大断面隧道穿越小夹角煤层施工中的瓦斯运移规律研究

李 丹，黄 飞，3，李树清，曹 安，朱云涛，刘 勇，王荣荣

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201； 2.河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点 实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454003； 3.湖南科技大学 南方煤矿顶板及煤与瓦斯突出 灾害预防控制应急管理部重点实验室，湖南 湘潭 411201； 4.中交路桥南方工程有限公司，北京 101149)

随着我国交通事业的不断发展，王海洋等[1]对各个地区瓦斯隧道的总量进行了统计，分析得到瓦斯隧道数量大量分布在我国的西部和南部，瓦斯隧道总量占约为我国隧道总量的81%;四川、贵州、重庆、云南省的瓦斯隧道数量分别排名前4位。据资料统计，从建国以后我国完成了近百条瓦斯隧道的修建。有75.8%为高速铁路隧道，22.6%为高速公路隧道，而其他的瓦斯隧道只占了1.6%。其中，43.5%为低瓦斯隧道，43.5%为超高瓦斯隧道，其中有突出隐患的隧道比例是13.0%。瓦斯事故只要发生就是大伤亡事故，数量少至十人，多可达上百人，还会造成非常大的经济损失。另一方面，我国西部地区所建隧道普遍埋深较大，地质构造非常复杂，在小夹角煤层隧道施工通风过程中，隧道过煤段远远超过大夹角煤层，为施工通风和瓦斯抽放增加了难度。只有了解清楚隧道开挖过程中瓦斯浓度和风速分布情况，才能有针对性地对隧道进行通风排瓦斯处理。因此，很有必要对大断面隧道过急倾斜煤层群瓦斯排放规律进行研究。

不少国内外专家和学者在隧洞通风排除瓦斯方面展开了大量研究。康小兵等[2-3]进行了高瓦斯隧洞的通风处理效果模拟，由瓦斯浓度降低程度确定合适的风机射流速度。王海桥[4]利用计算流体力学软件对独头巷道射流通风的三维流场进行了模拟，研究结果可为独头巷道传质过程和通风与排水效果等多方面研究提供理论基础。刘钊春等[5]利用大型有限元软件ADINA的CFD模块，对在压入式通风下掘进隧洞的有害气体浓度扩散情况进行了三维数值模拟，并得出了该工况下隧洞内的风流结构分布。根据《铁路瓦斯隧道技术规范》中的规定可知，瓦斯隧道可分为高瓦斯隧道、低瓦斯隧道和瓦斯突出隧道3种类型[6-7]。王永敬等[8-9]通过采用相似的理论与试验模型模拟不同通风方法得到了采空区瓦斯保护浓度场的分布与瓦斯保护运动变化规律。王春霞等[10]使用了数值模拟方法，得到将瓦斯保护涌出位置设置为煤壁涌出时，瓦斯保护层浓度较从作业面上涌出时的大。多个学者[11-15]利用Fluent对隧道通风时内部流场进行了分析，得出风速对瓦斯浓度分布的影响。屈聪等[16-17]通过数值模拟分析了不存在衬砌台车通风条件下瓦斯隧道上台阶开挖后瓦斯扩散运移规律。刘佳佳等[18]使用Fluent软件进行了数值模拟，并得出在空气渗透率的不同分布状况下采空区漏风与瓦斯分布上的较大差异。

针对不同条件下的瓦斯隧道内瓦斯分布规律，上述学者已有大量研究成果，大部分研究都是采用数值模拟的方法。由于大断面隧道自身的特点，隧道内的流场及瓦斯排放规律仍存在一些问题，对大断面隧道过小夹角煤层群情况下瓦斯分布规律的研究还比较少。对通风风速不同和隧道瓦斯涌出位置不同2种情况下隧道内的风速分布、瓦斯含量分布以及衬砌墙台车附近的瓦斯含量分布状况进行了研究。本文主要使用了数值仿真Fluent的数值模拟方法，得到大断面瓦斯隧道过小夹角煤层瓦斯排放规律。

1 瓦斯流动计算理论

气体从隧道流出，遵循着质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等4大定律，再结合隧道实际边界以及初始条件就可以得出隧道内风流流动的数学模型，由此形成了数学所描述的流动控制方程组。

1.1 数值模拟的基本假设

(1)瓦斯隧洞内的风流主要是低速流体，一般认为它是三维黏性的不可压缩流体。

(2)隧道内流场设计为恒温流场。为方便于展开数字运算，因此忽略因流体黏性力做功而产生的耗散热量，并把隧道侧壁看作绝热恒压侧壁。

(3)隧道内风流场的雷诺数Re>105，属于湍流状态。风管进口处风流的速度均匀且各向同性。

(4)对瓦斯流出做出以下假设：上台阶开挖瓦斯从工作面瓦斯涌出源均匀流出。

(5)隧道内气体只有空气和甲烷。

1.2 煤层瓦斯流动的连续性方程

由前面的假设可知，模拟气体可看作不可压缩流体，此时连续性方程为：

(1)

式中，ρ为密度；v为煤层瓦斯流动速度；n为孔隙率。

1.3 煤层瓦斯流动的动量方程

牛顿第二定律是动量方程，用Navier—Stokes方程表示：

Bj+vj

(2)

1.4 煤层瓦斯流动的能量方程

牛顿的动能守恒定律：就流体阻力中的任意一种微元体来说，表面动能变化和进入微元体的净热能流通量，与质量压力变化和表面阻力对微元体所作的作用的量相等。

(3)

式中，E为内能、动能和势能的和，即流体微团的总能；h为焓；hj为分j的焓；keff为热传导系数，keff=k+kt(kt为湍流热传导系数)；Jj为组分j的扩散通量；S为包括化学热反应及其化学反应热及其他定义的体积热源项。

1.5 标准k-ε两方程模型构建

目前应用最广泛的湍流模型是LaunderSpal-ding于1972年提出的标准k-ε双方程模型。

(1)k方程：

(4)

(2)ε方程：

(5)

(6)

式中，Gk为动能变化率；k为动能；ε为湍流动能耗散率值；μ为层流黏度系数；ut为湍流黏度系数；P为湍流的有效压强；ρ为气体密度；xi为X、Y、Z方向上的运动坐标；ui为X、Y、Z方向上的运动速率；Cε1、Cε2、Cμ、σε、σk为常数，分别取1.44、1.92、0.09、1.30和1.00。

2 数值模型建立

2.1 大断面隧道过小夹角煤层特点

通常情况下，煤矿工作面揭煤的面积在10 m2以内，而公路隧道工作面揭煤面积较大，目前双向三车道公路隧道的断面积已有超过150 m2，为煤矿巷道断面的数倍至十数倍[19]。在隧道断面较大的情况下，其宽度可能接近20 m。如果隧道的轴向与煤层的走向夹角较小时(本文称为“小夹角”)，隧道工作面完全揭穿煤层所需的轴向长度可能长达近百米，如图1所示。在这种特殊工况，工作面揭开煤层的位置随着揭煤施工的进度而发生变化，亦即煤层瓦斯释放源的位置将发生变化，如图2所示选取3个不同的位置，而在整个施工过程中，独头压入式通风风管的悬挂位置一般不会发生变化。隧道进行开挖施工时，工作面附近的区域就是施工的重点区域，瓦斯就很容易在此聚集。工作面附近的瓦斯气体运移规律，一直是隧洞施工通风工程中科学分析的要点。但是，在隧洞工程建设时，对于工作面附近的瓦斯气体浓度分布规律，还必须进一步的研究和分析。

图1 煤层分布Fig.1 Distribution map of coal seams

图2 瓦斯释放源设置Fig.2 Gas release source setting diagram

2.2 几何模型建立与网格划分

模拟隧道长度500 m，净宽14.8 m，拱高9.8 m，风筒直径为2.0 m，风筒的悬挂在距地面5.3 m，壁面0.5 m处；隧道煤系地层区段采用3台阶掘进施工，上台阶4.5 m，中间台阶3.5 m，下台阶1.9 m。该隧道的几何建模如图3所示。

用Fluent前处理器ICEM-CFD进行划分网格时，通常选择非结构化网格，划分的网格主要由四面体构成，在相应地方选择了六面体或楔形网格。壁面随边界条件而发生变化，因此对隧道出口断面、衬砌台车附近的网格等实施了局部细化。模型网格划分如图4所示。

图3 隧道三维模型Fig.3 Three-dimensional model of the tunnel

图4 模型网格划分Fig.4 Model meshing diagram

2.3 数值模拟模型参数及边界条件

(1)求解器选择，在建立几何模型划分网格后，导入Fluent中进行模型计算。本文采用甲烷—空气的组分运输模型分析流场中的瓦斯分布与运移情况。隧道中气体流动假定为各向同性的均匀湍流，在Fluent计算中选择standardk-ε双方程模型模拟。

(2)瓦斯涌出位置确定，模拟计算时在工作面上设置的唯一瓦斯涌出源，瓦斯直接从工作面流出，在隧道施工过程中，揭煤从右向左，瓦斯释放点自然地从台阶的左下方向右上侧逐渐移动。选3个瓦斯排放源，具体如图2所示，且不断涌出，隧道其他地方不存在瓦斯涌出源。

(3)瓦斯涌出速度确定选择壁面函数时，选用非平衡壁面函数比较合理。假设瓦斯在涌出面以特定的速度涌出1 s，1 s后，将瓦斯的涌出面改设为壁面。根据现场情况所测量的，相对瓦斯涌出量为23.07 m3/t，绝对瓦斯流出量为6.04 m3/min在设定边界条件时，将风筒的入口设计为新鲜风涌入，设为速度进口，风速9 m/s。把隧道台阶上部截面设作绝对瓦斯流出面，涌出的气体均为甲烷所吸附。初始压力是一个标准大气压，温度为295 K。

3 模拟结果分析

3.1 瓦斯浓度动态分布规律

分别距离掘进面80、125 m(台车上)处，在通风20、60、120、240 s时进行数值模拟，得到同一位置通风不同时间时的瓦斯浓度分布情况如图5所示。

由图5可知，在距离掘进面同一横截面处，瓦斯气体浓度随通风的进行逐渐升高。例如距离掘进面80 m处，在通风20 s后，瓦斯气体首先在该处的隧道拱顶开始出现；当通风120s后，该处的瓦斯气体在横截面上的分布情况基本处于稳定状态，即沿着隧道拱顶向下的方向，瓦斯浓度按照一定的浓度梯度逐渐降低；120 s以后，该截面上瓦斯浓度的分布规律将不再随时间的改变而变化。在距离掘进面125 m的二衬台车处，瓦斯浓度的变化规律与上述80 m处的规律基本一致，只是瓦斯开始出现的时间与浓度稳定的时间变长，且瓦斯的最大浓度也有所减小。以上瓦斯变化规律与现场检测的结果基本一致。因此，可以判定工程现场将瓦检仪设置于隧道拱顶和台车上部位置是符合要求的。

图5 不同位置隧道断面上瓦斯分布Fig.5 Gas distribution on tunnel sections at different locations

20、60、120、240 s断面上瓦斯浓度随时间的变化规律和瓦斯涌出后在隧道中的移动规律如图6所示。

图6 隧道横截面瓦斯浓度分布Fig.6 Gas concentration distribution in the cross section of the tunnel

由图6可知，瓦斯场在隧洞内首先经过了一次扩张过程，然后是收缩的过程。在风流的影响下，开挖工作面流出的气体慢慢扩展开来，并慢慢向隧洞出口移动。一般来说，在隧道上方的瓦斯浓度等于下方的瓦斯含量。但随着衬砌台车的出现，瓦斯含量场在台车部位变化，原因是台车的出现提高了在该处的局部阻力。

不同时刻80 m处隧道断面速度矢量如图7所示。由图7可知，通风时间的增加，同一断面上的瓦斯运移速度逐渐增大。在隧道断面上部瓦斯运移速度比较大，隧道底部速度较小。由于存在风吹不到的盲区，风管附近的风速也较其他地方小一些。风管里面的风速最大，隧道断面底部风速较小，这是由于瓦斯分子质量比空气小，会在隧道上面聚集，模拟隧道采取的是上行通风。

3.2 瓦斯涌出位置对瓦斯分布影响规律

瓦斯从掘进面不同位置释放时，瓦斯在隧道里面的分布情况也有所不同，整个掘进面都会有瓦斯释放。根据开挖顺序模拟将掘进面分为3个部分，分别是释放源1、释放源2、释放源3，瓦斯的主要释放顺序由1到2，再到3。通风稳定情况下，通风时间均为800 s时，取隧道横截面上不同高度的位置观察隧道瓦斯流动，如图8所示。

图7 不同时刻80 m处隧道断面速度矢量Fig.7 Vector diagram of tunnel section velocity at 80 m at different times

图8 不同释放源释放瓦斯浓度分布曲线Fig.8 Distribution curve of gas concentration released by different emission sources

由图8可知，当通风800 s后，隧道内瓦斯气体在横截面上的分布情况基本处于稳定状态。沿着隧道远离掘进面的方向，瓦斯浓度按照一定的浓度梯度离地面1 m处的横截面上，瓦斯浓度经历先上升后逐渐降低的过程；距地面4 m和8 m处的横截面上瓦斯浓度是先降低再升高，最后逐渐稳定。当释放源在1位置，瓦斯起始最高浓度在高度1 m处出现，3个不同高度之间的瓦斯浓度变化区域较小。当释放源在2位置时，起始最高浓度在高度为4 m处出现，3个不同位置之间的变化区域比较大。当释放源位置在3位置时，高度为1 m和4 m变化趋势非常相近。针对以上浓度分布现象，在掘进隧道的不同位置，应采取放置局部通风机以增加排瓦斯功效，且掘进不同位置时测量瓦斯浓度位置也应不同。

3.3 隧道不同截面上瓦斯浓度分布规律

在通风时间为20、60、120、240 s时，取隧道距离地面1、4、8 m处浓度分布曲线，如图9所示。

由图9可知，开始时，隧道内瓦斯浓度在掘进面部位较高，也是主要集中部位。其原因在刚开始时，瓦斯全部由掘进面往外涌出，没有完全扩散。由于通风时间增加，随着通风的进行，隧道内气体的总含量曲线的波峰首先增高然后逐渐降低，最后才趋于稳定。瓦斯涌出后，瓦斯含量会有一定幅度的波动，向隧道出口处流动，初始时距离掘进面越近瓦斯含量就越高，随着通风时间的加长瓦斯逐渐向远离掘进面一侧运动。

3.4 风速对瓦斯浓度的影响规律

在这个模拟流程中，把模拟风速依次设定为3、6、9m/s，并同时在不同风速下通风60s，研究风机在各种功率下分别产生的通风速率及其对隧道内瓦斯含量的影响。在3、6、9 m/s通风60 s的横截面上瓦斯含量分布和含量变动曲线如图10、图11所示。

图9 隧道离地面不同位置处瓦斯浓度变化Fig.9 The gas concentration change diagram at different positions of the tunnel from the ground

图10 不同风速时同一位置瓦斯浓度分布Fig.10 Distribution of gas concentration at the same location at different wind speeds

图11 不同通风速度下瓦斯浓度分布情况Fig.11 Distribution of gas concentration under different ventilation speeds

由图11可知，同一时刻，相同隧道位置风速越大时，瓦斯浓度就会越低。当通风速为3 m/s时，隧道内瓦斯含量最高，当通风速是6 m/s，瓦斯含量比3 m/s时更低，当最大风速9 m/s时，隧洞内瓦斯含量最低。

由图11得出，①当风力越大，整个隧道内的瓦斯浓度扩散得越快，即使在通风60 s后，6 m/s和9 m/s的瓦斯浓度分布差别不大;当风速更大时，在通风短时间内瓦斯浓度发生急剧下降趋势，取得了很好的通风效果；②风流由风筒流入掘进面后，在隧洞侧壁和掘进面的综合影响下，在向隧洞出口回流过程中会有明显的区域性;更多的风量在回流区一侧回流向隧道的出口，一方面稀释了掘进面的瓦斯含量，另一方面导致涌出的瓦斯通过风力作用向远离风筒的这一边壁面聚集；③在模拟过程中，不管风速大小，最远离风筒的掘进面地区都是最易于聚集瓦斯的区域，而且这个部分也是瓦斯浓度最大值出现区域。

4 结论

利用Ansys Fluent流体计算软件系统，对大截面过小夹角煤层群的高瓦斯保护隧洞，在存在模筑或衬砌台车的条件下，在通风作用下对隧洞内流场进行了数值模拟分析。

(1) 随着时间增加，随着通风的实施，隧道内瓦斯浓度逐渐趋于稳定，向隧道出口处流。

(2)3个不同瓦斯涌出源位置，在持续通风的作用下持续释放瓦斯，瓦斯浓度随着释放源距离掘进面的距离越远，瓦斯浓度越低。

(3)风速越大瓦斯在隧道内运移速度越快，在开挖掘进面不同位置时应对风速做出一定的调整，在实际工程允许的情况下可适当提高风机风速，可缩短通风时间及施工周期。