隧道通風(fēng)管道布置參數(shù)對瓦斯運(yùn)移特性的影響

周 洋， 趙 宇， 張志強(qiáng)， 蒲 實(shí)， 張 恒*

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司第五工程分公司， 武漢 430011； 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031；3.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)分公司， 成都 610000)

瓦斯災(zāi)害是隧道修建過程中嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，如果瓦斯隧道施工通風(fēng)不足以稀釋和排除通過巖石節(jié)理、裂隙或揭煤時(shí)溢出的大量瓦斯，一旦達(dá)到瓦斯爆炸的條件(瓦斯、氧氣、火源)而發(fā)生瓦斯爆炸，將會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失[1-2]。目前，針對瓦斯隧道施工通風(fēng)問題，中外學(xué)者進(jìn)行了一定的研究。何聰[3]針對特長高瓦斯隧道施工通風(fēng)問題，提出了主副斜井射流巷道式通風(fēng)方案，為特長高瓦斯隧道的通風(fēng)問題提供了參考。劉春等[4]利用Fluent軟件研究了風(fēng)管位置對超大斷面隧道瓦斯?jié)舛鹊挠绊懬闆r，并確定了風(fēng)管在隧道最佳的安裝位置。李枝文[5]采用數(shù)值模擬方法，研究了高瓦斯隧道內(nèi)風(fēng)流場分布規(guī)律及瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，為瓦斯隧道通風(fēng)方式的選擇提供了一定的指導(dǎo)。舒東利等[6]為解決特長高瓦斯隧道運(yùn)營通風(fēng)難題，發(fā)現(xiàn)斜井排出式運(yùn)營通風(fēng)方案能快速排出瓦斯氣體。謝光明[7]通過瓦斯隧道數(shù)學(xué)模型研究高瓦斯隧道通風(fēng)技術(shù)，結(jié)果表明瓦斯?jié)舛茸罡唿c(diǎn)為隧道斷面頂點(diǎn)?？敌”萚8]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值計(jì)算軟件對瓦斯隧道施工期間不同通風(fēng)風(fēng)速降低瓦斯體積分?jǐn)?shù)效果進(jìn)行了模擬計(jì)算。張?jiān)讫埖萚9]通過對瓦斯隧道內(nèi)不同位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測，發(fā)現(xiàn)采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)時(shí)，工作面負(fù)壓區(qū)的存在有利于瓦斯的稀釋。劉釗春等[10]利用數(shù)值計(jì)算軟件ADINA的計(jì)算流體力學(xué)模塊，研究了瓦斯隧道施工通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)時(shí)工作面附近的瓦斯分布規(guī)律。袁帥[11]以營盤山隧道為研究背景，通過數(shù)值模擬研究了附壁射流、瓦斯運(yùn)移等問題。張恒等[12]利用CFD數(shù)值模擬軟件研究了高瓦斯隧道施工通風(fēng)過程中風(fēng)機(jī)布置方式對施工通風(fēng)效果的影響。劉輝等[13]將危險(xiǎn)與可操作性分析用于瓦斯隧道施工通風(fēng)的研究中，提高了瓦斯隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)安全分析的科學(xué)完整性。羅燕平等[14]利用現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬對通風(fēng)效果的分析，表明風(fēng)倉接力通風(fēng)能較好地控制隧道工作面所需風(fēng)量，保證工作面的排污效果。張磊等[15]應(yīng)用CFD數(shù)值計(jì)算軟件對風(fēng)流場下瓦斯氣體的遷移和分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析。吳謹(jǐn)[16]以鷓鴣山隧道為研究背景，探究了瓦斯排出效果最佳的風(fēng)機(jī)布置位置。Li等[17]建立了隧道空氣甲烷流動(dòng)的多組分LBM-LES模型，發(fā)現(xiàn)LBM模型的計(jì)算效果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Yan等[18]研究了通風(fēng)管道橫向和縱向出口位置對隧道瓦斯運(yùn)移的影響，結(jié)果表明，通風(fēng)管道的最佳出口位置為距離上部臺階掘進(jìn)面20 m，靠近隧道拱頂。Shinji[19]采用模型試驗(yàn)對隧道掘進(jìn)工作面瓦斯溢出進(jìn)行了研究，分析了不同風(fēng)管懸掛位置對瓦斯?jié)舛确植嫉挠绊?。Hargreaves等[20]對隧道開挖過程中通風(fēng)方案進(jìn)行了研究，探討了工作面粉塵及有害氣體的分布規(guī)律。

圖1 隧道通風(fēng)示意圖Fig.1 Tunnel ventilation diagram

合理的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置不但能夠高效的排出洞內(nèi)的污風(fēng)，而且還能節(jié)約能源，降低工程成本。隧道內(nèi)瓦斯的濃度是影響隧道內(nèi)工作環(huán)境的重要因素之一，前人對于瓦斯隧道通風(fēng)管道的研究大部分只考慮了單一因素，而瓦斯體積分?jǐn)?shù)受瓦斯涌出量、通風(fēng)量大小、風(fēng)管直徑、風(fēng)管出口距工作面的距離、風(fēng)管懸掛位置、風(fēng)管貼壁間隙等因素的影響，在其他條件不變的情況下，瓦斯涌出量只會(huì)影響隧道相同位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)的大小，其規(guī)律不會(huì)發(fā)生變化。因此現(xiàn)以牛峒山隧道為依托，針對通風(fēng)管道的多種參數(shù)，對隧道獨(dú)頭施工通風(fēng)風(fēng)管的布置進(jìn)行優(yōu)化，以得出風(fēng)管的最佳組合方式。

1 依托工程概況

牛峒山隧道位于浦梅鐵路楊源站至連城站區(qū)間，線路總體由南到北方向，為單線鐵路隧道，采用礦山法施工。 隧道全長3 022 m，最大埋深約205 m，隧道斷面高度7.41 m，斷面寬度8.20 m，斷面面積58.96 m2。隧道全線Ⅴ級圍巖1 062 m，Ⅳ級圍巖1 330 m，Ⅲ級圍巖630 m。經(jīng)前期地質(zhì)勘測發(fā)現(xiàn)，隧道通過地層中含炭質(zhì)頁巖和煤層，會(huì)產(chǎn)生瓦斯等有害氣體，有害氣體會(huì)沿著巖石節(jié)理、裂隙溢出，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)隧道瓦斯涌出量為0.5 m3/min，根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120—2019)判定該隧道為低瓦斯隧道。全隧預(yù)測瓦斯發(fā)生的長度為2 070 m，占全隧的68.5%。隧道共分進(jìn)口、出口2個(gè)工區(qū)，進(jìn)口工區(qū)施工2 192 m，出口工區(qū)施工830 m，進(jìn)出口兩個(gè)低瓦斯工區(qū)均采用壓入式通風(fēng)，如圖1所示。

2 數(shù)值模型

獨(dú)頭施工通風(fēng)條件下，以進(jìn)口工區(qū)為例，根據(jù)牛峒山隧道實(shí)際輪廓建立長200 m的隧道模型。利用前處理軟件Gambit對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Fluent軟件的三維非穩(wěn)態(tài)組分輸運(yùn)模型進(jìn)行求解，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程模型進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬的邊界條件如下。

(1)進(jìn)口邊界。風(fēng)管出口采用velocity-inlet速度入口邊界，風(fēng)流方向垂直風(fēng)管口射向工作面，出口速度取20.59 m/s。

(2)出口邊界。隧道出口采用outflow自由出流邊界條件。

(3)壁面邊界。隧道內(nèi)所有壁面均定義為wall 壁面絕熱無滑移邊界條件。粗糙高度(roughness height)設(shè)置為0.08 m，粗糙常數(shù)(roughness constant)設(shè)置為0.5[21]。

(4)瓦斯源項(xiàng)。有毒氣體瓦斯的涌出采用瓦斯源項(xiàng)進(jìn)行處理，建模時(shí)在隧道工作面前方設(shè)置厚0.1 m的薄層體積空間作為瓦斯釋放源。瓦斯隧道整體模型如圖2所示。

圖3 距工作面不同距離斷面瓦斯分布Fig.3 Gas distribution in sections at different distances from working face

3 風(fēng)管布置方式優(yōu)化

3.1 風(fēng)管直徑對瓦斯分布的影響

對于隧道確定的瓦斯涌出量，供風(fēng)量確定之后，具體選擇多大直徑的風(fēng)管還沒有相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)管直徑大，則初始射流斷面大，射流初始斷面及射流速度發(fā)生變化，必然影響風(fēng)流場規(guī)律，從而使隧道內(nèi)不同斷面瓦斯的擴(kuò)散規(guī)律發(fā)生變化。在風(fēng)管距工作面5 m，懸掛在隧道拱肩位置的前提下，分別對風(fēng)管直徑為1.5、1.8、2.0 m的3個(gè)工況(分別記為工況一、工況二及工況三)進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算。計(jì)算收斂后，對距離工作面不同距離斷面上瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析。3種風(fēng)管直徑下不同距離斷面瓦斯體積分?jǐn)?shù)云圖如圖3所示，可以看出，斷面距工作面的距離越近，瓦斯體積分?jǐn)?shù)的梯度越大，距工作面距離越遠(yuǎn)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)的梯度越小。在靠近工作面10 m的范圍內(nèi)，瓦斯主要積聚在遠(yuǎn)離風(fēng)管異側(cè)的拱腳位置，隨著距離的增加，瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大區(qū)域逐漸向風(fēng)管位置移動(dòng)。3種工況各斷面上的瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律基本相同，隨著風(fēng)管直徑的增加，斷面上的瓦斯體積分?jǐn)?shù)更低。

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

圖4為3種風(fēng)管直徑下斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿隧道縱向的變化曲線，可知：在通風(fēng)穩(wěn)定狀態(tài)之后，距離工作面約50 m范圍內(nèi)各斷面上的平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)有較大波動(dòng)，50 m之后瓦斯體積分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定，并且不同風(fēng)管直徑，瓦斯在隧道內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定所需要的距離基本相同，大約為50 m。隨著風(fēng)管直徑的增大，不同工況下的相同斷面上的瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)都有所減小。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)工況三工作面上的瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)為工況一的0.87倍，工況二為工況一的0.93倍，而工況一風(fēng)管直徑是工況三的0.75倍，工況一是工況二的0.83倍，因此可知風(fēng)管直徑減小倍數(shù)小于工作面上瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)減小的倍數(shù)，即風(fēng)管直徑的增加會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定狀態(tài)工作面上瓦斯體積分?jǐn)?shù)的減小，且瓦斯體積分?jǐn)?shù)減小的程度遠(yuǎn)小于風(fēng)管直徑增加的程度。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在工作面50 m范圍內(nèi)，基本呈現(xiàn)風(fēng)管直徑越大，瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布越不均勻。在50 m之后，隧道內(nèi)部瓦斯體積分?jǐn)?shù)的不均勻分布程度幾乎不發(fā)生任何改變。

圖4 斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿隧道縱向的變化曲線Fig.4 The curve of the average gas volume fraction in section along the longitudinal direction of tunnel

綜上，風(fēng)管直徑對于工作面上瓦斯體積分?jǐn)?shù)具有顯著的影響。風(fēng)管直徑越大，隧道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)越小，因此在通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能選擇較大直徑的風(fēng)管。

3.2 風(fēng)管懸掛位置對瓦斯分布的影響

研究風(fēng)管懸掛位置對隧道內(nèi)瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的影響時(shí)，除風(fēng)管懸掛位置變化外，保持風(fēng)管直徑1.8 m，風(fēng)管距工作面5 m。分別對風(fēng)管懸掛于隧道拱肩、拱腳和拱頂三個(gè)位置對應(yīng)的工況(分別記為工況四、工況五及工況六)進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算。3種工況的不同斷面瓦斯體積分?jǐn)?shù)云圖如圖5所示，當(dāng)風(fēng)管位于拱肩時(shí)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高的位置處于風(fēng)管異側(cè)的拱腳處，而風(fēng)管射流出口正對的工作面位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)最小，瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布呈現(xiàn)出從風(fēng)管側(cè)向風(fēng)管異側(cè)拱腳增大的規(guī)律，瓦斯容易在風(fēng)管異側(cè)的拱腳位置發(fā)生聚集。從隧道縱向上來看，隧道在距工作面10 m范圍內(nèi)，各斷面上瓦斯的總體分布趨勢與工作面上的分布規(guī)律相似，距工作面10 m之后，斷面瓦斯體積分?jǐn)?shù)梯度逐漸減小，瓦斯分布逐漸趨于均勻。當(dāng)風(fēng)管位于拱頂時(shí)，物理模型具有沿?cái)嗝嬷行木€的對稱性，因此在斷面上瓦斯分布也呈現(xiàn)沿著斷面中心線的對稱趨勢。在10 m范圍內(nèi)，拱頂瓦斯的濃度小，遠(yuǎn)離拱頂且靠近隧道底板瓦斯體積分?jǐn)?shù)大，10 m之后，瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大位置逐漸向拱頂移動(dòng)，最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)位于拱頂處。隨著距離的增加，高瓦斯區(qū)域瓦斯逐漸消散，其范圍越來越小，斷面瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布也逐漸趨近于均勻。當(dāng)風(fēng)管位于拱腳時(shí)，在工作面附近，斷面上瓦斯體積分?jǐn)?shù)基本呈現(xiàn)從風(fēng)管位置到風(fēng)管異側(cè)拱肩位置逐漸增大的趨勢，隨著距離的增加，瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出風(fēng)管位置到風(fēng)管異側(cè)拱肩位置這條直線上瓦斯體積分?jǐn)?shù)較高，并基本逐漸向風(fēng)管位置轉(zhuǎn)移。隨后，瓦斯體積分?jǐn)?shù)較高區(qū)域又回歸到拱頂位置。

圖5 距工作面不同距離斷面瓦斯分布Fig.5 Gas distribution in sections at different distances from working face

圖6為3種工況下斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿隧道縱向的變化曲線，可知：在離工作面5 m范圍內(nèi)，風(fēng)管位于拱腳時(shí)，工作面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.014 94%；風(fēng)管位于拱頂時(shí)，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.011 47%；風(fēng)管位于拱肩時(shí)，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.011 57%。隨著距離的增加，風(fēng)管位于拱腳時(shí)在5～30 m斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，到30 m時(shí)斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在0.010%左右，風(fēng)管位于拱頂和拱肩時(shí)在5～30 m斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，到30 m時(shí)斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別穩(wěn)定在0.013%和0.014%左右。因此在工作面5 m之內(nèi)，風(fēng)管位于拱腳的斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)比風(fēng)管位于拱頂?shù)钠骄咚贵w積分?jǐn)?shù)高30%，比風(fēng)管位于拱肩高29%；在距工作面30 m之后，風(fēng)管位于拱腳的斷面瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)比風(fēng)管位于拱頂?shù)钠骄咚贵w積分?jǐn)?shù)低23%，比風(fēng)管位于拱肩低26%。風(fēng)管位于拱腳時(shí)，斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先增加再減小的變化規(guī)律，這與風(fēng)管位于拱肩與拱頂?shù)耐咚乖谒淼揽v向上的變化規(guī)律略有不同。這可能是風(fēng)管位于拱腳時(shí)，射流風(fēng)流不僅受到隧道拱墻的影響，還受隧道底板的影響較大。

圖6 斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿隧道縱向的變化曲線Fig.6 The curve of the average gas volume fraction in section along the longitudinal direction of tunnel

通過對瓦斯體積分?jǐn)?shù)的分析很難用斷面瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)這一個(gè)指標(biāo)判斷風(fēng)管布設(shè)在哪個(gè)位置更合適，還必須綜合分析工作面處風(fēng)流場特點(diǎn)，施工效率等因素才能得出較好的結(jié)果。雖然隧道后段風(fēng)管布置在拱頂更有利排出瓦斯，但是在工作面附近瓦斯體積分?jǐn)?shù)較高，并且考慮施工條件，風(fēng)管通常都不布置在拱頂，因?yàn)椴贾迷诠绊敳焕谶\(yùn)渣車及臺車的移動(dòng)，影響施工效率，而且工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)應(yīng)該盡可能低。

由于工作面附近射流風(fēng)流與回流風(fēng)流導(dǎo)致的風(fēng)流場極其復(fù)雜，并且工作面附近范圍內(nèi)是隧道向前推進(jìn)的主要作業(yè)區(qū)域，機(jī)械設(shè)備、人員較多，是瓦斯隧道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)重點(diǎn)管理的區(qū)域，因此該區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)應(yīng)該盡可能低。

綜合來看，風(fēng)管布置在拱肩處在工作面附近有較好的瓦斯排出效果，施工風(fēng)險(xiǎn)低。

3.3 風(fēng)管出口距工作面距離對瓦斯分布的影響

研究風(fēng)管出口距工作面的距離對隧道內(nèi)瓦斯分布規(guī)律的影響時(shí)，依然取風(fēng)管直徑1.8 m，懸掛在隧道拱肩位置，分別對風(fēng)管出口距離工作面5、15、25 m共3個(gè)工況(分別記為工況七、工況八及工況九)進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算。

圖7 距工作面不同距離斷面瓦斯分布Fig.7 Gas distribution in sections at different distances from working face

圖7為3種工況下距離斷面瓦斯體積分?jǐn)?shù)云圖，可以看出：當(dāng)風(fēng)管距離工作面為5 m時(shí)，由于射流距離短，射流沒有得到充分發(fā)展，可以看到工作面處的瓦斯只是在射流風(fēng)流周圍瓦斯降低的比較明顯，瓦斯主要積聚在遠(yuǎn)離風(fēng)管異側(cè)拱腳位置，其他位置的瓦斯分布相對均勻。在靠近工作面5～10 m范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出風(fēng)管到風(fēng)管異側(cè)拱腳處這一條線的瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大，到靠近工作面20 m處風(fēng)管異側(cè)拱腳瓦斯開始消散。當(dāng)風(fēng)管出口距工作面的距離為15～25 m時(shí)，各斷面瓦斯分布規(guī)律相似，由于射流距離長，射流與周圍空氣不斷發(fā)生質(zhì)量、動(dòng)量交換，將周圍空氣不斷吸進(jìn)來，使射流的斷面不斷增加，導(dǎo)致射流的吸卷作用得到充分發(fā)揮，因此可以看到工作面處射流周圍很大一塊區(qū)域的瓦斯體積分?jǐn)?shù)都降的很低，瓦斯僅僅只是在風(fēng)管異側(cè)拱腳很小的區(qū)域內(nèi)較大。隨著斷面距工作面距離的增加，瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大的區(qū)域逐漸向上轉(zhuǎn)移，最終瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值出現(xiàn)在拱頂處。因此對于指導(dǎo)瓦斯隧道安全施工方面，在離開工作面一定距離后，瓦斯監(jiān)控的重點(diǎn)應(yīng)該是拱頂位置。

圖8為3種工況下斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿隧道縱向的變化曲線，可知：風(fēng)管出口距離工作面的距離不同，瓦斯穩(wěn)定所需要的距離也不同，工況七在距離工作面30 m處基本達(dá)到穩(wěn)定，工況八與工況九在距離工作面100 m處基本達(dá)到穩(wěn)定。工況七工作面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.011 47%，工況八為0.011 56%，工況九為0.011 73%，工況七比工況八低0.78%，比工況九低2.2%。穩(wěn)定狀態(tài)后，工況七斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.012 8%左右，工況八為0.013 1%，工況九為0.013 2%，工況七比工況八低1.1%，比工況九低3.0%。綜上可看出，隨著風(fēng)管出口距工作面的距離減小，各斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)都有所降低。

隨著風(fēng)管出口距工作面距離的減小，隧道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨之減小，并且瓦斯在斷面上的分布也越均勻，越不易發(fā)生瓦斯的局部積聚現(xiàn)象。因此隧道施工通風(fēng)中應(yīng)盡可能地使風(fēng)管口靠近工作面。

圖8 斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿隧道縱向的變化曲線Fig.8 The curve of the average gas volume fraction in section along the longitudinal direction of tunnel

圖9 距工作面不同距離斷面瓦斯分布Fig.9 Gas distribution in sections at different distances from working face

3.4 風(fēng)管貼壁程度對瓦斯分布的影響

研究風(fēng)管貼壁間隙對隧道內(nèi)瓦斯分布規(guī)律的影響時(shí)，取風(fēng)管直徑1.8 m，風(fēng)管距工作面5 m，風(fēng)管懸掛在拱頂位置，分別對風(fēng)管貼壁間隙為0.2、0.5和0.8 m共3個(gè)工況(分別記為工況十、工況十一及工況十二)進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算。

圖9為不同斷面瓦斯體積分?jǐn)?shù)云圖，可以看出：此時(shí)風(fēng)管位于拱頂，由于模型的對稱性，在隧道斷面上的瓦斯分布關(guān)于斷面中心線對稱。在工作面，瓦斯體積分?jǐn)?shù)最小的地方處于風(fēng)管風(fēng)流射出的位置，最大的地方處于風(fēng)管正對的底板的位置，呈現(xiàn)出從隧道拱頂?shù)降装逯饾u增大的分布規(guī)律，瓦斯在底板中間位置產(chǎn)生聚集。隨著距工作面距離的增大，瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大的地方逐漸向上轉(zhuǎn)移，瓦斯體積分?jǐn)?shù)較小的地方基本處于隧道底板位置，瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大的地方基本處于風(fēng)管周圍，瓦斯容易在風(fēng)管附件位置產(chǎn)生聚集。在風(fēng)管出口到工作面范圍內(nèi)，貼壁程度為0.2 m時(shí)，風(fēng)管頂端到拱頂壁面近，射流風(fēng)流從風(fēng)管出口射出后幾乎緊貼隧道壁面射向工作面，風(fēng)管頂端與拱頂之間的空間瓦斯體積分?jǐn)?shù)很低，貼壁程度由0.2 m增加到0.5 m和0.8 m時(shí)，風(fēng)管頂端與拱頂之間的空間瓦斯體積分?jǐn)?shù)增加。

圖10為斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿隧道縱向的變化曲線，可知：當(dāng)貼壁程度為0.5 m時(shí)，斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)明顯低于其他貼壁程度，風(fēng)管頂端離隧道拱頂?shù)木嚯x太近或太遠(yuǎn)，隧道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)越高，斷面瓦斯分布均勻性也越差。由此可以得出，風(fēng)管貼隧道壁面距離不宜過近或過遠(yuǎn)，中等距離更有利于瓦斯的排出。

圖10 斷面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)沿隧道縱向的變化曲線Fig.10 The curve of the average gas volume fraction in section along the longitudinal direction of tunnel

4 結(jié)論

(1)風(fēng)管直徑對于工作面上瓦斯體積分?jǐn)?shù)場具有顯著的影響。風(fēng)管直徑減小會(huì)導(dǎo)致隧道空間瓦斯體積分?jǐn)?shù)增加，且瓦斯體積分?jǐn)?shù)增加的程度遠(yuǎn)大于風(fēng)管直徑減小的程度，因此在實(shí)際工程應(yīng)盡可能選擇較大直徑的風(fēng)管。

(2)由于工作面附近射流風(fēng)流與回流風(fēng)流導(dǎo)致的風(fēng)流場極其復(fù)雜，并且工作面附近范圍內(nèi)是隧道向前推進(jìn)的主要作業(yè)區(qū)域，機(jī)械設(shè)備、人員較多是瓦斯隧道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)重點(diǎn)管理的區(qū)域，因此該區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)應(yīng)該盡可能低。綜合來看，風(fēng)管布置在拱肩處更有利于瓦斯的排出和保障隧道安全施工。

(3)隨著風(fēng)管出風(fēng)口距離工作面距離的不斷減小，隧道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)越低，并且隧道內(nèi)部空間瓦斯分布越均勻，越不易發(fā)生瓦斯的局部積聚現(xiàn)象。因此實(shí)際施工通風(fēng)中應(yīng)使風(fēng)管出風(fēng)口盡可能靠近工作面。

(4)風(fēng)管頂端離隧道拱頂?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，隧道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)越高，斷面瓦斯分布均勻性也越差。由此可以看出，風(fēng)管貼近隧道壁面有利于瓦斯的排出。通過對風(fēng)管直徑、風(fēng)管懸掛位置、風(fēng)管出口距工作面的距離、風(fēng)管貼壁間隙對瓦斯分布規(guī)律的影響，在單因素試驗(yàn)情況下，可以看出風(fēng)管的最佳組合方式為風(fēng)管直徑為1.8 m，風(fēng)管位置為拱肩，風(fēng)管出口距工作面的距離為5 m，貼壁程度為0.5 m。