康小兵 丁 睿，2 許 模 趙帥軍

（1.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2.中鐵二局股份有限公司，成都610032；3.湖南省地質環(huán)境監(jiān)測總站，長沙410007）

西南交通大學用空氣動力學模型、交通模型、污染模型、控制模型對豎井排出式縱向通風系統(tǒng)進行了動態(tài)數值模擬。蘭州鐵路學院許云峰、高孟理等利用有限差分法對射流通風流場進行了分析。近幾年，西南交通大學在公路隧道通風防災方面也做過大量研究工作，關寶樹、楊其新、王明年、曾艷華等人分別開發(fā)編制過隧道通風網絡計算程序，對二郎山隧道通風、秦嶺終南山隧道通風等工程進行過研究［1］。

然而，從國內外的隧道通風數值模擬研究狀況可以發(fā)現(xiàn)，運營通風成為各國學者的主要研究對象，而施工通風很少有人涉及。隧道施工通風與運營通風有很大的區(qū)別，如果完全照搬運營通風的經驗和理論，顯然不合理。因此應用已有的流體計算軟件對瓦斯隧道施工期間通風降低瓦斯?jié)舛刃ЧM行模擬計算，為隧道的施工通風提供理論指導很有必要。

1 隧道施工中瓦斯的危害

1.1 瓦斯窒息

瓦斯是多種氣體的混合物，組成多達數十種，主要成分為CH4。CH4擴散性比空氣高1.6倍，且不利于呼吸。因每立方米CH4質量僅為0.716kg，比空氣輕，常積聚在隧洞頂部，造成局部瓦斯?jié)舛仍龈?，含氧量減少。由于瓦斯無色無味，很難防范，當工作人員吸入一定量的瓦斯、空氣混合氣體（CH4體積分數＞16%，O2體積分數＜10%～12%）時，就會造成瓦斯窒息事故，嚴重的會導致死亡［2］。

1.2 瓦斯燃燒與爆炸

瓦斯和空氣混合后，在一定的條件下，遇高溫熱源發(fā)生熱－鏈式氧化反應，并產生高溫及高壓。瓦斯爆炸時會出現(xiàn)高溫高壓現(xiàn)象，瓦斯爆炸時溫度高達2 150～2 650℃，壓力達2～10MPa，沖擊波速度達340m／s以上，并產生大量劇毒的CO等有害氣體，會造成人員傷亡和摧毀隧洞設施和設備。有時還會引起煤塵爆炸和火災，使生產難以短期內恢復。瓦斯爆炸是煤礦和隧道中特有的一種后果極嚴重的災害。

在瓦斯與氧氣濃度滿足一定條件時就有可能發(fā)生爆炸。瓦斯的體積分數過低（＜5%時），氧化生成的熱量與分解的活化中心都不足以發(fā)展成連鎖反應（爆炸），只能燃燒；而瓦斯體積分數過高（＞16%時），相對來說氧的體積分數就不夠，只能有一部分的瓦斯與氧氣發(fā)生反應，不但不能生成足夠的活化中心，而且氧化反應所產生的熱量也易被多余的瓦斯和周圍介質吸收而降溫，也不能形成爆炸。在新鮮空氣中，瓦斯的體積分數達9.5%時，混合氣體中的瓦斯和氧氣全部參加反應，化學反應最完全，產生的溫度和壓力也最大。另外，氧氣的體積分數在12%～20%時，爆炸才能發(fā)生。必須指出，瓦斯爆炸界限并不是固定不變的，當受到一定因素影響時（如混有其他可燃氣體），爆炸界限會相應縮小或擴大［3－5］。

1.3 瓦斯突出

隧道瓦斯突出是指在掘進過程中瓦斯的突然噴出。這種噴出是在短時間內（數分鐘甚至數秒鐘）從煤層深處向開挖空間噴出大量瓦斯，產生很大的沖擊力量，會摧毀隧道支護、推翻隧道中存放的車輛和其他設備、破壞通風設施、使風流反向等。

2 隧道通風模擬計算的理論基礎

2.1 隧道通風模擬計算假定

隧道通風計算以空氣動力學基本理論為基礎，為了便于研究，需對通風流體做如下假定：

a.流體為連續(xù)介質

將流體視為連續(xù)介質，質點間無空隙。按照物質不滅定律，在單位時間內流管各斷面上通過的流體質量應不變。對于密度為常量的穩(wěn)定流，即各斷面上的流量不變，此原理即稱為連續(xù)性定律。

b.流體是不可壓縮的

自然界普遍存在的是真實流體。通常流體都具有黏性、壓縮性和膨脹性。在隧道通風計算中，通風壓力一般都在常壓范圍內，隧道內溫度變化不大，風速也遠小于音速，因此空氣的體積和密度變化不足以影響計算結果的精度，故通常將隧道內的氣體假定為不可壓縮體。

c.流體為穩(wěn)定流

當流體在流動過程中，流場空間點上任何流動要素（如壓力和流速）都不隨時間變化，即稱這種流動為穩(wěn)定流。因為隧道通風中空氣的流動在微觀上是復雜的，但在宏觀上可視為穩(wěn)定流，因此隧道通風計算中所遇到的各種風流類型，一般可認為是穩(wěn)定流或可簡化成穩(wěn)定流而不會影響到實際應用［6，7］。

2.2 流體能量守恒定律

不可壓縮的穩(wěn)定流體在管道內作非均勻流動時，其壓力與速度沿流程各斷面的變化（包括摩阻損失）服從于能量守恒定律，稱之為伯努利定理，以方程式表示即為伯努利方程［8］。由以上幾個假定，可得到隧道通風一維常規(guī)計算所遵循的2個基本方程。

式中：A為隧道過流截面的面積；v為隧道中空氣平均流速；Q為隧道過流截面流量。

穩(wěn)定流的伯努利方程：

式中：p為相對靜壓；a為斷面上的動能校正系數，即用斷面流速計算的實際動能與按平均流速計算的動能的比值；Ek為流體的動能；Ep為流體的位能；Hw為壓力損失。

3 計算模型的建立

CFD軟件 （computational fluid dynamics，即計算流體動力學，簡稱CFD）以電子計算機為工具，應用各種離散化的數學方法，對流體力學的各類問題進行數值實驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題。在建模過程中所需要的輸入值，包括定義求解的幾何區(qū)域、選擇物理模型、給出流體參數、給出邊界條件和初始條件以及產生體網格5個方面［9－11］。

以紫坪鋪隧道瓦斯涌出為研究對象，瓦斯涌出模擬計算考慮施工時瓦斯從掌子面均勻涌出，并向隧道進口方向擴散發(fā)展，所取隧道計算域長度為l，橫斷面高7.25m，寬10.98m。將隧道進口所在斷面取為直角坐標系中的X＝0平面。瓦斯涌出發(fā)生在該計算域內，取隧道進口處作為計算通風口，掌子面設為瓦斯進口邊界條件，風機口設為進風口邊界，隧道壁設為固體壁面邊界，詳見圖1所示。為了提高與現(xiàn)實的貼近性，并降低模擬的復雜性，本次模擬的2個風筒換算成1個風筒，計算模型斷面網格劃分見圖2。軸流風機型號：SDF（C）－No12.5型，最大電機功率：2×110 kW，2組風機并聯(lián)，d＝1.5m。

圖1 隧道橫斷面以及瓦斯涌出面縱向分布圖Fig.1 Tunnel cross－section and longitudinal distribution of gas gushing out

圖2 計算模型斷面網格劃分圖Fig.2 Graph of calculation sectional model mesh

初始條件，在t＝0s時：隧道內空氣密度（ρa）為1.225kg／m3；隧道內平均溫度為20℃；壁面粗糙度為0.36；瓦斯涌出初始體積分數為10%；瓦斯密度（ρg）為 0.716kg／m3；黏度為 1.6468×10－5。

邊界條件：隧道出入口相對壓力為0Pa；隧道內平均風速為0m／s。

計算參數：隧道斷面積為60m2；最小洞內風速為0.5m／s；風管最大直徑（d）為1.5m；隧道開挖長度（l）為1 700m；風筒出口距掌子面距離（l－l1）為20m。

4 隧道通風流場的數值模擬分析

在風機開啟工況下，入口風速對隧道內瓦斯?jié)舛戎涤绊戄^風機影響小很多，稀釋瓦斯?jié)舛戎饕匡L機來調整，所以不考慮入口風速。

《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》中提到《煤礦安全規(guī)程》第107條規(guī)定在架線電機車巷道容許最低風速為1m／s，采煤工作面、掘進中的煤巷和煤巖巷為0.25m／s。國外有資料說風速在0.3m／s時，甲烷會從發(fā)生點反流形成甲烷帶；當風速為0.5m／s時，甲烷幾乎不會發(fā)生反流，但也會形成甲烷帶；當風速＞1m／s時，甲烷散亂，則不會形成甲烷帶，不會在上部聚積［12］。中國南昆線家竹箐隧道實測資料，洞內防瓦斯聚積風速＜1m／s時，拱頂瓦斯的體積分數大多為＞2%。因此本次計算工況考慮以下情況：掌子面風速為1m／s、0.5m／s和0.2m／s這3種情況。

4.1 掌子面風速為1m／s時

當掌子面風速為1m／s時，隧道內瓦斯?jié)舛取L速模擬結果見圖3～圖7。

從圖3中可以明顯看出掌子面處瓦斯體積濃度在時間1 526s內的變化，隨著時間的延長，瓦斯的體積濃度總體趨勢是逐漸降低的。在前50s內出現(xiàn)一次波谷和一次波峰，主要是新鮮風先經過風筒口運移至掌子面，立刻將掌子面處的瓦斯稀釋，造成濃度急劇下降；因運移受阻而在此處形成渦流區(qū)，導致瓦斯?jié)舛仍诖硕虝壕奂?，形成前期的峰值。隨著新鮮風的不斷輸入，渦流區(qū)的氣體不斷被置換稀釋，故濃度也隨之被降低。大約在1 450s時，掌子面瓦斯的體積分數降低到0.5%；隨著時間的不斷延長，新鮮風不斷地補充，瓦斯?jié)舛葘⒗^續(xù)降低。圖4為模型中1 526s時風筒出口至掌子面瓦斯?jié)舛仍茍D，可見除掌子面瓦斯涌出面濃度較高外，隧道洞身內瓦斯的體積分數都在0.5%以下。

圖4 風筒出口至掌子面瓦斯?jié)舛仍茍D（1 526s）Fig.4 The gas concentration cloud from duct outlet to tunnel face

圖5 掌子面回風速度隨時間變化曲線圖Fig.5 Curve of the tunnel face air velocity versus time

圖6 風筒出口至掌子面間速度云圖（1 526s）Fig.6 The velocity cloud from duct outlet to tunnel face

圖7 隧道入口處瓦斯速度隨時間變化曲線圖Fig.7 Curve of the gas velocity versus time at the inlet of the tunnel

從圖5可以看出，速度也出現(xiàn)一個峰值，也是漩渦引起的；但隨著時間的變化，逐漸地降低，最后出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。結合圖6我們可以很明確地看出，整個掌子面的風速不是一個等值，故掌子面速度持平出現(xiàn)在約1.3m／s；在距掌子面約10～15 m處，出現(xiàn)一個較周圍顏色深的區(qū)域，是射流區(qū)域與回流區(qū)域交界的地方，兩者風速方向相反，能量降低一部分導致風速較周圍偏低。

從圖7中可以看出，隧道出口風速大約在1.05m／s。在實際情況中，隧道內有襯砌車、雜物、來回運渣車等，回風阻力會變大，甚至大幾倍，因此回風的速度將會減慢，需增加射流風機來增強回風速率，提高通風效率。

在該風速送風情形下，能滿足使隧道內瓦斯的體積分數降為0.5%的安全值通風要求。

4.2 掌子面風速為0.5m／s時

當掌子面風速為0.5m／s時，隧道內瓦斯?jié)舛取L速模擬結果見圖8～圖11。

圖8 掌子面瓦斯的體積分數隨時間變化曲線圖Fig.8 Curve of the tunnel face gas concentration versus time

圖9 風筒出口至掌子面間速度云圖（4ks）Fig.9 The velocity cloud from duct outlet to tunnel face

圖10 掌子面處回風速度矢量云圖Fig.10 The air velocity vector cloud image at the tunnel face

從圖8中可以明顯看出掌子面處瓦斯體積濃度在時間4ks內的變化，隨著時間的延長，瓦斯的體積濃度總體趨勢是逐漸降低。在前50s內出現(xiàn)一次波谷和一次波峰，主要是新鮮風先經過風筒口運移至掌子面，立刻將掌子面處的瓦斯稀釋，造成濃度急劇下降；因運移受阻而在此處形成渦流區(qū)，導致瓦斯?jié)舛仍诖硕虝壕奂?，形成前期的峰值。隨著新鮮風的不斷輸入，渦流區(qū)的氣體不斷被置換稀釋，故濃度也隨之被降低。大約在2.7ks時，掌子面瓦斯的體積分數降低到0.5%；隨著時間的不斷延長，新鮮風不斷地補充，瓦斯?jié)舛葘⒗^續(xù)降低，到4ks時瓦斯的體積分數可降到0.1%。

圖11 掌子面處回風速度隨時間變化曲線圖Fig.11 Curve of the tunnel face air velocity versus time

從圖9和圖10可以看出，風從風筒出來經掌子面反射后形成一渦旋，正是由于這個渦旋才引起了瓦斯?jié)舛群惋L速會出現(xiàn)一個峰值。從矢量云圖（圖10）可以得知，隨著時間的變化，瓦斯?jié)舛群惋L速逐漸地降低，最后出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖11我們可以很明顯地看出，整個掌子面的風速不是一個等值，掌子面速度持平出現(xiàn)在約0.62m／s；在圖9中距掌子面約10～15m處，出現(xiàn)一個較周圍顏色深的區(qū)域，是射流區(qū)域與回流區(qū)域交界的地方，兩者風速方向相反，能量降低一部分導致風速較周圍偏低。在實際情況中，隧道內有襯砌車、雜物、來回運渣車等，回風阻力會變大，甚至大幾倍，因此回風的速度將會減慢，需增加射流風機來增強回風速率，提高通風效率。

在該風速送風情形下，能滿足使隧道內瓦斯的體積分數降為0.5%的安全值通風要求。

4.3 掌子面風速為0.2m／s時

當掌子面風速為0.2m／s時，隧道內瓦斯?jié)舛取L速模擬結果見圖12～圖14。

圖12 掌子面處瓦斯的體積分數隨時間變化曲線圖Fig.12 Curve of the tunnel face gas concentration versus time

圖13 掌子面處回風速度隨時間變化曲線圖Fig.13 Curve of the tunnel face air velocity versus time

圖14 風筒出口至掌子面間速度云圖（6ks）Fig.14 The velocity cloud from duct outlet to tunnel face

從圖12中可以明顯看出，掌子面處瓦斯的體積分數在時間6ks內的變化，隨著時間的延長，瓦斯的體積分數總體趨勢是逐漸降低。在前50s內出現(xiàn)一次波谷和一次波峰，主要是新鮮風先經過風筒口運移至掌子面，立刻將掌子面處的瓦斯稀釋，造成濃度急劇下降，因運移受阻而在此處形成渦流區(qū)，導致瓦斯?jié)舛仍诖硕虝壕奂?，形成前期的峰值。隨著新鮮風的不斷輸入，渦流區(qū)的氣體不斷被置換稀釋，故濃度也隨之被降低。在6ks時，掌子面瓦斯的體積分數仍未達到0.5%；隨著時間的不斷延長，新鮮風不斷地補充，瓦斯?jié)舛入m然還存在隨時間的增加而下降的趨勢，但因初始風速低、風量小，新鮮風流達不到稀釋瓦斯的風量，瓦斯的體積分數始終在0.5%以上。

從圖13、圖14可以看出，當掌子面風速為0.2m／s時，隧道掌子面處仍會出現(xiàn)渦流。在渦旋的影響下，隧道內風速也會出現(xiàn)一個峰值，隨著時間的變化，逐漸地降低，最后出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

按一般經驗與要求，大斷面隧道施工，洞內最小風速為0.15m／s。而瓦斯隧道防瓦斯很關鍵的一點就是要求盡快排出瓦斯，盡快降低濃度；洞內空氣如果不流動，出現(xiàn)空氣相對靜止，必然產生瓦斯積聚，極易產生不安全事故。在該風速送風情形下，不能滿足使隧道內瓦斯的體積分數降為0.5%的安全值通風要求。根據多座隧道的工程實踐，瓦斯隧道內通風最小風速必須＞0.5m／s。

5 小結

高瓦斯隧道施工的污染源有很多，其中易燃易爆的瓦斯危害最為嚴重。瓦斯比空氣輕，隧道中涌出的甲烷停滯在隧道拱頂的高處，氣流小時，呈甲烷帶的層狀滯流，因此需通過有效的通風方式稀釋和排出瓦斯氣體。通過對紫坪鋪高瓦斯隧道以上各工況的通風模擬情況分析可知，在瓦斯涌出發(fā)生后，隧道內射流風機不同風速會產生不同的通風效果，從瓦斯?jié)舛冉档头矫鎭砜矗?m／s風速能滿足通風要求，0.5m／s風速基本能滿足通風要求，0.2m／s風速不能滿足通風要求。因此，在瓦斯隧道通風設計時，需綜合考慮瓦斯?jié)舛扰c風速風量來選擇風機型號，并結合多種通風方式以達到安全經濟的隧道通風要求。

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