大斷面隧道風(fēng)筒空間布置參數(shù) 對風(fēng)流流動(dòng)及瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的影響研究

孟祥昌 李永沖 熊建龍 王凱

摘 要：為優(yōu)化大斷面公路瓦斯隧道掌子面的風(fēng)筒空間布置參數(shù)，降低掌子面瓦斯聚集超限問題，以召瀘高速白兆瓦斯隧道為研究對象，通過數(shù)值模擬壓入式風(fēng)筒在不同附壁水平距離、垂直距離、風(fēng)筒出口距掌子面的距離工況參數(shù)下的風(fēng)流特性及瓦斯擴(kuò)散，確定風(fēng)筒合理的安裝方式和布置層位。結(jié)果表明：風(fēng)筒附壁平距和垂距分別為2.25m和4.5m時(shí)，掌子面附近工作區(qū)受渦流和回流作用較小，瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.1%;風(fēng)筒出口距離掌子面的距離為25.6m工況下，在兼顧施工經(jīng)濟(jì)性和安全性的同時(shí)，掌子面瓦斯不易積聚，隧道中后部瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.071%。按照模擬結(jié)果得出的風(fēng)筒合理布置參數(shù)在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，對比結(jié)果顯示兩種情況下的速度和瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律基本吻合，充分說明了風(fēng)筒空間布置參數(shù)的合理性，研究結(jié)果對大斷面瓦斯隧道災(zāi)害防治具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：瓦斯隧道;風(fēng)筒布置;合理層位;風(fēng)流特性;瓦斯擴(kuò)散

中圖分類號(hào)：U453.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）05-0187-06

Study on the Effects of Spatial Layout Parameters of Large Section Tunnel Air Duct on Wind Flow and Gas Diffusion Law

Meng Xiangchang1， Li Yongchong2，3， Xiong Jianlong2，3， Wang Kai2，3

（1. Yunnan Yunling Expressway Engineering Consulting Co.， Ltd.， Kunming 650000， China;2.Sichuan Institute of Coal Field Geological Engineering Exploration and Design， Chengdu 610072， China;3.Sichuan Keyuan Coal Mine Gas Coal Bed Methane Engineering Research Center Co.， Ltd.， Chengdu 610072， China ）

Abstract：In order to optimize the space layout parameters of the tunnel face of the large-section highway gas tunnel and reduce the problem of gas accumulation overrun on the tunnel face， the Zhaolu high-speed white mega gas tunnel is taken as the research object. By numerically simulating the wind flow characteristics and gas diffusion under different operating conditions of the horizontal wall distance， vertical distance， and the distance between the outlet of the air cylinder and the tunnel face， the reasonable installation method and layout of the air cylinder are determined. The results show that the horizontal distance and vertical distance of the attached wall of the wind cylinder are 2.25m and 4.5m respectively. The working area near the tunnel face is less affected by eddy currents and backflow， and the gas mass fraction is less than 0.1%. The distance between the outlet of the air duct and the tunnel face is 25.6m， while considering the construction economy and safety， gas on the tunnel face is not easy to accumulate， and the gas mass fraction in the rear of the tunnel is less than 0.071%. According to the simulation results， the reasonable layout parameters of the air cylinder are actually applied in the field. The comparison results show that the speed and gas quality scores in both cases are basically consistent. It fully illustrates the rationality of the spatial layout parameters of the wind cylinder， and the research results have certain guiding significance for the disaster prevention of large-section gas tunnels.

Key words：gas tunnel; air duct layout; reasonable horizon; wind flow characteristics; gas diffusion

隨著我國公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，隧道工程正逐漸向“大、深、長、群”的戰(zhàn)略格局邁進(jìn)[1]。然而，我國西南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，施工地質(zhì)災(zāi)害隨處可見，在經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性、選址等因素的制約下，公路隧道不可避免地會(huì)穿越賦存瓦斯的煤系和石油天然氣地層，在這些特殊地層條件的隧道施工常會(huì)遭遇瓦斯爆炸等災(zāi)害事故，對隧道工程建設(shè)和施工人員、設(shè)備的安全構(gòu)成極大威脅和挑戰(zhàn)[2-4]。目前，國內(nèi)外絕大部分公路瓦斯隧道施工采用局部通風(fēng)技術(shù)，稀釋并排出獨(dú)頭隧道中聚集的瓦斯，確保隧道掌子面作業(yè)區(qū)域的施工安全[5-6]。因此，研究大斷面瓦斯隧道壓入式通風(fēng)技術(shù)是目前防止隧道瓦斯超限的重要內(nèi)容。王海橋[7]研究了獨(dú)頭隧道壓入式受限貼壁射流通風(fēng)的風(fēng)流流動(dòng)特性，為風(fēng)筒空間參數(shù)的合理布置提供了參考依據(jù)。張?jiān)讫埖萚8]基于工程實(shí)際案例分析了隧道掌子面因風(fēng)筒布設(shè)方式的不同對瓦斯稀釋的效果，認(rèn)為風(fēng)筒末端最佳位置為13m，可以有效稀釋瓦斯?jié)舛?。劉春等人研究了壓入式大斷面瓦斯隧道瓦斯分布及風(fēng)流變化規(guī)律，優(yōu)化了掌子面的風(fēng)筒位置參數(shù)，確定給了風(fēng)筒出口最佳位置2.5倍的隧道斷面積[9]。張大明[10]模擬分析了壓入式風(fēng)筒出口有效距離，結(jié)果表明5～12m的距離具有較好的工作效果。Javier Tora?o[11]通過CFD軟件分析局部通風(fēng)情況下斷面不同位置的瓦斯風(fēng)流分布規(guī)律，同時(shí)提供了最佳的通風(fēng)方案。朱紅青[12]采用數(shù)值模擬研究了大斷面隧道壓入式風(fēng)筒不同安設(shè)高度對炮煙和粉塵擴(kuò)散規(guī)律，并確定了最佳的安設(shè)高度為3m。龔曉燕等[13]對風(fēng)筒不同附壁距離進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了受限貼附射流在不同附壁距離下的流動(dòng)特性及變化規(guī)律。雖然上述研究成果對隧道風(fēng)筒布置具有一定的指導(dǎo)作用，而實(shí)際大斷面瓦斯隧道風(fēng)筒的布置與風(fēng)筒不同垂距、平距、出口距離等因素密切相關(guān)，因此，亟待開展大斷面瓦斯隧道的風(fēng)筒布置方式對瓦斯分布和風(fēng)流特性的研究。鑒于此，本文采用數(shù)值模擬的研究方法，全面系統(tǒng)地分析了大斷面瓦斯隧道在不同風(fēng)筒布置參數(shù)下的流場特性和瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，探討風(fēng)筒空間布置方式對風(fēng)流流動(dòng)及瓦斯擴(kuò)散規(guī)律，確定大斷面瓦斯隧道風(fēng)筒的最佳布置參數(shù)，從而減少瓦斯積聚現(xiàn)象，提高通風(fēng)效率，為該類隧道施工通風(fēng)技術(shù)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

召瀘高速白兆隧道位于云南省曲靖市，為分離式隧道，隧道全長1250m，最大埋深117m。隧道穿越第四系（Q）、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1 f）、二疊系上統(tǒng)宣威組（P3x）和峨眉山玄武巖組（P3 β）地層。隧道含煤地層左線起訖樁號(hào)ZK8+750～ZK9+350、右線起訖樁號(hào)K8+750～K9+350，總共1200m。由東至西單線主要穿過C10、C14、C17、C22共4層可采煤層，純煤總厚度為4.71m。通過前期地質(zhì)勘察及現(xiàn)場測定，隧道絕對瓦斯涌出量為2.5m3/min。根據(jù)《公路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)程》及大斷面瓦斯隧道的實(shí)際情況，隧道壓入式風(fēng)筒直徑d=1.5m，根據(jù)文獻(xiàn)[7]的計(jì)算公式和工程實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算出隧道風(fēng)排瓦斯需風(fēng)量、洞內(nèi)最大工作人數(shù)需風(fēng)量、最低風(fēng)速以及排除炮煙所需風(fēng)量分別為4920m3/min，4355m3/min，4615m3/min和4380m3/min，取其需風(fēng)量的最大值4920m3/min作為模擬的通風(fēng)量Qin。

2 數(shù)學(xué)模型及模擬參數(shù)

2.1 數(shù)學(xué)模型

為方便數(shù)值計(jì)算，計(jì)算模型作如下設(shè)定：整個(gè)瓦斯涌出及通風(fēng)過程無能量交換;隧道內(nèi)空氣為不可壓縮體;流體運(yùn)動(dòng)各向同性?；谝陨霞僭O(shè)[14]，再考慮隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)為紊流，在大量的資料調(diào)研及初步計(jì)算的基礎(chǔ)上擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程紊流模型，其控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、紊流流動(dòng)能量方程、k方程、ε方程和流體組分質(zhì)量守恒方程。

紊流流動(dòng)能量方程：

k方程：

ε方程：

質(zhì)量守恒方程：

式中：υi為速度分量;ρ為時(shí)均壓力;Pr為充分紊流時(shí)的普朗特?cái)?shù);Cp為空氣的定壓比熱;k為紊流動(dòng)能;ε為紊流的動(dòng)能耗散率;G為紊流脈動(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng);q為熱流密度;T為流體溫度;ρ為流體密度;μ為層流動(dòng)力黏性系數(shù);μt為紊流動(dòng)力黏性系數(shù);cs為瓦斯的體積分?jǐn)?shù);ρcs為瓦斯的質(zhì)量體積分?jǐn)?shù);Ds為瓦斯的擴(kuò)散系數(shù);Ss為單位時(shí)間單位體積組分的生產(chǎn)率;c1、c2、σε、σk、cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

2.2 邊界條件

本文以召瀘高速白兆隧道實(shí)際尺寸建立三維幾何模型，如圖1所示。模型整體劃分為隧道（150m）和煤體（20m）兩部分，隧道斷面面積為164m2。數(shù)值模擬計(jì)算采用的邊界條件參照隧道實(shí)際施工通風(fēng)情況并作如下定義：

（1）隧道壁面及風(fēng)筒：設(shè)為無滑移壁面（Wall），滿足無滑移條件，即vi=0。

（2）風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口：設(shè)為速度入口（Velocity-inlet），方向垂直于入口斷面，根據(jù)隧道風(fēng)量換算得v=46.42m/s。

（3）隧道出口：設(shè)為壓力出口（Pressure-out），出口基準(zhǔn)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，對隧道內(nèi)風(fēng)流不造成任何影響。

（4）煤體：設(shè)置為多孔介質(zhì)（Porous-zone），并加入瓦斯涌出源項(xiàng)為3.9e-5kg/s。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

為了得到更準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果，采用workbench mesh對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，生成了3種不同網(wǎng)格密度模型，如圖2所示，以隧道內(nèi)的測線（-5m、2.5m）速度作為分析評估的標(biāo)準(zhǔn)。通過對比發(fā)現(xiàn)Mesh-low和Mesh-medium速度在掌子面附近波動(dòng)比較大，而Mesh-high條件下速度波動(dòng)較小且平滑過渡，為了節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間，通過應(yīng)用網(wǎng)格自適應(yīng)功能，選擇Mesh-high作為研究對象，共生成了1384704個(gè)網(wǎng)格，降低了網(wǎng)格質(zhì)量對計(jì)算準(zhǔn)確的影響。

3 風(fēng)筒空間布置方式模擬方案

為了研究大斷面隧道風(fēng)筒空間布置參數(shù)對于隧道風(fēng)流流動(dòng)和瓦斯分布的影響，通過分析現(xiàn)場施工、安裝條件、作業(yè)交替等條件，確定不同工況下風(fēng)筒布置參數(shù)（如圖3所示）。依據(jù)風(fēng)筒懸掛方式及固定條件，將壓入式貼壁風(fēng)筒距離隧道壁面的水平距離H分別設(shè)置為1.0d、1.5d、2.0d。根據(jù)巷道斷面高度及現(xiàn)場車輛通行，將壓入式風(fēng)筒距地面垂直距離V設(shè)定為3組，分別為2.0d、3.0d、4.0d?；谒淼罃嗝婷娣e與射流發(fā)展規(guī)律，壓入式風(fēng)筒出口距離掌子面的距離L根據(jù)式（7）設(shè)置為四種工況[15]。

式中：L為風(fēng)筒出風(fēng)口距掌子面的距離，m;S為隧道斷面積，m2。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 風(fēng)筒附壁水平距離對風(fēng)流流動(dòng)及瓦斯?jié)舛确植?/p>

的影響

為了分析大斷面瓦斯隧道風(fēng)筒附壁水平距離對風(fēng)流特性及瓦斯分布規(guī)律，根據(jù)圖3模擬方案將風(fēng)筒平距H分別設(shè)定為1.5m、2.25m、3.0m三組，垂距V=4.5m，風(fēng)筒出口距離掌子面的距離L=25.6m，風(fēng)筒附壁水平距離對流場及瓦斯分布影響如圖4所示。

由圖4速度流線分布可知，風(fēng)筒出口射流流場存在著明顯的幾個(gè)區(qū)域，即附壁射流區(qū)、沖擊射流區(qū)、渦流區(qū)和回流區(qū)，高速射流沖擊掌子面后，受壁面作用反向流動(dòng)。隨著平距逐漸增大，風(fēng)流動(dòng)能損失降低，返流逐漸向上下兩側(cè)擴(kuò)散，尤其是平距H=3.0m時(shí)，射流區(qū)與回流區(qū)的相互作用增強(qiáng)，在風(fēng)筒側(cè)上下形成了兩個(gè)較大的渦流區(qū)。根據(jù)Z=140m時(shí)瓦斯?jié)舛确植荚茍D可以清晰觀察到，隨著平距增加，隧道內(nèi)遠(yuǎn)離風(fēng)筒側(cè)的瓦斯?jié)舛戎饾u減小。當(dāng)風(fēng)筒平距H=1.5m時(shí)，風(fēng)流經(jīng)過掌子面從另一側(cè)底板流出，瓦斯積聚嚴(yán)重，瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.10%。風(fēng)筒平距H為2.25m和3.0m時(shí)的風(fēng)流運(yùn)動(dòng)與1.5m時(shí)有所不同，風(fēng)流在掌子面處折返時(shí)分為上下兩部分，一部分從巷道中間沿頂部流出，另一部分則是從另一側(cè)底板流出，瓦斯積聚作用減弱，擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng)，瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本維持在0.73%～0.82%，相對于風(fēng)筒平距1.5m時(shí)的另一側(cè)底板瓦斯?jié)舛让黠@降低。雖然風(fēng)筒平距為3.0m時(shí)的瓦斯?jié)舛缺?.25m時(shí)的瓦斯?jié)舛鹊停腔亓鲄^(qū)體積大于其它兩種工況，極易造成風(fēng)流裹挾瓦斯積聚在靠近掌子面上部，存在瓦斯超限的問題。綜合以上風(fēng)流特性及瓦斯分布分析，大斷面瓦斯隧道壓入式風(fēng)筒附壁水平距離H的合理位置為2.25m。

4.2 風(fēng)筒垂直距離對風(fēng)流流動(dòng)及瓦斯?jié)舛确植嫉挠绊?/p>

根據(jù)以上對風(fēng)筒貼壁水平距離的分析，得出合理的平距H=2.25m，將風(fēng)筒出風(fēng)口距掌子面的距離L設(shè)置為25.6m，研究風(fēng)筒垂距V在 3.0m、4.5m、6.0m工況條件下的風(fēng)流特性及瓦斯?jié)舛确植家?guī)律。

由圖5可知，距隧道掌子面5～30m風(fēng)流明顯分為射流區(qū)、渦流區(qū)和回流區(qū)。隨著風(fēng)筒垂距的增加，渦流區(qū)位置越來越靠近隧道頂板且渦流范圍也隨之增加，渦流強(qiáng)度卻逐漸降低。當(dāng)風(fēng)筒固定垂距為3.0m時(shí)，風(fēng)流場在靠近風(fēng)筒出口處上方位置形成穩(wěn)定的渦流場，渦流比較集中，返流流速高于另外兩種工況。從隧道斷面Y=2.0m的瓦斯分布云圖可知，由于風(fēng)筒布置在隧道單側(cè)，射流沖擊掌子面容易造成風(fēng)筒相對側(cè)瓦斯聚集，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.1%。瓦斯在隧道內(nèi)的擴(kuò)散受風(fēng)流載氣運(yùn)動(dòng)的影響，未布置風(fēng)筒的巷道側(cè)壁瓦斯?jié)舛雀?，風(fēng)筒側(cè)壁的瓦斯?jié)舛葮O低，渦流中心形成負(fù)壓，不利于局部瓦斯等有害氣體的稀釋與擴(kuò)散。隨著風(fēng)筒垂直距離從3.0m增加到6.0m時(shí)，瓦斯分布受渦流作用減弱，沿風(fēng)筒相對側(cè)逐漸向隧道中后部擴(kuò)散，降低了瓦斯在工作區(qū)的聚集。風(fēng)筒垂距為6.0m時(shí)的渦流效應(yīng)相對垂距3.0m和4.5m兩組工況時(shí)減弱程度明顯，但在隧道上部風(fēng)流速度較小，渦流區(qū)面積顯著增大，容易形成8～10m瓦斯滯留區(qū)，瓦斯擴(kuò)散難度增大，危險(xiǎn)性較高。上述規(guī)律表明，隧道風(fēng)筒垂直距離主要影響風(fēng)流渦流區(qū)的位置和大小，進(jìn)而影響瓦斯擴(kuò)散效率，相對較低時(shí)容易在隧道底部形成瓦斯回流增強(qiáng)區(qū)，相對位置較高時(shí)，雖然下部瓦斯聚集效應(yīng)減弱，但是隧道上部瓦斯聚集區(qū)顯著增大，因此，選擇風(fēng)筒垂距V=4.5m布置風(fēng)筒，既可以兼顧施工技術(shù)和安裝條件，同時(shí)又能有效降低工作面瓦斯積聚的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 風(fēng)筒出口距離掌子面的距離對風(fēng)流流動(dòng)及瓦斯

濃度分布的影響

基于以上對風(fēng)筒平距和垂距對風(fēng)流流場和瓦斯分布規(guī)律的影響，得出了平距和垂距的相對合理布置參數(shù)H=2.25m，V=4.5m。進(jìn)一步研究大斷面瓦斯隧道風(fēng)筒出口距掌子面距離L的作用規(guī)律，將L分別為設(shè)置為12.8m、25.6m、38.4m、51.2m四種模擬工況。通過分析距離掌子面60m左右風(fēng)流流場和隧道中軸縱剖面X=0m時(shí)的瓦斯?jié)舛确植紙?，得到圖6所示的速度和瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

從速度流線圖中可知，隨著風(fēng)筒出口距離掌子面的距離越大，掌子面受風(fēng)筒射流的沖擊越小，掌子面處的返流能力先減小后增大，當(dāng)L=12.8m時(shí)，風(fēng)筒射流并未完全擴(kuò)展并損失大量動(dòng)能，造成返流動(dòng)能減小，湍動(dòng)能增強(qiáng)，影響范圍縮小并形成兩個(gè)不規(guī)則的渦流區(qū)。當(dāng)L從25.6m增加到51.2m的過程中，掌子面受到風(fēng)流的沖擊效應(yīng)減弱，風(fēng)筒射流尾部逐漸向隧道內(nèi)偏移，渦流與回流區(qū)卻明顯擴(kuò)大，這就說明L要布置在風(fēng)筒射流的有效擴(kuò)展射程內(nèi)。然而，從隧道中軸縱剖面X=0m的瓦斯分布圖可以明顯看出，L=12.8m工況下，在2～12m的隧道中部瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.1%，而且在掌子面上部區(qū)域也會(huì)存在明顯的瓦斯偏高的現(xiàn)象。盡管L=38.4m和51.2m工況下隧道瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.64%，主要由于返流作用范圍較大，但掌子面附近瓦斯?jié)舛让黠@高于其它兩組，這就說明這兩種工況不能有效緩解掌子面瓦斯超限的問題。當(dāng)L=25.6m時(shí)，不僅掌子面瓦斯不易積聚，同時(shí)隧道中后部瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.71%，兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性，此時(shí)的風(fēng)筒布置工況參數(shù)最有利于大斷面瓦斯隧道的安全施工，與劉春等[7]研究的最佳風(fēng)筒出口位置的? ? ? ? ? ? 較為吻合。

從以上分析可知，風(fēng)筒出風(fēng)口距掌子面距離L對大斷面瓦斯隧道的風(fēng)流流場和瓦斯分布影響較大，因此，選取沿隧道測線N1 （6.9m，2.5m）研究瓦斯?jié)舛群退俣鹊淖兓?guī)律。從圖7（a）的速度曲線圖可知，除了L=12.8m風(fēng)流速度異常外，隨著距掌子面的距離逐漸增大，速度先增大后減小，在20m左右達(dá)到峰值，這說明峰值速度受L的影響較小。當(dāng)距掌子面80m時(shí)風(fēng)流趨于穩(wěn)定，? ? ? ? ? ? ?工況下隧道斷面速度分布均勻，平均速度基本能夠達(dá)到0.5m/s，可以滿足隧道的需風(fēng)要求。由圖7 （b）可知，瓦斯?jié)舛入S著距掌子面距離增大而逐漸較小，在5～20m范圍存在一個(gè)瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)區(qū)， 當(dāng)距離掌子面10m時(shí)，瓦斯?jié)舛入S著L增大而逐漸減小，但L=51.2m時(shí)，極易在風(fēng)筒另一側(cè)形成瓦斯聚集帶，不利于瓦斯管理。同樣可以認(rèn)為L=25.6m是最優(yōu)的風(fēng)筒布置參數(shù)。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果得到的風(fēng)筒空間布置方式的合理性及可行，將風(fēng)筒空間布置參數(shù)應(yīng)用在召瀘高速白兆大斷面瓦斯隧道的壓入式通風(fēng)中壓入式風(fēng)筒直徑d=1.5m，風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)量Qin=4920m3/min，風(fēng)筒平距H和垂距V分別為2.25m和4.5m，風(fēng)筒出風(fēng)口距掌子面距離L=25.6m。選取距掌子面10m（Z=140m）的隧道斷面，沿?cái)嗝娲垢叻謩e布置三個(gè)層次共6個(gè)測點(diǎn)，現(xiàn)場實(shí)測1#、2#、3#、4#、5#、6#的速度和瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)，測點(diǎn)具體布置方案見圖8所示。

由圖9可知，數(shù)值模擬結(jié)果相對高于實(shí)測結(jié)果，但兩種方式得到的速度和瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律基本吻合。2#測點(diǎn)速度相對誤差較大，達(dá)到了27.24%，1#、4#、5#測點(diǎn)的相對誤差均保持在8.0%左右。同樣1#和2#測點(diǎn)的瓦斯相對誤差高于10.0%，充分說明這個(gè)位置處的瓦斯受風(fēng)流影響較大，而4#測點(diǎn)相對誤差最小。但從整體上看，實(shí)測結(jié)果進(jìn)一步表明了本次數(shù)值模擬得到的風(fēng)筒空間布置參數(shù)合理性。

6 結(jié)論

（1）附壁風(fēng)筒水平距離和垂直距離主要影響風(fēng)筒射流的沖擊掌子面的返流形態(tài)和回流范圍，隨著平距的增加，返流對隧道底部和上部沖擊效應(yīng)增強(qiáng)，風(fēng)筒對側(cè)近壁面瓦斯?jié)舛戎饾u減小;隨著垂距的增加，回流區(qū)逐漸增大，瓦斯擴(kuò)散逐漸向隧道中后部，降低了掌子面附近瓦斯聚集的風(fēng)險(xiǎn)。在兼顧施工技術(shù)和安裝條件，又能有效降低工作面瓦斯積聚的風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)，可以得出風(fēng)筒合理的平距和垂距分別為2.25m和4.5m。

（2）隨著風(fēng)筒出口距離掌子面的距離逐漸增加，風(fēng)筒沖擊掌子面的能耗降低，返流動(dòng)能和形成的回流區(qū)逐漸增大，而掌子面瓦斯?jié)舛葏s顯著增加。在滿足施工經(jīng)濟(jì)性和安全性的條件下，風(fēng)筒出口距離掌子面的距離為25.6m時(shí)，有利于大斷面瓦斯隧道的安全施工。

（3）模擬結(jié)果得出的風(fēng)筒合理的空間布置參數(shù)在實(shí)際瓦斯隧道中應(yīng)用，對比結(jié)果顯示兩種方式得到的速度和瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律基本吻合，充分驗(yàn)證了風(fēng)筒空間布置參數(shù)的合理性。

參考文獻(xiàn)

[1]吳世勇，王鴿.錦屏二級水電站深埋長隧洞群的建設(shè)和工程中的挑戰(zhàn)性問題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010， 029（011）：2161-2171.

[2]葛雨晨.復(fù)雜條件下山嶺公路隧道施工安全保障關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2018.

[3]楊秀權(quán)，平正杰.復(fù)雜地質(zhì)條件下長大隧道施工安全管理對策探討[J].隧道建設(shè)，2009，29（S2）：7-12.

[4]陳家清，胡運(yùn)兵，朱一堅(jiān)，等.瓦斯隧道施工期間的瓦斯防治與管理[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，36（02）：60-61+72.

[5]張磊，李永福，孫杰，等.瓦斯隧道施工通風(fēng)流場及瓦斯遷移研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2014，10（01）：184-190.

[6]王文才，鄧連軍，張志浩，等.掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)風(fēng)筒懸掛位置的數(shù)值模擬[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2018，45（06）：15-19+24.

[7]王海橋.掘進(jìn)工作面射流通風(fēng)流場研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，1999（05）：498-501.

[8]張?jiān)讫垼?，徐建峰，?隧道掌子面施工風(fēng)管布設(shè)方式對稀釋瓦斯效果影響研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2016，60（08）：95-100.

[9]劉春，杜俊生，郭臣業(yè)，等.大斷面瓦斯隧道風(fēng)筒布置對瓦斯?jié)舛鹊挠绊懷芯縖J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（05）：114-121.

[10]張大明，馬云東，羅根華.綜掘工作面壓入式風(fēng)筒出口有效距離研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，16（04）：186-191.

[11] Javier Tora?o， Susana Torno， Mario Menendez， et al. Models of methane behaviour in auxiliary ventilation of underground coal mining[J]. International Journal of Coal Geology，2009，80（1）：35-43.

[12]朱紅青，朱帥虎，賈國偉.大斷面掘進(jìn)壓入式風(fēng)筒最佳高度的數(shù)值模擬[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，14（01）：25-28.

[13]龔曉燕，莫金明，惠雙琳，等.煤礦掘進(jìn)巷道風(fēng)筒附壁距離對風(fēng)流場的影響[J].煤礦安全，2017，48（04）：203-206.

[14]王海橋，施式亮，劉榮華，等.獨(dú)頭巷道附壁射流通風(fēng)流場數(shù)值模擬研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004（04）：425-428.

[15]王海橋，陳世強(qiáng)，李軼群.獨(dú)頭巷道受限貼附射流有效射程的理論研究與數(shù)值計(jì)算[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2015，11（11）：41-45.