隧道通風管道布置參數對瓦斯運移特性的影響

周 洋， 趙 宇， 張志強， 蒲 實， 張 恒*

(1.中交第二航務工程局有限公司第五工程分公司， 武漢 430011； 2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 成都 610031；3.四川公路橋梁建設集團有限公司勘察設計分公司， 成都 610000)

瓦斯災害是隧道修建過程中嚴重的地質災害，如果瓦斯隧道施工通風不足以稀釋和排除通過巖石節理、裂隙或揭煤時溢出的大量瓦斯，一旦達到瓦斯爆炸的條件(瓦斯、氧氣、火源)而發生瓦斯爆炸，將會造成嚴重的人員傷亡和巨大的財產損失[1-2]。目前，針對瓦斯隧道施工通風問題，中外學者進行了一定的研究。何聰[3]針對特長高瓦斯隧道施工通風問題，提出了主副斜井射流巷道式通風方案，為特長高瓦斯隧道的通風問題提供了參考。劉春等[4]利用Fluent軟件研究了風管位置對超大斷面隧道瓦斯濃度的影響情況，并確定了風管在隧道最佳的安裝位置。李枝文[5]采用數值模擬方法，研究了高瓦斯隧道內風流場分布規律及瓦斯濃度分布規律，為瓦斯隧道通風方式的選擇提供了一定的指導。舒東利等[6]為解決特長高瓦斯隧道運營通風難題，發現斜井排出式運營通風方案能快速排出瓦斯氣體。謝光明[7]通過瓦斯隧道數學模型研究高瓦斯隧道通風技術，結果表明瓦斯濃度最高點為隧道斷面頂點。康小兵等[8]利用計算流體動力學(computational fluid dynamics，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體積分數效果進行了模擬計算。張云龍等[9]通過對瓦斯隧道內不同位置瓦斯體積分數檢測，發現采用獨頭壓入式通風時，工作面負壓區的存在有利于瓦斯的稀釋。劉釗春等[10]利用數值計算軟件ADINA的計算流體力學模塊，研究了瓦斯隧道施工通風采用壓入式通風時工作面附近的瓦斯分布規律。袁帥[11]以營盤山隧道為研究背景，通過數值模擬研究了附壁射流、瓦斯運移等問題。張恒等[12]利用CFD數值模擬軟件研究了高瓦斯隧道施工通風過程中風機布置方式對施工通風效果的影響。劉輝等[13]將危險與可操作性分析用于瓦斯隧道施工通風的研究中，提高了瓦斯隧道施工通風系統安全分析的科學完整性。羅燕平等[14]利用現場試驗及數值模擬對通風效果的分析，表明風倉接力通風能較好地控制隧道工作面所需風量，保證工作面的排污效果。張磊等[15]應用CFD數值計算軟件對風流場下瓦斯氣體的遷移和分布規律進行數值模擬分析。吳謹[16]以鷓鴣山隧道為研究背景，探究了瓦斯排出效果最佳的風機布置位置。Li等[17]建立了隧道空氣甲烷流動的多組分LBM-LES模型，發現LBM模型的計算效果與實驗結果吻合較好。Yan等[18]研究了通風管道橫向和縱向出口位置對隧道瓦斯運移的影響，結果表明，通風管道的最佳出口位置為距離上部臺階掘進面20 m，靠近隧道拱頂。Shinji[19]采用模型試驗對隧道掘進工作面瓦斯溢出進行了研究，分析了不同風管懸掛位置對瓦斯濃度分布的影響。Hargreaves等[20]對隧道開挖過程中通風方案進行了研究，探討了工作面粉塵及有害氣體的分布規律。

圖1 隧道通風示意圖Fig.1 Tunnel ventilation diagram

合理的通風系統設置不但能夠高效的排出洞內的污風，而且還能節約能源，降低工程成本。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，前人對于瓦斯隧道通風管道的研究大部分只考慮了單一因素，而瓦斯體積分數受瓦斯涌出量、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體積分數的大小，其規律不會發生變化。因此現以牛峒山隧道為依托，針對通風管道的多種參數，對隧道獨頭施工通風風管的布置進行優化，以得出風管的最佳組合方式。

1 依托工程概況

牛峒山隧道位于浦梅鐵路楊源站至連城站區間，線路總體由南到北方向，為單線鐵路隧道，采用礦山法施工。 隧道全長3 022 m，最大埋深約205 m，隧道斷面高度7.41 m，斷面寬度8.20 m，斷面面積58.96 m2。隧道全線Ⅴ級圍巖1 062 m，Ⅳ級圍巖1 330 m，Ⅲ級圍巖630 m。經前期地質勘測發現，隧道通過地層中含炭質頁巖和煤層，會產生瓦斯等有害氣體，有害氣體會沿著巖石節理、裂隙溢出，監測發現隧道瓦斯涌出量為0.5 m3/min，根據《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB 10120—2019)判定該隧道為低瓦斯隧道。全隧預測瓦斯發生的長度為2 070 m，占全隧的68.5%。隧道共分進口、出口2個工區，進口工區施工2 192 m，出口工區施工830 m，進出口兩個低瓦斯工區均采用壓入式通風，如圖1所示。

2 數值模型

獨頭施工通風條件下，以進口工區為例，根據牛峒山隧道實際輪廓建立長200 m的隧道模型。利用前處理軟件Gambit對三維模型進行網格劃分，采用Fluent軟件的三維非穩態組分輸運模型進行求解，湍流模型采用標準κ-ε方程模型進行數值模擬。數值模擬的邊界條件如下。

(1)進口邊界。風管出口采用velocity-inlet速度入口邊界，風流方向垂直風管口射向工作面，出口速度取20.59 m/s。

(2)出口邊界。隧道出口采用outflow自由出流邊界條件。

(3)壁面邊界。隧道內所有壁面均定義為wall 壁面絕熱無滑移邊界條件。粗糙高度(roughness height)設置為0.08 m，粗糙常數(roughness constant)設置為0.5[21]。

(4)瓦斯源項。有毒氣體瓦斯的涌出采用瓦斯源項進行處理，建模時在隧道工作面前方設置厚0.1 m的薄層體積空間作為瓦斯釋放源。瓦斯隧道整體模型如圖2所示。

圖3 距工作面不同距離斷面瓦斯分布Fig.3 Gas distribution in sections at different distances from working face

3 風管布置方式優化

3.1 風管直徑對瓦斯分布的影響

對于隧道確定的瓦斯涌出量，供風量確定之后，具體選擇多大直徑的風管還沒有相關規范標準。風管直徑大，則初始射流斷面大，射流初始斷面及射流速度發生變化，必然影響風流場規律，從而使隧道內不同斷面瓦斯的擴散規律發生變化。在風管距工作面5 m，懸掛在隧道拱肩位置的前提下，分別對風管直徑為1.5、1.8、2.0 m的3個工況(分別記為工況一、工況二及工況三)進行三維數值計算。計算收斂后，對距離工作面不同距離斷面上瓦斯體積分數進行分析。3種風管直徑下不同距離斷面瓦斯體積分數云圖如圖3所示，可以看出，斷面距工作面的距離越近，瓦斯體積分數的梯度越大，距工作面距離越遠，瓦斯體積分數的梯度越小。在靠近工作面10 m的范圍內，瓦斯主要積聚在遠離風管異側的拱腳位置，隨著距離的增加，瓦斯體積分數較大區域逐漸向風管位置移動。3種工況各斷面上的瓦斯體積分數分布規律基本相同，隨著風管直徑的增加，斷面上的瓦斯體積分數更低。

圖2 瓦斯隧道模型Fig.2 Gas tunnel calculation model

圖4為3種風管直徑下斷面平均瓦斯體積分數沿隧道縱向的變化曲線，可知：在通風穩定狀態之后，距離工作面約50 m范圍內各斷面上的平均瓦斯體積分數有較大波動，50 m之后瓦斯體積分數趨于穩定，并且不同風管直徑，瓦斯在隧道內達到穩定所需要的距離基本相同，大約為50 m。隨著風管直徑的增大，不同工況下的相同斷面上的瓦斯平均體積分數都有所減小。穩定狀態時工況三工作面上的瓦斯平均體積分數為工況一的0.87倍，工況二為工況一的0.93倍，而工況一風管直徑是工況三的0.75倍，工況一是工況二的0.83倍，因此可知風管直徑減小倍數小于工作面上瓦斯平均體積分數減小的倍數，即風管直徑的增加會導致穩定狀態工作面上瓦斯體積分數的減小，且瓦斯體積分數減小的程度遠小于風管直徑增加的程度。穩定狀態時，在工作面50 m范圍內，基本呈現風管直徑越大，瓦斯體積分數分布越不均勻。在50 m之后，隧道內部瓦斯體積分數的不均勻分布程度幾乎不發生任何改變。

圖4 斷面平均瓦斯體積分數沿隧道縱向的變化曲線Fig.4 The curve of the average gas volume fraction in section along the longitudinal direction of tunnel

綜上，風管直徑對于工作面上瓦斯體積分數具有顯著的影響。風管直徑越大，隧道內瓦斯體積分數越小，因此在通風設計時應盡可能選擇較大直徑的風管。

3.2 風管懸掛位置對瓦斯分布的影響

研究風管懸掛位置對隧道內瓦斯擴散規律的影響時，除風管懸掛位置變化外，保持風管直徑1.8 m，風管距工作面5 m。分別對風管懸掛于隧道拱肩、拱腳和拱頂三個位置對應的工況(分別記為工況四、工況五及工況六)進行三維數值計算。3種工況的不同斷面瓦斯體積分數云圖如圖5所示，當風管位于拱肩時，瓦斯體積分數最高的位置處于風管異側的拱腳處，而風管射流出口正對的工作面位置瓦斯體積分數最小，瓦斯體積分數分布呈現出從風管側向風管異側拱腳增大的規律，瓦斯容易在風管異側的拱腳位置發生聚集。從隧道縱向上來看，隧道在距工作面10 m范圍內，各斷面上瓦斯的總體分布趨勢與工作面上的分布規律相似，距工作面10 m之后，斷面瓦斯體積分數梯度逐漸減小，瓦斯分布逐漸趨于均勻。當風管位于拱頂時，物理模型具有沿斷面中心線的對稱性，因此在斷面上瓦斯分布也呈現沿著斷面中心線的對稱趨勢。在10 m范圍內，拱頂瓦斯的濃度小，遠離拱頂且靠近隧道底板瓦斯體積分數大，10 m之后，瓦斯體積分數較大位置逐漸向拱頂移動，最大瓦斯體積分數位于拱頂處。隨著距離的增加，高瓦斯區域瓦斯逐漸消散，其范圍越來越小，斷面瓦斯體積分數分布也逐漸趨近于均勻。當風管位于拱腳時，在工作面附近，斷面上瓦斯體積分數基本呈現從風管位置到風管異側拱肩位置逐漸增大的趨勢，隨著距離的增加，瓦斯體積分數呈現出風管位置到風管異側拱肩位置這條直線上瓦斯體積分數較高，并基本逐漸向風管位置轉移。隨后，瓦斯體積分數較高區域又回歸到拱頂位置。

圖5 距工作面不同距離斷面瓦斯分布Fig.5 Gas distribution in sections at different distances from working face

圖6為3種工況下斷面平均瓦斯體積分數沿隧道縱向的變化曲線，可知：在離工作面5 m范圍內，風管位于拱腳時，工作面平均瓦斯體積分數為0.014 94%；風管位于拱頂時，平均瓦斯體積分數為0.011 47%；風管位于拱肩時，平均瓦斯體積分數為0.011 57%。隨著距離的增加，風管位于拱腳時在5～30 m斷面平均瓦斯體積分數逐漸減小，到30 m時斷面平均瓦斯體積分數穩定在0.010%左右，風管位于拱頂和拱肩時在5～30 m斷面平均瓦斯體積分數逐漸增大，到30 m時斷面平均瓦斯體積分數分別穩定在0.013%和0.014%左右。因此在工作面5 m之內，風管位于拱腳的斷面平均瓦斯體積分數比風管位于拱頂的平均瓦斯體積分數高30%，比風管位于拱肩高29%；在距工作面30 m之后，風管位于拱腳的斷面瓦斯平均體積分數比風管位于拱頂的平均瓦斯體積分數低23%，比風管位于拱肩低26%。風管位于拱腳時，斷面平均瓦斯體積分數呈現先增加再減小的變化規律，這與風管位于拱肩與拱頂的瓦斯在隧道縱向上的變化規律略有不同。這可能是風管位于拱腳時，射流風流不僅受到隧道拱墻的影響，還受隧道底板的影響較大。

圖6 斷面平均瓦斯體積分數沿隧道縱向的變化曲線Fig.6 The curve of the average gas volume fraction in section along the longitudinal direction of tunnel

通過對瓦斯體積分數的分析很難用斷面瓦斯平均體積分數這一個指標判斷風管布設在哪個位置更合適，還必須綜合分析工作面處風流場特點，施工效率等因素才能得出較好的結果。雖然隧道后段風管布置在拱頂更有利排出瓦斯，但是在工作面附近瓦斯體積分數較高，并且考慮施工條件，風管通常都不布置在拱頂，因為布置在拱頂不利于運渣車及臺車的移動，影響施工效率，而且工作面瓦斯體積分數應該盡可能低。

由于工作面附近射流風流與回流風流導致的風流場極其復雜，并且工作面附近范圍內是隧道向前推進的主要作業區域，機械設備、人員較多，是瓦斯隧道內瓦斯體積分數重點管理的區域，因此該區域瓦斯體積分數應該盡可能低。

綜合來看，風管布置在拱肩處在工作面附近有較好的瓦斯排出效果，施工風險低。

3.3 風管出口距工作面距離對瓦斯分布的影響

研究風管出口距工作面的距離對隧道內瓦斯分布規律的影響時，依然取風管直徑1.8 m，懸掛在隧道拱肩位置，分別對風管出口距離工作面5、15、25 m共3個工況(分別記為工況七、工況八及工況九)進行三維數值計算。

圖7 距工作面不同距離斷面瓦斯分布Fig.7 Gas distribution in sections at different distances from working face

圖7為3種工況下距離斷面瓦斯體積分數云圖，可以看出：當風管距離工作面為5 m時，由于射流距離短，射流沒有得到充分發展，可以看到工作面處的瓦斯只是在射流風流周圍瓦斯降低的比較明顯，瓦斯主要積聚在遠離風管異側拱腳位置，其他位置的瓦斯分布相對均勻。在靠近工作面5～10 m范圍內，呈現出風管到風管異側拱腳處這一條線的瓦斯體積分數較大，到靠近工作面20 m處風管異側拱腳瓦斯開始消散。當風管出口距工作面的距離為15～25 m時，各斷面瓦斯分布規律相似，由于射流距離長，射流與周圍空氣不斷發生質量、動量交換，將周圍空氣不斷吸進來，使射流的斷面不斷增加，導致射流的吸卷作用得到充分發揮，因此可以看到工作面處射流周圍很大一塊區域的瓦斯體積分數都降的很低，瓦斯僅僅只是在風管異側拱腳很小的區域內較大。隨著斷面距工作面距離的增加，瓦斯體積分數較大的區域逐漸向上轉移，最終瓦斯體積分數最大值出現在拱頂處。因此對于指導瓦斯隧道安全施工方面，在離開工作面一定距離后，瓦斯監控的重點應該是拱頂位置。

圖8為3種工況下斷面平均瓦斯體積分數沿隧道縱向的變化曲線，可知：風管出口距離工作面的距離不同，瓦斯穩定所需要的距離也不同，工況七在距離工作面30 m處基本達到穩定，工況八與工況九在距離工作面100 m處基本達到穩定。工況七工作面平均瓦斯體積分數為0.011 47%，工況八為0.011 56%，工況九為0.011 73%，工況七比工況八低0.78%，比工況九低2.2%。穩定狀態后，工況七斷面平均瓦斯體積分數為0.012 8%左右，工況八為0.013 1%，工況九為0.013 2%，工況七比工況八低1.1%，比工況九低3.0%。綜上可看出，隨著風管出口距工作面的距離減小，各斷面平均瓦斯體積分數都有所降低。

隨著風管出口距工作面距離的減小，隧道內瓦斯體積分數隨之減小，并且瓦斯在斷面上的分布也越均勻，越不易發生瓦斯的局部積聚現象。因此隧道施工通風中應盡可能地使風管口靠近工作面。

圖8 斷面平均瓦斯體積分數沿隧道縱向的變化曲線Fig.8 The curve of the average gas volume fraction in section along the longitudinal direction of tunnel

圖9 距工作面不同距離斷面瓦斯分布Fig.9 Gas distribution in sections at different distances from working face

3.4 風管貼壁程度對瓦斯分布的影響

研究風管貼壁間隙對隧道內瓦斯分布規律的影響時，取風管直徑1.8 m，風管距工作面5 m，風管懸掛在拱頂位置，分別對風管貼壁間隙為0.2、0.5和0.8 m共3個工況(分別記為工況十、工況十一及工況十二)進行三維數值計算。

圖9為不同斷面瓦斯體積分數云圖，可以看出：此時風管位于拱頂，由于模型的對稱性，在隧道斷面上的瓦斯分布關于斷面中心線對稱。在工作面，瓦斯體積分數最小的地方處于風管風流射出的位置，最大的地方處于風管正對的底板的位置，呈現出從隧道拱頂到底板逐漸增大的分布規律，瓦斯在底板中間位置產生聚集。隨著距工作面距離的增大，瓦斯體積分數較大的地方逐漸向上轉移，瓦斯體積分數較小的地方基本處于隧道底板位置，瓦斯體積分數較大的地方基本處于風管周圍，瓦斯容易在風管附件位置產生聚集。在風管出口到工作面范圍內，貼壁程度為0.2 m時，風管頂端到拱頂壁面近，射流風流從風管出口射出后幾乎緊貼隧道壁面射向工作面，風管頂端與拱頂之間的空間瓦斯體積分數很低，貼壁程度由0.2 m增加到0.5 m和0.8 m時，風管頂端與拱頂之間的空間瓦斯體積分數增加。

圖10為斷面平均瓦斯體積分數沿隧道縱向的變化曲線，可知：當貼壁程度為0.5 m時，斷面平均瓦斯體積分數明顯低于其他貼壁程度，風管頂端離隧道拱頂的距離太近或太遠，隧道內瓦斯體積分數越高，斷面瓦斯分布均勻性也越差。由此可以得出，風管貼隧道壁面距離不宜過近或過遠，中等距離更有利于瓦斯的排出。

圖10 斷面平均瓦斯體積分數沿隧道縱向的變化曲線Fig.10 The curve of the average gas volume fraction in section along the longitudinal direction of tunnel

4 結論

(1)風管直徑對于工作面上瓦斯體積分數場具有顯著的影響。風管直徑減小會導致隧道空間瓦斯體積分數增加，且瓦斯體積分數增加的程度遠大于風管直徑減小的程度，因此在實際工程應盡可能選擇較大直徑的風管。

(2)由于工作面附近射流風流與回流風流導致的風流場極其復雜，并且工作面附近范圍內是隧道向前推進的主要作業區域，機械設備、人員較多是瓦斯隧道內瓦斯體積分數重點管理的區域，因此該區域瓦斯體積分數應該盡可能低。綜合來看，風管布置在拱肩處更有利于瓦斯的排出和保障隧道安全施工。

(3)隨著風管出風口距離工作面距離的不斷減小，隧道內瓦斯體積分數越低，并且隧道內部空間瓦斯分布越均勻，越不易發生瓦斯的局部積聚現象。因此實際施工通風中應使風管出風口盡可能靠近工作面。

(4)風管頂端離隧道拱頂的距離越遠，隧道內瓦斯體積分數越高，斷面瓦斯分布均勻性也越差。由此可以看出，風管貼近隧道壁面有利于瓦斯的排出。通過對風管直徑、風管懸掛位置、風管出口距工作面的距離、風管貼壁間隙對瓦斯分布規律的影響，在單因素試驗情況下，可以看出風管的最佳組合方式為風管直徑為1.8 m，風管位置為拱肩，風管出口距工作面的距離為5 m，貼壁程度為0.5 m。