油氣型高瓦斯特長隧道通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化選型分析探討

張孝廣

(中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶市 400039)

0 引言

新建龍泉山隧道是成都地鐵18號線火車南站-簡陽機場站區(qū)間重點控制性工程，該隧道全長9695m，垂直穿越龍泉山脈含油氣構(gòu)造，最大天然氣瓦斯涌出量達1.23m3/min。隧道施工期間通風(fēng)是關(guān)乎高瓦斯特長隧道安全防控的關(guān)鍵[1]。因此對高瓦斯特長隧道通風(fēng)方式及設(shè)備選型一定要結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行技術(shù)研究。

科技工作者對瓦斯隧道通風(fēng)理論及數(shù)值模擬開展了大量研究：陳選生以成貴鐵路興隆坪隧道施工為依托，運用理論分析、現(xiàn)場驗證等方法對高瓦斯隧道施工通風(fēng)難題進行研究，合理選擇通風(fēng)參數(shù)及設(shè)備，以便較好地進行排煙除塵和稀釋瓦斯[2]；張輝川、馬佳、韓興博等在新二郎山隧道通風(fēng)系統(tǒng)局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中指出通風(fēng)系統(tǒng)采用彎道風(fēng)筒可以有效降低通風(fēng)阻力[3]；曹魏楊對大斷面瓦斯隧道施工通風(fēng)流場及瓦斯?jié)舛葓龇植家?guī)律進行研究并對風(fēng)筒參數(shù)進行了優(yōu)化[4]。

對上述依托工程中的油氣型高瓦斯隧道施工期間4個工區(qū)各工序需風(fēng)量、通風(fēng)壓力、通風(fēng)方式、風(fēng)機設(shè)備選型等結(jié)合數(shù)值模擬進行了研究。

1 隧道需風(fēng)量核算

施工期間通風(fēng)作為防止瓦斯?jié)舛瘸藜巴咚贡ㄊ鹿首罨炯夹g(shù)措施，風(fēng)量、風(fēng)壓是關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)[5]。除考慮參照地勘期間瓦斯涌出量和鐵路瓦斯技術(shù)規(guī)程允許風(fēng)速時風(fēng)量需求外，還參考施工隧道洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)、稀釋爆破排煙和洞內(nèi)使用內(nèi)燃機廢氣分別進行計算，選取最大值作為本隧道施工需風(fēng)量。

1.1 瓦斯涌出稀釋需風(fēng)量

(1)

式中：q—掌子面瓦斯涌出量1.23m3/min；

Ca—掌子面允許瓦斯?jié)舛?，?.5%；

C0—掌子面風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋?；

K—瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.5～2.0。

由式(1)得：

1.2 規(guī)程風(fēng)速需風(fēng)量

60×V低×S≤Q≤60×V高×S

(2)

式中：V—規(guī)程允許風(fēng)速，瓦斯工區(qū)最低取0.5m/s，最高取6m/s；

S—隧洞斷面積50.6m2。

由式(2)得：

1518m3/min≤Q≤18216m3/min

1.3 最大作業(yè)人數(shù)需風(fēng)量

Q=4KN

(3)

式中：Q—隧洞需風(fēng)量，m3/min；

4—單人每分鐘供風(fēng)量，m3/(min/人)；

N—洞內(nèi)同時工作的最多人數(shù)，取60人；

K—備用系數(shù)，取1.5。

由式(3)得Q=1.5×4×60=360m3/min

1.4 爆破排煙需風(fēng)量

(4)

式中：A—一次爆破炸藥用量，kg；

A=S×l×b，其中l(wèi)為循環(huán)進尺2.5m；

b為單位炸藥用量1.2kg/m3；

A=64.5×2.5×1.2=193.5kg

L0—炮煙拋擲長度m；

(5)

其中：k0—安全系數(shù)，取1.5。

則L0=80.6m

t—爆破后通風(fēng)時間，取20min；

S—隧道開挖斷面積，龍泉山隧道高瓦斯區(qū)III、IV級圍巖采用全斷面開挖，最大開挖面積為64.5m2。

由式(4)、式(5)得Q=677m3/min

1.5 施工機械廢氣稀釋需風(fēng)量

(6)

式中：3—單位功率需風(fēng)量，m3/(min·kW)；

Ni—第i臺柴油機械設(shè)備功率，kW；

ηi—第i臺柴油機械設(shè)備綜合效率系數(shù)。

隧道施工現(xiàn)場機械設(shè)備使用統(tǒng)計如表1。

表1 施工機械功效統(tǒng)計

由式(5)得：Q=3×(162×0.8×1+125×0.8×1+156×0.8×2+156×0.3×2)=1718m3/min

由以上各工序需風(fēng)量核算結(jié)果可知：隧道內(nèi)施工需風(fēng)量最大值為稀釋內(nèi)燃機廢氣需風(fēng)量1718m3/min?？紤]到施工后期可能遇到瓦斯溢出段涌出量增加、風(fēng)筒轉(zhuǎn)彎及破損漏風(fēng)情況，需風(fēng)量應(yīng)進行適當(dāng)修正。

1.6 風(fēng)筒漏風(fēng)損失風(fēng)量修正

QL= Q×PL

(7)

式中：QL—風(fēng)筒漏風(fēng)損失修正風(fēng)量，m3/min；

PL—風(fēng)筒漏風(fēng)損失修正系數(shù)。

(8)

式中：P100—風(fēng)筒百米漏風(fēng)率，取1.0%；

L—風(fēng)筒長度。

為便于施工通風(fēng)本隧道劃分為進、出口與1#和2#斜井四個作業(yè)工區(qū)，以12個工作面共同輔助正洞掘進施工。其中進口工區(qū)最長掘進深度1923m，風(fēng)筒長度取2000m；出口工區(qū)最長掘進深度1841m，風(fēng)筒長度取1900m；1#井工區(qū)最長掘進深度1745m，風(fēng)筒長度取1800m；2#井工區(qū)最長掘進深度2262m，風(fēng)筒長度取2300m。

由式(7)、式(8)得各工區(qū)修正后需風(fēng)量：

QL進口=1718×1.250=2148m3/min

QL出口=1718×1.235=2122m3/min

QL1#井=1718×1.220=2096m3/min

QL2#井=1718×1.299=2232m3/min

2 隧道施工通風(fēng)設(shè)備選型

通風(fēng)設(shè)備選型時不僅要參照隧道最大需風(fēng)量，同時應(yīng)根據(jù)各工區(qū)現(xiàn)場實際通風(fēng)方式計算風(fēng)筒阻力大小，主要核算風(fēng)筒摩擦阻力和風(fēng)筒局部阻力。

(9)

式中：H—風(fēng)筒通風(fēng)阻力，Pa；

hf—風(fēng)筒摩擦阻力，Pa；

hx—風(fēng)筒局部阻力，Pa；

Rf—風(fēng)筒風(fēng)阻，N×S2/m4；

QL—局部通風(fēng)機吸入風(fēng)量，m3/s；

ξ—風(fēng)筒局部阻力系數(shù)，N×S2/m4；

ρ—空氣密度， 1.20kg/m3；

A—風(fēng)筒斷面積，m2，各工區(qū)風(fēng)筒直徑為2.0m。

風(fēng)筒局部阻力主要考慮第二階段施工通風(fēng)時局部通風(fēng)機風(fēng)筒轉(zhuǎn)彎所產(chǎn)生的阻力，進口工區(qū)、出口工區(qū)風(fēng)筒無轉(zhuǎn)彎，暫未考慮局部阻力，1#斜井工區(qū)風(fēng)筒存在4處轉(zhuǎn)彎，2#斜井工區(qū)風(fēng)筒3處轉(zhuǎn)彎，均采用圓角轉(zhuǎn)彎，存在局部阻力。

由式(9)得各工區(qū)風(fēng)筒阻力：

施工期進行風(fēng)機選型時應(yīng)把風(fēng)量、風(fēng)壓作為主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)進行選型，均應(yīng)滿足核算需求，同時查閱相關(guān)風(fēng)機性能曲線，在合理范圍內(nèi)選取通風(fēng)設(shè)備，并留一定富余系數(shù)。

3 通風(fēng)方式選擇

目前國內(nèi)隧道主流通風(fēng)方式可分壓入式、巷道式及混合式[6]。高瓦斯、瓦斯突出隧道可采用壓入式或巷道式，當(dāng)該區(qū)段供風(fēng)距離超過2000m時應(yīng)采用巷道通風(fēng)[7]。根據(jù)龍泉山隧道實際施工情況，綜合考慮本隧道布置形式、掘進長度、斷面大小、開挖方法、出渣運輸方式、機械設(shè)備投入條件等因素，通過綜合分析比較，確定隧道第一階段采用壓入式通風(fēng)，可使足夠的新鮮空氣被送至掌子面，實現(xiàn)快速安全掘進。隧道施工后期根據(jù)隧道內(nèi)通風(fēng)量及風(fēng)壓情況，當(dāng)壓入式通風(fēng)不能滿足需要時考慮第二階段采用巷道式通風(fēng)。

3.1 第一階段壓入式通風(fēng)

隧洞掘進超過80m后，洞內(nèi)采用獨頭壓入式機械通風(fēng)。在主洞口外安設(shè)2用2備變頻軸流風(fēng)機，接柔性阻燃風(fēng)筒將新鮮風(fēng)流壓入至掌子面，污風(fēng)經(jīng)主洞排出地表，聯(lián)絡(luò)通道直接設(shè)置風(fēng)門，防止風(fēng)量流竄，如圖1、圖2。

3.2 第二階段巷道式通風(fēng)

施工后期通風(fēng)較困難時，即隧洞內(nèi)風(fēng)速小于通風(fēng)要求最低風(fēng)速，或風(fēng)量不能有效稀釋有毒、有害氣體時，可根據(jù)實際情況，采用巷道式通風(fēng)，以提高風(fēng)速、增加通風(fēng)量，增強隧道施工通風(fēng)效果。巷道式通風(fēng)充分發(fā)揮巷道式通風(fēng)的優(yōu)勢，且系統(tǒng)運行可靠性高、現(xiàn)場操作簡單、用電能耗低、通風(fēng)效果顯著等優(yōu)勢，特別適用于高瓦斯特長隧道通風(fēng)[8]。

橫通道貫通以后段落，在進、出口工區(qū)左、右線、斜井工區(qū)在主、副斜井和橫通道內(nèi)安設(shè)射流風(fēng)機，在斜井、豎井或正線洞口處安裝抽出式風(fēng)機，使左、右線形成一定的風(fēng)壓差，形成巷道式通風(fēng)系統(tǒng)。新鮮風(fēng)由主斜井引至第一個橫通道附近，在進風(fēng)側(cè)并聯(lián)安設(shè)2用2備局部通風(fēng)機并接柔性陰燃風(fēng)筒分別壓入開挖掌子面，斜井或正洞安設(shè)抽出式風(fēng)機2臺，主、副斜井連接段設(shè)置簾幕，污風(fēng)經(jīng)橫通道引至副斜井排出地表。隨著施工向前掘進，通風(fēng)機根據(jù)需要向前移動，除污風(fēng)排煙橫通道外，其余橫通道全部設(shè)置風(fēng)門臨時密閉，防止風(fēng)流互竄，造成洞內(nèi)循環(huán)風(fēng)，如圖3、圖4。

3.3 通風(fēng)方式比較分析

獨頭壓入式通風(fēng)和射流風(fēng)機巷道式通風(fēng)在安全性、可靠性和經(jīng)濟性分析比較如表2。本隧道施工方可根據(jù)實際情況，后期考慮采用獨頭壓入式通風(fēng)，或綜合運用兩種通風(fēng)方式，以提高風(fēng)速、增加通風(fēng)量，增強隧道施工通風(fēng)效果，保障施工安全。

表2 通風(fēng)方式優(yōu)缺點分析比較

4 數(shù)值模擬分析

據(jù)龍泉山隧道實際斷面及施工長度，通過Gambit軟件建立了進、出口工區(qū)壓入式通風(fēng)模型，選取風(fēng)筒直徑2.0m，隧道凈斷面50.6m2，施工長度2000m，供風(fēng)量2148m3/min，聯(lián)絡(luò)通道間距35m，瓦斯最大涌出量1.23m3/min，風(fēng)筒距離掌子面25m。同時建立斜井工區(qū)巷道式通風(fēng)模型，選取風(fēng)筒直徑2.0m，隧道施工長度2300m，供風(fēng)量2232m3/min。經(jīng)FLUNT軟件計算，模擬隧道內(nèi)壓入式和巷道式不同通風(fēng)參數(shù)條件下空氣流速分布特征。

由壓入式通風(fēng)空氣流速模擬可以看出，風(fēng)速在風(fēng)筒出風(fēng)口處較大，經(jīng)掌子面反射后，在掌子面附近形成湍流；風(fēng)筒出風(fēng)口朝洞口方向，由于重力作用，風(fēng)筒出風(fēng)口下部亦存在湍流效應(yīng)。由于瓦斯密度低于空氣，存在浮生現(xiàn)象，風(fēng)管下側(cè)風(fēng)速較大，瓦斯易在風(fēng)管頂部附近聚集，后期安全管理應(yīng)注意拱頂處瓦斯檢測。

由射流風(fēng)機巷道式通風(fēng)空氣流速模擬可以看出，聯(lián)絡(luò)通道處由于斜井或洞口處射流風(fēng)機作用，左、右線存在一定壓力差，風(fēng)流清洗掌子面后經(jīng)聯(lián)絡(luò)通道會同回風(fēng)風(fēng)流經(jīng)抽出式風(fēng)機排除洞外。聯(lián)絡(luò)通道及掌子面處風(fēng)流較大且沒有產(chǎn)生回流現(xiàn)象，說明巷道式通風(fēng)效率較高，風(fēng)速流場較為穩(wěn)定。利用巷道式通風(fēng)可將有毒有害氣體污染物均勻有效地排出洞口外，避免產(chǎn)生瓦斯積聚。

5 結(jié)論及建議

(1)經(jīng)各工區(qū)各工序需風(fēng)量核算并修正，滿足通風(fēng)安全需求的龍泉山隧道各工區(qū)需風(fēng)量及風(fēng)筒阻力分別為：進口2148m3/min、1042Pa；出口2122m3/min、1724Pa；1#斜井2096 m3/min、1091Pa；2#斜井2232m3/min、1396Pa。風(fēng)機選型時應(yīng)滿足此參數(shù)要求，并留有一定富余系數(shù)。

(2)通過對不同施工階段通風(fēng)方式的安全性、可靠性、經(jīng)濟性進行對比分析，龍泉山隧道施工第一階段考慮采用壓入式通風(fēng)方式、第二階段考慮采用巷道式通風(fēng)均能滿足施工用風(fēng)需求。

(3)實際施工時需根據(jù)掌子面瓦斯涌出量確定是否需增設(shè)局部射流風(fēng)機稀釋瓦斯?jié)舛取?/p>