基于正交試驗的瓦斯隧道通風管道布置研究

趙宇 張志強

【摘要】隧道內瓦斯的濃度是影響隧道內工作環境的重要因素之一，而瓦斯濃度受瓦斯涌出量、通風量大小、風管直徑、風管出口距工作面的距離、風管懸掛位置、風管貼壁間隙等因素的影響，在其他條件不變的情況下，瓦斯涌出量只會影響隧道相同位置瓦斯濃度的大小，其規律不會發生變化。文章基于正交試驗研究不同風管直徑、風管出口距工作面距離、風管懸掛位置、風管貼壁間隙對瓦斯分布規律的影響，每個因素選取三個水平，確定最佳風管布置方式，并探明四種因素之間的相互關系。

【關鍵詞】鐵路瓦斯隧道; 瓦斯擴散; 正交試驗; 數值模擬; 風管布置

【中國分類號】U453.5【文獻標志碼】A

截至2016年底，我國公路隧道總計為15 181座，其中長隧道為11 584座，特長隧道為3 647座[1]。鐵路隧道總計為14 100座，其中特長隧道為111座，短隧道及長隧道為13 989座，僅成貴鐵路線上就有117座瓦斯隧道[2]。目前，隧道施工通風研究比較滯后。瓦斯是隧道建設重大的地質災害，如果對瓦斯在隧道內的運移及分布規律認識不夠，導致通風系統設計不合理，最終將導致重大事故。

康小兵[3]等利用CFD數值計算軟件對瓦斯隧道施工期間不同通風風速降低瓦斯濃度效果進行了模擬計算。袁帥[4]以營盤山隧道為研究背景，通過數值模擬研究了附壁射流、瓦斯運營等問題，并提出了風室接力+巷道式通風方案、比較了壓入式通風和巷道式通風的通風效率等。張恒[5]等為提高風倉接力施工通風的通風效率，研究了風倉長度、隔板長度及風機在風倉兩側的布置方式對軸流風機通風效率的影響。

本文以某鐵路瓦斯隧道為依托，基于CFD數值模擬，采用正交試驗分析，得到風管布設的最佳方案。

1 正交試驗

正交試驗是部分因子設計的一種具有代表性的試驗方法，在不失去試驗可靠性的基礎上可以大大降低成本，具有很高的效率。為了滿足正交試驗的“均勻整齊”的特點使試驗具有代表性及可靠性，正交試驗要滿足以下要求：

（1）任意因素的各個水平作相同數量的試驗;

（2）任意兩個因素的水平組合作相同數量的試驗。

正交試驗另外一個很重要的概念—正交表，它是一種安排多因素試驗的一類表格，安排試驗和分析試驗結果都需要用到該表，每個正交表都有一個代號Ln（qm），其中L表示正交表，n表示試驗總數，q表示試驗的水平數，m表示表的列數，也即表中能容納的最多因素數。表1為一個4因素3水平試驗的正交表。

正交表的正交性體現在：

（1）任一列中，各水平都出現，且出現的次數相等;

（2）任兩列之間各種不同水平的所有可能組合都出現，且對出現的次數相等。該正交表最多安排4個因素，每個因素均為3個水平，一共要作9次試驗。正交試驗設計程序及結果分析流程如圖1所示。

2 正交試驗設計

本文的正交試驗設計方案中，取對鐵路隧道內瓦斯分布規律影響較大的風管直徑、風管出風口距工作面距離、風管懸掛位置、風管貼壁間隙4個因素作為正交試驗的基本影響因素，每個因素選取三個水平。風管的直徑取1.2 m、1.5 m、2.0 m三個水平，風管出口距工作面的距離取10 m、20 m、30 m三個水平，風管的懸掛位置取拱頂、拱肩、拱腳三個水平，風管的貼壁程度用風管距隧道壁面最近的距離進行量化，取0.2 m、0.5 m、0.8 m三個水平。通過正交試驗分析出風管直徑、風管出風口距離工作面距離、風管懸掛位置、風管貼壁間隙的最佳組合。各影響因素及選取的水平數對應的參數如表2所示。

正交試驗對結果的分析需要在瓦斯工區風流范圍內選取目標因子，試驗選取隧道內風流場穩定后工作面的平均瓦斯濃度作為目標因子來表征施工通風效果，瓦斯濃度越低，通風效果越好。

本試驗主要考察四個因素對瓦斯濃度分布規律的影響，不考慮因素之間的交互作用，因此正交表選用L9（34）型正交表，試驗方案設計如表3所示。1～9的試驗號分別記為工況1～工況9，對這9個工況分別進行建模，并使用Fluent軟件進行數值模擬，提取目標因子，進行數理分析。用極差分析試驗數據，確定試驗因素的最佳水平及最佳水平組合。

3 正交試驗瓦斯擴散數值模擬

對以上9種特定工況建立隧道模型劃分網格進行數值模擬，為使結果具有可比性，9種工況都計算1500步。9種工況計算不同橫斷面瓦斯濃度分布云圖如圖2～圖4所示。

4 特定工況正交試驗分析

為了對正交試驗進行數理分析，試驗選擇工作面上的瓦斯平均濃度為目標因子，表征通風效果，對正交試驗結果采用極差分析法（及直觀分析法）進行分析。根據正交試驗表進行的9次試驗試驗結果如表4所示。

4.1 各因素實驗結果相應指標計算

（1）分別計算風管直徑A同一水平試驗結果的相應指標。

4.2 判斷各因素對瓦斯排放效果的影響大小

根據上述的計算，風管直徑所對應的極差RA為0.001 450，風管出口距工作面距離所對應的極差RB為0.001 144，風管懸掛位置所對應的極差RC為0.001 167，風管貼壁間隙所對應的極差RD為0.001 178。得出RA>RD>RC>RB，說明風管直徑對瓦斯排放的影響最大，其次是風管貼壁間隙、風管懸掛位置及風管距工作面距離。而現階段隧道在進行施工通風設計時風管的直徑通常是靠設計人員的經驗進行選取，缺乏相關規范。

4.3 確定各因素對應的最優水平

以工作面瓦斯濃度為縱坐標，因素水平為橫坐標，得排放效果趨勢圖如圖5所示。

從圖5可以知道：風管直徑為1.5 m時，瓦斯平均濃度值最小;風管出口距工作面距離為20 m時，瓦斯平均濃度值

最小;風管懸掛位置為拱腳時，瓦斯平均濃度值最小;風管貼壁間隙為0.5 m時，瓦斯平均濃度值最小。

5 結論

（1）風管直徑所對應的極差為0.001 450，風管出口距工作面距離所對應的極差為 0.001 144，風管懸掛位置所對應的極差為0.001 167，風管貼壁間隙所對應的極差為 0.001 178。通過極差分析發現，風管直徑對瓦斯排放的影響最大，其次是風管貼壁間隙、風管懸掛位置及風管距工作面距離。

（2）通過正交試驗分析，風管布設的最佳方案為風管直徑取1.5 m，風管出口距工作面距離取20 m，風管懸掛位置在拱腳，風管貼壁間隙取0.5 m。

參考文獻

[1] 蔣樹屏.中國公路隧道數據統計[J].隧道建設，2017，37（5）：643-644.

[2] 趙勇，田四明.中國鐵路隧道數據統計[J].隧道建設，2017，37（5）：641-642.

[3] 康小兵，丁睿，許模，趙帥軍.高瓦斯隧道施工通風處理數值模擬分析[J].成都理工大學學報：自然科學版，2012，39（3）：311-316.

[4] 袁帥.特長鐵路瓦斯隧道施工通風優化及安全控制技術研究[D].成都：西南交通大學，2017.

[5] 張恒，張俊儒，周水強，等.特長隧道風倉接力通風關鍵參數及其效果研究[J].安全與環境學報，2019，19（3）：795-803.