組合式通風(fēng)對(duì)特長(zhǎng)高瓦斯隧道瓦斯分布規(guī)律的影響

張宗龍, 丁 浩,, 胡 超, 孫梨花, 程 亮

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400074; 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067)

在現(xiàn)代化交通路網(wǎng)中,特長(zhǎng)隧道已成為穿越山嶺、跨越高原的重要交通設(shè)施[1]。而在隧道修建過(guò)程中,可能會(huì)穿越含有各種有害氣體的煤系地層,其中瓦斯是最常見(jiàn)的有害氣體。隧道修建過(guò)程若遇瓦斯往往會(huì)采用多層防護(hù)措施,但因瓦斯壓力的存在和施工質(zhì)量等問(wèn)題,隧道運(yùn)營(yíng)中的瓦斯?jié)舛瓤赡軙?huì)超過(guò)安全范圍值[2]。隧道中存在高瓦斯不僅會(huì)引發(fā)爆炸事故,還會(huì)導(dǎo)致人員窒息甚至死亡。因此,研究瓦斯隧道通風(fēng)技術(shù)非常重要。

針對(duì)瓦斯隧道通風(fēng)方法,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了系列研究。Chow[3]首次利用數(shù)值模擬軟件研究了公路隧道內(nèi)瓦斯氣體體積分?jǐn)?shù)的擴(kuò)散模型,豐富了隧道瓦斯分布研究的理論基礎(chǔ);Rudin[4]采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了公路隧道在施工開(kāi)挖過(guò)程中瓦斯的分布和擴(kuò)散規(guī)律,并提出了一系列改善性技術(shù)措施; Tomita等[5]通過(guò)相似試驗(yàn)研究,模擬了單頭掘進(jìn)式隧道在掘進(jìn)過(guò)程中掌子面均勻涌出的瓦斯的分布及擴(kuò)散規(guī)律,并創(chuàng)新性地對(duì)比分析了風(fēng)筒布設(shè)于不同位置時(shí)隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊姆植技皵U(kuò)散規(guī)律;雷升祥[6]依托華鎣山隧道首次系統(tǒng)闡述了瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)方法等關(guān)鍵技術(shù),對(duì)后期建設(shè)的瓦斯隧道施工通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了良好的指導(dǎo)作用;康小兵、劉江、彭佩等[7-9]研究了射流風(fēng)機(jī)布設(shè)參數(shù)對(duì)隧道內(nèi)氣體流場(chǎng)和瓦斯分布規(guī)律的影響;王林峰等[10]運(yùn)用Fluent探究了隧道中溫濕度環(huán)境對(duì)瓦斯的分布影響,并提出了優(yōu)化源濕度值的方法;張洪旭、邱童春[11-12]分別對(duì)盾構(gòu)隧道和螺旋隧道施工過(guò)程中的瓦斯擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究;馮森[13]依托桐梓隧道運(yùn)用Fluent建立模型,研究了瓦斯在時(shí)空上的分布規(guī)律,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證優(yōu)化瓦斯?jié)舛燃帮L(fēng)速的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法;王逸等[14]運(yùn)用智能通風(fēng)技術(shù),研究了低壓缺氧瓦斯隧道中施工通風(fēng)效果。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道瓦斯通風(fēng)進(jìn)行了較為深入的研究,并取得豐碩的成果,但大多考慮的是風(fēng)機(jī)、溫濕度環(huán)境等單一因素對(duì)隧道通風(fēng)的影響,沒(méi)有綜合考慮組合式通風(fēng)的共同作用。

為此,本文以寧纏隧道為依托,運(yùn)用流體計(jì)算軟件Fluent對(duì)該隧道進(jìn)行數(shù)值建模,研究在自然通風(fēng)+豎井通風(fēng)、自然通風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)、自然通風(fēng)+豎井通風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)等3種不同組合方式下的通風(fēng)系統(tǒng),得出運(yùn)營(yíng)期隧道瓦斯的運(yùn)移分布規(guī)律。模擬結(jié)果可為特長(zhǎng)高瓦斯隧道的通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提供參考,為隧道安全運(yùn)營(yíng)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

寧纏隧道位于青海省門源縣仙米鄉(xiāng),為2車道雙向分離式隧道。隧道左線起訖里程樁號(hào)為ZK37+140～ZK43+164,總長(zhǎng)6 024.0 m;右線起訖里程樁號(hào)為YK37+190～YK43+133,總長(zhǎng)5 943.0 m。該隧道位于構(gòu)造剝蝕中、高山地貌區(qū),隧址區(qū)最大海拔高程4 122.0 m,最低海拔3 460.0 m,隧道洞底最大埋深約544.0 m,總長(zhǎng)6 024.0 m,隧址區(qū)地形起伏大,最大相對(duì)高差約662.0 m,為典型的特長(zhǎng)高瓦斯隧道。隧道左線剖面示意如圖1所示。

圖1 隧道部分地質(zhì)縱斷面

隧道設(shè)計(jì)采用自然通風(fēng)、豎井通風(fēng)及射流風(fēng)機(jī)組合通風(fēng)形式。隧道走向?yàn)槲鞅敝廖髂舷?坡比為1.93%,隧道洞口位置常年刮西北風(fēng),風(fēng)速5 m/s～10 m/s;單洞設(shè)置3組共24臺(tái)射流風(fēng)機(jī),沿隧道入口至出口方向依次布設(shè)分為左部(8臺(tái))、中部(8臺(tái))、右部(8臺(tái))部分,射流風(fēng)機(jī)高度為5 m、單臺(tái)風(fēng)速達(dá)15 m/s;隧道左線豎井布置在ZK38+440處,位于左部風(fēng)機(jī)與中部風(fēng)機(jī)之間。隧道左線射流風(fēng)機(jī)布置示意如圖2所示。

2 計(jì)算模型建立

2.1 Fluent軟件

Fluent軟件是ANSYS公司開(kāi)發(fā)的一款計(jì)算流體力學(xué)軟件。它基于數(shù)值方法和物理模型,通過(guò)離散化流體域并求解相應(yīng)的方程組來(lái)模擬流體行為,能提供豐富的前處理和后處理功能,使用戶能夠創(chuàng)建復(fù)雜的幾何模型、定義邊界條件、選擇適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?并能對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化和分析,因此,本文采用數(shù)值模擬軟件Fluent研究分析隧道瓦斯運(yùn)移規(guī)律。

圖2 射流風(fēng)機(jī)布置示意

2.2 計(jì)算模型

1) 網(wǎng)格模型

根據(jù)寧纏隧道左線實(shí)際尺寸建立計(jì)算模型,并在隧道模型上截取6個(gè)不同斷面用于監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù),如圖3所示。計(jì)算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,便于處理不規(guī)則模型及邊界問(wèn)題,總體區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量為600萬(wàn)個(gè)。

圖3 單邊隧道網(wǎng)格模型(含豎井以及射流風(fēng)機(jī))

2) 邊界條件

隧道進(jìn)洞口設(shè)置為自然風(fēng)的入口邊界,類型為mass-flow-inlet;隧道出洞口設(shè)置為出口邊界,類型為pressure-outflow,大小設(shè)置為0 Pa,即與大氣相接。射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口設(shè)置為入口邊界,類型為mass-flow-inlet,速度為15 m/s。隧道內(nèi)所有的邊界類型都為固定的、不可滲透的邊界,隧道壁面粗糙高度和粗糙常數(shù)分別取0.05 m、0.5[15]。

3) 控制方程

通風(fēng)稀釋瓦斯的過(guò)程包括空氣與瓦斯對(duì)流以及空氣紊流流動(dòng)引起的瓦斯紊流擴(kuò)散,而瓦斯紊流擴(kuò)散問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型控制方程有連續(xù)方程式(1)、動(dòng)量方程式(2)、能量方程式(3)以及組分運(yùn)輸方程式(4)。速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的精度對(duì)計(jì)算流場(chǎng)有很大影響,經(jīng)過(guò)對(duì)比,本文采用軟件自帶標(biāo)準(zhǔn)k-ε[16]湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

(1) 連續(xù)性方程

(1)

式中:ρ為空氣密度,kg/m3;ui為速度分量,m/s;xi為坐標(biāo)軸方向,i=1,2,3。

(2) 動(dòng)量方程

(2)

(3) 能量方程

(3)

式中:T為空氣溫度,K;Pr為充分湍流時(shí)的普朗特?cái)?shù);q為熱流密度, W/m;cp為空氣定壓比熱,J/(kg·K);μt為湍流動(dòng)力粘性系數(shù),Pa·s。

(4) 組分運(yùn)輸方程

(4)

式中:cη為物質(zhì)組分η的體積濃度,%;Dη為物質(zhì)組分η的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;Sη為單位時(shí)間內(nèi)組分η的生成率。

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-02—2014)[17]規(guī)定,在隧道運(yùn)營(yíng)期間,瓦斯?jié)舛葢?yīng)<0.5%,若>0.5%時(shí),瓦斯與空氣易形成可燃混合物,發(fā)生爆炸的概率會(huì)增加。為了使瓦斯排放后下游的瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi),分別計(jì)算了在隧道ZK38+692斷面左拱肩位置處設(shè)置不同的瓦斯涌出量x時(shí),研究不同通風(fēng)方案對(duì)隧道瓦斯分布規(guī)律的影響,現(xiàn)擬定12種不同的工況,如表1所示。

表1 工況設(shè)計(jì)

3 不同通風(fēng)方案下隧道內(nèi)瓦斯運(yùn)移規(guī)律

12種模擬工況較多,結(jié)果僅列出每種通風(fēng)方案下通風(fēng)效果最差和最優(yōu)的2種工況進(jìn)行分析。速度流場(chǎng)分析主要截取了射流風(fēng)機(jī)所在高度的隧道上游和隧道下游部分縱截面的氣體速度云圖,瓦斯?jié)舛确治鲋饕厝×送咚贯尫劈c(diǎn)下游6個(gè)隧道橫截面的瓦斯分布云圖。

3.1 自然通風(fēng)+豎井通風(fēng)

1) 隧道內(nèi)速度流場(chǎng)分析

表1中工況1～工況4的自然通風(fēng)風(fēng)速和豎井通風(fēng)量沒(méi)有變化,且沒(méi)有其他影響因素,因此多個(gè)工況的隧道內(nèi)氣體速度分布云圖一致,如圖4所示。由圖4可以看出,隧道內(nèi)的氣體分布較均勻,但豎井下游氣體流速均低于豎井上游部分,且豎井內(nèi)的氣體流速明顯大于隧道內(nèi)部的,主因是豎井會(huì)吸入隧道內(nèi)的氣體,從而導(dǎo)致隧道下游的氣體流速有所降低。

2) 隧道內(nèi)瓦斯分布規(guī)律

隧道內(nèi)斷面瓦斯分布云圖如圖5所示。由圖5可知,隨瓦斯釋放量的增加,釋放點(diǎn)下游瓦斯?jié)舛确植家仓鸩皆黾?且隨自然風(fēng)的流動(dòng)擴(kuò)散。擴(kuò)散之初,僅在隧道釋放處一側(cè)的區(qū)域濃度較高,但隨著向下游擴(kuò)散,瓦斯逐漸出現(xiàn)在對(duì)側(cè),且逐漸充滿整個(gè)隧道。需注意的是,由于瓦斯釋放點(diǎn)位于豎井位置的下游,所以豎井抽氣時(shí)會(huì)將自然風(fēng)帶入的部分新鮮空氣也抽走,從而導(dǎo)致下游的瓦斯?jié)舛茸兏?。因?當(dāng)瓦斯釋放點(diǎn)在豎井下游時(shí),建議采取向隧道內(nèi)吹風(fēng)的方式降低瓦斯?jié)舛?。工況1～工況4的瓦斯平均分布濃度分別是0.87%、1.35%、1.69%、1.78%,可見(jiàn)隨著釋放點(diǎn)處瓦斯排放量越大,隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛葧?huì)越高。

圖4 隧道內(nèi)氣體速度分布云圖

(a) 工況1(瓦斯釋放量2.4 m3/s+豎井)

(b) 工況4(瓦斯釋放量5.4 m3/s+豎井)

3.2 自然通風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)

1) 隧道內(nèi)速度流場(chǎng)分析

若開(kāi)啟1組風(fēng)機(jī),隧道內(nèi)的氣體流速相近,僅在風(fēng)機(jī)開(kāi)啟的位置處氣體流速有所增加。為此,僅展示左部風(fēng)機(jī)和全部風(fēng)機(jī)開(kāi)啟工況下隧道氣體速度分布云圖,如圖6所示。風(fēng)機(jī)開(kāi)啟后,隧道內(nèi)氣體流速增大,射流風(fēng)機(jī)前方的風(fēng)速能達(dá)到10 m/s以上,增加了隧道內(nèi)氣流流動(dòng)性,也間接增加了隧道入口自然進(jìn)風(fēng)量。相較1組風(fēng)機(jī)開(kāi)啟,3組風(fēng)機(jī)同時(shí)開(kāi)啟時(shí),整個(gè)隧道內(nèi)的氣體流速增加更加顯著。

2) 隧道內(nèi)瓦斯分布規(guī)律

隧道內(nèi)斷面瓦斯分布云圖如圖7所示。由圖7可知,3組風(fēng)機(jī)全部開(kāi)啟的瓦斯凈化效果高于1組風(fēng)機(jī)開(kāi)啟。但瓦斯擴(kuò)散仍受自然風(fēng)的影響較大,主要擴(kuò)散趨勢(shì)仍以自然風(fēng)的帶動(dòng)為主。當(dāng)分別開(kāi)啟左部、中部、右部1組風(fēng)機(jī)后,瓦斯平均濃度為0.67%、0.72%、0.68%;當(dāng)3組風(fēng)機(jī)全部開(kāi)啟后,隧道內(nèi)瓦斯平均濃度為0.48%,可滿足瓦斯?jié)舛劝踩笜?biāo)。3組風(fēng)機(jī)全部開(kāi)啟后,加速了洞內(nèi)空氣流動(dòng),使得隧道入口帶來(lái)更多新鮮空氣,達(dá)到稀釋洞內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊男枨蟆?/p>

3.3 自然通風(fēng)+豎井通風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)

1) 隧道內(nèi)速度流場(chǎng)分析

隧道內(nèi)氣體速度分布云圖如圖8所示。由圖8可知,當(dāng)風(fēng)機(jī)和自然風(fēng)向反向開(kāi)啟時(shí),隧道下游的氣體流速趨于零。主因是反向開(kāi)啟風(fēng)機(jī)會(huì)在豎井位置處形成渦流,致使氣體在隧道內(nèi)無(wú)法順暢地流動(dòng),從而降低了氣體流速。而當(dāng)風(fēng)機(jī)正向開(kāi)啟時(shí),風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流與自然風(fēng)方向一致,能夠有效推動(dòng)空氣在隧道內(nèi)流動(dòng),從而增加氣體流速。

(a) 工況5(1組風(fēng)機(jī)正向開(kāi)啟)

(b) 工況8(3組風(fēng)機(jī)正向開(kāi)啟)

(a) 工況5(1組風(fēng)機(jī)正向開(kāi)啟)

(b) 工況8(3組風(fēng)機(jī)正向開(kāi)啟)

2) 隧道內(nèi)瓦斯分布規(guī)律

隧道內(nèi)斷面瓦期分布云圖如圖9所示。由圖9可知,風(fēng)機(jī)正向開(kāi)啟與反向開(kāi)啟的通風(fēng)工況下,瓦斯的擴(kuò)散趨勢(shì)顯著不同。工況11的風(fēng)機(jī)反向開(kāi)啟再加上豎井存在的情況,隧道下游的瓦斯平均濃度值達(dá)到了3.1%;工況12的3組風(fēng)機(jī)全部正向開(kāi)啟后,隧道下游的瓦斯平均濃度約為0.7%。由此可見(jiàn),當(dāng)風(fēng)機(jī)和自然風(fēng)向反向開(kāi)啟時(shí),隧道內(nèi)的瓦斯平均濃度顯著大于正向開(kāi)啟的情況。主因是反向開(kāi)啟時(shí),風(fēng)機(jī)會(huì)阻礙新鮮空氣進(jìn)入下游,再加上豎井會(huì)抽走一部分新鮮空氣,導(dǎo)致下游的新鮮空氣變少,瓦斯?jié)舛蕊@著增加。

(a) 工況11(1組風(fēng)機(jī)正向開(kāi)啟+2組風(fēng)機(jī)反向開(kāi)啟+豎井)

(b) 工況12(3組風(fēng)機(jī)正向開(kāi)啟+豎井)

(a) 工況11(1組風(fēng)機(jī)正向開(kāi)啟+2組風(fēng)機(jī)反向開(kāi)啟+豎井)

(b) 工況12(3組風(fēng)機(jī)正向開(kāi)啟+豎井)

3.4 方案優(yōu)選

基于上述3種不同通風(fēng)方案的分析,現(xiàn)選擇各方案下的最優(yōu)工況(工況1、工況8、工況12)進(jìn)行對(duì)比研究,分析不同通風(fēng)方案下的隧道瓦斯?jié)舛炔町?。隧道斷面瓦期濃度?shù)據(jù)如圖10、表2所示。由圖10可知,通風(fēng)狀態(tài)穩(wěn)定后,瓦斯釋放點(diǎn)在隧道的左拱肩處,離釋放點(diǎn)較近的斷面1～斷面5左側(cè)瓦斯?jié)舛戎狄哂谟覀?cè)。斷面5之后監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛葦?shù)值基本趨于穩(wěn)定,且不同的通風(fēng)方案在隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需距離基本相同。

(a) 工況1(瓦斯釋放量2.4 m3/s+豎井)

(b) 工況8(3組風(fēng)機(jī)正向開(kāi)啟)

(c) 工況12(3組風(fēng)機(jī)正向開(kāi)啟+豎井)

表2 不同方案下各最優(yōu)工況瓦斯?jié)舛葘?duì)比

由表2可知,無(wú)論從抽出的瓦斯釋放量及洞內(nèi)殘留的瓦斯平均濃度,均反映出工況8較工況1和工況12的通風(fēng)效果好,即自然通風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)的組合通風(fēng)效果要優(yōu)于另外2種組合方式。

4 結(jié)論

基于流體力學(xué)仿真軟件Fluent建立了運(yùn)營(yíng)期瓦斯運(yùn)移計(jì)算模型,對(duì)隧道內(nèi)不同通風(fēng)方案下的瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

1) 瓦斯釋放點(diǎn)位于豎井位置的下游,豎井會(huì)將自然風(fēng)帶入的部分新鮮空氣抽走,致使下游的瓦斯?jié)舛认♂屒闆r減弱;射流風(fēng)機(jī)全部正向開(kāi)啟顯著增加了隧道內(nèi)的氣體流速,并能更好地稀釋瓦斯?jié)舛取?/p>

2) 通風(fēng)效果穩(wěn)定后,自然通風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)作用下的斷面瓦斯平均濃度為0.48%,相較于自然通風(fēng)+豎井通風(fēng)、自然通風(fēng)+豎井通風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)組合式通風(fēng)方案分別降低了44.83%和31.43%,其通風(fēng)效果優(yōu)于自然通風(fēng)+豎井通風(fēng),且建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本低于自然通風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)+豎井通風(fēng)的組合通風(fēng)方式。因此,自然通風(fēng)+射流風(fēng)機(jī)組合可作為寧纏隧道運(yùn)營(yíng)期最優(yōu)通風(fēng)組合形式。