斷面作為風(fēng)流出口，假定風(fēng)管風(fēng)速分布均勻，根據(jù)送風(fēng)量和風(fēng)管出口斷面確定風(fēng)管出風(fēng)口風(fēng)速。

4)假設(shè)瓦斯從開(kāi)挖工作面均勻涌出。

3.2 數(shù)學(xué)模型的建立

開(kāi)挖工作面的風(fēng)流狀態(tài)為紊流流動(dòng)，工作面通風(fēng)排出瓦斯的過(guò)程包括空氣與瓦斯對(duì)流流動(dòng)和空氣紊流流動(dòng)引起的瓦斯紊流擴(kuò)散。由于瓦斯和空氣密度的不同，空氣與瓦斯混合引起了開(kāi)挖工作面內(nèi)部氣流密度的變化，故應(yīng)考慮浮升力(Buoyant Force)的影響。浮升力的作用由數(shù)值模擬軟件中通過(guò)操作條件(Operating Conditions)中的重力選項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在重力方向添加重力加速度數(shù)值，重力方向沿Y軸負(fù)方向，重力加速度取值為-9.81 m/s2。工作面瓦斯采用源項(xiàng)來(lái)處理，使用組分傳輸模型(Species Model)來(lái)模擬瓦斯與風(fēng)流的混合輸運(yùn)過(guò)程。

瓦斯紊流擴(kuò)散的控制方程包括質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)、動(dòng)量守恒方程(Navier-Stokes方程)、組分傳輸方程及能量方程。模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型。

對(duì)于開(kāi)挖工作面瓦斯紊流擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，根據(jù)上述簡(jiǎn)化和假設(shè)，控制方程如下所示。連續(xù)性方程為:

動(dòng)量方程為:

組分傳輸方程為:

k-ε 方程［7］為:

式中:Sm為加入到連續(xù)相的質(zhì)量;Ss為瓦斯組分的質(zhì)量源項(xiàng);C1ε、C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取值 1.44，1.92;Sk、Sε為用戶定義源相;其中ueff=u+ut。

4 邊界條件的設(shè)置

1)入口邊界。入口為速度入口，vinlet=Q/A，A為風(fēng)管的斷面積;紊流動(dòng)能k=0.05v2inlet，紊流動(dòng)能耗散率ε = C3u/4k3/2/l，其中 Cu為試驗(yàn)常數(shù)，取 0.09，l=0.07L(L為特征長(zhǎng)度，即水力直徑)。

2) 出口邊界。?u/?x=0，?v/?y=0，?w/?z=0，?k/?z=0，?ε/?z=0，壓力梯度為零。

3)壁面邊界。壁面無(wú)滑動(dòng)，垂直于壁面的壓力梯度為零。為了解決高雷諾數(shù)流動(dòng)與壁面附近黏性次層的銜接問(wèn)題，采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)法。

4)源項(xiàng)設(shè)置。工作面瓦斯涌出量為8.332 m3/min，瓦斯從煤層壁面涌出不同于其他的入口邊界條件，邊界條件設(shè)置時(shí)采用瓦斯源項(xiàng)來(lái)處理，在開(kāi)挖工作面近壁面的第1層網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)設(shè)置瓦斯源。根據(jù)瓦斯涌出量設(shè)置瓦斯源項(xiàng)的大小，包括質(zhì)量源項(xiàng)(單位kg/m3s)和動(dòng)量源項(xiàng)(單位N/m3)。質(zhì)量源項(xiàng)和動(dòng)量源項(xiàng)表示單位源項(xiàng)體積內(nèi)的質(zhì)量流量和對(duì)應(yīng)的動(dòng)量，瓦斯的動(dòng)量源項(xiàng)只考慮Z方向的動(dòng)量。

5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

工作面瓦斯涌出量為8.332 m3/min時(shí)，施工通風(fēng)送風(fēng)量必須達(dá)到1 670 m3/min才能把隧道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)降至0.5%以下。本文模擬實(shí)驗(yàn)選取了2種風(fēng)量(2 200 m3/min和230 m3/min)，根據(jù)不同的送風(fēng)量，研究瓦斯在工作面的體積分?jǐn)?shù)分布情況。

5.1 風(fēng)管送風(fēng)量為2 200 m3/min時(shí)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布情況

風(fēng)管風(fēng)量Q=2 200 m3/min，瓦斯從開(kāi)挖工作面上均勻涌出，瓦斯涌出量為8.332 m3/min，其回風(fēng)平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.38%左右。

隧道縱向Y=3.75 m剖面上的流場(chǎng)如圖3所示。隧道開(kāi)挖工作面風(fēng)管出風(fēng)口射流通風(fēng)風(fēng)流結(jié)構(gòu)可分為附壁射流區(qū)、沖擊貼附射流區(qū)、渦流區(qū)和回流區(qū)。射流區(qū)內(nèi)的氣流一部分是從圓管射出的，一部分是由于卷吸回流區(qū)內(nèi)的氣流產(chǎn)生的;回流區(qū)內(nèi)部分氣流被射流吸卷，部分沿隧道排出。在射流和回流的綜合作用下，射流區(qū)和回流區(qū)之間形成了渦流區(qū)。

隧道縱向Y=3.75 m剖面上的瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布如圖4所示。從圖中可以看出，風(fēng)管出風(fēng)口對(duì)面邊墻瓦斯體積分?jǐn)?shù)比較高。

為了更直觀地分析瓦斯在隧道內(nèi)的分布情況，沿隧道縱向取了4個(gè)橫斷面圖(如圖5—8所示)，分析瓦斯在隧道橫斷面上的分布情況。

從圖5—8可以看出:風(fēng)管出口處瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿風(fēng)管軸向逐漸增大，工作面5 m范圍內(nèi)，風(fēng)管對(duì)面邊墻高度為2.0～6.0 m內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高，隧道拱頂位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較低。

5.2 風(fēng)管送風(fēng)量為230 m3/min時(shí)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布情況

風(fēng)管風(fēng)量Q=230 m3/min，瓦斯從開(kāi)挖工作面上均勻涌出，瓦斯涌出量為8.332 m3/min，其回風(fēng)平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)在3.6%左右。

沿隧道縱向取了4個(gè)橫斷面圖(如圖9—12所示)，分析瓦斯在隧道橫斷面上的分布情況。

從圖9—12可以看出:風(fēng)管出口處瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿風(fēng)管軸向逐漸增大，工作面5 m范圍內(nèi)，隧道拱頂位置附近瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高，并出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。

5.3 數(shù)值模擬結(jié)果可靠性分析

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，施工期間，用數(shù)字光干涉甲烷測(cè)定器對(duì)工作面的甲烷體積分?jǐn)?shù)分布情況進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)2種風(fēng)量狀態(tài)，通風(fēng)量并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，即1 462 m3/min和253 m3/min，每種通風(fēng)量下對(duì)應(yīng)的工作面甲烷體積分?jǐn)?shù)分布情況如圖13和圖14所示。

由于施工期間的瓦斯涌出量小于設(shè)計(jì)給出的瓦斯涌出量，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得到工作面甲烷體積分?jǐn)?shù)大小和數(shù)值模擬的工作面甲烷體積分?jǐn)?shù)大小肯定是不一樣的，但工作面甲烷體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律與模擬結(jié)果基本相符。數(shù)值模擬通風(fēng)量為230 m3/min時(shí)的工作面甲烷體積分?jǐn)?shù)分布情況和實(shí)測(cè)結(jié)果不相符，分析原因主要是數(shù)值模擬給出的瓦斯涌出量非常大，送至工作面的新風(fēng)量少，通風(fēng)稀釋后，工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)仍很高。此時(shí)，在浮升力的作用下，瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高點(diǎn)由風(fēng)管對(duì)面邊墻位置開(kāi)始上移，直至拱頂，并出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，故出現(xiàn)圖9—12的計(jì)算結(jié)果。

6 開(kāi)挖工作面甲烷傳感器的布置

6.1 布置要求

1)甲烷傳感器應(yīng)垂直懸掛在巷道上方風(fēng)流穩(wěn)定的位置，距頂板(頂梁)不得大于300 mm，距巷道側(cè)壁不得小于200 mm，并應(yīng)安裝維護(hù)方便，不影響行人和行車［1］。

2)瓦斯礦井的煤巷、半煤巖巷和有瓦斯涌出巖巷的掘進(jìn)工作面甲烷傳感器必須安在工作面混合風(fēng)流處(距工作面5 m范圍內(nèi))設(shè)置甲烷傳感器T1，在工作面回風(fēng)流中設(shè)置甲烷傳感器T2。

6.2 布置優(yōu)化

文獻(xiàn)［1］中對(duì)工作面甲烷傳感器的安裝位置雖有布置說(shuō)明，但不夠詳細(xì)。經(jīng)過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，可以看出:在通風(fēng)量充足的情況下，隧道工作面風(fēng)管對(duì)面的邊墻上瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高;在通風(fēng)量不足的情況下，拱頂附近的瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高，并出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。甲烷傳感器的布置應(yīng)遵循能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到工作面上最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)瓦斯超限，提前預(yù)警，增加安全系數(shù)。

由此可見(jiàn)，開(kāi)挖工作面的甲烷傳感器布置除了遵循文獻(xiàn)［1］對(duì)于甲烷傳感器的布置要求外，還應(yīng)考慮瓦斯在隧道橫斷面分布情況。合理調(diào)整甲烷傳感器的安裝位置或增加甲烷傳感器在工作面的數(shù)量，可更好地監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)工作面瓦斯。綜合考慮以上模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，工作面應(yīng)安裝2臺(tái)甲烷傳感器，分別安裝于隧道拱頂及風(fēng)管對(duì)面的邊墻上，且距工作面的距離不大于5 m。三聯(lián)隧道某工區(qū)開(kāi)挖工作面甲烷傳感器在橫斷面上的安裝示意圖如圖15所示。

圖15 開(kāi)挖工作面甲烷傳感器布置示意圖Fig.15 Layout of methane sensors at working face

7 結(jié)論與討論

1)高瓦斯隧道在正常通風(fēng)時(shí)，風(fēng)管對(duì)面邊墻附近的瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高，工作面拱頂位置的瓦斯體積分?jǐn)?shù)較低。

2)壓入式通風(fēng)時(shí)，風(fēng)管出風(fēng)口的位置對(duì)工作面甲烷體積分?jǐn)?shù)分布情況影響很大，風(fēng)管布置位置不同，工作面的甲烷體積分?jǐn)?shù)分布情況不同。

3)當(dāng)風(fēng)管送風(fēng)量減少，工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定程度時(shí)，瓦斯的浮升力占主導(dǎo)作用，瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高點(diǎn)由風(fēng)管對(duì)面邊墻位置開(kāi)始上移，直至拱頂，并開(kāi)始出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

4)高瓦斯隧道工作面應(yīng)考慮安裝2臺(tái)甲烷傳感器，1臺(tái)掛至拱頂，另1臺(tái)根據(jù)工作面通風(fēng)管的安裝位置進(jìn)行安裝。甲烷傳感器距拱頂和邊墻的距離嚴(yán)格按照AQ 1029—2007《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用管理規(guī)范》執(zhí)行。

高瓦斯隧道施工各工序是緊跟工作面的，初期支護(hù)、仰拱和二次襯砌都使用了氣密性混凝土，隧道環(huán)向周圍的瓦斯得到了有效控制和及時(shí)封堵，工作面便成為最有可能出現(xiàn)瓦斯溢出的地點(diǎn)，做好工作面的瓦斯監(jiān)測(cè)工作顯得尤為重要。本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，發(fā)現(xiàn)了工作面甲烷傳感器布置中存在的問(wèn)題，通過(guò)在工作面合適位置增加甲烷傳感器的方法，消除了工作面瓦斯監(jiān)測(cè)中的盲區(qū)，確保了瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

受工作面和仰拱段復(fù)雜工序的影響，工作面甲烷傳感器的布置和維護(hù)相對(duì)比較困難，會(huì)出現(xiàn)斷線和機(jī)械破壞等問(wèn)題，開(kāi)展工作面的無(wú)線甲烷傳感器的研究將是以后的一個(gè)發(fā)展方向。

［1］ 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ 1029—2007煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用管理規(guī)范［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

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