油氣型高瓦斯特長隧道通風系統優化選型分析探討

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造，最大天然氣瓦斯涌出量達1.23m3/min。隧道施工期間通風是關乎高瓦斯特長隧道安全防控的關鍵[1]。因此對高瓦斯特長隧道通風方式及設備選型一定要結合現場實際情況進行技術研究。

科技工作者對瓦斯隧道通風理論及數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、現場驗證等方法對高瓦斯隧道施工通風難題進行研究，合理選擇通風參數及設備，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系統局部結構優化研究中指出通風系統采用彎道風筒可以有效降低通風阻力[3]；曹魏楊對大斷面瓦斯隧道施工通風流場及瓦斯濃度場分布規律進行研究并對風筒參數進行了優化[4]。

對上述依托工程中的油氣型高瓦斯隧道施工期間4個工區各工序需風量、通風壓力、通風方式、風機設備選型等結合數值模擬進行了研究。

1 隧道需風量核算

施工期間通風作為防止瓦斯濃度超限及瓦斯爆炸事故最基本技術措施，風量、風壓是關鍵數據指標[5]。除考慮參照地勘期間瓦斯涌出量和鐵路瓦斯技術規程允許風速時風量需求外，還參考施工隧道洞內同時工作的最多人數、稀釋爆破排煙和洞內使用內燃機廢氣分別進行計算，選取最大值作為本隧道施工需風量。

1.1 瓦斯涌出稀釋需風量

(1)

式中：q—掌子面瓦斯涌出量1.23m3/min；

Ca—掌子面允許瓦斯濃度，取0.5%；

C0—掌子面風流中的瓦斯濃度，%；

K—瓦斯涌出不均衡系數，取1.5～2.0。

由式(1)得：

1.2 規程風速需風量

60×V低×S≤Q≤60×V高×S

(2)

式中：V—規程允許風速，瓦斯工區最低取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 最大作業人數需風量

Q=4KN

(3)

式中：Q—隧洞需風量，m3/min；

4—單人每分鐘供風量，m3/(min/人)；

N—洞內同時工作的最多人數，取60人；

K—備用系數，取1.5。

由式(3)得Q=1.5×4×60=360m3/min

1.4 爆破排煙需風量

(4)

式中：A—一次爆破炸藥用量，kg；

A=S×l×b，其中l為循環進尺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，取1.5。

則L0=80.6m

t—爆破后通風時間，取20min；

S—隧道開挖斷面積，龍泉山隧道高瓦斯區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量

(6)

式中：3—單位功率需風量，m3/(min·kW)；

Ni—第i臺柴油機械設備功率，kW；

ηi—第i臺柴油機械設備綜合效率系數。

隧道施工現場機械設備使用統計如表1。

表1 施工機械功效統計

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

由以上各工序需風量核算結果可知：隧道內施工需風量最大值為稀釋內燃機廢氣需風量1718m3/min。考慮到施工后期可能遇到瓦斯溢出段涌出量增加、風筒轉彎及破損漏風情況，需風量應進行適當修正。

1.6 風筒漏風損失風量修正

QL= Q×PL

(7)

式中：QL—風筒漏風損失修正風量，m3/min；

PL—風筒漏風損失修正系數。

(8)

式中：P100—風筒百米漏風率，取1.0%；

L—風筒長度。

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

由式(7)、式(8)得各工區修正后需風量：

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 隧道施工通風設備選型

通風設備選型時不僅要參照隧道最大需風量，同時應根據各工區現場實際通風方式計算風筒阻力大小，主要核算風筒摩擦阻力和風筒局部阻力。

(9)

式中：H—風筒通風阻力，Pa；

hf—風筒摩擦阻力，Pa；

hx—風筒局部阻力，Pa；

Rf—風筒風阻，N×S2/m4；

QL—局部通風機吸入風量，m3/s；

ξ—風筒局部阻力系數，N×S2/m4；

ρ—空氣密度， 1.20kg/m3；

A—風筒斷面積，m2，各工區風筒直徑為2.0m。

風筒局部阻力主要考慮第二階段施工通風時局部通風機風筒轉彎所產生的阻力，進口工區、出口工區風筒無轉彎，暫未考慮局部阻力，1#斜井工區風筒存在4處轉彎，2#斜井工區風筒3處轉彎，均采用圓角轉彎，存在局部阻力。

由式(9)得各工區風筒阻力：

施工期進行風機選型時應把風量、風壓作為主要技術參數指標進行選型，均應滿足核算需求，同時查閱相關風機性能曲線，在合理范圍內選取通風設備，并留一定富余系數。

3 通風方式選擇

目前國內隧道主流通風方式可分壓入式、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，當該區段供風距離超過2000m時應采用巷道通風[7]。根據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，可使足夠的新鮮空氣被送至掌子面，實現快速安全掘進。隧道施工后期根據隧道內通風量及風壓情況，當壓入式通風不能滿足需要時考慮第二階段采用巷道式通風。

3.1 第一階段壓入式通風

隧洞掘進超過80m后，洞內采用獨頭壓入式機械通風。在主洞口外安設2用2備變頻軸流風機，接柔性阻燃風筒將新鮮風流壓入至掌子面，污風經主洞排出地表，聯絡通道直接設置風門，防止風量流竄，如圖1、圖2。

3.2 第二階段巷道式通風

施工后期通風較困難時，即隧洞內風速小于通風要求最低風速，或風量不能有效稀釋有毒、有害氣體時，可根據實際情況，采用巷道式通風，以提高風速、增加通風量，增強隧道施工通風效果。巷道式通風充分發揮巷道式通風的優勢，且系統運行可靠性高、現場操作簡單、用電能耗低、通風效果顯著等優勢，特別適用于高瓦斯特長隧道通風[8]。

橫通道貫通以后段落，在進、出口工區左、右線、斜井工區在主、副斜井和橫通道內安設射流風機，在斜井、豎井或正線洞口處安裝抽出式風機，使左、右線形成一定的風壓差，形成巷道式通風系統。新鮮風由主斜井引至第一個橫通道附近，在進風側并聯安設2用2備局部通風機并接柔性陰燃風筒分別壓入開挖掌子面，斜井或正洞安設抽出式風機2臺，主、副斜井連接段設置簾幕，污風經橫通道引至副斜井排出地表。隨著施工向前掘進，通風機根據需要向前移動，除污風排煙橫通道外，其余橫通道全部設置風門臨時密閉，防止風流互竄，造成洞內循環風，如圖3、圖4。

3.3 通風方式比較分析

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

表2 通風方式優缺點分析比較

4 數值模擬分析

據龍泉山隧道實際斷面及施工長度，通過Gambit軟件建立了進、出口工區壓入式通風模型，選取風筒直徑2.0m，隧道凈斷面50.6m2，施工長度2000m，供風量2148m3/min，聯絡通道間距35m，瓦斯最大涌出量1.23m3/min，風筒距離掌子面25m。同時建立斜井工區巷道式通風模型，選取風筒直徑2.0m，隧道施工長度2300m，供風量2232m3/min。經FLUNT軟件計算，模擬隧道內壓入式和巷道式不同通風參數條件下空氣流速分布特征。

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

由射流風機巷道式通風空氣流速模擬可以看出，聯絡通道處由于斜井或洞口處射流風機作用，左、右線存在一定壓力差，風流清洗掌子面后經聯絡通道會同回風風流經抽出式風機排除洞外。聯絡通道及掌子面處風流較大且沒有產生回流現象，說明巷道式通風效率較高，風速流場較為穩定。利用巷道式通風可將有毒有害氣體污染物均勻有效地排出洞口外，避免產生瓦斯積聚。

5 結論及建議

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

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

(3)實際施工時需根據掌子面瓦斯涌出量確定是否需增設局部射流風機稀釋瓦斯濃度。