瓦斯隧道压入式通风风管漏风对瓦斯分布的影响

安俊杰, 黄飞, 王少龙, 黄小亮, 靳星晨, 杨采俪

(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)

瓦斯隧道是中国中西部地区交通建设中的常见性工程,据不完全统计,截至2021年中国已建成瓦斯隧道近200座,其中大部分位于云南、贵州、四川等省中西部山区[1]。鉴于瓦斯气体易燃易爆与窒息的特性,瓦斯隧道施工中的重要安全保障措施是高效通风。目前,瓦斯隧道最常用的通风方式是压入式通风。该通风方式通过洞外风机压入新鲜空气,并由软风管输送至掌子面附近吹出,最后携带瓦斯及其他气体粉尘沿洞身从洞口吹出。在隧道施工过程中,施工机械经常性碰触风管,导致风管破损从而发生漏风的现象。大量的漏风不利于掌子面瓦斯气体排出,同时漏风区域对于瓦斯的分布也会产生影响,对瓦斯隧道安全施工带来危害。

针对通风对隧道瓦斯分布的影响规律,目前已有大量学者开展了相关研究。黄磊等[2]采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法研究了低瓦斯隧道横通道附近的空气流动和瓦斯气体扩散规律。李冰等[3]研究了特长瓦斯隧道多工作面施工中的通风流场及瓦斯运移规律,发现掌子面处风筒对侧拱顶瓦斯浓度明显高于其他区域。李丹等[4]研究了大断面隧道穿越一定夹角煤层时隧道内的瓦斯运移及扩散规律,并考虑了通风时间、瓦斯的涌出情况以及风速高低等多种因素对瓦斯扩散的影响作用。王林峰等[5]通过正交试验获得了瓦斯隧道压入式通风的最佳工况。周洋等[6]、吴波等[7]分析了风管布置参数对隧道风流场及瓦斯分布规律的影响,获得了合适的风管布置参数。文献[8-11]研究了长大高瓦斯隧道内的瓦斯分布规律,获得了针对不同工况下的合适通风参数。文献[12-13]采用定量改进危险与可操作性分析(hazard and operability analysis,HAZOP)法与 层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)对瓦斯隧道施工中的通风效果进行了定量评估,获得了瓦斯隧道的通风安全程度。

综上可知,前人主要对不同通风参数、风管布置参数、隧道工况等因素影响下的隧道内流场和瓦斯分布规律进行研究,为瓦斯隧道安全施工提供了借鉴与依据。然而,却少有关于风管漏风对隧道瓦斯分布的影响作用。鉴于此,拟以某在建高瓦斯隧道为工程背景,主要采用数值模拟的手段对压入式通风风管的漏洞大小、漏风位置等因素对瓦斯分布的影响规律开展研究。从而优化隧道施工过程中瓦斯传感器的布置,进一步保障施工安全。

1 工程概况

贵金高速何家坡隧道为分离式独立双洞隧道,左线全长1 668 m,右线全长1 645 m,属长隧道。隧道设计净宽15 m、净高7.0 m。根据勘察资料显示,隧道预计将穿越4层煤,其中左线穿煤长度为650 m,右线穿煤长度为630 m,属于特长段穿煤瓦斯隧道。根据隧道附近煤矿资料与地质钻孔数据,何家坡隧道所穿越煤层的瓦斯含量高达7.92 m3/t,实测平均瓦斯浓度为0.53%,瓦斯绝对涌出量高达8.7 m3/min,根据《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》(JTG/T 3374—2020)的规定设计何家坡隧道为高瓦斯隧道。为防止瓦斯超限,通过计算确定何家坡隧道瓦斯工区所需风量为3 356 m3/min,并选择了型号选用SFD-12.8-BP/2×132 kW对旋轴流风机通过压入式进行通风,通风管采用Φ1.8 m的抗静电、阻燃柔性风筒。风筒紧贴隧道壁面悬挂,距离隧道底部垂直高度为5 m,风筒出风口距离掌子面10 m。

2 瓦斯隧道压入式通风模型构建

2.1 几何模型与网格划分

根据FLUENT内部逻辑关系,将瓦斯隧道压入式通风及风管漏风模型分为隧道模型和带漏洞的风管模型两部分,并采用SolidWorks构建空间几何模型。其中,隧道内轮廓采用半径R1=8.65 m,半径R2=5.55 m,半径R3=2 300 m的三心圆结构,隧道宽度为15 m,高度为7 m,隧道长度为100 m;风管半径为0.9 m,长度为90 m,风管出风口距离掌子面为10 m,风管紧贴隧道右壁面悬挂,风管中心距离地面高度为5 m。实际工程中,风管漏洞多数是由移动机械划破形成的,最初的形状极其不规整,但由于较强风压的作用,风管漏洞逐渐扩展成类似椭圆形。为了提高模型计算的收敛性,因此将风管上的漏风口简化为半径不等的圆形漏洞。隧道通风及风管漏风的几何模型如图1所示。

图1 几何模型及网格图Fig.1 Diagram of geometric model and grid mesh

使用FLUENT Meshing工具,采用多面体-六面体网格划分法(Poly-Hexcore)对隧道通风及漏风模型进行网格划分,最终隧道空间网格数量为100 033个,风管网格数量为11 228个,如图1所示。

2.2 边界条件与试验参数

为了简化计算,将隧道内气体视为不可压缩流体,气体在隧道内的流动视为温度恒定的稳态紊流,流动过程中与壁面无热交换。将风管的进风口设为速度入口,初始风速设置为16.8 m/s,将隧道的洞口设为出留边界,同时将各个漏洞口设置为对应速度值的速度入口。隧道壁面视为具有一定粗糙度的平面边界,粗糙高度设为0.05 m,粗糙度常数为0.5。瓦斯气体通过在掌子面施加厚度为0.1 m的瓦斯源项来实现,模拟绝对瓦斯涌出量为8.7 m3/min。采用RNGk-ε模型(k为湍动能、ε为耗散率)和标准壁面函数SWF对隧道内气体流动进行计算求解模拟。

根据现场调查发现,风管上漏洞的尺寸大多介于10～40 cm,且多分布于掌子面与二衬台车之间。瓦斯工区施工时,二衬台车与掌子面的距离约为50 m。因此,选择表1所示的漏洞尺寸与位置参数开展模拟计算。

表1 风管漏洞参数Table 1 Parameters of air duct leak

3 风管漏风模拟结果及分析

3.1 模拟结果分析

为了探究风管漏风对隧道内瓦斯分布的影响规律,截取了距离拱顶2 m处(即风管漏风高度)的水平剖面瓦斯分布云图,如图2所示。其中,规定风管漏洞的编号顺序为:距离掌子面最近的为1#,沿着洞口方向依次编号为2#、3#、4#和5#。同时为了对比漏风对瓦斯分布的影响,截取相同通风条件下的无漏风瓦斯分布云图。

图2 不同漏风条件下隧道水平剖面瓦斯分布云图Fig.2 Gas distribution contours on the horizontal section of tunnel under different air leakage conditions

如图2所示,在风管出风口风流的影响下,掌子面的瓦斯迅速被稀释,并沿着风管对侧向隧道洞口扩散。在此作用下,掌子面风管一侧的瓦斯浓度急剧降低,该侧没有瓦斯聚集现象;然而,在掌子面中部及风管对侧瓦斯浓度变化较大,分析这是由该区域存在通风涡流导致的。在风管无漏风情况下,瓦斯浓度随着与掌子面的距离逐渐降低,直至后期稳定的分布于隧道内部,如图2(a)所示。当在距离掌子面40 m和70 m处的风管上存在两个半径均为10 cm的圆形漏洞时,漏风处下游的瓦斯浓度随漏风风流的作用急剧降低,如图2(b)所示,隧道内其他区域的瓦斯分布与无漏风情况变化不明显。当漏洞半径增加至20 cm时,除了漏风处下游的瓦斯浓度进一步获得稀释而降低外,漏风处上游靠近风管一侧出现了瓦斯浓度增加的现象,如图2(c)所示。随着漏洞半径的继续增大,漏风处下游瓦斯浓度持续降低,且瓦斯浓度降低的范围随之扩大;然而在漏风处上游,瓦斯浓度增加越明显,且范围越大,瓦斯浓度升高范围逐渐有风管一侧扩展至风管对侧,如图2(d)、图2(e)所示。另一方面,靠近掌子面的1#漏洞下游瓦斯浓度稀释程度和稀释范围较小,而对该漏洞上游瓦斯浓度的增加影响较大;随着漏洞与掌子面距离的增加,漏洞处下游的瓦斯稀释程度和范围进一步扩大,而对该处上游的瓦斯增加影响作用减小,如图2(f)所示。

图3为沿隧道中轴线纵向剖面上的瓦斯分布云图。可以看出,在靠近隧道掌子面处瓦斯分布较为紊乱,最大瓦斯浓度出现在距离掌子面约10 m偏向隧道拱顶处;随着距离掌子面轴向距离的增加,瓦斯逐渐过渡至均匀分布状态:拱顶浓度高,拱底浓度低,如图3(a)所示。当风管上存在2个半径为10 cm的漏洞时,漏洞下游侧的瓦斯浓度有所降低,但影响的范围较小,隧道内其他区域瓦斯分布变化不明显,如图3(b)所示。随着漏洞半径的增加,漏洞下游瓦斯降低区域逐渐扩大,同时漏洞上游出现瓦斯浓度增加且其区域也随之增大,如图3(c)、图3(d)所示。当漏洞半径增加至40 cm时,靠近掌子面的1#漏风导致其上游瓦斯增大区域扩散至大部分隧道截面内,如图3(e)所示。与图2相似,漏洞位置与靠近掌子面,其对下游瓦斯浓度降低的影响作用越小,而对上游瓦斯浓度增加的影响作用越大,如图3(f)所示。

图3 不同漏风条件下隧道纵向剖面瓦斯分布云图Fig.3 Gas distribution contours on the longitudinal section of tunnel under different air leakage conditions

分析可知,本文模拟结果与实际工程中的通风规律及瓦斯分布情况基本相符,验证了所构建隧道通风模型的适用性,可用于后续风管漏风参数变化的研究。

为了进一步探究风管漏风作用对隧道内瓦斯分布的影响规律,截取了有无漏洞时隧道内的风速分布矢量图,并对部分区域进行放大显示,如图4所示。可以看出,隧道内的风流区域大致可分为射流区、涡流区和稳定区。风管出风口及各漏风口处的风速较大,该区域为射流区域,尤其以隧道出风口至掌子面之间靠近风管一侧的区域最为明显。在掌子面与风管之间的风管对侧,根据放大后的速度矢量图可以明显看出该区域存在涡流现象。同时,根据放大速度矢量图可以看出,由于漏风的作用改变了原本的稳定流状态。具体表现为:漏风处上游出现局部涡流现象,而漏风处下游的风速和风量有所增加。进一步对比不同位置处的漏风速度矢量图可以发现,漏风位置越靠近掌子面,其上游的涡流强度越明显,而漏洞位置越靠近隧道洞口,其下游的风速和风量增加越明显。

图4 风管漏风条件下隧道内的风速分布图Fig.4 Velocity distribution in tunnel under different air leakage conditions

3.2 漏风面积对瓦斯分布的影响规律

根据上述规律可知,风管的漏风面积对隧道内的瓦斯分布影响颇大。为了定量地探究漏风面积对瓦斯分布的影响作用,提取不同漏洞半径下隧道内平均瓦斯浓度随隧道轴向距离的变化曲线,其中漏洞半径0 cm为无漏风的对照组,如图5所示。

图5 不同漏洞半径下瓦斯浓度轴向变化曲线Fig.5 Axial curves of gas concentration with different leak radius

如图5所示,在风管无漏风条件下,平均瓦斯浓度随着与掌子面距离的增加而迅速增加,至风管出风口距离处达到最大值。结合图4所示的速度矢量图分析认为,这是由于该区域存在较强的涡流现象,从而导致瓦斯气体在此区域出现聚集并导致浓度升高;随着与掌子面距离的继续增加,平均瓦斯浓度呈现出先降低而后缓慢升高至稳定的变化趋势,最后平均瓦斯浓度稳定在0.69%。当风管上存在1#和2#漏洞时,掌子面到出风口区段内的瓦斯变化趋势有所变缓,分析认为这是由于漏风作用减少了风管出风口的风量从而导致该区段的涡流强度减弱所致。在风管漏风处,平均瓦斯浓度急剧降低,浓度降低的幅度随漏洞半径的增加而增大、随掌子面的距离增加而增大。进一步观察图5可以发现,在漏洞的上游瓦斯浓度出现小幅升高的现象。

为了定量描述风管漏洞面积对上游瓦斯浓度增加和下游浓度减小的影响规律,定义两组瓦斯浓度增量ΔC。对于上游瓦斯浓度的增加,定义其瓦斯浓度增量ΔC=Cmax-Ccontrol,其中,Cmax为漏风组最大瓦斯浓度,Ccontrol为对照组瓦斯浓度;对于下游瓦斯浓度的减小,定义其相对瓦斯浓度增量ΔC=对照组瓦斯浓度—漏风组最低瓦斯浓度,并绘制图6所示的瓦斯浓度增量随漏洞半径的变化曲线。

图6 瓦斯浓度增量随漏洞半径的变化曲线Fig.6 Curves of gas concentration increment with leak radius

如图6所示,瓦斯浓度增量ΔC随着漏洞半径的增加而呈现线性增加的趋势。其中,漏洞处上游瓦斯浓度随漏洞半径增加的斜率较漏洞处下游瓦斯浓度随半径增加而减小的斜率偏小;且在相同漏洞半径条件下,上游瓦斯浓度的增量远小于下游瓦斯浓度减小的增量。比较1#和2#漏风处的瓦斯浓度增量变化曲线可知,1#漏洞处上游瓦斯浓度增加的斜率稍大于2#漏洞处的斜率;但1#漏洞处下游瓦斯浓度减小的斜率小于2#漏洞处的斜率。

上述瓦斯浓度变化规律表明,风管漏风面积越大,漏风处上游瓦斯聚集的现象越明显,且漏风处下游对瓦斯的稀释作用越大,且两个变化趋势均随着漏风面积的增加呈线性增加。

3.3 漏风位置对瓦斯分布的影响规律

根据图3和图4的瓦斯浓度分布云图可知,风管漏风的位置对隧道内瓦斯分布也具有较大的影响作用。本次模拟分别选择距离掌子面15、20、30、50、90 m处设置5个半径均为20 cm的漏洞,对比分析风管有无漏风条件下瓦斯浓度随轴向距离的变化规律,如图7所示。

图7 不同漏洞位置的瓦斯浓度变化曲线Fig.7 Curves of gas concentration with different axial positions

由图7可知,风管漏风处相对与无漏风条件均存在上游瓦斯浓度升高和下游瓦斯浓度骤降的现象,且风管漏风条件下隧道内平均瓦斯浓度普遍高于无漏风条件。进一步观察图7发现,随着漏洞与掌子面距离的增大,漏洞处上游瓦斯浓度增加的现象逐渐减弱,而漏洞下游瓦斯浓度骤降的现象却愈加明显。同样采用ΔC来定量描述漏洞位置对瓦斯浓度的影响规律,如图8所示。

图8 瓦斯浓度增量随漏洞位置的变化曲线Fig.8 Curves of gas concentration increment with leak positions

由图8可知,漏风处上游瓦斯浓度增量ΔC随漏风与掌子面的轴向距离L呈指数关系减小,而漏风处下游瓦斯浓度降低的增量ΔC随漏风与掌子面的轴向距离L呈指数关系增大。结合图4的速度分布图分析可知,当漏风位置越靠近掌子面时,由漏风引起的上游涡流强度越大,从而导致该区域瓦斯更容易聚集;当漏风位置远离掌子面时,漏风处上游涡流强度越弱,但漏风射流强度越大,从而导致下游瓦斯更容易被稀释和扩散。根据上述规律表明,当风管漏风位置越靠近掌子面时,更加需要注意漏风处上游拱顶处的瓦斯浓度,加强该区域瓦斯浓度监测,防治瓦斯在该区域聚集超标诱导灾害的发生。

4 结论

(1)在风管出风口射流的作用下,隧道掌子面靠近风管一侧无瓦斯聚集,但隧道中部及风管对侧由于涡流的作用出现瓦斯聚集现象。

(2)风管漏风面积越大,漏风处上游瓦斯聚集的程度越明显,且漏风处下游瓦斯的稀释与扩散程度越显著,两者均随着漏风面积的增加呈线性增加。

(3)风管漏风位置越靠近掌子面漏风处上游瓦斯聚集的程度越明显,瓦斯聚集的增量随轴向距离呈指数减小的关系;而风管位置越远离掌子面漏风处下游瓦斯的稀释与扩散程度越显著,瓦斯浓度减小的程度随轴向距离呈指数增大的关系。