復(fù)合型鐵路瓦斯隧道通風(fēng)流場(chǎng)及瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2025）07-0064-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.07.013

Study on theVentilation Flow Field and Gas TransportationLawof CompositeRailroadGas Tunnel

LIN Qihuang

（China Railway 24 Bureau Group Fujian Railway Construction Limited，F(xiàn)uzhou 3501O8， China）

Abstract：[Purposes] This paper aims to investigate the ventilation and gas transportation law during the construction of coalbed methane and shallow natural gas composite high-gas railroad tunnel.[Methods] Taking the actual project as an example，F(xiàn)LUENT numerical simulation software was used to conduct transient analysis and study the effect of ventilation on gas concentration.[Findings] The study shows that： ① after 2O minof ventilation，the flow field in the tunnel is basicall stable，and the wind speeds in the tunnel are all greater than 0 . 2 5 m / s ，which is in line with the requirements of the construction ventilation; ② under the stable state of ventilation，the closer the area of the palm face is，the greater the fluctuations in wind speed and gas concentrationare are; ③ after the ventilationflow field isstabilized， it isdifficult to discharge the gas accumulation atthe top of the wall，the footing，and thecornersof the walof the palm face.[Conclusions] Through analysis，it can be seen that the ventilation wind speed is 1 4 . 5 4 m / s which meets the ventilation requirements of the tunnel. Gas detection and local ventilation should be done in the area prone to gas accumulation on the return air side.

Keywords： gas tunnel; numerical simulation;gas ventilation;transportation law

0 引言

隨著我國交通建設(shè)的發(fā)展，隧道及地下工程的建設(shè)規(guī)模越來越大。在隧道開挖過程中難免會(huì)穿越煤層和含碳巖層，處理不當(dāng)易發(fā)生隧道瓦斯超限和瓦斯爆炸事故，為保證施工環(huán)境的安全，必須采取有效的通風(fēng)措施。許多學(xué)者對(duì)瓦斯隧道通風(fēng)防災(zāi)進(jìn)行了研究。黃登里對(duì)不同瓦斯隧道類型進(jìn)行研究，并根據(jù)隧道實(shí)際情況提出了施工通風(fēng)措施；陳波對(duì)特長瓦斯隧道工程施工通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行了探討；李勝任3針對(duì)高速公路隧道施工經(jīng)常出現(xiàn)的問題，開展高速公路隧道瓦斯防治施工工藝技術(shù)研究；王賀等4研究了高瓦斯隧道在開挖爆破后的瓦斯擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律及通風(fēng)對(duì)瓦斯?jié)舛鹊挠绊懀@得了掌子面附近瓦斯擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律；安俊杰等5采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法模擬風(fēng)管漏風(fēng)工況下瓦斯隧道通風(fēng)案例，分析漏風(fēng)面積與漏風(fēng)位置對(duì)隧道瓦斯分布的影響規(guī)律；楊永斌等通過數(shù)值模擬，對(duì)不同參數(shù)下的瓦斯隧道通風(fēng)效果進(jìn)行研究并得到不同技術(shù)方案下的瓦斯運(yùn)移規(guī)律；趙樹磊等針對(duì)瓦斯隧道多工作面作業(yè)時(shí)對(duì)壓入式通風(fēng)方案中風(fēng)管最優(yōu)布設(shè)方式進(jìn)行研究，探究了多作業(yè)面通風(fēng)系統(tǒng)中的射流風(fēng)機(jī)最佳布設(shè)方案。

綜上所述，研究人員針對(duì)不同瓦斯隧道提出了不同的通風(fēng)方案，但對(duì)煤層氣與淺層天然氣復(fù)合型瓦斯鐵路隧道施工期間的通風(fēng)情況研究較少。本研究依托實(shí)際工程，采用FLUENT軟件分析復(fù)合型瓦斯隧道通風(fēng)流場(chǎng)及瓦斯運(yùn)移規(guī)律。

1工程概況

某鐵路隧道位于四川省達(dá)州市通川區(qū)，長度為41 3 6 m ，最大埋深約 3 6 0 m 。地貌單元屬川東嶺谷低山丘陵區(qū)，測(cè)區(qū)海拔為 3 5 0 ～ 7 4 0 m ，相對(duì)高差為3 9 0 m ，自然坡度一般為 。隧址區(qū)下伏基巖為砂巖泥巖互層、砂巖夾泥巖、頁巖夾灰?guī)r、泥巖、炭質(zhì)頁巖夾煤。區(qū)域內(nèi)碳質(zhì)含量較多，具有一定的生烴能力。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果及相關(guān)既有工程資料綜合分析，隧道為高瓦斯隧道，進(jìn)口為低瓦斯工區(qū)，出口為高瓦斯工區(qū)。

2隧道通風(fēng)數(shù)值模擬分析

2.1 控制方程

本研究采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型進(jìn)行模擬計(jì)算，具體控制方程如下[8]

① 連續(xù)性方程見式（1）。

② 動(dòng)量守恒方程見式（2）。

其中 的計(jì)算公式見式（3）。

③ 能量守恒方程見式（4）。

其中， G 的計(jì)算公式見式（5）。

④ 組分質(zhì)量守恒方程見式（6）。

其中 的計(jì)算公式見式（7）。

⑤k 方程見式（8）。

其中， K 的計(jì)算公式見式（9）。

⑥ε 方程見式（10）。

其中， B 和 E 的計(jì)算公式見式（11）。

以上式中： ρ 為流體密度， 為通風(fēng)時(shí)間， 為 i ， j 方向的速度分量；為 i ， j 方向的坐標(biāo)； p 為氣體壓力， 為 方向上流體單位體積所受的體積力， 為應(yīng)力張量； T 為流體溫度，K； 為空氣定壓比熱， J / （ k g? K） ; K 為氣體熱系數(shù)，W/ 為黏性力做功項(xiàng); 為瓦斯體積分?jǐn)?shù)； 為瓦斯擴(kuò)散系數(shù)；k為紊流流體內(nèi)部應(yīng)力， P a; μ 為層流體動(dòng)力黏結(jié)因子， 為湍流體動(dòng)力黏結(jié)因子， P a? s; ε 為湍流能量耗散率， 為湍流能量生成率， 為系數(shù)。

2.2 幾何模型

參考隧道截面實(shí)際尺寸，運(yùn)用SpaceClaim建立隧道氣體流動(dòng)計(jì)算模型，該模型主要研究掌子面附近的流場(chǎng)和瓦斯分布情況，故選取隧道出口工區(qū)，對(duì)距掌子面 2 0 0 m 的區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行分析。風(fēng)筒布置于隧道右側(cè)拱腰處，直徑取 1 . 8 m ，距離地面6 . 5 m ，風(fēng)筒出風(fēng)口距掌子面 1 5 m ，在掌子面后方設(shè)定 0 . 1 m 厚的空間為瓦斯源項(xiàng)。利用FLUENT軟件自帶的網(wǎng)格劃分功能對(duì)隧道模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，整個(gè)模型共生成約120萬個(gè)網(wǎng)格，隧道網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2.3模型參數(shù)及邊界參數(shù)

模型邊界條件設(shè)置見表1、表2。根據(jù)隧道施工實(shí)際情況及相關(guān)文獻(xiàn)，模擬時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型，模型的重力加速度取 。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，隧道實(shí)際瓦斯涌出量為 ，計(jì)算可得瓦斯源項(xiàng)為 ，根據(jù)所需風(fēng)量計(jì)算風(fēng)速為 1 4 . 5 4 m / s 。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1隧道通風(fēng)流場(chǎng)分析

隧道縱斷面（ y=6 . 5 m， 的風(fēng)流場(chǎng)分布如圖2所示。由圖2可知，風(fēng)流由通風(fēng)管口射出，沿隧道壁面向掌子面方向發(fā)展，到達(dá)掌子面后受到限制，風(fēng)流向遠(yuǎn)離風(fēng)管一側(cè)運(yùn)移回流。隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，風(fēng)流逐漸向隧道出口移動(dòng)。當(dāng)通風(fēng)1s時(shí)，風(fēng)流剛由風(fēng)筒出風(fēng)口射出，小部分風(fēng)流脫離風(fēng)筒的約束向四周擴(kuò)散，大部分風(fēng)流緊貼隧道壁向前流動(dòng)，但通風(fēng)時(shí)間較短，風(fēng)流未到達(dá)掌子面；當(dāng)通風(fēng) 1 m i n 時(shí)，射流充分發(fā)展，但隧道內(nèi)流場(chǎng)發(fā)展不穩(wěn)定。隨著隧道通風(fēng)時(shí)間的推移，風(fēng)流向掌子面靠近的同時(shí)，風(fēng)流的貼壁面積越大，在隧道中的貼壁現(xiàn)象越明顯。原因主要是通風(fēng)時(shí)間增加使更多的風(fēng)流能夠到達(dá)隧道各個(gè)斷面，并且風(fēng)流具有較強(qiáng)的貼壁效應(yīng)。對(duì)比風(fēng)流云圖隨時(shí)間的變化可以看出，隨著時(shí)間的推移，隧道內(nèi)的風(fēng)流場(chǎng)產(chǎn)生了明顯的分區(qū)現(xiàn)象，風(fēng)筒與掌子面之間的射流區(qū)域風(fēng)流流場(chǎng)基本穩(wěn)定，而遠(yuǎn)離風(fēng)筒一側(cè)的風(fēng)流流場(chǎng)面積逐漸擴(kuò)大，風(fēng)流發(fā)生明顯的回流生成渦流區(qū)。當(dāng)通風(fēng) 2 0 m i n 時(shí)，隧道風(fēng)流流場(chǎng)變化較小，整個(gè)流場(chǎng)趨于穩(wěn)定，因此，選取隧道通風(fēng) 2 0 m i n 作為隧道穩(wěn)定時(shí)刻進(jìn)行分析。

選取斷面典型位置構(gòu)建7條測(cè)線對(duì)通風(fēng)風(fēng)速規(guī)律進(jìn)行研究。各測(cè)線 坐標(biāo)分別為（6.5，10，n ）（2.5，5.5，n）（6.5，5.5，n）（11，5.5，n）（2，2，n）（6.5，2 ， n ） （ 1 1 . 5 ， 2 ， n ） ， n 取 0 ～ 2 0 0 。通風(fēng)穩(wěn)定狀態(tài)下的各測(cè)線風(fēng)速分布規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，遠(yuǎn)離掌子面的風(fēng)速整體呈現(xiàn)先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。 峰值出現(xiàn)在 3 0 m 處，為 峰值出現(xiàn)在 5 m 處，峰值分別為 $5 . 4 ＼ 、 4 . 7 、 4 . 1 m / s，峰值出現(xiàn)在 1 0 m 處，為 2 . 9 m / s 。表明越靠近掌子面，風(fēng)速越大，波動(dòng)幅度越大，這是渦流導(dǎo)致流場(chǎng)不穩(wěn)定。通過各測(cè)線對(duì)比分析，越靠近射流中心，波動(dòng)幅度越大。當(dāng)距掌子面距離 1 2 0 m 處隧道各平面風(fēng)速基本穩(wěn)定，風(fēng)速基本為 0 . 3 m / s 。

圖3通風(fēng)穩(wěn)定狀態(tài)下各測(cè)線風(fēng)速

3.2 瓦斯運(yùn)移分布規(guī)律

瓦斯分布云圖如圖4所示。在通風(fēng)過程中，由于射流的貼壁效應(yīng)及隧道空間的限制，掌子面處的瓦斯分布出現(xiàn)明顯的分區(qū)現(xiàn)象。靠近風(fēng)筒一側(cè)的瓦斯?jié)舛茸钚。⒁燥L(fēng)筒出口為中心點(diǎn)，瓦斯?jié)舛瘸拾l(fā)射狀向外分布并逐漸增大，遠(yuǎn)離風(fēng)筒一側(cè)的掌子面近壁處的濃度最大。向外排出的瓦斯在通過流場(chǎng)中的渦流區(qū)時(shí)，部分瓦斯由于渦流的卷吸作用重新流回掌子面，使墻頂、拱腳、墻角處的瓦斯難以排出形成瓦斯積聚。因此，在回風(fēng)側(cè)中下方容易發(fā)生瓦斯災(zāi)害，對(duì)此區(qū)域應(yīng)該做好瓦斯檢測(cè)和局部通風(fēng)。

在通風(fēng)穩(wěn)定的狀態(tài)下，根據(jù)典型位置的7條測(cè)線對(duì)瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行研究，通風(fēng)穩(wěn)定狀態(tài)下各測(cè)線瓦斯?jié)舛热鐖D5所示。由圖5可知，瓦斯?jié)舛仍诹鲌?chǎng)穩(wěn)定的情況下， 測(cè)線經(jīng)歷了先下降后上升，最后趨于穩(wěn)定的過程， 測(cè)線處的瓦斯?jié)舛葎t先下降，然后上升，隨后又下降，最后趨于穩(wěn)定， 測(cè)線相較于其他測(cè)線變化幅度較大。掌子面至后方 處的區(qū)域內(nèi)，越靠近掌子面的位置瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)幅度越大，距掌子面 2 0 m 處后方區(qū)域，各平面瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定且濃度基本保持一致，為 。掌子面處各測(cè)線的濃度分別為0 . 0 0 1 7 % 0 . 0 0 2 3 % 0 . 0 0 1 5 % 0 . 0 0 0 9 % 0 . 0 0 3 2 % 00 . 0 0 1 7 % . 0 . 0 0 1 3 % 測(cè)線在掌子面至后方 2 0 m 處的區(qū)域內(nèi)濃度高于其他測(cè)線濃度，由此可知拱腰及拱腳處容易發(fā)生瓦斯積聚。在隧道施工過程中應(yīng)該對(duì)此區(qū)域做好通風(fēng)工作。

4結(jié)論

本研究運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)復(fù)合型瓦斯鐵路隧道通風(fēng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以風(fēng)速與瓦斯?jié)舛葹樵u(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了隧道通風(fēng)流場(chǎng)及瓦斯分布規(guī)律，得出以下結(jié)論。

① 隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛戎饾u降低，通風(fēng)時(shí)間為 2 0 m i n 時(shí)隧道內(nèi)流場(chǎng)基本穩(wěn)定。

② 通風(fēng)穩(wěn)定狀態(tài)下，靠近掌子面的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生渦流區(qū)，越靠近掌子面的區(qū)域風(fēng)速和瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)幅度越大。

③ 在通風(fēng)過程中，由于射流的貼壁效應(yīng)及渦流的卷吸作用，在掌子面墻頂、拱腳、墻角形成瓦斯積聚，瓦斯難以排出，對(duì)此區(qū)域應(yīng)該做好瓦斯檢測(cè)和局部通風(fēng)。

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