瓦斯隧道通風研究綜述

王閱章 李鳴 宿成智 張立爽 閆少澤

摘? 要：瓦斯隧道是眾多工程問題中的一項重要研究內容，瓦斯隧道的通風問題是隧道施工中極其重要的部分，良好的隧道通風能有效提高勞動生產效率以及減少瓦斯氣體的聚集。結合截至目前的一些工程案例，分析不同通風方式的優缺點、風筒布設方式對隧道內流場、瓦斯濃度分布規律以及瓦斯氣體運動規律的影響，總結出不同工況下更有利于瓦斯氣體分散、有效提高通風效率的通風方式及風筒布設位置。

關鍵詞：瓦斯濃度分布? 瓦斯運動規律? 通風方式? 風筒布設位置

Abstract： Gas tunnel is one of the important contents in the related research of many engineering problems. The ventilation problem of gas tunnel is an extremely important part in tunnel construction. Good tunnel ventilation can effectively improve labor production efficiency and reduce gas accumulation. Combined with some engineering cases up to now， this paper analyzes the advantages and disadvantages of different ventilation modes， the influence of air duct layout mode on the flow field， gas concentration distribution law and gas movement law in the tunnel， and summarizes the ventilation modes and air duct layout positions which are beneficial to gas dispersion and effectively improve ventilation efficiency.

Key Words： Gas concentration distribution; Gas movement law; Ventilation mode; Location of air duct layout

若隧道施工過程中的瓦斯氣體漫溢問題不能得到妥善解決，則其會嚴重威脅到施工人員的生命安全，會使施工進度不同程度地滯后，存在重大隱患、極可能招致嚴重后果。施工過程中瓦斯氣體問題若無法有效解決則容易導致窒息、爆炸、瓦斯突出等一系列問題出現。若發生瓦斯爆炸所要付出的代價必將是慘重的[1-2]。因此做好隧道的通風工作、改善工作環境、降低工作風險是十分必要的。良好的隧道通風是有效防止掘進面溢出的瓦斯氣體聚集、有效提高勞動生產效率、有效并及時將有害氣體和粉塵等排出到工作區間以外、排除對工作人員生命安全有威脅的安全隱患的重要前提[3-4]。

截至目前，相關科研工作者針對瓦斯隧道通風問題進行了大量探究。現在主要是通過CFD、Fluent等計算流體動力學軟件進行模擬仿真試驗并結合現場相關實驗進行;根據模擬結果、結合現場實驗所得的相關數據分析氣體流場運動的大致趨勢及規律、瓦斯濃度分布及運動規律、風機選型及通風方式的選擇、風機布置對瓦斯分布規律的影響等，得出并優化包括通風方式、風筒位置的布置在內的隧道通風方式[5-6]。

本文在結合隧道施工通風研究領域已有成果的基礎上，主要從機械通風方式、風筒布設位置選擇兩個方面分析其各自對瓦斯氣體分布、瓦斯運動趨勢的影響，對公路瓦斯隧道通風進行探究。

1? 瓦斯隧道機械通風方式

根據不同的工況選用更為經濟合理的通風機機型及通風方式的是隧道建設中的一個重要課題。管道式機械通風系統在目前隧道施工通風中得到了廣泛的應用，管道式機械通風系統根據其工作原理又可分為壓入式、抽出式（分為正壓壓出式和負壓壓出式）、混合式三種[7]。

1.1 壓入式通風

壓入式通風是在隧道施工過程中應用較多的通風方式。其利用通風機沿風筒向隧道開挖工作面引入源自隧道外的有害物質含量遠低于洞內的空氣，稀釋工作區間工作生產過程中產生的有害氣體，再攜帶被稀釋的有害氣體沿隧道洞身排出工作區間[5]，確保隧道中有害氣體濃度保持在安全范圍之內，不會對工作人員的生命安全形成威脅。其優點是：軸流風機位置固定;隨著開挖工作面的深入，通風管長度的延伸也是必要的，而該方法則較好的滿足了這一條件，以將隧道外的新鮮空氣更為迅速、有效率地送到工作區間;送風有效射程長，氣體到達掌子面處風速大，新鮮空氣與有害氣體能較充分地混合，故能有效降低有害氣體在施工環境中空氣里的體積分數并及時將有害氣體隨隧道沿程排出到工作區以外;回旋渦流區受引入氣流的沖擊故不再經過通風機和通風管，效果較理想。缺點在于：送風過程中存在風量損失，根據風管漏風量及流量守恒原理，存在極限通風長度[8]（目前國內壓入式極限通風長度已超過3km，但大量實踐數據證明低海拔地區壓入式通風經濟高效的通風長度約為3km[9-11]）且需風量較大;若是長隧道則可能存在風流不能快速到達工作面、送風過程中風量損失過大且易形成回流甚至是倒灌等問題，有害氣體排出時需沿整個洞身進行故對洞內污染較大，隧道斷面較通風管斷面而言要大很多從而導致排出速度慢且通風過程中需消耗大量能量。

1.2 抽出式通風

抽出式通風根據其工作原理又分成正壓壓出和負壓抽出兩種方式。負壓抽出式通風是在風機的作用下使工作面附近的氣體沿通風管被吸出，形成洞內相對于隧道外氣壓為負值的環境，因而新鮮空氣從洞外沿洞身向隧道內流動，然而其有效吸程較短，并且只能用剛性管，成本較高，隧道內易形成有害氣體停滯區，管道進風口位于掌子面附近，出風口則設立在隧道端面處，有害氣體在風機耗能做工的作用下沿通風管排出到隧道以外，新鮮空氣則在氣壓差作用下由外到內經隧道沿程流動至掌子面。其優點是：所需風量少且效果好、有害氣體通過通風管直接被抽出、不再流進隧道，不用設置特有的風門，有效減小了工作管理壓力并一定程度上節約了成本。缺點在于：有效吸程短且一般為3～4m，風筒若要保證工作效率則風筒末端與開挖面距離需保持在有效吸程以內（若風筒末端與工作面距離超出有效吸程，則該范圍以外的氣流將形成停滯區進而導致通風效果不佳）但布置距掌子面過近又容易被損壞，攜帶有瓦斯的氣體抽出過程中流經風機時會成為重大安全隱患，其會增大瓦斯爆炸的概率，通風管因必須選用剛性風管而經濟性較差[5]。

1.3 混合式通風

混合式通風是上述兩種通風系統的集合體。其優點包含了所有壓入式通風和抽出式通風所具有的優點，能高效處理隧道內的有害氣體并引入新鮮空氣，通風效果良好;適用于施工環境要求質量較高的情況。其不足之處在于：相對單一的通風系統而言，設備數量多、能耗大、施工管理更加復雜，還有引起瓦斯爆炸的危險，要求隧道凈空足夠大，在一定程度上會影響到洞內交通及施工作業;設備較多，成本能耗較大[5]，不適用于小斷面隧道。

2? 隧道風筒布設對瓦斯氣體的影響

在隧道瓦斯通風方面的研究認為：在瓦斯隧道通風中起著關鍵作用的幾個因素有風速、風筒規格以及風筒所處位置。目前相關研究主要是通過數字模擬結合現場實驗進行，研究者們針對二者所得結論相互對比、探討進而較為系統、全面地分析瓦斯濃度分布規律等，從而根據不同工況確定該工況下風筒出風口到掌子面的最佳距離、風筒在隧道斷面的最佳布設位置，進而提高通風效率、改善通風效果，減少隧道內瓦斯匯集、盡可能多地將其排出，更好地保障工作人員在隧道施工過程中的安全與工程整體的進度[12]，盡可能在保證安全性的前提下增強其經濟性。

（1）劉春等在《大斷面瓦斯隧道風筒布置對瓦斯濃度的影響研究》一文中以渝黔高速鐵路新涼風埡隧道為依托，就相關問題進行了探討、研究。最終研究結果表明：針對將風筒布設在靠近隧道斷面頂部的壓入式的通風方式，隧道通風管所在側和斷面中間部位瓦斯濃度大多情況下都小于回風側;回風側下部瓦斯聚集較明顯、濃度較高，是整個隧道斷面中易超限的部位。因此瓦斯氣體監測要重點關注上隅角和整個斷面的回風側，特別是回風側下部;對應工況為大斷面瓦斯隧道時，模擬結果顯示瓦斯氣體濃度最小值出現在距離掌子面約2m處;回流氣體在隧道沿程中會出現瓦斯濃度穩定在一定范圍內波動的現象，其趨于穩定波動的位置大致與風筒出口到施工開挖面的距離呈正相關;隧道沿程中瓦斯濃度自開挖工作面到隧道口整體呈下降-上升-穩定趨勢[12]。

（2）張恒等在《風機布置方式對高瓦斯隧道施工效果的影響》一文中以鷓鴣山隧道為依托進行了相關研究。結果表明：在射流巷道式通風中，橫通道是左右兩邊隧道進行氣體交換的場所，該處氣流運動形勢雜亂無章，橫通道附近射流風機的布置是影響有害氣體能否順利排出的關鍵因素;風管距離隧道開挖工作面過近時，會造成掌子面布設風管側（即進風側）與回風側風速相差過大;若風管與掌子面距離增加，則高風速區域有逐漸由風管側向掌子面中心偏移的趨勢，從而使掌子面風速分布較為均勻，掌子面兩側瓦斯氣體體積分數差值也隨之逐漸減小，同時風速隨距離的增加逐漸降低;通風管末端與開挖面距離過大時，射流尚未到達工作面即在靠近開挖斷面附近形成渦流區，使掌子面溢出的瓦斯無法與新鮮空氣較充分地混合，因而掌子面附近瓦斯體積分數依舊較大;中心線軸向風速因受到掌子面的阻擋無法向前進而在掌子面均產生波動較大，掌子面的阻礙使射流方向改變進而產生反向回流，在掌子面附近一定區域內中心線軸向風速發生較大波動，并在不同位置出現不同大小、不同數目的渦流區;由于瓦斯密度相比空氣小，故易聚集在隧道上部，若將風管布置在高處則將有利于隧道頂部聚集的瓦斯氣體排出，減小洞內瓦斯氣體體積分數;為使風機盡可能發揮其作用、盡可能地提高通風效率，故射流風機距離連通左右兩洞的橫通道不宜太遠，且宜將風機布置在氣流上風向處;盡管氣體到達工作面的速度及掌子面附近的流場會因風管與掌子面距離不同而受到影響，但是隧道內最后穩定在一定范圍內波動時的軸向風速幾乎是相同的[13]。

（3）張云龍等在《隧道掌子面施工風管布設方式對稀釋瓦斯效果影響研究》中，對成貴鐵路中的隧道之一——白楊林隧道進行了相關研究。研究結果顯示：若抽出式通風管布設在隧道單側時，其通風效果較差大多是受到了氣體回流的影響;風管端口與開挖工作面距離越小，則風管所在一側因瓦斯氣體需經由通風管排出而瓦斯氣體體積分數占比越大;若通風方式為僅為壓入式，風管設立于隧道橫斷面單側時，則瓦斯氣體在開挖工作面附近將會呈現出分布錯雜的現象，具體表征現象為風管側引入的新鮮空氣沖擊洞內氣體而使該側新引入的空氣體積所占比例較大，原工作面處氣體因受到沖擊而向異側與隧道外流動，故而進風側瓦斯氣體所占氣體整體體積分數相較異側而言要低;就隧道橫斷面而言，其上部瓦斯氣體濃度一般情況下是大于下部的，同時受回風側氣體攜帶有較多瓦斯氣體的影響，因而瓦斯體積占比大的氣體較為集中地出現在風管異側的上半部;若風管末端與開挖工作面相距較遠超出一定范圍時，因渦流區的存在，瓦斯濃度在隧道沿程的變化呈現先增加然后較為平穩波動的趨勢;同一橫斷面范圍內瓦斯濃度與風管口到掌子面的距離呈正相關，即二者相距越遠則瓦斯體積分數越大;新鮮空氣流經風筒抵達隧道開挖面的速度隨著風管端口到工作面距離的增加而減小，二者呈負相關，同時隧道開挖工作面附近一定范圍內的渦流強度亦會伴隨著減弱，致使瓦斯與新引入的氣體未能充分混合，不能有效地攜帶工作區域內的瓦斯氣體排出到隧道外，其通風效果并不理想;由于瓦斯氣體密度略小于空氣密度，瓦斯存在上浮現象，因而隧道斷面上部分瓦斯氣體濃度大于下部;風管口與掌子面距離的增大，使通風管兩側風速差減小故而有較高濃度瓦斯氣體向風管側移動的現象[14]。

3? 結語

（1）隧道通風形式的選取需根據實際情況進行。若為長乃至特長隧道，瓦斯濃度較低時，以壓入式通風為宜，但通風長度以不超過3km為佳;隧道里程短且瓦斯濃度低時，以抽出式通風為宜;瓦斯體積所占比例較大、工況復雜時以混合式通風為宜。

（2）因瓦斯氣體密度小于空氣密度，更易聚集于隧道頂部，故通風管布置于隧道上部更有利于瓦斯氣體排出。

（3）風管與掌子面距離宜根據實際工況確定，距離太近會造成掌子面兩側風速差異過大;風管與掌子面距離在一定范圍內增加會使掌子面風速分布更為均勻，隧道開挖面兩側瓦斯氣體體積分數占比會隨風管與開挖工作面距離的適當增加而更為均勻;若二者距離超過一定范圍則到達掌子面處的風速會隨著距離的增加而進一步減小，風速減小隨之出現的現象便是開挖面附近渦流強度也會減弱，致使瓦斯氣體不能與新鮮空氣充分地混合且瓦斯上浮會導致高濃度瓦斯區域向布置風管側移動的趨勢出現在橫斷面頂部。

（4）因渦流區的存在，瓦斯體積分數會在工作面附近急劇減小然后增加直至穩定在一定范圍內波動;因而瓦斯濃度在隧道沿程的變化大致表現為下降-上升-穩定的趨勢。

（5）由于瓦斯氣體的上浮，且在壓入式通風下回風側濃度高于進風側和中部位置，故監測時應著重關注隧道拱頂和回風側。

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