瓦斯隧道有害氣體運移規(guī)律及通風(fēng)方案優(yōu)化研究

李潤雙

(中鐵十九局集團第二工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 引言

瓦斯是我國西南地區(qū)隧道施工過程中引起嚴(yán)重安全和隧道施工事故的重要因素之一。為了降低隧道施工過程中的瓦斯累積現(xiàn)象，杜絕瓦斯事故，通風(fēng)是目前瓦斯隧道施工中降低有害氣體濃度和改善工作環(huán)境最廣泛、最有效和最直接的技術(shù)手段。

在發(fā)生多起瓦斯隧道施工事故之后，通風(fēng)安全問題逐漸成為隧道工程研究的熱點。崔志成、李建軍和唐鷗玲等[1－3]分別以實際隧道工程為依托探討了不同瓦斯排放技術(shù)的應(yīng)用成效，提出了卓有成效的瓦斯通風(fēng)技術(shù)。康小兵、丁睿等[4]通過流體數(shù)值仿真模擬分析與實際監(jiān)測，對瓦斯隧道工程建設(shè)中的隧道內(nèi)速度場進行了研究。周洋[5]利用數(shù)值模擬軟件對某隧道局部瓦斯累積效應(yīng)規(guī)律進行了分析。時亞昕[6]采用理論推導(dǎo)與仿真分析相結(jié)合的研究途徑，對大相嶺泥巴山隧道各段的最大自然通風(fēng)與風(fēng)速頻率進行研究，最終確定了利用自然通風(fēng)的隧道分段縱向式通風(fēng)方案。周瑩和匡亮等[7－8]參考仿真結(jié)果分析研究了隧道縱向射流通風(fēng)場分布規(guī)律。蘇培東等[9－12]以實際瓦斯隧道施工工程為依托，分析了瓦斯擴散規(guī)律，應(yīng)用新技術(shù)和新手段對瓦斯?jié)舛冗M行了監(jiān)測和預(yù)報。

本文結(jié)合現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬分析瓦斯運移規(guī)律，并對通風(fēng)措施進行了優(yōu)化研究，為實現(xiàn)隧道施工過程中的瓦斯控制，保證施工安全提供理論依據(jù)。

2 工程概況及測試分析

2.1 工程概況

扎西隧道采用分離式雙洞結(jié)構(gòu)，根據(jù)地質(zhì)勘測報告，隧道沿線穿越不良地質(zhì)區(qū)域，伴隨有多層煤層、煤層采空區(qū)、溶洞以及地質(zhì)斷層等，嚴(yán)重制約施工進度，威脅施工安全。煤層瓦斯成分以甲烷和氮氣為主，根據(jù)?公路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)程?(DB51/T 2243—2016)規(guī)定，綜合判斷扎西隧道左線ZK22＋960～ZK23＋440、右線 K22＋960～K23＋440為瓦斯突出段。

2.2 測試項目及儀器

為研究扎西隧道爆破施工后瓦斯及有害氣體的時空運動和擴散特征，以一氧化碳、硫化氫、甲烷為監(jiān)測對象，對扎西隧道爆破施工后的氣體分布規(guī)律進行現(xiàn)場測試，測點布置見圖1。

圖1 測點布置示意

本次現(xiàn)場測試主要對施工通風(fēng)過程中的風(fēng)速、瓦斯(CH4)濃度、一氧化碳(CO)濃度、硫化氫(H2S)的濃度以及氧氣(O2)的濃度進行了全面監(jiān)測，監(jiān)測儀器見表1。

表1 監(jiān)測儀器

2.3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

掌子面爆破掘進，待監(jiān)測氣體流動速度降低穩(wěn)定后，監(jiān)測不同隧道斷面的氣體流動速度，見表2。測試結(jié)果表明，各斷面的風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)有一定差異。理想狀態(tài)下，隧道不同監(jiān)測斷面的氣體流動速度應(yīng)當(dāng)保持一致或相近。經(jīng)過分析，其原因主要有3點:(1)實際通風(fēng)過程中，隧道現(xiàn)場施工過程極易造成風(fēng)管出現(xiàn)不同程度的損壞，導(dǎo)致密封度不夠，進而造成風(fēng)管以及接頭處出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象；(2)爆破施工使隧道內(nèi)一氧化碳、甲烷等有毒有害氣體和粉塵濃度嚴(yán)重增加，而這些有毒氣體在隧道內(nèi)運移的過程中，不同監(jiān)測點在不同時刻監(jiān)測到峰值數(shù)據(jù)，隧道橫斷面內(nèi)的流體運動速度和分布場監(jiān)測值受瓦斯等氣體影響和干擾較大；(3)隧道內(nèi)快速行進的施工車輛對監(jiān)測點附近的風(fēng)流場也會產(chǎn)生較大影響。

表2 斷面平均風(fēng)速

隧道掌子面爆破施工后，左側(cè)隧道CO、CH4濃度變化監(jiān)測結(jié)果如圖2所示，隧道掌子面爆破施工放炮時間與掌子面附近CO監(jiān)測數(shù)據(jù)峰值出現(xiàn)時間相互對應(yīng)。從圖2可以看出，CO的監(jiān)測數(shù)據(jù)和CH4的濃度在掌子面爆破之后呈現(xiàn)顯著且相似的連續(xù)性變化規(guī)律。

圖2 有毒有害氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線

由圖2可知，壓入式通風(fēng)情況下，放炮后20 min之后掌子面CO濃度快速增大，幾乎線性上升到最大值300 ppm，并且持續(xù)時間超過50 min，己經(jīng)超過?鐵路隧道施工規(guī)范?中規(guī)定的警戒線濃度和掌子面通風(fēng)排煙中規(guī)定的30 min。另外，在掘進方向的反方向上出現(xiàn)了CO濃度峰值逐漸減小、超過允許濃度范圍的時間持續(xù)增加且范圍更大的現(xiàn)象，因此，應(yīng)加大隧道通風(fēng)量或增加局部通風(fēng)以改善洞內(nèi)施工環(huán)境，并且施工人員應(yīng)在爆破后短時間內(nèi)暫停掌子面處的施工作業(yè)。

3 數(shù)值模型

雙洞互補式隧道通風(fēng)所采用的分析模型如圖3所示，模擬過程假定只有掌子面為瓦斯的涌出源頭，并且瓦斯涌出處于均勻穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 三維數(shù)值模型(單位:mm)

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 通風(fēng)風(fēng)流模擬結(jié)果分析

根據(jù)圖4a仿真結(jié)果，從風(fēng)管出口排出的風(fēng)流速度隨著流體不斷運動逐步衰減，且整個衰減過程符合射流規(guī)律。在距離風(fēng)管出口一定范圍內(nèi)(0～20 m)風(fēng)速快速降低，近似滿足線性遞減規(guī)律；而后風(fēng)速與距離的關(guān)系近似呈二次拋物線降低趨勢，在距離工作面5 m內(nèi)速度衰減梯度增大，并快速衰減至0。并且還可以看到在車行道的位置，右洞風(fēng)流會不斷“闖入”左洞，并在洞口處形成“旋渦狀”的風(fēng)流。在左洞掌子面和風(fēng)筒管口中間同樣的會產(chǎn)生“旋渦狀”風(fēng)流。

圖4 風(fēng)速變化曲線及風(fēng)流風(fēng)速云圖

從圖4b同樣可以看到，風(fēng)流經(jīng)過長距離衰減，在人行道內(nèi)基本無風(fēng)流通過，如果產(chǎn)生瓦斯的積聚，需要及時通風(fēng)處理。從圖4c隧道截面圖中可以看到，在遠(yuǎn)離風(fēng)筒的隧道表面風(fēng)速很低，尤其是遠(yuǎn)離掌子面的位置。

通過數(shù)值模擬和施工經(jīng)驗分析:同一通風(fēng)速度時，射流速度變化程度會隨著風(fēng)管附壁程度的增高、距瓦斯涌出面距離的縮小而增大，同時風(fēng)管通風(fēng)對瓦斯等有毒氣體的降低效果也越理想；另外，局部壓力損失會隨著風(fēng)管管口離工作面距離的縮小而增大。所以，在實際瓦斯隧道施工通風(fēng)的設(shè)計過程中應(yīng)盡可能地保證通風(fēng)管管口與瓦斯涌出面處于合適的工作距離，此外還要注意提高風(fēng)管與隧壁附貼程度，避免布設(shè)距離較短或附壁程度太高會進一步造成壓力損失過大。

4.2 掌子面瓦斯運移規(guī)律數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1)雙洞通風(fēng)瓦斯運移分析

從圖5a中可以看到，在風(fēng)流的帶動下瓦斯在掌子面附近很快被稀釋，主要表現(xiàn)為瓦斯分布濃度的快速降低。而且同時對照圖5b也可以看到瓦斯積聚基本上在與風(fēng)筒位置相反的角落，因此在實際瓦斯隧道施工過程中需密切關(guān)注并采取合適的通風(fēng)手段。

圖5 隧道內(nèi)風(fēng)流及瓦斯云圖

另外，在隧道掌子面附近的回流區(qū)瓦斯?jié)舛忍荻却螅ㄟ^對比可以發(fā)現(xiàn)射流區(qū)的瓦斯積聚濃度比處于回流區(qū)的瓦斯氣體積聚濃度更低。隧道斷面上的回流區(qū)瓦斯?jié)舛容^高，瓦斯涌出量的大小對風(fēng)流場有一定影響，當(dāng)瓦斯達(dá)到一定濃度時，在流動動能作用下，瓦斯沿隧道拱頂產(chǎn)生漩渦。

(2)單洞通風(fēng)瓦斯運移分析

圖6a為左洞單獨通風(fēng)且左洞單獨涌出瓦斯時的瓦斯分布狀況，圖6b為相同條件下右洞單獨涌出瓦斯時的情況。通過對左洞或者右洞單洞通風(fēng)時瓦斯的運移模擬分析，可以對比發(fā)現(xiàn)在左洞或者右洞單獨進行隧道通風(fēng)時，瓦斯會沿著隧道向另外一個隧道中移動，造成兩側(cè)隧道同時出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象，顯著降低了通風(fēng)效果，非常不利于整體瓦斯?jié)舛鹊慕档停M而引發(fā)工人中毒等安全事故。

圖6 單洞通風(fēng)瓦斯運移云圖

5 通風(fēng)方案優(yōu)化

瓦斯隧道爆破施工過程中的隧道通風(fēng)主要取決于隧道所經(jīng)過的地質(zhì)條件特征以及隧道斷面設(shè)計形式。隧道爆破施工通風(fēng)效果的好壞還依賴于如何合理高效配置隧道通風(fēng)設(shè)備等資源。參考相關(guān)的實際工程經(jīng)驗和既有研究成果，對于存在少量瓦斯涌出隧道的施工通風(fēng)，一般使用有壓進巷通風(fēng)或巷道通風(fēng)方式；而對于隧道沿線瓦斯涌出量較大，瓦斯突出現(xiàn)象較為嚴(yán)重的隧道施工通風(fēng)，巷道式隧道通風(fēng)是最為常見的通風(fēng)方式。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知，瓦斯隧道爆破施工的主要產(chǎn)物一氧化碳和甲烷的濃度峰值從掌子面向洞口方向逐漸減小，且超過允許濃度范圍的持續(xù)時間逐漸增多。

(2)在同一通風(fēng)速度條件下，射流速度變化梯度會隨著風(fēng)管附壁程度的增高、距工作面距離的縮小而增大。另外，局部壓力損失會隨著風(fēng)管管口離工作面距離的縮小而增大。因此，在實際瓦斯隧道通風(fēng)過程中應(yīng)保持風(fēng)管管口與工作面處于合適的工作距離，并提高風(fēng)管與隧壁附貼程度。

(3)在距離隧道掌子面附近的回流區(qū)瓦斯?jié)舛人p梯度大，且瓦斯?jié)舛仍谏淞鲄^(qū)比在回流區(qū)低。隧道斷面上的回流區(qū)為高瓦斯區(qū)域，瓦斯涌出量的大小對風(fēng)流流場有一定影響，當(dāng)瓦斯達(dá)到一定濃度，在流動動能作用下，瓦斯沿隧道拱頂產(chǎn)生漩渦。