組合式通風對特長高瓦斯隧道瓦斯分布規律的影響

張宗龍, 丁 浩,, 胡 超, 孫梨花, 程 亮

(1.重慶交通大學 土木工程學院, 重慶 400074; 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司, 重慶 400067)

在現代化交通路網中,特長隧道已成為穿越山嶺、跨越高原的重要交通設施[1]。而在隧道修建過程中,可能會穿越含有各種有害氣體的煤系地層,其中瓦斯是最常見的有害氣體。隧道修建過程若遇瓦斯往往會采用多層防護措施,但因瓦斯壓力的存在和施工質量等問題,隧道運營中的瓦斯濃度可能會超過安全范圍值[2]。隧道中存在高瓦斯不僅會引發爆炸事故,還會導致人員窒息甚至死亡。因此,研究瓦斯隧道通風技術非常重要。

針對瓦斯隧道通風方法,國內外學者已開展了系列研究。Chow[3]首次利用數值模擬軟件研究了公路隧道內瓦斯氣體體積分數的擴散模型,豐富了隧道瓦斯分布研究的理論基礎;Rudin[4]采用計算流體力學(CFD)軟件進行數值模擬,研究了公路隧道在施工開挖過程中瓦斯的分布和擴散規律,并提出了一系列改善性技術措施; Tomita等[5]通過相似試驗研究,模擬了單頭掘進式隧道在掘進過程中掌子面均勻涌出的瓦斯的分布及擴散規律,并創新性地對比分析了風筒布設于不同位置時隧道內瓦斯濃度的分布及擴散規律;雷升祥[6]依托華鎣山隧道首次系統闡述了瓦斯隧道施工通風設計方法等關鍵技術,對后期建設的瓦斯隧道施工通風設計提供了良好的指導作用;康小兵、劉江、彭佩等[7-9]研究了射流風機布設參數對隧道內氣體流場和瓦斯分布規律的影響;王林峰等[10]運用Fluent探究了隧道中溫濕度環境對瓦斯的分布影響,并提出了優化源濕度值的方法;張洪旭、邱童春[11-12]分別對盾構隧道和螺旋隧道施工過程中的瓦斯擴散規律進行了研究;馮森[13]依托桐梓隧道運用Fluent建立模型,研究了瓦斯在時空上的分布規律,并結合現場驗證優化瓦斯濃度及風速的現場測定方法;王逸等[14]運用智能通風技術,研究了低壓缺氧瓦斯隧道中施工通風效果。目前國內外學者對隧道瓦斯通風進行了較為深入的研究,并取得豐碩的成果,但大多考慮的是風機、溫濕度環境等單一因素對隧道通風的影響,沒有綜合考慮組合式通風的共同作用。

為此,本文以寧纏隧道為依托,運用流體計算軟件Fluent對該隧道進行數值建模,研究在自然通風+豎井通風、自然通風+射流風機、自然通風+豎井通風+射流風機等3種不同組合方式下的通風系統,得出運營期隧道瓦斯的運移分布規律。模擬結果可為特長高瓦斯隧道的通風系統參數優化提供參考,為隧道安全運營提供指導。

1 工程概況

寧纏隧道位于青海省門源縣仙米鄉,為2車道雙向分離式隧道。隧道左線起訖里程樁號為ZK37+140～ZK43+164,總長6 024.0 m;右線起訖里程樁號為YK37+190～YK43+133,總長5 943.0 m。該隧道位于構造剝蝕中、高山地貌區,隧址區最大海拔高程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6 024.0 m,隧址區地形起伏大,最大相對高差約662.0 m,為典型的特長高瓦斯隧道。隧道左線剖面示意如圖1所示。

圖1 隧道部分地質縱斷面

隧道設計采用自然通風、豎井通風及射流風機組合通風形式。隧道走向為西北至西南向,坡比為1.93%,隧道洞口位置常年刮西北風,風速5 m/s～10 m/s;單洞設置3組共24臺射流風機,沿隧道入口至出口方向依次布設分為左部(8臺)、中部(8臺)、右部(8臺)部分,射流風機高度為5 m、單臺風速達15 m/s;隧道左線豎井布置在ZK38+440處,位于左部風機與中部風機之間。隧道左線射流風機布置示意如圖2所示。

2 計算模型建立

2.1 Fluent軟件

Fluent軟件是ANSYS公司開發的一款計算流體力學軟件。它基于數值方法和物理模型,通過離散化流體域并求解相應的方程組來模擬流體行為,能提供豐富的前處理和后處理功能,使用戶能夠創建復雜的幾何模型、定義邊界條件、選擇適當的物理模型,并能對計算結果進行可視化和分析,因此,本文采用數值模擬軟件Fluent研究分析隧道瓦斯運移規律。

圖2 射流風機布置示意

2.2 計算模型

1) 網格模型

根據寧纏隧道左線實際尺寸建立計算模型,并在隧道模型上截取6個不同斷面用于監測瓦斯濃度數據,如圖3所示。計算網格采用非結構化網格,便于處理不規則模型及邊界問題,總體區域網格數量為600萬個。

圖3 單邊隧道網格模型(含豎井以及射流風機)

2) 邊界條件

隧道進洞口設置為自然風的入口邊界,類型為mass-flow-inlet;隧道出洞口設置為出口邊界,類型為pressure-outflow,大小設置為0 Pa,即與大氣相接。射流風機出風口設置為入口邊界,類型為mass-flow-inlet,速度為15 m/s。隧道內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分別取0.05 m、0.5[15]。

3) 控制方程

通風稀釋瓦斯的過程包括空氣與瓦斯對流以及空氣紊流流動引起的瓦斯紊流擴散,而瓦斯紊流擴散問題的數學模型控制方程有連續方程式(1)、動量方程式(2)、能量方程式(3)以及組分運輸方程式(4)。速度場與壓力場的精度對計算流場有很大影響,經過對比,本文采用軟件自帶標準k-ε[16]湍流模型進行計算。

(1) 連續性方程

(1)

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

(2) 動量方程

(2)

(3) 能量方程

(3)

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

(4) 組分運輸方程

(4)

式中:cη為物質組分η的體積濃度,%;Dη為物質組分η的擴散系數,m2/s;Sη為單位時間內組分η的生成率。

2.3 計算工況

根據《公路隧道通風設計細則》(JTG/T D70/2-02—2014)[17]規定,在隧道運營期間,瓦斯濃度應<0.5%,若>0.5%時,瓦斯與空氣易形成可燃混合物,發生爆炸的概率會增加。為了使瓦斯排放后下游的瓦斯濃度控制在安全范圍內,分別計算了在隧道ZK38+692斷面左拱肩位置處設置不同的瓦斯涌出量x時,研究不同通風方案對隧道瓦斯分布規律的影響,現擬定12種不同的工況,如表1所示。

表1 工況設計

3 不同通風方案下隧道內瓦斯運移規律

12種模擬工況較多,結果僅列出每種通風方案下通風效果最差和最優的2種工況進行分析。速度流場分析主要截取了射流風機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,瓦斯濃度分析主要截取了瓦斯釋放點下游6個隧道橫截面的瓦斯分布云圖。

3.1 自然通風+豎井通風

1) 隧道內速度流場分析

表1中工況1～工況4的自然通風風速和豎井通風量沒有變化,且沒有其他影響因素,因此多個工況的隧道內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,且豎井內的氣體流速明顯大于隧道內部的,主因是豎井會吸入隧道內的氣體,從而導致隧道下游的氣體流速有所降低。

2) 隧道內瓦斯分布規律

隧道內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,釋放點下游瓦斯濃度分布也逐步增加,且隨自然風的流動擴散。擴散之初,僅在隧道釋放處一側的區域濃度較高,但隨著向下游擴散,瓦斯逐漸出現在對側,且逐漸充滿整個隧道。需注意的是,由于瓦斯釋放點位于豎井位置的下游,所以豎井抽氣時會將自然風帶入的部分新鮮空氣也抽走,從而導致下游的瓦斯濃度變高。因此,當瓦斯釋放點在豎井下游時,建議采取向隧道內吹風的方式降低瓦斯濃度。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%,可見隨著釋放點處瓦斯排放量越大,隧道內的瓦斯濃度會越高。

圖4 隧道內氣體速度分布云圖

(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+射流風機

1) 隧道內速度流場分析

若開啟1組風機,隧道內的氣體流速相近,僅在風機開啟的位置處氣體流速有所增加。為此,僅展示左部風機和全部風機開啟工況下隧道氣體速度分布云圖,如圖6所示。風機開啟后,隧道內氣體流速增大,射流風機前方的風速能達到10 m/s以上,增加了隧道內氣流流動性,也間接增加了隧道入口自然進風量。相較1組風機開啟,3組風機同時開啟時,整個隧道內的氣體流速增加更加顯著。

2) 隧道內瓦斯分布規律

隧道內斷面瓦斯分布云圖如圖7所示。由圖7可知,3組風機全部開啟的瓦斯凈化效果高于1組風機開啟。但瓦斯擴散仍受自然風的影響較大,主要擴散趨勢仍以自然風的帶動為主。當分別開啟左部、中部、右部1組風機后,瓦斯平均濃度為0.67%、0.72%、0.68%;當3組風機全部開啟后,隧道內瓦斯平均濃度為0.48%,可滿足瓦斯濃度安全指標。3組風機全部開啟后,加速了洞內空氣流動,使得隧道入口帶來更多新鮮空氣,達到稀釋洞內瓦斯濃度的需求。

3.3 自然通風+豎井通風+射流風機

1) 隧道內速度流場分析

隧道內氣體速度分布云圖如圖8所示。由圖8可知,當風機和自然風向反向開啟時,隧道下游的氣體流速趨于零。主因是反向開啟風機會在豎井位置處形成渦流,致使氣體在隧道內無法順暢地流動,從而降低了氣體流速。而當風機正向開啟時,風機產生的氣流與自然風方向一致,能夠有效推動空氣在隧道內流動,從而增加氣體流速。

(a) 工況5(1組風機正向開啟)

(b) 工況8(3組風機正向開啟)

(a) 工況5(1組風機正向開啟)

(b) 工況8(3組風機正向開啟)

2) 隧道內瓦斯分布規律

隧道內斷面瓦期分布云圖如圖9所示。由圖9可知,風機正向開啟與反向開啟的通風工況下,瓦斯的擴散趨勢顯著不同。工況11的風機反向開啟再加上豎井存在的情況,隧道下游的瓦斯平均濃度值達到了3.1%;工況12的3組風機全部正向開啟后,隧道下游的瓦斯平均濃度約為0.7%。由此可見,當風機和自然風向反向開啟時,隧道內的瓦斯平均濃度顯著大于正向開啟的情況。主因是反向開啟時,風機會阻礙新鮮空氣進入下游,再加上豎井會抽走一部分新鮮空氣,導致下游的新鮮空氣變少,瓦斯濃度顯著增加。

(a) 工況11(1組風機正向開啟+2組風機反向開啟+豎井)

(b) 工況12(3組風機正向開啟+豎井)

(a) 工況11(1組風機正向開啟+2組風機反向開啟+豎井)

(b) 工況12(3組風機正向開啟+豎井)

3.4 方案優選

基于上述3種不同通風方案的分析,現選擇各方案下的最優工況(工況1、工況8、工況12)進行對比研究,分析不同通風方案下的隧道瓦斯濃度差異。隧道斷面瓦期濃度數據如圖10、表2所示。由圖10可知,通風狀態穩定后,瓦斯釋放點在隧道的左拱肩處,離釋放點較近的斷面1～斷面5左側瓦斯濃度值要高于右側。斷面5之后監測點的瓦斯濃度數值基本趨于穩定,且不同的通風方案在隧道內瓦斯濃度達到穩定時所需距離基本相同。

(a) 工況1(瓦斯釋放量2.4 m3/s+豎井)

(b) 工況8(3組風機正向開啟)

(c) 工況12(3組風機正向開啟+豎井)

表2 不同方案下各最優工況瓦斯濃度對比

由表2可知,無論從抽出的瓦斯釋放量及洞內殘留的瓦斯平均濃度,均反映出工況8較工況1和工況12的通風效果好,即自然通風+射流風機的組合通風效果要優于另外2種組合方式。

4 結論

基于流體力學仿真軟件Fluent建立了運營期瓦斯運移計算模型,對隧道內不同通風方案下的瓦斯運移規律進行分析,得到以下結論:

1) 瓦斯釋放點位于豎井位置的下游,豎井會將自然風帶入的部分新鮮空氣抽走,致使下游的瓦斯濃度稀釋情況減弱;射流風機全部正向開啟顯著增加了隧道內的氣體流速,并能更好地稀釋瓦斯濃度。

2) 通風效果穩定后,自然通風+射流風機作用下的斷面瓦斯平均濃度為0.48%,相較于自然通風+豎井通風、自然通風+豎井通風+射流風機組合式通風方案分別降低了44.83%和31.43%,其通風效果優于自然通風+豎井通風,且建設運營成本低于自然通風+射流風機+豎井通風的組合通風方式。因此,自然通風+射流風機組合可作為寧纏隧道運營期最優通風組合形式。