大断面隧道瓦斯涌出位置对瓦斯分布的影响规律

安俊杰, 黄飞, 刘刚, 王少龙, 黄小亮

(1.中交二公局萌兴工程有限公司, 西安 710119; 2.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,湘潭 411201; 3.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, 焦作 454003)

加快中西部地区高速公路修建是中国《公路“十四五”发展规划》的重点任务,是中国实现交通强国的重要途径。公路隧道横截面积较大,目前3车道公路隧道断面面积可达百余平方米以上。另一方面,公路隧道掘进方向通常与煤层走向存在一定的夹角。鉴于以上两方面的原因,公路隧道在穿越煤层的过程中,含瓦斯煤层通常从隧道掌子面的一隅开始露煤,随着隧道继续掘进,煤层揭露位置逐渐发生变化直至从掌子面另一隅穿过。在此过程中,瓦斯涌出位置与瓦斯涌出量将随着露煤位置与露煤面积而变化,最终导致瓦斯沿掌子面向隧道内的扩散运移规律存在较大差异,给公路隧道的瓦斯灾害监测与防控带来了不确定性。因此,有必要对大断面公路隧道揭煤过程中的瓦斯分布规律进行研究。

国内外很多学者对矿井和隧道内的瓦斯分布规律进行了大量研究。曾昌等[1]利用Fluent软件分析了隧道内部的瓦斯分布特点,并探讨了内部回流区、涡流区和瓦斯易聚集的位置。冉楗等[2]以鸡鸣隧道为工程背景采用数值模拟的方法研究了瓦斯隧道开挖过程中通风设备布置对通风效果的影响机制。赵树磊等[3]针对瓦斯隧道多工作面作业对压入式通风方案风管进行了优化,确定射流风机的最佳布设距离。张云龙等[4]利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件分析了压入式通风条件下隧道内风速流场和瓦斯浓度的分布规律。庄龙宇等[5]利用Fluent软件研究了采空区瓦斯涌出源不同时的瓦斯分布规律及高位巷抽采瓦斯的效果。王春霞等[6]分析了瓦斯涌出情况对流场和瓦斯浓度分布的影响规律。高建良等[7]研究了J形通风工作面不同供风量时工作面漏风及采空区瓦斯分布规律。胡廷伟等[8]利用COMSOL软件研究采空区内瓦斯动态平衡后的分布规律,为瓦斯抽采巷道位置的确定提供参考。黄磊等[9]研究了长大低瓦斯隧道巷道式通风条件下的流场,并提出优化措施。张恒等[10]揭示了风机布置方式对高瓦斯隧道施工通风效果的影响规律。雷帅等[11]采用Fluent软件探明了巷道式通风的流场及污染物的分布特征。刘春等[12]研究超大断面隧道在压入式通风条件下的瓦斯浓度和风速变化规律,确定了风筒的最佳安装位置。罗振敏等[13]模拟研究了U形通风方式下的采空区瓦斯分布情况。周洋等[14]采用CFD软件分析了风管布设参数对隧道风流场及瓦斯分布规律的影响,并得到了风管的最佳组合方式。范红伟等[15]利用Flunet软件研究了工作面通风方式及瓦斯抽采措施下的采空区瓦斯分布规律。

综上所述,现有文献对煤矿巷道和隧道内的瓦斯分布规律开展了大量的分析研究,获得了瓦斯在巷道和隧道内的普遍性分布规律。进一步分析发现,现有文献大多将瓦斯涌出位置固定在掘进面上,而鲜有文献考虑涌出位置与涌出量随巷道掘进而发生变化的情况。为了探究大断面隧道穿越一定夹角的煤层时,露煤位置与露煤面积的变化对隧道内瓦斯分布的影响规律,现以何家坡公路瓦斯隧道为工程依托,拟采用数值模拟方法分析瓦斯涌出位置对隧道瓦斯分布的影响规律。

1 工程问题

何家坡在建分离式特长隧道左线长3 122 m,右线长3 094 m。根据勘探资料显示,该隧道于左线ZK6+400～ZK6+53和右线YK6+390～YK6+520里程段穿越高瓦斯煤系地层,煤系地层总长约130 m,穿煤段埋深349～369 m。现场实测数据显示,瓦斯工区的最大瓦斯涌出量高达3.27 m3/min,煤层瓦斯含量最大约13 m3/t。根据《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》(JTG/T 3374—2020)等文件规定,设计该隧道为高瓦斯隧道。针对该高瓦斯隧道,首先必须加强通风稀释瓦斯浓度并及时将瓦斯排出洞外,另一方面需加强监测,防止瓦斯在隧道内聚集。因此,需要弄清楚瓦斯工区施工期间瓦斯在隧道的流动及分布规律。

根据超前钻探数据分析表明,隧道M6煤层真厚度约为2 m,倾角约为42°,与隧道轴向的夹角约为25°,如图1所示。由此可知,M6煤层首先将从掌子面左下角位置露出,随着掌子面推进,露煤位置依次过渡至掌子面中心,并从右上角过完煤层,整个过煤段长达30余米。假设瓦斯均匀赋存在M6煤层内,瓦斯的涌出位置和涌出量将分别与露煤位置和露煤面积相关,并随隧道掘进不断变化。在隧道穿越M6煤层施工过程中,风筒与掌子面的距离为10 m,且其位置固定在隧道左壁上,如图1所示。在此过程中,瓦斯气体从掌子面逸出后在隧道内的运动规律以及最终的分布形态是亟须掌握的工程问题。

2 数值模型构建

2.1 数值模型构建

针对上述工程问题,采用流体动力学计算软件Fluent开展模拟研究。假设气体的流动过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒规律,瓦斯的湍流过程遵循湍流动能和湍流耗散规律。为了便于计算,对上述工程问题进行假设与简化。

(1)隧道内的气体视为三维不可压缩黏性流体。

(2)隧道内流场视为恒温流场,忽略温度的影响。

(3)忽略流体黏性力做功而产生的耗散热量,把隧道壁面看作绝热恒压壁面。

(4)瓦斯均匀赋存在煤层内,瓦斯绝对涌出量与掌子面露煤面积成正比。

(5)隧道内只有空气和甲烷两种气体,忽略其他气体的影响。

在上述假设与简化的基础上,以在建的单向三车道何家坡公路瓦斯隧道为工程案例,以地层纵向向上为Y轴正向,以沿隧道轴向远离掌子面的方向为Z轴正向,以隧道底面向右为X轴正向建立三维空间坐标系,将隧道轮廓简化为宽×高为15 m×10 m的扁平断面,并选取100 m长度作为计算模型,通风管道直径为1.8 m,风管紧贴隧道右侧壁面,距地面高度为5.3 m,最终构建隧道通风的数值计算模型如图2所示。

图2 隧道通风几何模型及不同的瓦斯涌出源位置示意图Fig.2 Geometric model of tunnel ventilation and the position of gas emission

在该模型中,瓦斯从掌子面的涌出位置随着隧道的掘进而逐渐发生变化,模拟依次选择了图2所示的1#～5#掌子面构建5个隧道通风模型,将掌子面露出的煤层位置和面积作为瓦斯涌出源。根据露煤面积,可大致估算出1#～5#模型的绝对瓦斯涌出量依次为1、2、3、2、1 m3/min。

2.2 网格划分与边界条件

采用Mesh软件对隧道三维模型进行网格划分,并对掌子面附近及隧道拱顶区域进行局部网格加密。选取组分运输模型中的“空气-甲烷”混合模型作为物理模型,计算控制方程采用标准的k-ε方程。考虑瓦斯的易聚集性和重力的影响,将模型Y方向上的重力加速度定义为-9.8 m/s2。将风管入口设置为速度入口并赋予初速度,将隧道洞口作为出流边界。为了考虑沿程阻力,将壁面粗糙常数设置为1,设置壁面粗糙高度为0.02 m。最后,采用压力基求解器的Simple算法进行模拟计算。

3 模拟结果分析

重点考虑隧道穿越一定夹角煤层时,在风管位置与风量不变的情况下,掌子面不同位置涌出的瓦斯在隧道内的运移与分布规律。分别选取距离掌子面1、5、10与20 m 共4个横截面,获取4个横截面的瓦斯浓度分布云图。

3.1 瓦斯浓度在隧道横截面的分布规律

图3所示为1#掌子面位置时,瓦斯在隧道内4个横截面的浓度分布云图。根据图3可知,瓦斯自隧道掌子面左下角位置涌出后在风流的作用下开始向上扩散,瓦斯浓度也逐渐得到稀释。在距离掌子面1 m处,瓦斯最大浓度位于露出煤层的下部,最大值约为0.03%,并沿壁面向上扩散;在距离掌子面5 m处,瓦斯最大浓度位置靠近隧道壁面,且距离地面的高度增加,瓦斯分布范围向隧道中上部空间扩展;在距离掌子面10 m处(风管出风口处),瓦斯最大浓度已降低至0.003%,瓦斯呈条带状分布于隧道左中部,并呈现进一步向上部扩展的趋势;在距离掌子面20 m处,瓦斯已均匀分布至隧道左上拱顶,最大瓦斯浓度出现在隧道拱顶壁面处。

图3 1#掌子面涌出位置的瓦斯分布云图Fig.3 Gas distribution contour of gas position 1#

图4所示为2#掌子面位置时,瓦斯在隧道内四个横截面的浓度分布云图。在距离掌子面1 m处,瓦斯最大浓度出现在露煤位置的上部,最大值约为0.04%,瓦斯从煤层的位置向隧道左下方扩散;距离掌子面5 m时,瓦斯紧贴隧道左下壁面分布,且瓦斯分布范围有所缩小;在距离掌子面10 m处时,瓦斯由隧道左下壁面向隧道中部空间扩散,在距离掌子面20 m处扩散至隧道中部呈条带状分布,并呈现进一步向上扩展的趋势,最终出现图3(d)的瓦斯分布规律。

图4 2#掌子面涌出位置的瓦斯分布云图Fig.4 Gas distribution contour of gas position 2#

图5所示为3#掌子面位置时,瓦斯在隧道内4个横截面的浓度分布云图。在距离掌子面1 m处时,瓦斯分布大致平行于煤层位置,最大浓度出现在煤层左上方,约为0.045%,在风流的作用下呈现向隧道左下方扩散的趋势;在距离掌子面5 m处,瓦斯扩散至隧道的左下壁面处,与图4(c)的瓦斯分布规律类似;随着距离掌子面距离的增加,瓦斯沿左下壁面向隧道中部空间扩散,随后向隧道左上拱顶扩散,在距离掌子面20 m处时瓦斯已均匀分布在隧道左上部拱顶处。

图5 3#掌子面涌出位置的瓦斯分布云图Fig.5 Gas distribution contour of gas position 3#

图6所示为4#掌子面位置时,瓦斯在隧道内4个横截面的浓度分布云图。根据图示,在距离掌子面1 m位置时,可以看出瓦斯大致沿煤层位置分布,但在右侧风流的影响下沿隧道左侧扩散,最大瓦斯浓度出现在煤层左上方位置,约为0.06%;随着掌子面距离的增加,瓦斯运移规律与图5所示的3#掌子面涌出位置一致:首先向隧道左下扩散,随后从左下壁面向隧道中部空间扩散,最后均匀扩散至隧道左上方拱顶。

图6 4#掌子面涌出位置的瓦斯分布云图Fig.6 Gas distribution contour of gas position 4#

图7所示为5#掌子面位置时,瓦斯在隧道内4个横截面的浓度分布云图。此时,煤层位置位于掌子面右上角,在掌子面距离1 m位置时,瓦斯从煤层涌出后向隧道左侧扩散,最大瓦斯浓度位于隧道拱顶煤层位置处,约为0.048%;随着距离掌子面距离的增加,瓦斯沿着拱顶并且紧贴隧道壁面向隧道左下方扩散,当距离掌子面20 m处时,瓦斯主要分布在左下壁面处并呈现向隧道中部扩展的趋势,最后过渡至图4与图5所示的扩散规律。

3.2 瓦斯浓度沿轴向距离的分布规律

根据模拟结果可知,瓦斯气体自掌子面涌出后一方面在风压、重力和浮力的综合作用下沿隧道径向扩散,在不同横截面上形成上述各异的浓度分布规律;另一方面,瓦斯在返回风流的作用下向隧道洞口扩散最终排出洞外。

对模拟结果统计分析发现,瓦斯气体沿隧道轴向从掌子面向洞外扩散的过程大致可以分为3个阶段,如图8所示。第一阶段为瓦斯聚集阶段,具体表现为瓦斯自掌子面涌出后在一定轴向距离L处聚集于风筒对侧的拱腰处,形成圆饼状的瓦斯分布范围。值得注意的是,掌子面不同位置涌出的瓦斯聚集的距离L变化较大。根据图8的统计图示,当瓦斯涌出位置位于区域Ⅰ时,瓦斯将会在0.4H的轴向距离范围内发生聚集;当瓦斯涌出位置位于区域Ⅱ时,瓦斯会在0.8H的轴向距离范围内发生聚集;

而当瓦斯涌出位置位于区域Ⅲ时,瓦斯聚集范围增加至1.3H的轴向距离处。

第二阶段为瓦斯扩散阶段,具体表现为瓦斯自风筒对侧的拱腰聚集处向隧道中上部扩散,形成条带状的瓦斯分布范围。该阶段的轴向距离同样随瓦斯涌出区域而变化较大。从区域Ⅰ涌出瓦斯发生扩散的轴向距离L在0.4H～1.2H的范围内,从区域Ⅱ涌出瓦斯扩散的轴向距离L在0.6H～1.4H的范围内,而区域Ⅲ涌出瓦斯扩散的轴向距离L在1.3H～1.9H的范围内。

第三阶段为瓦斯稳定分布阶段,具体表现为瓦斯自中上部条带分布区域向隧道拱顶扩散,最终聚集于隧道拱顶稍微偏向风筒对侧,直至排出洞外。同样,从区域Ⅰ涌出瓦斯稳定分布的轴向距离约在1.2H范围以外,从区域Ⅱ涌出瓦斯稳定分布的轴向距离约在1.4H范围以外,而从区域Ⅱ涌出瓦斯稳定分布的轴向距离约在1.9H范围以外。

为了探究瓦斯浓度沿轴向距离的变化规律,统计了距离掌子面40 m轴向范围内的最大瓦斯浓度与平均瓦斯浓度曲线,分别如图9与图10所示。可知,瓦斯浓度随轴向距离的分布也大致可以分为3个阶段。第一阶段从掌子面自大约5 m的范围内,该阶段瓦斯浓度急剧降低,不同涌出位置的瓦斯浓度有所差异,其中4#与5#掌子面涌出的瓦斯浓度在该阶段明显高于1#～3#掌子面。第二阶段为缓慢降低阶段,轴向距离为5～20 m范围内,该阶段不同涌出位置的瓦斯浓度最后逐渐趋于接近。第三阶段为20～40 m的轴向距离,该阶段瓦斯浓度基本趋于稳定,且不同涌出位置的瓦斯浓度在该阶段趋于一致。

图9 最大瓦斯浓度沿轴向距离变化规律Fig.9 Variation law of maximal gas concentration along the axial distance

图10 平均瓦斯浓度沿轴向距离变化规律Fig.10 Variation law of average gas concentration along the axial distance

进一步分析模拟云图推测,瓦斯沿隧道轴向从掌子面向洞口3个分布阶段的主导作用不同。在第一阶段,风筒出风口与掌子面之间风速大、流场紊乱,该阶段对瓦斯运移起主导作用的是紊流风压的作用。第二阶段在出风口稍偏向洞口范围内,该阶段风流仍然较为紊乱,但其强度折减较大,此时瓦斯气体在空气中的浮力逐渐显现,因此瓦斯开始逐步向中上部上升。在第三阶段,风流基本处于层流状态,此时的瓦斯扩散主要靠瓦斯的浮力作用,最后升至拱顶并排出洞外。

4 工程应用

根据上述模拟结果可知,瓦斯气体自掌子面涌出后在风流的影响下将经历3个阶段的运移,从而在隧道不同的位置形成瓦斯聚集现象。为了更加准确地掌握隧道内瓦斯聚集程度,避免瓦斯超标带来的巨大灾害,提出对隧道内瓦斯传感器的布置做适当的修正,如图11所示。

图11 隧道瓦斯监测传感器布置修正示意图Fig.11 Modification of the layout of methane sensor

由图11可知,在原有瓦斯传感器T1、T2与T3的基础上,在风管对侧距离掌子面0.4H～1.3H增加一台瓦斯传感器T。该传感器紧贴隧道壁面,距离隧道底面的高度介于0.2H～0.5H。该传感通过线缆与钻爆台车上的T3传感器相连接,然后通过无线收发器向隧道洞外传递信号。位于钻爆台车上的瓦斯传感器T3从设计的距离拱顶0.3 m降低至距离拱顶0.2H以内。除此之外,T1与T2瓦斯传感器在原有设计位置的基础上适当向风管对侧平移。

5 结论

采用数值模拟的方法研究了瓦斯从大断面隧道掌子面不同位置涌出后的扩散分布规律,主要结论如下。

(1)瓦斯自掌子面涌出后向洞口扩散的过程大致可以分为3个阶段,依次为瓦斯聚集阶段、瓦斯扩散阶段与瓦斯稳定分布阶段。

(2)大断面隧道掌子面可大致划分为3个瓦斯涌出区域,即风筒对侧左下部分(区域Ⅰ)、靠近风筒侧右上部分(区域Ⅲ)和中间部分(区域Ⅱ)。

(3)区域Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ涌出的瓦斯分别在0.4H、0.8H与1.3H范围内聚集,并分别在1.2H、1.4H与1.9H范围内扩散,最终分别在1.2H、1.4H与1.9H范围以外稳定分布于拱顶稍偏向风筒对侧。

模拟中,未考虑洞口回风、施工扰动、施工构建的阻挡等作用,在工程应用中还需考虑上述因素的综合影响。