瓦斯隧道通风研究综述

王阅章 李鸣 宿成智 张立爽 闫少泽

摘  要：瓦斯隧道是众多工程问题中的一项重要研究内容，瓦斯隧道的通风问题是隧道施工中极其重要的部分，良好的隧道通风能有效提高劳动生产效率以及减少瓦斯气体的聚集。结合截至目前的一些工程案例，分析不同通风方式的优缺点、风筒布设方式对隧道内流场、瓦斯浓度分布规律以及瓦斯气体运动规律的影响，总结出不同工况下更有利于瓦斯气体分散、有效提高通风效率的通风方式及风筒布设位置。

关键词：瓦斯浓度分布  瓦斯运动规律  通风方式  风筒布设位置

Abstract： Gas tunnel is one of the important contents in the related research of many engineering problems. The ventilation problem of gas tunnel is an extremely important part in tunnel construction. Good tunnel ventilation can effectively improve labor production efficiency and reduce gas accumulation. Combined with some engineering cases up to now， this paper analyzes the advantages and disadvantages of different ventilation modes， the influence of air duct layout mode on the flow field， gas concentration distribution law and gas movement law in the tunnel， and summarizes the ventilation modes and air duct layout positions which are beneficial to gas dispersion and effectively improve ventilation efficiency.

Key Words： Gas concentration distribution; Gas movement law; Ventilation mode; Location of air duct layout

若隧道施工过程中的瓦斯气体漫溢问题不能得到妥善解决，则其会严重威胁到施工人员的生命安全，会使施工进度不同程度地滞后，存在重大隐患、极可能招致严重后果。施工过程中瓦斯气体问题若无法有效解决则容易导致窒息、爆炸、瓦斯突出等一系列问题出现。若发生瓦斯爆炸所要付出的代价必将是惨重的[1-2]。因此做好隧道的通风工作、改善工作环境、降低工作风险是十分必要的。良好的隧道通风是有效防止掘进面溢出的瓦斯气体聚集、有效提高劳动生产效率、有效并及时将有害气体和粉尘等排出到工作区间以外、排除对工作人员生命安全有威胁的安全隐患的重要前提[3-4]。

截至目前，相关科研工作者针对瓦斯隧道通风问题进行了大量探究。现在主要是通过CFD、Fluent等计算流体动力学软件进行模拟仿真试验并结合现场相关实验进行;根据模拟结果、结合现场实验所得的相关数据分析气体流场运动的大致趋势及规律、瓦斯浓度分布及运动规律、风机选型及通风方式的选择、风机布置对瓦斯分布规律的影响等，得出并优化包括通风方式、风筒位置的布置在内的隧道通风方式[5-6]。

本文在结合隧道施工通风研究领域已有成果的基础上，主要从机械通风方式、风筒布设位置选择两个方面分析其各自对瓦斯气体分布、瓦斯运动趋势的影响，对公路瓦斯隧道通风进行探究。

1  瓦斯隧道机械通风方式

根据不同的工况选用更为经济合理的通风机机型及通风方式的是隧道建设中的一个重要课题。管道式机械通风系统在目前隧道施工通风中得到了广泛的应用，管道式机械通风系统根据其工作原理又可分为压入式、抽出式（分为正压压出式和负压压出式）、混合式三种[7]。

1.1 压入式通风

压入式通风是在隧道施工过程中应用较多的通风方式。其利用通风机沿风筒向隧道开挖工作面引入源自隧道外的有害物质含量远低于洞内的空气，稀释工作区间工作生产过程中产生的有害气体，再携带被稀释的有害气体沿隧道洞身排出工作区间[5]，确保隧道中有害气体浓度保持在安全范围之内，不会对工作人员的生命安全形成威胁。其优点是：轴流风机位置固定;随着开挖工作面的深入，通风管长度的延伸也是必要的，而该方法则较好的满足了这一条件，以将隧道外的新鲜空气更为迅速、有效率地送到工作区间;送风有效射程长，气体到达掌子面处风速大，新鲜空气与有害气体能较充分地混合，故能有效降低有害气体在施工环境中空气里的体积分数并及时将有害气体随隧道沿程排出到工作区以外;回旋涡流区受引入气流的冲击故不再经过通风机和通风管，效果较理想。缺点在于：送风过程中存在风量损失，根据风管漏风量及流量守恒原理，存在极限通风长度[8]（目前国内压入式极限通风长度已超过3km，但大量实践数据证明低海拔地区压入式通风经济高效的通风长度约为3km[9-11]）且需风量较大;若是长隧道则可能存在风流不能快速到达工作面、送风过程中风量损失过大且易形成回流甚至是倒灌等问题，有害气体排出时需沿整个洞身进行故对洞内污染较大，隧道断面较通风管断面而言要大很多从而导致排出速度慢且通风过程中需消耗大量能量。

1.2 抽出式通风

抽出式通风根据其工作原理又分成正压压出和负压抽出两种方式。负压抽出式通风是在风机的作用下使工作面附近的气体沿通风管被吸出，形成洞内相对于隧道外气压为负值的环境，因而新鲜空气从洞外沿洞身向隧道内流动，然而其有效吸程较短，并且只能用刚性管，成本较高，隧道内易形成有害气体停滞区，管道进风口位于掌子面附近，出风口则设立在隧道端面处，有害气体在风机耗能做工的作用下沿通风管排出到隧道以外，新鲜空气则在气压差作用下由外到内经隧道沿程流动至掌子面。其优点是：所需风量少且效果好、有害气体通过通风管直接被抽出、不再流进隧道，不用设置特有的风门，有效减小了工作管理压力并一定程度上节约了成本。缺点在于：有效吸程短且一般为3～4m，风筒若要保证工作效率则风筒末端与开挖面距离需保持在有效吸程以内（若风筒末端与工作面距离超出有效吸程，则该范围以外的气流将形成停滞区进而导致通风效果不佳）但布置距掌子面过近又容易被损坏，携带有瓦斯的气体抽出过程中流经风机时会成为重大安全隱患，其会增大瓦斯爆炸的概率，通风管因必须选用刚性风管而经济性较差[5]。

1.3 混合式通风

混合式通风是上述两种通风系统的集合体。其优点包含了所有压入式通风和抽出式通风所具有的优点，能高效处理隧道内的有害气体并引入新鲜空气，通风效果良好;适用于施工环境要求质量较高的情况。其不足之处在于：相对单一的通风系统而言，设备数量多、能耗大、施工管理更加复杂，还有引起瓦斯爆炸的危险，要求隧道净空足够大，在一定程度上会影响到洞内交通及施工作业;设备较多，成本能耗较大[5]，不适用于小断面隧道。

2  隧道风筒布设对瓦斯气体的影响

在隧道瓦斯通风方面的研究认为：在瓦斯隧道通风中起着关键作用的几个因素有风速、风筒规格以及风筒所处位置。目前相关研究主要是通过数字模拟结合现场实验进行，研究者们针对二者所得结论相互对比、探讨进而较为系统、全面地分析瓦斯浓度分布规律等，从而根据不同工况确定该工况下风筒出风口到掌子面的最佳距离、风筒在隧道断面的最佳布设位置，进而提高通风效率、改善通风效果，减少隧道内瓦斯汇集、尽可能多地将其排出，更好地保障工作人员在隧道施工过程中的安全与工程整体的进度[12]，尽可能在保证安全性的前提下增强其经济性。

（1）刘春等在《大断面瓦斯隧道风筒布置对瓦斯浓度的影响研究》一文中以渝黔高速铁路新凉风垭隧道为依托，就相关问题进行了探讨、研究。最终研究结果表明：针对将风筒布设在靠近隧道断面顶部的压入式的通风方式，隧道通风管所在侧和断面中间部位瓦斯浓度大多情况下都小于回风侧;回风侧下部瓦斯聚集较明显、浓度较高，是整个隧道断面中易超限的部位。因此瓦斯气体监测要重点关注上隅角和整个断面的回风侧，特别是回风侧下部;对应工况为大断面瓦斯隧道时，模拟结果显示瓦斯气体浓度最小值出现在距离掌子面约2m处;回流气体在隧道沿程中会出现瓦斯浓度稳定在一定范围内波动的现象，其趋于稳定波动的位置大致与风筒出口到施工开挖面的距离呈正相关;隧道沿程中瓦斯浓度自开挖工作面到隧道口整体呈下降-上升-稳定趋势[12]。

（2）张恒等在《风机布置方式对高瓦斯隧道施工效果的影响》一文中以鹧鸪山隧道为依托进行了相关研究。结果表明：在射流巷道式通风中，横通道是左右两边隧道进行气体交换的场所，该处气流运动形势杂乱无章，横通道附近射流风机的布置是影响有害气体能否顺利排出的关键因素;风管距离隧道开挖工作面过近时，会造成掌子面布设风管侧（即进风侧）与回风侧风速相差过大;若风管与掌子面距离增加，则高风速区域有逐渐由风管侧向掌子面中心偏移的趋势，从而使掌子面风速分布较为均匀，掌子面两侧瓦斯气体体积分数差值也随之逐渐减小，同时风速随距离的增加逐渐降低;通风管末端与开挖面距离过大时，射流尚未到达工作面即在靠近开挖断面附近形成涡流区，使掌子面溢出的瓦斯无法与新鲜空气较充分地混合，因而掌子面附近瓦斯体积分数依旧较大;中心线轴向风速因受到掌子面的阻挡无法向前进而在掌子面均产生波动较大，掌子面的阻碍使射流方向改变进而产生反向回流，在掌子面附近一定区域内中心线轴向风速发生较大波动，并在不同位置出现不同大小、不同数目的涡流区;由于瓦斯密度相比空气小，故易聚集在隧道上部，若将风管布置在高处则将有利于隧道顶部聚集的瓦斯气体排出，减小洞内瓦斯气体体积分数;为使风机尽可能发挥其作用、尽可能地提高通风效率，故射流风机距离连通左右两洞的横通道不宜太远，且宜将风机布置在气流上风向处;尽管气体到达工作面的速度及掌子面附近的流场会因风管与掌子面距离不同而受到影响，但是隧道内最后稳定在一定范围内波动时的轴向风速几乎是相同的[13]。

（3）张云龙等在《隧道掌子面施工风管布设方式对稀释瓦斯效果影响研究》中，对成贵铁路中的隧道之一——白杨林隧道进行了相关研究。研究结果显示：若抽出式通风管布设在隧道单侧时，其通风效果较差大多是受到了气体回流的影响;风管端口与开挖工作面距离越小，则风管所在一侧因瓦斯气体需经由通风管排出而瓦斯气体体积分数占比越大;若通风方式为仅为压入式，风管设立于隧道横断面单侧时，则瓦斯气体在开挖工作面附近将会呈现出分布错杂的现象，具体表征现象为风管侧引入的新鲜空气冲击洞内气体而使该侧新引入的空气体积所占比例较大，原工作面处气体因受到冲击而向异侧与隧道外流动，故而进风侧瓦斯气体所占气体整体体积分数相较异侧而言要低;就隧道横断面而言，其上部瓦斯气体浓度一般情况下是大于下部的，同时受回风侧气体携带有较多瓦斯气体的影响，因而瓦斯体积占比大的气体较为集中地出现在风管异侧的上半部;若风管末端与开挖工作面相距较远超出一定范围时，因涡流区的存在，瓦斯浓度在隧道沿程的变化呈现先增加然后较为平稳波动的趋势;同一横断面范围内瓦斯浓度与风管口到掌子面的距离呈正相关，即二者相距越远则瓦斯体积分数越大;新鲜空气流经风筒抵达隧道开挖面的速度随着风管端口到工作面距离的增加而减小，二者呈负相关，同时隧道开挖工作面附近一定范围内的涡流强度亦会伴随着减弱，致使瓦斯与新引入的气体未能充分混合，不能有效地携带工作区域内的瓦斯气体排出到隧道外，其通风效果并不理想;由于瓦斯气体密度略小于空气密度，瓦斯存在上浮现象，因而隧道断面上部分瓦斯气体浓度大于下部;风管口与掌子面距离的增大，使通风管两侧风速差减小故而有较高浓度瓦斯气体向风管侧移动的现象[14]。

3  结语

（1）隧道通风形式的选取需根据实际情况进行。若为长乃至特长隧道，瓦斯浓度较低时，以压入式通风为宜，但通风长度以不超过3km为佳;隧道里程短且瓦斯浓度低时，以抽出式通风为宜;瓦斯体积所占比例较大、工况复杂时以混合式通风为宜。

（2）因瓦斯气体密度小于空气密度，更易聚集于隧道顶部，故通风管布置于隧道上部更有利于瓦斯气体排出。

（3）风管与掌子面距离宜根据实际工况确定，距离太近会造成掌子面两侧风速差异过大;风管与掌子面距离在一定范围内增加会使掌子面风速分布更为均匀，隧道开挖面两侧瓦斯气体体积分数占比会随风管与开挖工作面距离的适当增加而更为均匀;若二者距离超过一定范围则到达掌子面处的风速会随着距离的增加而进一步减小，风速减小随之出现的现象便是开挖面附近涡流强度也会减弱，致使瓦斯气体不能与新鲜空气充分地混合且瓦斯上浮會导致高浓度瓦斯区域向布置风管侧移动的趋势出现在横断面顶部。

（4）因涡流区的存在，瓦斯体积分数会在工作面附近急剧减小然后增加直至稳定在一定范围内波动;因而瓦斯浓度在隧道沿程的变化大致表现为下降-上升-稳定的趋势。

（5）由于瓦斯气体的上浮，且在压入式通风下回风侧浓度高于进风侧和中部位置，故监测时应着重关注隧道拱顶和回风侧。

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