高瓦斯隧道施工通风处理数值模拟分析

康小兵 丁 睿，2 许 模 赵帅军

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.中铁二局股份有限公司，成都610032；3.湖南省地质环境监测总站，长沙410007）

西南交通大学用空气动力学模型、交通模型、污染模型、控制模型对竖井排出式纵向通风系统进行了动态数值模拟。兰州铁路学院许云峰、高孟理等利用有限差分法对射流通风流场进行了分析。近几年，西南交通大学在公路隧道通风防灾方面也做过大量研究工作，关宝树、杨其新、王明年、曾艳华等人分别开发编制过隧道通风网络计算程序，对二郎山隧道通风、秦岭终南山隧道通风等工程进行过研究［1］。

然而，从国内外的隧道通风数值模拟研究状况可以发现，运营通风成为各国学者的主要研究对象，而施工通风很少有人涉及。隧道施工通风与运营通风有很大的区别，如果完全照搬运营通风的经验和理论，显然不合理。因此应用已有的流体计算软件对瓦斯隧道施工期间通风降低瓦斯浓度效果进行模拟计算，为隧道的施工通风提供理论指导很有必要。

1 隧道施工中瓦斯的危害

1.1 瓦斯窒息

瓦斯是多种气体的混合物，组成多达数十种，主要成分为CH4。CH4扩散性比空气高1.6倍，且不利于呼吸。因每立方米CH4质量仅为0.716kg，比空气轻，常积聚在隧洞顶部，造成局部瓦斯浓度增高，含氧量减少。由于瓦斯无色无味，很难防范，当工作人员吸入一定量的瓦斯、空气混合气体（CH4体积分数＞16%，O2体积分数＜10%～12%）时，就会造成瓦斯窒息事故，严重的会导致死亡［2］。

1.2 瓦斯燃烧与爆炸

瓦斯和空气混合后，在一定的条件下，遇高温热源发生热－链式氧化反应，并产生高温及高压。瓦斯爆炸时会出现高温高压现象，瓦斯爆炸时温度高达2 150～2 650℃，压力达2～10MPa，冲击波速度达340m／s以上，并产生大量剧毒的CO等有害气体，会造成人员伤亡和摧毁隧洞设施和设备。有时还会引起煤尘爆炸和火灾，使生产难以短期内恢复。瓦斯爆炸是煤矿和隧道中特有的一种后果极严重的灾害。

在瓦斯与氧气浓度满足一定条件时就有可能发生爆炸。瓦斯的体积分数过低（＜5%时），氧化生成的热量与分解的活化中心都不足以发展成连锁反应（爆炸），只能燃烧；而瓦斯体积分数过高（＞16%时），相对来说氧的体积分数就不够，只能有一部分的瓦斯与氧气发生反应，不但不能生成足够的活化中心，而且氧化反应所产生的热量也易被多余的瓦斯和周围介质吸收而降温，也不能形成爆炸。在新鲜空气中，瓦斯的体积分数达9.5%时，混合气体中的瓦斯和氧气全部参加反应，化学反应最完全，产生的温度和压力也最大。另外，氧气的体积分数在12%～20%时，爆炸才能发生。必须指出，瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，当受到一定因素影响时（如混有其他可燃气体），爆炸界限会相应缩小或扩大［3－5］。

1.3 瓦斯突出

隧道瓦斯突出是指在掘进过程中瓦斯的突然喷出。这种喷出是在短时间内（数分钟甚至数秒钟）从煤层深处向开挖空间喷出大量瓦斯，产生很大的冲击力量，会摧毁隧道支护、推翻隧道中存放的车辆和其他设备、破坏通风设施、使风流反向等。

2 隧道通风模拟计算的理论基础

2.1 隧道通风模拟计算假定

隧道通风计算以空气动力学基本理论为基础，为了便于研究，需对通风流体做如下假定：

a.流体为连续介质

将流体视为连续介质，质点间无空隙。按照物质不灭定律，在单位时间内流管各断面上通过的流体质量应不变。对于密度为常量的稳定流，即各断面上的流量不变，此原理即称为连续性定律。

b.流体是不可压缩的

自然界普遍存在的是真实流体。通常流体都具有黏性、压缩性和膨胀性。在隧道通风计算中，通风压力一般都在常压范围内，隧道内温度变化不大，风速也远小于音速，因此空气的体积和密度变化不足以影响计算结果的精度，故通常将隧道内的气体假定为不可压缩体。

c.流体为稳定流

当流体在流动过程中，流场空间点上任何流动要素（如压力和流速）都不随时间变化，即称这种流动为稳定流。因为隧道通风中空气的流动在微观上是复杂的，但在宏观上可视为稳定流，因此隧道通风计算中所遇到的各种风流类型，一般可认为是稳定流或可简化成稳定流而不会影响到实际应用［6，7］。

2.2 流体能量守恒定律

不可压缩的稳定流体在管道内作非均匀流动时，其压力与速度沿流程各断面的变化（包括摩阻损失）服从于能量守恒定律，称之为伯努利定理，以方程式表示即为伯努利方程［8］。由以上几个假定，可得到隧道通风一维常规计算所遵循的2个基本方程。

式中：A为隧道过流截面的面积；v为隧道中空气平均流速；Q为隧道过流截面流量。

稳定流的伯努利方程：

式中：p为相对静压；a为断面上的动能校正系数，即用断面流速计算的实际动能与按平均流速计算的动能的比值；Ek为流体的动能；Ep为流体的位能；Hw为压力损失。

3 计算模型的建立

CFD软件 （computational fluid dynamics，即计算流体动力学，简称CFD）以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。在建模过程中所需要的输入值，包括定义求解的几何区域、选择物理模型、给出流体参数、给出边界条件和初始条件以及产生体网格5个方面［9－11］。

以紫坪铺隧道瓦斯涌出为研究对象，瓦斯涌出模拟计算考虑施工时瓦斯从掌子面均匀涌出，并向隧道进口方向扩散发展，所取隧道计算域长度为l，横断面高7.25m，宽10.98m。将隧道进口所在断面取为直角坐标系中的X＝0平面。瓦斯涌出发生在该计算域内，取隧道进口处作为计算通风口，掌子面设为瓦斯进口边界条件，风机口设为进风口边界，隧道壁设为固体壁面边界，详见图1所示。为了提高与现实的贴近性，并降低模拟的复杂性，本次模拟的2个风筒换算成1个风筒，计算模型断面网格划分见图2。轴流风机型号：SDF（C）－No12.5型，最大电机功率：2×110 kW，2组风机并联，d＝1.5m。

图1 隧道横断面以及瓦斯涌出面纵向分布图Fig.1 Tunnel cross－section and longitudinal distribution of gas gushing out

图2 计算模型断面网格划分图Fig.2 Graph of calculation sectional model mesh

初始条件，在t＝0s时：隧道内空气密度（ρa）为1.225kg／m3；隧道内平均温度为20℃；壁面粗糙度为0.36；瓦斯涌出初始体积分数为10%；瓦斯密度（ρg）为 0.716kg／m3；黏度为 1.6468×10－5。

边界条件：隧道出入口相对压力为0Pa；隧道内平均风速为0m／s。

计算参数：隧道断面积为60m2；最小洞内风速为0.5m／s；风管最大直径（d）为1.5m；隧道开挖长度（l）为1 700m；风筒出口距掌子面距离（l－l1）为20m。

4 隧道通风流场的数值模拟分析

在风机开启工况下，入口风速对隧道内瓦斯浓度值影响较风机影响小很多，稀释瓦斯浓度主要靠风机来调整，所以不考虑入口风速。

《铁路瓦斯隧道技术规范》中提到《煤矿安全规程》第107条规定在架线电机车巷道容许最低风速为1m／s，采煤工作面、掘进中的煤巷和煤岩巷为0.25m／s。国外有资料说风速在0.3m／s时，甲烷会从发生点反流形成甲烷带；当风速为0.5m／s时，甲烷几乎不会发生反流，但也会形成甲烷带；当风速＞1m／s时，甲烷散乱，则不会形成甲烷带，不会在上部聚积［12］。中国南昆线家竹箐隧道实测资料，洞内防瓦斯聚积风速＜1m／s时，拱顶瓦斯的体积分数大多为＞2%。因此本次计算工况考虑以下情况：掌子面风速为1m／s、0.5m／s和0.2m／s这3种情况。

4.1 掌子面风速为1m／s时

当掌子面风速为1m／s时，隧道内瓦斯浓度、风速模拟结果见图3～图7。

从图3中可以明显看出掌子面处瓦斯体积浓度在时间1 526s内的变化，随着时间的延长，瓦斯的体积浓度总体趋势是逐渐降低的。在前50s内出现一次波谷和一次波峰，主要是新鲜风先经过风筒口运移至掌子面，立刻将掌子面处的瓦斯稀释，造成浓度急剧下降；因运移受阻而在此处形成涡流区，导致瓦斯浓度在此短暂聚集，形成前期的峰值。随着新鲜风的不断输入，涡流区的气体不断被置换稀释，故浓度也随之被降低。大约在1 450s时，掌子面瓦斯的体积分数降低到0.5%；随着时间的不断延长，新鲜风不断地补充，瓦斯浓度将继续降低。图4为模型中1 526s时风筒出口至掌子面瓦斯浓度云图，可见除掌子面瓦斯涌出面浓度较高外，隧道洞身内瓦斯的体积分数都在0.5%以下。

图4 风筒出口至掌子面瓦斯浓度云图（1 526s）Fig.4 The gas concentration cloud from duct outlet to tunnel face

图5 掌子面回风速度随时间变化曲线图Fig.5 Curve of the tunnel face air velocity versus time

图6 风筒出口至掌子面间速度云图（1 526s）Fig.6 The velocity cloud from duct outlet to tunnel face

图7 隧道入口处瓦斯速度随时间变化曲线图Fig.7 Curve of the gas velocity versus time at the inlet of the tunnel

从图5可以看出，速度也出现一个峰值，也是漩涡引起的；但随着时间的变化，逐渐地降低，最后出现稳定状态。结合图6我们可以很明确地看出，整个掌子面的风速不是一个等值，故掌子面速度持平出现在约1.3m／s；在距掌子面约10～15 m处，出现一个较周围颜色深的区域，是射流区域与回流区域交界的地方，两者风速方向相反，能量降低一部分导致风速较周围偏低。

从图7中可以看出，隧道出口风速大约在1.05m／s。在实际情况中，隧道内有衬砌车、杂物、来回运渣车等，回风阻力会变大，甚至大几倍，因此回风的速度将会减慢，需增加射流风机来增强回风速率，提高通风效率。

在该风速送风情形下，能满足使隧道内瓦斯的体积分数降为0.5%的安全值通风要求。

4.2 掌子面风速为0.5m／s时

当掌子面风速为0.5m／s时，隧道内瓦斯浓度、风速模拟结果见图8～图11。

图8 掌子面瓦斯的体积分数随时间变化曲线图Fig.8 Curve of the tunnel face gas concentration versus time

图9 风筒出口至掌子面间速度云图（4ks）Fig.9 The velocity cloud from duct outlet to tunnel face

图10 掌子面处回风速度矢量云图Fig.10 The air velocity vector cloud image at the tunnel face

从图8中可以明显看出掌子面处瓦斯体积浓度在时间4ks内的变化，随着时间的延长，瓦斯的体积浓度总体趋势是逐渐降低。在前50s内出现一次波谷和一次波峰，主要是新鲜风先经过风筒口运移至掌子面，立刻将掌子面处的瓦斯稀释，造成浓度急剧下降；因运移受阻而在此处形成涡流区，导致瓦斯浓度在此短暂聚集，形成前期的峰值。随着新鲜风的不断输入，涡流区的气体不断被置换稀释，故浓度也随之被降低。大约在2.7ks时，掌子面瓦斯的体积分数降低到0.5%；随着时间的不断延长，新鲜风不断地补充，瓦斯浓度将继续降低，到4ks时瓦斯的体积分数可降到0.1%。

图11 掌子面处回风速度随时间变化曲线图Fig.11 Curve of the tunnel face air velocity versus time

从图9和图10可以看出，风从风筒出来经掌子面反射后形成一涡旋，正是由于这个涡旋才引起了瓦斯浓度和风速会出现一个峰值。从矢量云图（图10）可以得知，随着时间的变化，瓦斯浓度和风速逐渐地降低，最后出现稳定状态。

从图11我们可以很明显地看出，整个掌子面的风速不是一个等值，掌子面速度持平出现在约0.62m／s；在图9中距掌子面约10～15m处，出现一个较周围颜色深的区域，是射流区域与回流区域交界的地方，两者风速方向相反，能量降低一部分导致风速较周围偏低。在实际情况中，隧道内有衬砌车、杂物、来回运渣车等，回风阻力会变大，甚至大几倍，因此回风的速度将会减慢，需增加射流风机来增强回风速率，提高通风效率。

在该风速送风情形下，能满足使隧道内瓦斯的体积分数降为0.5%的安全值通风要求。

4.3 掌子面风速为0.2m／s时

当掌子面风速为0.2m／s时，隧道内瓦斯浓度、风速模拟结果见图12～图14。

图12 掌子面处瓦斯的体积分数随时间变化曲线图Fig.12 Curve of the tunnel face gas concentration versus time

图13 掌子面处回风速度随时间变化曲线图Fig.13 Curve of the tunnel face air velocity versus time

图14 风筒出口至掌子面间速度云图（6ks）Fig.14 The velocity cloud from duct outlet to tunnel face

从图12中可以明显看出，掌子面处瓦斯的体积分数在时间6ks内的变化，随着时间的延长，瓦斯的体积分数总体趋势是逐渐降低。在前50s内出现一次波谷和一次波峰，主要是新鲜风先经过风筒口运移至掌子面，立刻将掌子面处的瓦斯稀释，造成浓度急剧下降，因运移受阻而在此处形成涡流区，导致瓦斯浓度在此短暂聚集，形成前期的峰值。随着新鲜风的不断输入，涡流区的气体不断被置换稀释，故浓度也随之被降低。在6ks时，掌子面瓦斯的体积分数仍未达到0.5%；随着时间的不断延长，新鲜风不断地补充，瓦斯浓度虽然还存在随时间的增加而下降的趋势，但因初始风速低、风量小，新鲜风流达不到稀释瓦斯的风量，瓦斯的体积分数始终在0.5%以上。

从图13、图14可以看出，当掌子面风速为0.2m／s时，隧道掌子面处仍会出现涡流。在涡旋的影响下，隧道内风速也会出现一个峰值，随着时间的变化，逐渐地降低，最后出现稳定状态。

按一般经验与要求，大断面隧道施工，洞内最小风速为0.15m／s。而瓦斯隧道防瓦斯很关键的一点就是要求尽快排出瓦斯，尽快降低浓度；洞内空气如果不流动，出现空气相对静止，必然产生瓦斯积聚，极易产生不安全事故。在该风速送风情形下，不能满足使隧道内瓦斯的体积分数降为0.5%的安全值通风要求。根据多座隧道的工程实践，瓦斯隧道内通风最小风速必须＞0.5m／s。

5 小结

高瓦斯隧道施工的污染源有很多，其中易燃易爆的瓦斯危害最为严重。瓦斯比空气轻，隧道中涌出的甲烷停滞在隧道拱顶的高处，气流小时，呈甲烷带的层状滞流，因此需通过有效的通风方式稀释和排出瓦斯气体。通过对紫坪铺高瓦斯隧道以上各工况的通风模拟情况分析可知，在瓦斯涌出发生后，隧道内射流风机不同风速会产生不同的通风效果，从瓦斯浓度降低方面来看，1m／s风速能满足通风要求，0.5m／s风速基本能满足通风要求，0.2m／s风速不能满足通风要求。因此，在瓦斯隧道通风设计时，需综合考虑瓦斯浓度与风速风量来选择风机型号，并结合多种通风方式以达到安全经济的隧道通风要求。

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