组合式通风对特长高瓦斯隧道瓦斯分布规律的影响

张宗龙, 丁 浩,, 胡 超, 孙梨花, 程 亮

(1.重庆交通大学 土木工程学院, 重庆 400074; 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 400067)

在现代化交通路网中,特长隧道已成为穿越山岭、跨越高原的重要交通设施[1]。而在隧道修建过程中,可能会穿越含有各种有害气体的煤系地层,其中瓦斯是最常见的有害气体。隧道修建过程若遇瓦斯往往会采用多层防护措施,但因瓦斯压力的存在和施工质量等问题,隧道运营中的瓦斯浓度可能会超过安全范围值[2]。隧道中存在高瓦斯不仅会引发爆炸事故,还会导致人员窒息甚至死亡。因此,研究瓦斯隧道通风技术非常重要。

针对瓦斯隧道通风方法,国内外学者已开展了系列研究。Chow[3]首次利用数值模拟软件研究了公路隧道内瓦斯气体体积分数的扩散模型,丰富了隧道瓦斯分布研究的理论基础;Rudin[4]采用计算流体力学(CFD)软件进行数值模拟,研究了公路隧道在施工开挖过程中瓦斯的分布和扩散规律,并提出了一系列改善性技术措施; Tomita等[5]通过相似试验研究,模拟了单头掘进式隧道在掘进过程中掌子面均匀涌出的瓦斯的分布及扩散规律,并创新性地对比分析了风筒布设于不同位置时隧道内瓦斯浓度的分布及扩散规律;雷升祥[6]依托华蓥山隧道首次系统阐述了瓦斯隧道施工通风设计方法等关键技术,对后期建设的瓦斯隧道施工通风设计提供了良好的指导作用;康小兵、刘江、彭佩等[7-9]研究了射流风机布设参数对隧道内气体流场和瓦斯分布规律的影响;王林峰等[10]运用Fluent探究了隧道中温湿度环境对瓦斯的分布影响,并提出了优化源湿度值的方法;张洪旭、邱童春[11-12]分别对盾构隧道和螺旋隧道施工过程中的瓦斯扩散规律进行了研究;冯森[13]依托桐梓隧道运用Fluent建立模型,研究了瓦斯在时空上的分布规律,并结合现场验证优化瓦斯浓度及风速的现场测定方法;王逸等[14]运用智能通风技术,研究了低压缺氧瓦斯隧道中施工通风效果。目前国内外学者对隧道瓦斯通风进行了较为深入的研究,并取得丰硕的成果,但大多考虑的是风机、温湿度环境等单一因素对隧道通风的影响,没有综合考虑组合式通风的共同作用。

为此,本文以宁缠隧道为依托,运用流体计算软件Fluent对该隧道进行数值建模,研究在自然通风+竖井通风、自然通风+射流风机、自然通风+竖井通风+射流风机等3种不同组合方式下的通风系统,得出运营期隧道瓦斯的运移分布规律。模拟结果可为特长高瓦斯隧道的通风系统参数优化提供参考,为隧道安全运营提供指导。

1 工程概况

宁缠隧道位于青海省门源县仙米乡,为2车道双向分离式隧道。隧道左线起讫里程桩号为ZK37+140～ZK43+164,总长6 024.0 m;右线起讫里程桩号为YK37+190～YK43+133,总长5 943.0 m。该隧道位于构造剥蚀中、高山地貌区,隧址区最大海拔高程4 122.0 m,最低海拔3 460.0 m,隧道洞底最大埋深约544.0 m,总长6 024.0 m,隧址区地形起伏大,最大相对高差约662.0 m,为典型的特长高瓦斯隧道。隧道左线剖面示意如图1所示。

图1 隧道部分地质纵断面

隧道设计采用自然通风、竖井通风及射流风机组合通风形式。隧道走向为西北至西南向,坡比为1.93%,隧道洞口位置常年刮西北风,风速5 m/s～10 m/s;单洞设置3组共24台射流风机,沿隧道入口至出口方向依次布设分为左部(8台)、中部(8台)、右部(8台)部分,射流风机高度为5 m、单台风速达15 m/s;隧道左线竖井布置在ZK38+440处,位于左部风机与中部风机之间。隧道左线射流风机布置示意如图2所示。

2 计算模型建立

2.1 Fluent软件

Fluent软件是ANSYS公司开发的一款计算流体力学软件。它基于数值方法和物理模型,通过离散化流体域并求解相应的方程组来模拟流体行为,能提供丰富的前处理和后处理功能,使用户能够创建复杂的几何模型、定义边界条件、选择适当的物理模型,并能对计算结果进行可视化和分析,因此,本文采用数值模拟软件Fluent研究分析隧道瓦斯运移规律。

图2 射流风机布置示意

2.2 计算模型

1) 网格模型

根据宁缠隧道左线实际尺寸建立计算模型,并在隧道模型上截取6个不同断面用于监测瓦斯浓度数据,如图3所示。计算网格采用非结构化网格,便于处理不规则模型及边界问题,总体区域网格数量为600万个。

图3 单边隧道网格模型(含竖井以及射流风机)

2) 边界条件

隧道进洞口设置为自然风的入口边界,类型为mass-flow-inlet;隧道出洞口设置为出口边界,类型为pressure-outflow,大小设置为0 Pa,即与大气相接。射流风机出风口设置为入口边界,类型为mass-flow-inlet,速度为15 m/s。隧道内所有的边界类型都为固定的、不可渗透的边界,隧道壁面粗糙高度和粗糙常数分别取0.05 m、0.5[15]。

3) 控制方程

通风稀释瓦斯的过程包括空气与瓦斯对流以及空气紊流流动引起的瓦斯紊流扩散,而瓦斯紊流扩散问题的数学模型控制方程有连续方程式(1)、动量方程式(2)、能量方程式(3)以及组分运输方程式(4)。速度场与压力场的精度对计算流场有很大影响,经过对比,本文采用软件自带标准k-ε[16]湍流模型进行计算。

(1) 连续性方程

(1)

式中:ρ为空气密度,kg/m3;ui为速度分量,m/s;xi为坐标轴方向,i=1,2,3。

(2) 动量方程

(2)

(3) 能量方程

(3)

式中:T为空气温度,K;Pr为充分湍流时的普朗特数;q为热流密度, W/m;cp为空气定压比热,J/(kg·K);μt为湍流动力粘性系数,Pa·s。

(4) 组分运输方程

(4)

式中:cη为物质组分η的体积浓度,%;Dη为物质组分η的扩散系数,m2/s;Sη为单位时间内组分η的生成率。

2.3 计算工况

根据《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2-02—2014)[17]规定,在隧道运营期间,瓦斯浓度应<0.5%,若>0.5%时,瓦斯与空气易形成可燃混合物,发生爆炸的概率会增加。为了使瓦斯排放后下游的瓦斯浓度控制在安全范围内,分别计算了在隧道ZK38+692断面左拱肩位置处设置不同的瓦斯涌出量x时,研究不同通风方案对隧道瓦斯分布规律的影响,现拟定12种不同的工况,如表1所示。

表1 工况设计

3 不同通风方案下隧道内瓦斯运移规律

12种模拟工况较多,结果仅列出每种通风方案下通风效果最差和最优的2种工况进行分析。速度流场分析主要截取了射流风机所在高度的隧道上游和隧道下游部分纵截面的气体速度云图,瓦斯浓度分析主要截取了瓦斯释放点下游6个隧道横截面的瓦斯分布云图。

3.1 自然通风+竖井通风

1) 隧道内速度流场分析

表1中工况1～工况4的自然通风风速和竖井通风量没有变化,且没有其他影响因素,因此多个工况的隧道内气体速度分布云图一致,如图4所示。由图4可以看出,隧道内的气体分布较均匀,但竖井下游气体流速均低于竖井上游部分,且竖井内的气体流速明显大于隧道内部的,主因是竖井会吸入隧道内的气体,从而导致隧道下游的气体流速有所降低。

2) 隧道内瓦斯分布规律

隧道内断面瓦斯分布云图如图5所示。由图5可知,随瓦斯释放量的增加,释放点下游瓦斯浓度分布也逐步增加,且随自然风的流动扩散。扩散之初,仅在隧道释放处一侧的区域浓度较高,但随着向下游扩散,瓦斯逐渐出现在对侧,且逐渐充满整个隧道。需注意的是,由于瓦斯释放点位于竖井位置的下游,所以竖井抽气时会将自然风带入的部分新鲜空气也抽走,从而导致下游的瓦斯浓度变高。因此,当瓦斯释放点在竖井下游时,建议采取向隧道内吹风的方式降低瓦斯浓度。工况1～工况4的瓦斯平均分布浓度分别是0.87%、1.35%、1.69%、1.78%,可见随着释放点处瓦斯排放量越大,隧道内的瓦斯浓度会越高。

图4 隧道内气体速度分布云图

(a) 工况1(瓦斯释放量2.4 m3/s+竖井)

(b) 工况4(瓦斯释放量5.4 m3/s+竖井)

3.2 自然通风+射流风机

1) 隧道内速度流场分析

若开启1组风机,隧道内的气体流速相近,仅在风机开启的位置处气体流速有所增加。为此,仅展示左部风机和全部风机开启工况下隧道气体速度分布云图,如图6所示。风机开启后,隧道内气体流速增大,射流风机前方的风速能达到10 m/s以上,增加了隧道内气流流动性,也间接增加了隧道入口自然进风量。相较1组风机开启,3组风机同时开启时,整个隧道内的气体流速增加更加显著。

2) 隧道内瓦斯分布规律

隧道内断面瓦斯分布云图如图7所示。由图7可知,3组风机全部开启的瓦斯净化效果高于1组风机开启。但瓦斯扩散仍受自然风的影响较大,主要扩散趋势仍以自然风的带动为主。当分别开启左部、中部、右部1组风机后,瓦斯平均浓度为0.67%、0.72%、0.68%;当3组风机全部开启后,隧道内瓦斯平均浓度为0.48%,可满足瓦斯浓度安全指标。3组风机全部开启后,加速了洞内空气流动,使得隧道入口带来更多新鲜空气,达到稀释洞内瓦斯浓度的需求。

3.3 自然通风+竖井通风+射流风机

1) 隧道内速度流场分析

隧道内气体速度分布云图如图8所示。由图8可知,当风机和自然风向反向开启时,隧道下游的气体流速趋于零。主因是反向开启风机会在竖井位置处形成涡流,致使气体在隧道内无法顺畅地流动,从而降低了气体流速。而当风机正向开启时,风机产生的气流与自然风方向一致,能够有效推动空气在隧道内流动,从而增加气体流速。

(a) 工况5(1组风机正向开启)

(b) 工况8(3组风机正向开启)

(a) 工况5(1组风机正向开启)

(b) 工况8(3组风机正向开启)

2) 隧道内瓦斯分布规律

隧道内断面瓦期分布云图如图9所示。由图9可知,风机正向开启与反向开启的通风工况下,瓦斯的扩散趋势显著不同。工况11的风机反向开启再加上竖井存在的情况,隧道下游的瓦斯平均浓度值达到了3.1%;工况12的3组风机全部正向开启后,隧道下游的瓦斯平均浓度约为0.7%。由此可见,当风机和自然风向反向开启时,隧道内的瓦斯平均浓度显著大于正向开启的情况。主因是反向开启时,风机会阻碍新鲜空气进入下游,再加上竖井会抽走一部分新鲜空气,导致下游的新鲜空气变少,瓦斯浓度显著增加。

(a) 工况11(1组风机正向开启+2组风机反向开启+竖井)

(b) 工况12(3组风机正向开启+竖井)

(a) 工况11(1组风机正向开启+2组风机反向开启+竖井)

(b) 工况12(3组风机正向开启+竖井)

3.4 方案优选

基于上述3种不同通风方案的分析,现选择各方案下的最优工况(工况1、工况8、工况12)进行对比研究,分析不同通风方案下的隧道瓦斯浓度差异。隧道断面瓦期浓度数据如图10、表2所示。由图10可知,通风状态稳定后,瓦斯释放点在隧道的左拱肩处,离释放点较近的断面1～断面5左侧瓦斯浓度值要高于右侧。断面5之后监测点的瓦斯浓度数值基本趋于稳定,且不同的通风方案在隧道内瓦斯浓度达到稳定时所需距离基本相同。

(a) 工况1(瓦斯释放量2.4 m3/s+竖井)

(b) 工况8(3组风机正向开启)

(c) 工况12(3组风机正向开启+竖井)

表2 不同方案下各最优工况瓦斯浓度对比

由表2可知,无论从抽出的瓦斯释放量及洞内残留的瓦斯平均浓度,均反映出工况8较工况1和工况12的通风效果好,即自然通风+射流风机的组合通风效果要优于另外2种组合方式。

4 结论

基于流体力学仿真软件Fluent建立了运营期瓦斯运移计算模型,对隧道内不同通风方案下的瓦斯运移规律进行分析,得到以下结论:

1) 瓦斯释放点位于竖井位置的下游,竖井会将自然风带入的部分新鲜空气抽走,致使下游的瓦斯浓度稀释情况减弱;射流风机全部正向开启显著增加了隧道内的气体流速,并能更好地稀释瓦斯浓度。

2) 通风效果稳定后,自然通风+射流风机作用下的断面瓦斯平均浓度为0.48%,相较于自然通风+竖井通风、自然通风+竖井通风+射流风机组合式通风方案分别降低了44.83%和31.43%,其通风效果优于自然通风+竖井通风,且建设运营成本低于自然通风+射流风机+竖井通风的组合通风方式。因此,自然通风+射流风机组合可作为宁缠隧道运营期最优通风组合形式。