隧道通风管道布置参数对瓦斯运移特性的影响

周 洋， 赵 宇， 张志强， 蒲 实， 张 恒*

(1.中交第二航务工程局有限公司第五工程分公司， 武汉 430011； 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 成都 610031；3.四川公路桥梁建设集团有限公司勘察设计分公司， 成都 610000)

瓦斯灾害是隧道修建过程中严重的地质灾害，如果瓦斯隧道施工通风不足以稀释和排除通过岩石节理、裂隙或揭煤时溢出的大量瓦斯，一旦达到瓦斯爆炸的条件(瓦斯、氧气、火源)而发生瓦斯爆炸，将会造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失[1-2]。目前，针对瓦斯隧道施工通风问题，中外学者进行了一定的研究。何聪[3]针对特长高瓦斯隧道施工通风问题，提出了主副斜井射流巷道式通风方案，为特长高瓦斯隧道的通风问题提供了参考。刘春等[4]利用Fluent软件研究了风管位置对超大断面隧道瓦斯浓度的影响情况，并确定了风管在隧道最佳的安装位置。李枝文[5]采用数值模拟方法，研究了高瓦斯隧道内风流场分布规律及瓦斯浓度分布规律，为瓦斯隧道通风方式的选择提供了一定的指导。舒东利等[6]为解决特长高瓦斯隧道运营通风难题，发现斜井排出式运营通风方案能快速排出瓦斯气体。谢光明[7]通过瓦斯隧道数学模型研究高瓦斯隧道通风技术，结果表明瓦斯浓度最高点为隧道断面顶点。康小兵等[8]利用计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)数值计算软件对瓦斯隧道施工期间不同通风风速降低瓦斯体积分数效果进行了模拟计算。张云龙等[9]通过对瓦斯隧道内不同位置瓦斯体积分数检测，发现采用独头压入式通风时，工作面负压区的存在有利于瓦斯的稀释。刘钊春等[10]利用数值计算软件ADINA的计算流体力学模块，研究了瓦斯隧道施工通风采用压入式通风时工作面附近的瓦斯分布规律。袁帅[11]以营盘山隧道为研究背景，通过数值模拟研究了附壁射流、瓦斯运移等问题。张恒等[12]利用CFD数值模拟软件研究了高瓦斯隧道施工通风过程中风机布置方式对施工通风效果的影响。刘辉等[13]将危险与可操作性分析用于瓦斯隧道施工通风的研究中，提高了瓦斯隧道施工通风系统安全分析的科学完整性。罗燕平等[14]利用现场试验及数值模拟对通风效果的分析，表明风仓接力通风能较好地控制隧道工作面所需风量，保证工作面的排污效果。张磊等[15]应用CFD数值计算软件对风流场下瓦斯气体的迁移和分布规律进行数值模拟分析。吴谨[16]以鹧鸪山隧道为研究背景，探究了瓦斯排出效果最佳的风机布置位置。Li等[17]建立了隧道空气甲烷流动的多组分LBM-LES模型，发现LBM模型的计算效果与实验结果吻合较好。Yan等[18]研究了通风管道横向和纵向出口位置对隧道瓦斯运移的影响，结果表明，通风管道的最佳出口位置为距离上部台阶掘进面20 m，靠近隧道拱顶。Shinji[19]采用模型试验对隧道掘进工作面瓦斯溢出进行了研究，分析了不同风管悬挂位置对瓦斯浓度分布的影响。Hargreaves等[20]对隧道开挖过程中通风方案进行了研究，探讨了工作面粉尘及有害气体的分布规律。

图1 隧道通风示意图Fig.1 Tunnel ventilation diagram

合理的通风系统设置不但能够高效的排出洞内的污风，而且还能节约能源，降低工程成本。隧道内瓦斯的浓度是影响隧道内工作环境的重要因素之一，前人对于瓦斯隧道通风管道的研究大部分只考虑了单一因素，而瓦斯体积分数受瓦斯涌出量、通风量大小、风管直径、风管出口距工作面的距离、风管悬挂位置、风管贴壁间隙等因素的影响，在其他条件不变的情况下，瓦斯涌出量只会影响隧道相同位置瓦斯体积分数的大小，其规律不会发生变化。因此现以牛峒山隧道为依托，针对通风管道的多种参数，对隧道独头施工通风风管的布置进行优化，以得出风管的最佳组合方式。

1 依托工程概况

牛峒山隧道位于浦梅铁路杨源站至连城站区间，线路总体由南到北方向，为单线铁路隧道，采用矿山法施工。 隧道全长3 022 m，最大埋深约205 m，隧道断面高度7.41 m，断面宽度8.20 m，断面面积58.96 m2。隧道全线Ⅴ级围岩1 062 m，Ⅳ级围岩1 330 m，Ⅲ级围岩630 m。经前期地质勘测发现，隧道通过地层中含炭质页岩和煤层，会产生瓦斯等有害气体，有害气体会沿着岩石节理、裂隙溢出，监测发现隧道瓦斯涌出量为0.5 m3/min，根据《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2019)判定该隧道为低瓦斯隧道。全隧预测瓦斯发生的长度为2 070 m，占全隧的68.5%。隧道共分进口、出口2个工区，进口工区施工2 192 m，出口工区施工830 m，进出口两个低瓦斯工区均采用压入式通风，如图1所示。

2 数值模型

独头施工通风条件下，以进口工区为例，根据牛峒山隧道实际轮廓建立长200 m的隧道模型。利用前处理软件Gambit对三维模型进行网格划分，采用Fluent软件的三维非稳态组分输运模型进行求解，湍流模型采用标准κ-ε方程模型进行数值模拟。数值模拟的边界条件如下。

(1)进口边界。风管出口采用velocity-inlet速度入口边界，风流方向垂直风管口射向工作面，出口速度取20.59 m/s。

(2)出口边界。隧道出口采用outflow自由出流边界条件。

(3)壁面边界。隧道内所有壁面均定义为wall 壁面绝热无滑移边界条件。粗糙高度(roughness height)设置为0.08 m，粗糙常数(roughness constant)设置为0.5[21]。

(4)瓦斯源项。有毒气体瓦斯的涌出采用瓦斯源项进行处理，建模时在隧道工作面前方设置厚0.1 m的薄层体积空间作为瓦斯释放源。瓦斯隧道整体模型如图2所示。

图3 距工作面不同距离断面瓦斯分布Fig.3 Gas distribution in sections at different distances from working face

3 风管布置方式优化

3.1 风管直径对瓦斯分布的影响

对于隧道确定的瓦斯涌出量，供风量确定之后，具体选择多大直径的风管还没有相关规范标准。风管直径大，则初始射流断面大，射流初始断面及射流速度发生变化，必然影响风流场规律，从而使隧道内不同断面瓦斯的扩散规律发生变化。在风管距工作面5 m，悬挂在隧道拱肩位置的前提下，分别对风管直径为1.5、1.8、2.0 m的3个工况(分别记为工况一、工况二及工况三)进行三维数值计算。计算收敛后，对距离工作面不同距离断面上瓦斯体积分数进行分析。3种风管直径下不同距离断面瓦斯体积分数云图如图3所示，可以看出，断面距工作面的距离越近，瓦斯体积分数的梯度越大，距工作面距离越远，瓦斯体积分数的梯度越小。在靠近工作面10 m的范围内，瓦斯主要积聚在远离风管异侧的拱脚位置，随着距离的增加，瓦斯体积分数较大区域逐渐向风管位置移动。3种工况各断面上的瓦斯体积分数分布规律基本相同，随着风管直径的增加，断面上的瓦斯体积分数更低。

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

图4为3种风管直径下断面平均瓦斯体积分数沿隧道纵向的变化曲线，可知：在通风稳定状态之后，距离工作面约50 m范围内各断面上的平均瓦斯体积分数有较大波动，50 m之后瓦斯体积分数趋于稳定，并且不同风管直径，瓦斯在隧道内达到稳定所需要的距离基本相同，大约为50 m。随着风管直径的增大，不同工况下的相同断面上的瓦斯平均体积分数都有所减小。稳定状态时工况三工作面上的瓦斯平均体积分数为工况一的0.87倍，工况二为工况一的0.93倍，而工况一风管直径是工况三的0.75倍，工况一是工况二的0.83倍，因此可知风管直径减小倍数小于工作面上瓦斯平均体积分数减小的倍数，即风管直径的增加会导致稳定状态工作面上瓦斯体积分数的减小，且瓦斯体积分数减小的程度远小于风管直径增加的程度。稳定状态时，在工作面50 m范围内，基本呈现风管直径越大，瓦斯体积分数分布越不均匀。在50 m之后，隧道内部瓦斯体积分数的不均匀分布程度几乎不发生任何改变。

图4 断面平均瓦斯体积分数沿隧道纵向的变化曲线Fig.4 The curve of the average gas volume fraction in section along the longitudinal direction of tunnel

综上，风管直径对于工作面上瓦斯体积分数具有显著的影响。风管直径越大，隧道内瓦斯体积分数越小，因此在通风设计时应尽可能选择较大直径的风管。

3.2 风管悬挂位置对瓦斯分布的影响

研究风管悬挂位置对隧道内瓦斯扩散规律的影响时，除风管悬挂位置变化外，保持风管直径1.8 m，风管距工作面5 m。分别对风管悬挂于隧道拱肩、拱脚和拱顶三个位置对应的工况(分别记为工况四、工况五及工况六)进行三维数值计算。3种工况的不同断面瓦斯体积分数云图如图5所示，当风管位于拱肩时，瓦斯体积分数最高的位置处于风管异侧的拱脚处，而风管射流出口正对的工作面位置瓦斯体积分数最小，瓦斯体积分数分布呈现出从风管侧向风管异侧拱脚增大的规律，瓦斯容易在风管异侧的拱脚位置发生聚集。从隧道纵向上来看，隧道在距工作面10 m范围内，各断面上瓦斯的总体分布趋势与工作面上的分布规律相似，距工作面10 m之后，断面瓦斯体积分数梯度逐渐减小，瓦斯分布逐渐趋于均匀。当风管位于拱顶时，物理模型具有沿断面中心线的对称性，因此在断面上瓦斯分布也呈现沿着断面中心线的对称趋势。在10 m范围内，拱顶瓦斯的浓度小，远离拱顶且靠近隧道底板瓦斯体积分数大，10 m之后，瓦斯体积分数较大位置逐渐向拱顶移动，最大瓦斯体积分数位于拱顶处。随着距离的增加，高瓦斯区域瓦斯逐渐消散，其范围越来越小，断面瓦斯体积分数分布也逐渐趋近于均匀。当风管位于拱脚时，在工作面附近，断面上瓦斯体积分数基本呈现从风管位置到风管异侧拱肩位置逐渐增大的趋势，随着距离的增加，瓦斯体积分数呈现出风管位置到风管异侧拱肩位置这条直线上瓦斯体积分数较高，并基本逐渐向风管位置转移。随后，瓦斯体积分数较高区域又回归到拱顶位置。

图5 距工作面不同距离断面瓦斯分布Fig.5 Gas distribution in sections at different distances from working face

图6为3种工况下断面平均瓦斯体积分数沿隧道纵向的变化曲线，可知：在离工作面5 m范围内，风管位于拱脚时，工作面平均瓦斯体积分数为0.014 94%；风管位于拱顶时，平均瓦斯体积分数为0.011 47%；风管位于拱肩时，平均瓦斯体积分数为0.011 57%。随着距离的增加，风管位于拱脚时在5～30 m断面平均瓦斯体积分数逐渐减小，到30 m时断面平均瓦斯体积分数稳定在0.010%左右，风管位于拱顶和拱肩时在5～30 m断面平均瓦斯体积分数逐渐增大，到30 m时断面平均瓦斯体积分数分别稳定在0.013%和0.014%左右。因此在工作面5 m之内，风管位于拱脚的断面平均瓦斯体积分数比风管位于拱顶的平均瓦斯体积分数高30%，比风管位于拱肩高29%；在距工作面30 m之后，风管位于拱脚的断面瓦斯平均体积分数比风管位于拱顶的平均瓦斯体积分数低23%，比风管位于拱肩低26%。风管位于拱脚时，断面平均瓦斯体积分数呈现先增加再减小的变化规律，这与风管位于拱肩与拱顶的瓦斯在隧道纵向上的变化规律略有不同。这可能是风管位于拱脚时，射流风流不仅受到隧道拱墙的影响，还受隧道底板的影响较大。

图6 断面平均瓦斯体积分数沿隧道纵向的变化曲线Fig.6 The curve of the average gas volume fraction in section along the longitudinal direction of tunnel

通过对瓦斯体积分数的分析很难用断面瓦斯平均体积分数这一个指标判断风管布设在哪个位置更合适，还必须综合分析工作面处风流场特点，施工效率等因素才能得出较好的结果。虽然隧道后段风管布置在拱顶更有利排出瓦斯，但是在工作面附近瓦斯体积分数较高，并且考虑施工条件，风管通常都不布置在拱顶，因为布置在拱顶不利于运渣车及台车的移动，影响施工效率，而且工作面瓦斯体积分数应该尽可能低。

由于工作面附近射流风流与回流风流导致的风流场极其复杂，并且工作面附近范围内是隧道向前推进的主要作业区域，机械设备、人员较多，是瓦斯隧道内瓦斯体积分数重点管理的区域，因此该区域瓦斯体积分数应该尽可能低。

综合来看，风管布置在拱肩处在工作面附近有较好的瓦斯排出效果，施工风险低。

3.3 风管出口距工作面距离对瓦斯分布的影响

研究风管出口距工作面的距离对隧道内瓦斯分布规律的影响时，依然取风管直径1.8 m，悬挂在隧道拱肩位置，分别对风管出口距离工作面5、15、25 m共3个工况(分别记为工况七、工况八及工况九)进行三维数值计算。

图7 距工作面不同距离断面瓦斯分布Fig.7 Gas distribution in sections at different distances from working face

图7为3种工况下距离断面瓦斯体积分数云图，可以看出：当风管距离工作面为5 m时，由于射流距离短，射流没有得到充分发展，可以看到工作面处的瓦斯只是在射流风流周围瓦斯降低的比较明显，瓦斯主要积聚在远离风管异侧拱脚位置，其他位置的瓦斯分布相对均匀。在靠近工作面5～10 m范围内，呈现出风管到风管异侧拱脚处这一条线的瓦斯体积分数较大，到靠近工作面20 m处风管异侧拱脚瓦斯开始消散。当风管出口距工作面的距离为15～25 m时，各断面瓦斯分布规律相似，由于射流距离长，射流与周围空气不断发生质量、动量交换，将周围空气不断吸进来，使射流的断面不断增加，导致射流的吸卷作用得到充分发挥，因此可以看到工作面处射流周围很大一块区域的瓦斯体积分数都降的很低，瓦斯仅仅只是在风管异侧拱脚很小的区域内较大。随着断面距工作面距离的增加，瓦斯体积分数较大的区域逐渐向上转移，最终瓦斯体积分数最大值出现在拱顶处。因此对于指导瓦斯隧道安全施工方面，在离开工作面一定距离后，瓦斯监控的重点应该是拱顶位置。

图8为3种工况下断面平均瓦斯体积分数沿隧道纵向的变化曲线，可知：风管出口距离工作面的距离不同，瓦斯稳定所需要的距离也不同，工况七在距离工作面30 m处基本达到稳定，工况八与工况九在距离工作面100 m处基本达到稳定。工况七工作面平均瓦斯体积分数为0.011 47%，工况八为0.011 56%，工况九为0.011 73%，工况七比工况八低0.78%，比工况九低2.2%。稳定状态后，工况七断面平均瓦斯体积分数为0.012 8%左右，工况八为0.013 1%，工况九为0.013 2%，工况七比工况八低1.1%，比工况九低3.0%。综上可看出，随着风管出口距工作面的距离减小，各断面平均瓦斯体积分数都有所降低。

随着风管出口距工作面距离的减小，隧道内瓦斯体积分数随之减小，并且瓦斯在断面上的分布也越均匀，越不易发生瓦斯的局部积聚现象。因此隧道施工通风中应尽可能地使风管口靠近工作面。

图8 断面平均瓦斯体积分数沿隧道纵向的变化曲线Fig.8 The curve of the average gas volume fraction in section along the longitudinal direction of tunnel

图9 距工作面不同距离断面瓦斯分布Fig.9 Gas distribution in sections at different distances from working face

3.4 风管贴壁程度对瓦斯分布的影响

研究风管贴壁间隙对隧道内瓦斯分布规律的影响时，取风管直径1.8 m，风管距工作面5 m，风管悬挂在拱顶位置，分别对风管贴壁间隙为0.2、0.5和0.8 m共3个工况(分别记为工况十、工况十一及工况十二)进行三维数值计算。

图9为不同断面瓦斯体积分数云图，可以看出：此时风管位于拱顶，由于模型的对称性，在隧道断面上的瓦斯分布关于断面中心线对称。在工作面，瓦斯体积分数最小的地方处于风管风流射出的位置，最大的地方处于风管正对的底板的位置，呈现出从隧道拱顶到底板逐渐增大的分布规律，瓦斯在底板中间位置产生聚集。随着距工作面距离的增大，瓦斯体积分数较大的地方逐渐向上转移，瓦斯体积分数较小的地方基本处于隧道底板位置，瓦斯体积分数较大的地方基本处于风管周围，瓦斯容易在风管附件位置产生聚集。在风管出口到工作面范围内，贴壁程度为0.2 m时，风管顶端到拱顶壁面近，射流风流从风管出口射出后几乎紧贴隧道壁面射向工作面，风管顶端与拱顶之间的空间瓦斯体积分数很低，贴壁程度由0.2 m增加到0.5 m和0.8 m时，风管顶端与拱顶之间的空间瓦斯体积分数增加。

图10为断面平均瓦斯体积分数沿隧道纵向的变化曲线，可知：当贴壁程度为0.5 m时，断面平均瓦斯体积分数明显低于其他贴壁程度，风管顶端离隧道拱顶的距离太近或太远，隧道内瓦斯体积分数越高，断面瓦斯分布均匀性也越差。由此可以得出，风管贴隧道壁面距离不宜过近或过远，中等距离更有利于瓦斯的排出。

图10 断面平均瓦斯体积分数沿隧道纵向的变化曲线Fig.10 The curve of the average gas volume fraction in section along the longitudinal direction of tunnel

4 结论

(1)风管直径对于工作面上瓦斯体积分数场具有显著的影响。风管直径减小会导致隧道空间瓦斯体积分数增加，且瓦斯体积分数增加的程度远大于风管直径减小的程度，因此在实际工程应尽可能选择较大直径的风管。

(2)由于工作面附近射流风流与回流风流导致的风流场极其复杂，并且工作面附近范围内是隧道向前推进的主要作业区域，机械设备、人员较多是瓦斯隧道内瓦斯体积分数重点管理的区域，因此该区域瓦斯体积分数应该尽可能低。综合来看，风管布置在拱肩处更有利于瓦斯的排出和保障隧道安全施工。

(3)随着风管出风口距离工作面距离的不断减小，隧道内瓦斯体积分数越低，并且隧道内部空间瓦斯分布越均匀，越不易发生瓦斯的局部积聚现象。因此实际施工通风中应使风管出风口尽可能靠近工作面。

(4)风管顶端离隧道拱顶的距离越远，隧道内瓦斯体积分数越高，断面瓦斯分布均匀性也越差。由此可以看出，风管贴近隧道壁面有利于瓦斯的排出。通过对风管直径、风管悬挂位置、风管出口距工作面的距离、风管贴壁间隙对瓦斯分布规律的影响，在单因素试验情况下，可以看出风管的最佳组合方式为风管直径为1.8 m，风管位置为拱肩，风管出口距工作面的距离为5 m，贴壁程度为0.5 m。