安俊杰, 黃飛, 王少龍, 黃小亮, 靳星晨, 楊采儷
(1.中交二公局萌興工程有限公司, 西安 710119; 2.湖南科技大學, 南方煤礦頂板及煤與瓦斯突出災害預防 控制應急管理部重點實驗室, 湘潭 411201; 3.河南理工大學,河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室- 省部共建國家重點實驗室培育基地, 焦作 454003)
瓦斯隧道是中國中西部地區交通建設中的常見性工程,據不完全統計,截至2021年中國已建成瓦斯隧道近200座,其中大部分位于云南、貴州、四川等省中西部山區[1]。鑒于瓦斯氣體易燃易爆與窒息的特性,瓦斯隧道施工中的重要安全保障措施是高效通風。目前,瓦斯隧道最常用的通風方式是壓入式通風。該通風方式通過洞外風機壓入新鮮空氣,并由軟風管輸送至掌子面附近吹出,最后攜帶瓦斯及其他氣體粉塵沿洞身從洞口吹出。在隧道施工過程中,施工機械經常性碰觸風管,導致風管破損從而發生漏風的現象。大量的漏風不利于掌子面瓦斯氣體排出,同時漏風區域對于瓦斯的分布也會產生影響,對瓦斯隧道安全施工帶來危害。
針對通風對隧道瓦斯分布的影響規律,目前已有大量學者開展了相關研究。黃磊等[2]采用計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)方法研究了低瓦斯隧道橫通道附近的空氣流動和瓦斯氣體擴散規律。李冰等[3]研究了特長瓦斯隧道多工作面施工中的通風流場及瓦斯運移規律,發現掌子面處風筒對側拱頂瓦斯濃度明顯高于其他區域。李丹等[4]研究了大斷面隧道穿越一定夾角煤層時隧道內的瓦斯運移及擴散規律,并考慮了通風時間、瓦斯的涌出情況以及風速高低等多種因素對瓦斯擴散的影響作用。王林峰等[5]通過正交試驗獲得了瓦斯隧道壓入式通風的最佳工況。周洋等[6]、吳波等[7]分析了風管布置參數對隧道風流場及瓦斯分布規律的影響,獲得了合適的風管布置參數。文獻[8-11]研究了長大高瓦斯隧道內的瓦斯分布規律,獲得了針對不同工況下的合適通風參數。文獻[12-13]采用定量改進危險與可操作性分析(hazard and operability analysis,HAZOP)法與 層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)對瓦斯隧道施工中的通風效果進行了定量評估,獲得了瓦斯隧道的通風安全程度。
綜上可知,前人主要對不同通風參數、風管布置參數、隧道工況等因素影響下的隧道內流場和瓦斯分布規律進行研究,為瓦斯隧道安全施工提供了借鑒與依據。然而,卻少有關于風管漏風對隧道瓦斯分布的影響作用。鑒于此,擬以某在建高瓦斯隧道為工程背景,主要采用數值模擬的手段對壓入式通風風管的漏洞大小、漏風位置等因素對瓦斯分布的影響規律開展研究。從而優化隧道施工過程中瓦斯傳感器的布置,進一步保障施工安全。
貴金高速何家坡隧道為分離式獨立雙洞隧道,左線全長1 668 m,右線全長1 645 m,屬長隧道。隧道設計凈寬15 m、凈高7.0 m。根據勘察資料顯示,隧道預計將穿越4層煤,其中左線穿煤長度為650 m,右線穿煤長度為630 m,屬于特長段穿煤瓦斯隧道。根據隧道附近煤礦資料與地質鉆孔數據,何家坡隧道所穿越煤層的瓦斯含量高達7.92 m3/t,實測平均瓦斯濃度為0.53%,瓦斯絕對涌出量高達8.7 m3/min,根據《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》(JTG/T 3374—2020)的規定設計何家坡隧道為高瓦斯隧道。為防止瓦斯超限,通過計算確定何家坡隧道瓦斯工區所需風量為3 356 m3/min,并選擇了型號選用SFD-12.8-BP/2×132 kW對旋軸流風機通過壓入式進行通風,通風管采用Φ1.8 m的抗靜電、阻燃柔性風筒。風筒緊貼隧道壁面懸掛,距離隧道底部垂直高度為5 m,風筒出風口距離掌子面10 m。
2.1 幾何模型與網格劃分
根據FLUENT內部邏輯關系,將瓦斯隧道壓入式通風及風管漏風模型分為隧道模型和帶漏洞的風管模型兩部分,并采用SolidWorks構建空間幾何模型。其中,隧道內輪廓采用半徑R1=8.65 m,半徑R2=5.55 m,半徑R3=2 300 m的三心圓結構,隧道寬度為15 m,高度為7 m,隧道長度為100 m;風管半徑為0.9 m,長度為90 m,風管出風口距離掌子面為10 m,風管緊貼隧道右壁面懸掛,風管中心距離地面高度為5 m。實際工程中,風管漏洞多數是由移動機械劃破形成的,最初的形狀極其不規整,但由于較強風壓的作用,風管漏洞逐漸擴展成類似橢圓形。為了提高模型計算的收斂性,因此將風管上的漏風口簡化為半徑不等的圓形漏洞。隧道通風及風管漏風的幾何模型如圖1所示。
圖1 幾何模型及網格圖Fig.1 Diagram of geometric model and grid mesh
使用FLUENT Meshing工具,采用多面體-六面體網格劃分法(Poly-Hexcore)對隧道通風及漏風模型進行網格劃分,最終隧道空間網格數量為100 033個,風管網格數量為11 228個,如圖1所示。
2.2 邊界條件與試驗參數
為了簡化計算,將隧道內氣體視為不可壓縮流體,氣體在隧道內的流動視為溫度恒定的穩態紊流,流動過程中與壁面無熱交換。將風管的進風口設為速度入口,初始風速設置為16.8 m/s,將隧道的洞口設為出留邊界,同時將各個漏洞口設置為對應速度值的速度入口。隧道壁面視為具有一定粗糙度的平面邊界,粗糙高度設為0.05 m,粗糙度常數為0.5。瓦斯氣體通過在掌子面施加厚度為0.1 m的瓦斯源項來實現,模擬絕對瓦斯涌出量為8.7 m3/min。采用RNGk-ε模型(k為湍動能、ε為耗散率)和標準壁面函數SWF對隧道內氣體流動進行計算求解模擬。
根據現場調查發現,風管上漏洞的尺寸大多介于10～40 cm,且多分布于掌子面與二襯臺車之間。瓦斯工區施工時,二襯臺車與掌子面的距離約為50 m。因此,選擇表1所示的漏洞尺寸與位置參數開展模擬計算。
表1 風管漏洞參數Table 1 Parameters of air duct leak
3.1 模擬結果分析
為了探究風管漏風對隧道內瓦斯分布的影響規律,截取了距離拱頂2 m處(即風管漏風高度)的水平剖面瓦斯分布云圖,如圖2所示。其中,規定風管漏洞的編號順序為:距離掌子面最近的為1#,沿著洞口方向依次編號為2#、3#、4#和5#。同時為了對比漏風對瓦斯分布的影響,截取相同通風條件下的無漏風瓦斯分布云圖。
圖2 不同漏風條件下隧道水平剖面瓦斯分布云圖Fig.2 Gas distribution contours on the horizontal section of tunnel under different air leakage conditions
如圖2所示,在風管出風口風流的影響下,掌子面的瓦斯迅速被稀釋,并沿著風管對側向隧道洞口擴散。在此作用下,掌子面風管一側的瓦斯濃度急劇降低,該側沒有瓦斯聚集現象;然而,在掌子面中部及風管對側瓦斯濃度變化較大,分析這是由該區域存在通風渦流導致的。在風管無漏風情況下,瓦斯濃度隨著與掌子面的距離逐漸降低,直至后期穩定的分布于隧道內部,如圖2(a)所示。當在距離掌子面40 m和70 m處的風管上存在兩個半徑均為10 cm的圓形漏洞時,漏風處下游的瓦斯濃度隨漏風風流的作用急劇降低,如圖2(b)所示,隧道內其他區域的瓦斯分布與無漏風情況變化不明顯。當漏洞半徑增加至20 cm時,除了漏風處下游的瓦斯濃度進一步獲得稀釋而降低外,漏風處上游靠近風管一側出現了瓦斯濃度增加的現象,如圖2(c)所示。隨著漏洞半徑的繼續增大,漏風處下游瓦斯濃度持續降低,且瓦斯濃度降低的范圍隨之擴大;然而在漏風處上游,瓦斯濃度增加越明顯,且范圍越大,瓦斯濃度升高范圍逐漸有風管一側擴展至風管對側,如圖2(d)、圖2(e)所示。另一方面,靠近掌子面的1#漏洞下游瓦斯濃度稀釋程度和稀釋范圍較小,而對該漏洞上游瓦斯濃度的增加影響較大;隨著漏洞與掌子面距離的增加,漏洞處下游的瓦斯稀釋程度和范圍進一步擴大,而對該處上游的瓦斯增加影響作用減小,如圖2(f)所示。
圖3為沿隧道中軸線縱向剖面上的瓦斯分布云圖。可以看出,在靠近隧道掌子面處瓦斯分布較為紊亂,最大瓦斯濃度出現在距離掌子面約10 m偏向隧道拱頂處;隨著距離掌子面軸向距離的增加,瓦斯逐漸過渡至均勻分布狀態:拱頂濃度高,拱底濃度低,如圖3(a)所示。當風管上存在2個半徑為10 cm的漏洞時,漏洞下游側的瓦斯濃度有所降低,但影響的范圍較小,隧道內其他區域瓦斯分布變化不明顯,如圖3(b)所示。隨著漏洞半徑的增加,漏洞下游瓦斯降低區域逐漸擴大,同時漏洞上游出現瓦斯濃度增加且其區域也隨之增大,如圖3(c)、圖3(d)所示。當漏洞半徑增加至40 cm時,靠近掌子面的1#漏風導致其上游瓦斯增大區域擴散至大部分隧道截面內,如圖3(e)所示。與圖2相似,漏洞位置與靠近掌子面,其對下游瓦斯濃度降低的影響作用越小,而對上游瓦斯濃度增加的影響作用越大,如圖3(f)所示。
圖3 不同漏風條件下隧道縱向剖面瓦斯分布云圖Fig.3 Gas distribution contours on the longitudinal section of tunnel under different air leakage conditions
分析可知,本文模擬結果與實際工程中的通風規律及瓦斯分布情況基本相符,驗證了所構建隧道通風模型的適用性,可用于后續風管漏風參數變化的研究。
為了進一步探究風管漏風作用對隧道內瓦斯分布的影響規律,截取了有無漏洞時隧道內的風速分布矢量圖,并對部分區域進行放大顯示,如圖4所示。可以看出,隧道內的風流區域大致可分為射流區、渦流區和穩定區。風管出風口及各漏風口處的風速較大,該區域為射流區域,尤其以隧道出風口至掌子面之間靠近風管一側的區域最為明顯。在掌子面與風管之間的風管對側,根據放大后的速度矢量圖可以明顯看出該區域存在渦流現象。同時,根據放大速度矢量圖可以看出,由于漏風的作用改變了原本的穩定流狀態。具體表現為:漏風處上游出現局部渦流現象,而漏風處下游的風速和風量有所增加。進一步對比不同位置處的漏風速度矢量圖可以發現,漏風位置越靠近掌子面,其上游的渦流強度越明顯,而漏洞位置越靠近隧道洞口,其下游的風速和風量增加越明顯。
圖4 風管漏風條件下隧道內的風速分布圖Fig.4 Velocity distribution in tunnel under different air leakage conditions
3.2 漏風面積對瓦斯分布的影響規律
根據上述規律可知,風管的漏風面積對隧道內的瓦斯分布影響頗大。為了定量地探究漏風面積對瓦斯分布的影響作用,提取不同漏洞半徑下隧道內平均瓦斯濃度隨隧道軸向距離的變化曲線,其中漏洞半徑0 cm為無漏風的對照組,如圖5所示。
圖5 不同漏洞半徑下瓦斯濃度軸向變化曲線Fig.5 Axial curves of gas concentration with different leak radius
如圖5所示,在風管無漏風條件下,平均瓦斯濃度隨著與掌子面距離的增加而迅速增加,至風管出風口距離處達到最大值。結合圖4所示的速度矢量圖分析認為,這是由于該區域存在較強的渦流現象,從而導致瓦斯氣體在此區域出現聚集并導致濃度升高;隨著與掌子面距離的繼續增加,平均瓦斯濃度呈現出先降低而后緩慢升高至穩定的變化趨勢,最后平均瓦斯濃度穩定在0.69%。當風管上存在1#和2#漏洞時,掌子面到出風口區段內的瓦斯變化趨勢有所變緩,分析認為這是由于漏風作用減少了風管出風口的風量從而導致該區段的渦流強度減弱所致。在風管漏風處,平均瓦斯濃度急劇降低,濃度降低的幅度隨漏洞半徑的增加而增大、隨掌子面的距離增加而增大。進一步觀察圖5可以發現,在漏洞的上游瓦斯濃度出現小幅升高的現象。
為了定量描述風管漏洞面積對上游瓦斯濃度增加和下游濃度減小的影響規律,定義兩組瓦斯濃度增量ΔC。對于上游瓦斯濃度的增加,定義其瓦斯濃度增量ΔC=Cmax-Ccontrol,其中,Cmax為漏風組最大瓦斯濃度,Ccontrol為對照組瓦斯濃度;對于下游瓦斯濃度的減小,定義其相對瓦斯濃度增量ΔC=對照組瓦斯濃度—漏風組最低瓦斯濃度,并繪制圖6所示的瓦斯濃度增量隨漏洞半徑的變化曲線。
圖6 瓦斯濃度增量隨漏洞半徑的變化曲線Fig.6 Curves of gas concentration increment with leak radius
如圖6所示,瓦斯濃度增量ΔC隨著漏洞半徑的增加而呈現線性增加的趨勢。其中,漏洞處上游瓦斯濃度隨漏洞半徑增加的斜率較漏洞處下游瓦斯濃度隨半徑增加而減小的斜率偏小;且在相同漏洞半徑條件下,上游瓦斯濃度的增量遠小于下游瓦斯濃度減小的增量。比較1#和2#漏風處的瓦斯濃度增量變化曲線可知,1#漏洞處上游瓦斯濃度增加的斜率稍大于2#漏洞處的斜率;但1#漏洞處下游瓦斯濃度減小的斜率小于2#漏洞處的斜率。
上述瓦斯濃度變化規律表明,風管漏風面積越大,漏風處上游瓦斯聚集的現象越明顯,且漏風處下游對瓦斯的稀釋作用越大,且兩個變化趨勢均隨著漏風面積的增加呈線性增加。
3.3 漏風位置對瓦斯分布的影響規律
根據圖3和圖4的瓦斯濃度分布云圖可知,風管漏風的位置對隧道內瓦斯分布也具有較大的影響作用。本次模擬分別選擇距離掌子面15、20、30、50、90 m處設置5個半徑均為20 cm的漏洞,對比分析風管有無漏風條件下瓦斯濃度隨軸向距離的變化規律,如圖7所示。
圖7 不同漏洞位置的瓦斯濃度變化曲線Fig.7 Curves of gas concentration with different axial positions
由圖7可知,風管漏風處相對與無漏風條件均存在上游瓦斯濃度升高和下游瓦斯濃度驟降的現象,且風管漏風條件下隧道內平均瓦斯濃度普遍高于無漏風條件。進一步觀察圖7發現,隨著漏洞與掌子面距離的增大,漏洞處上游瓦斯濃度增加的現象逐漸減弱,而漏洞下游瓦斯濃度驟降的現象卻愈加明顯。同樣采用ΔC來定量描述漏洞位置對瓦斯濃度的影響規律,如圖8所示。
圖8 瓦斯濃度增量隨漏洞位置的變化曲線Fig.8 Curves of gas concentration increment with leak positions
由圖8可知,漏風處上游瓦斯濃度增量ΔC隨漏風與掌子面的軸向距離L呈指數關系減小,而漏風處下游瓦斯濃度降低的增量ΔC隨漏風與掌子面的軸向距離L呈指數關系增大。結合圖4的速度分布圖分析可知,當漏風位置越靠近掌子面時,由漏風引起的上游渦流強度越大,從而導致該區域瓦斯更容易聚集;當漏風位置遠離掌子面時,漏風處上游渦流強度越弱,但漏風射流強度越大,從而導致下游瓦斯更容易被稀釋和擴散。根據上述規律表明,當風管漏風位置越靠近掌子面時,更加需要注意漏風處上游拱頂處的瓦斯濃度,加強該區域瓦斯濃度監測,防治瓦斯在該區域聚集超標誘導災害的發生。
(1)在風管出風口射流的作用下,隧道掌子面靠近風管一側無瓦斯聚集,但隧道中部及風管對側由于渦流的作用出現瓦斯聚集現象。
(2)風管漏風面積越大,漏風處上游瓦斯聚集的程度越明顯,且漏風處下游瓦斯的稀釋與擴散程度越顯著,兩者均隨著漏風面積的增加呈線性增加。
(3)風管漏風位置越靠近掌子面漏風處上游瓦斯聚集的程度越明顯,瓦斯聚集的增量隨軸向距離呈指數減小的關系;而風管位置越遠離掌子面漏風處下游瓦斯的稀釋與擴散程度越顯著,瓦斯濃度減小的程度隨軸向距離呈指數增大的關系。
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