劉石磊，楊高華，尹 龍

(1.中鐵隧道集團技術(shù)中心，河南洛陽 471009;2.中鐵隧道集團六沾工程指揮部，云南宣威 655423)

0 引言

目前，AQ 1029—2007《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范》［1］對工作面甲烷傳感器的安裝有相應要求，但這些要求對于大斷面瓦斯隧道施工還不夠具體，存在傳感器布置不合理、監(jiān)控盲區(qū)等問題，不能充分發(fā)揮安全監(jiān)測系統(tǒng)的安全保障作用。前人在相關(guān)文獻中對傳感器的布置有一些研究:文獻［2］對設(shè)備選型和和應用進行了詳細的研究，并給出了傳感器平面布置圖;文獻［3］對瓦斯監(jiān)測方法、監(jiān)測設(shè)備配置和監(jiān)測管理進行了研究;文獻［4］主要研究了監(jiān)控系統(tǒng)應用過程中的問題處理;文獻［5］雖然給出了甲烷傳感器的橫斷面布置圖，但不夠準確，且沒有理論依據(jù);文獻［6］撰寫的有關(guān)三聯(lián)隧道的傳感器布置也僅遵照文獻［1］要求執(zhí)行。以上文獻大部分研究都在甲烷傳感器平面圖布置和管理方面，對于橫斷面上甲烷傳感器安裝位置和數(shù)量目前仍缺乏足夠理論依據(jù)。本文以六沾鐵路三聯(lián)隧道為背景，開展高瓦斯隧道工作面甲烷傳感器布置的研究。

1 工程概況

改建貴昆線六沾鐵路三聯(lián)隧道位于云南省宣威市境內(nèi)，隧道進口里程為 D1K300+465，出口里程為D1K312+601，全長12 136 m，最大埋深約280 m。洞身圍巖處于IV級和V級圍巖段，圍巖為玄武巖、砂巖、泥巖夾頁巖、煤層。隧道洞身圍巖情況較差，其中D1K305+980～D1K307+060(1 080 m)為煤層段，該段含煤6～13層，煤層厚0.13～1.8 m，一般厚0.39～1.13 m，煤層間距3.44～24.84 m。對本隧道現(xiàn)場勘察實測的煤層瓦斯壓力除深度較淺的C1煤層較低以外，其余壓力值較大(1.831～3.195 MPa)，按瓦斯壓力梯度計算的隧道洞身段煤層瓦斯壓力為2.533～3.299 MPa，煤層瓦斯質(zhì)量分數(shù)為7.54～12.87 m3/t，煤層瓦斯涌出量為4.606～15.816 m3/min，其瓦斯壓力、瓦斯質(zhì)量分數(shù)、瓦斯涌出量均屬高瓦斯工區(qū)。

2 物理模型的建立

依據(jù)三聯(lián)隧道某工區(qū)開挖工作面的實際情況建立物理模型，隧道寬11.09 m，高9.35 m，隧道縱向長度取50 m。壓入式通風風管的直徑為1 500 mm，風管出風口距開挖工作面5 m，風管中心距地面高度為3.75 m，開挖工作面的瓦斯涌出量為8.332 m3/min。模型針對2種通風量(2 200 m3/min和230 m3/min)進行模擬，分析瓦斯在工作面的體積分數(shù)分布情況。隧道幾何模型圖如圖1所示，隧道橫斷面圖如圖2所示。

模型用Gambit軟件進行網(wǎng)格劃分，采用了非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分法，整個模型共劃分了626 905個網(wǎng)格。

3 數(shù)學模型的建立

3.1 基本假設(shè)

1)假定等溫通風，流體為不可壓縮、穩(wěn)態(tài)紊流，滿足Boussinesp假設(shè)。

2)紊流黏性具有各向同性。

3)以壓入式施工通風的出風口為進口，以隧道回風區(qū)初始斷面作為風流出口，假定風管風速分布均勻，根據(jù)送風量和風管出口斷面確定風管出風口風速。

4)假設(shè)瓦斯從開挖工作面均勻涌出。

3.2 數(shù)學模型的建立

開挖工作面的風流狀態(tài)為紊流流動，工作面通風排出瓦斯的過程包括空氣與瓦斯對流流動和空氣紊流流動引起的瓦斯紊流擴散。由于瓦斯和空氣密度的不同，空氣與瓦斯混合引起了開挖工作面內(nèi)部氣流密度的變化，故應考慮浮升力(Buoyant Force)的影響。浮升力的作用由數(shù)值模擬軟件中通過操作條件(Operating Conditions)中的重力選項來實現(xiàn)，在重力方向添加重力加速度數(shù)值，重力方向沿Y軸負方向，重力加速度取值為-9.81 m/s2。工作面瓦斯采用源項來處理，使用組分傳輸模型(Species Model)來模擬瓦斯與風流的混合輸運過程。

瓦斯紊流擴散的控制方程包括質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)、動量守恒方程(Navier-Stokes方程)、組分傳輸方程及能量方程。模型采用標準k-ε雙方程湍流模型。

對于開挖工作面瓦斯紊流擴散的穩(wěn)態(tài)流動，根據(jù)上述簡化和假設(shè)，控制方程如下所示。連續(xù)性方程為:

動量方程為:

組分傳輸方程為:

k-ε 方程［7］為:

式中:Sm為加入到連續(xù)相的質(zhì)量;Ss為瓦斯組分的質(zhì)量源項;C1ε、C2ε為經(jīng)驗常數(shù)，分別取值 1.44，1.92;Sk、Sε為用戶定義源相;其中ueff=u+ut。

4 邊界條件的設(shè)置

1)入口邊界。入口為速度入口，vinlet=Q/A，A為風管的斷面積;紊流動能k=0.05v2inlet，紊流動能耗散率ε = C3u/4k3/2/l，其中 Cu為試驗常數(shù)，取 0.09，l=0.07L(L為特征長度，即水力直徑)。

2) 出口邊界。?u/?x=0，?v/?y=0，?w/?z=0，?k/?z=0，?ε/?z=0，壓力梯度為零。

3)壁面邊界。壁面無滑動，垂直于壁面的壓力梯度為零。為了解決高雷諾數(shù)流動與壁面附近黏性次層的銜接問題，采用標準壁函數(shù)法。

4)源項設(shè)置。工作面瓦斯涌出量為8.332 m3/min，瓦斯從煤層壁面涌出不同于其他的入口邊界條件，邊界條件設(shè)置時采用瓦斯源項來處理，在開挖工作面近壁面的第1層網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)設(shè)置瓦斯源。根據(jù)瓦斯涌出量設(shè)置瓦斯源項的大小，包括質(zhì)量源項(單位kg/m3s)和動量源項(單位N/m3)。質(zhì)量源項和動量源項表示單位源項體積內(nèi)的質(zhì)量流量和對應的動量，瓦斯的動量源項只考慮Z方向的動量。

5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

工作面瓦斯涌出量為8.332 m3/min時，施工通風送風量必須達到1 670 m3/min才能把隧道內(nèi)瓦斯體積分數(shù)降至0.5%以下。本文模擬實驗選取了2種風量(2 200 m3/min和230 m3/min)，根據(jù)不同的送風量，研究瓦斯在工作面的體積分數(shù)分布情況。

5.1 風管送風量為2 200 m3/min時工作面瓦斯體積分數(shù)分布情況

風管風量Q=2 200 m3/min，瓦斯從開挖工作面上均勻涌出，瓦斯涌出量為8.332 m3/min，其回風平均瓦斯體積分數(shù)在0.38%左右。

隧道縱向Y=3.75 m剖面上的流場如圖3所示。隧道開挖工作面風管出風口射流通風風流結(jié)構(gòu)可分為附壁射流區(qū)、沖擊貼附射流區(qū)、渦流區(qū)和回流區(qū)。射流區(qū)內(nèi)的氣流一部分是從圓管射出的，一部分是由于卷吸回流區(qū)內(nèi)的氣流產(chǎn)生的;回流區(qū)內(nèi)部分氣流被射流吸卷，部分沿隧道排出。在射流和回流的綜合作用下，射流區(qū)和回流區(qū)之間形成了渦流區(qū)。

隧道縱向Y=3.75 m剖面上的瓦斯體積分數(shù)分布如圖4所示。從圖中可以看出，風管出風口對面邊墻瓦斯體積分數(shù)比較高。

為了更直觀地分析瓦斯在隧道內(nèi)的分布情況，沿隧道縱向取了4個橫斷面圖(如圖5—8所示)，分析瓦斯在隧道橫斷面上的分布情況。

從圖5—8可以看出:風管出口處瓦斯體積分數(shù)沿風管軸向逐漸增大，工作面5 m范圍內(nèi)，風管對面邊墻高度為2.0～6.0 m內(nèi)瓦斯體積分數(shù)最高，隧道拱頂位置瓦斯體積分數(shù)相對較低。

5.2 風管送風量為230 m3/min時工作面瓦斯體積分數(shù)分布情況

風管風量Q=230 m3/min，瓦斯從開挖工作面上均勻涌出，瓦斯涌出量為8.332 m3/min，其回風平均瓦斯體積分數(shù)在3.6%左右。

沿隧道縱向取了4個橫斷面圖(如圖9—12所示)，分析瓦斯在隧道橫斷面上的分布情況。

從圖9—12可以看出:風管出口處瓦斯體積分數(shù)沿風管軸向逐漸增大，工作面5 m范圍內(nèi)，隧道拱頂位置附近瓦斯體積分數(shù)最高，并出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。

5.3 數(shù)值模擬結(jié)果可靠性分析

為了驗證模擬結(jié)果的準確性，施工期間，用數(shù)字光干涉甲烷測定器對工作面的甲烷體積分數(shù)分布情況進行了檢測。檢測結(jié)果對應2種風量狀態(tài)，通風量并經(jīng)過現(xiàn)場實測，即1 462 m3/min和253 m3/min，每種通風量下對應的工作面甲烷體積分數(shù)分布情況如圖13和圖14所示。

由于施工期間的瓦斯涌出量小于設(shè)計給出的瓦斯涌出量，現(xiàn)場檢測得到工作面甲烷體積分數(shù)大小和數(shù)值模擬的工作面甲烷體積分數(shù)大小肯定是不一樣的，但工作面甲烷體積分數(shù)分布規(guī)律與模擬結(jié)果基本相符。數(shù)值模擬通風量為230 m3/min時的工作面甲烷體積分數(shù)分布情況和實測結(jié)果不相符，分析原因主要是數(shù)值模擬給出的瓦斯涌出量非常大，送至工作面的新風量少，通風稀釋后，工作面瓦斯體積分數(shù)仍很高。此時，在浮升力的作用下，瓦斯體積分數(shù)最高點由風管對面邊墻位置開始上移，直至拱頂，并出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，故出現(xiàn)圖9—12的計算結(jié)果。

6 開挖工作面甲烷傳感器的布置

6.1 布置要求

1)甲烷傳感器應垂直懸掛在巷道上方風流穩(wěn)定的位置，距頂板(頂梁)不得大于300 mm，距巷道側(cè)壁不得小于200 mm，并應安裝維護方便，不影響行人和行車［1］。

2)瓦斯礦井的煤巷、半煤巖巷和有瓦斯涌出巖巷的掘進工作面甲烷傳感器必須安在工作面混合風流處(距工作面5 m范圍內(nèi))設(shè)置甲烷傳感器T1，在工作面回風流中設(shè)置甲烷傳感器T2。

6.2 布置優(yōu)化

文獻［1］中對工作面甲烷傳感器的安裝位置雖有布置說明，但不夠詳細。經(jīng)過模擬實驗和現(xiàn)場實測，可以看出:在通風量充足的情況下，隧道工作面風管對面的邊墻上瓦斯體積分數(shù)最高;在通風量不足的情況下，拱頂附近的瓦斯體積分數(shù)最高，并出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。甲烷傳感器的布置應遵循能夠準確檢測到工作面上最大瓦斯體積分數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)瓦斯超限，提前預警，增加安全系數(shù)。

由此可見，開挖工作面的甲烷傳感器布置除了遵循文獻［1］對于甲烷傳感器的布置要求外，還應考慮瓦斯在隧道橫斷面分布情況。合理調(diào)整甲烷傳感器的安裝位置或增加甲烷傳感器在工作面的數(shù)量，可更好地監(jiān)測和預報工作面瓦斯。綜合考慮以上模擬結(jié)果和現(xiàn)場實際情況，工作面應安裝2臺甲烷傳感器，分別安裝于隧道拱頂及風管對面的邊墻上，且距工作面的距離不大于5 m。三聯(lián)隧道某工區(qū)開挖工作面甲烷傳感器在橫斷面上的安裝示意圖如圖15所示。

圖15 開挖工作面甲烷傳感器布置示意圖Fig.15 Layout of methane sensors at working face

7 結(jié)論與討論

1)高瓦斯隧道在正常通風時，風管對面邊墻附近的瓦斯體積分數(shù)最高，工作面拱頂位置的瓦斯體積分數(shù)較低。

2)壓入式通風時，風管出風口的位置對工作面甲烷體積分數(shù)分布情況影響很大，風管布置位置不同，工作面的甲烷體積分數(shù)分布情況不同。

3)當風管送風量減少，工作面瓦斯體積分數(shù)達到一定程度時，瓦斯的浮升力占主導作用，瓦斯體積分數(shù)最高點由風管對面邊墻位置開始上移，直至拱頂，并開始出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

4)高瓦斯隧道工作面應考慮安裝2臺甲烷傳感器，1臺掛至拱頂，另1臺根據(jù)工作面通風管的安裝位置進行安裝。甲烷傳感器距拱頂和邊墻的距離嚴格按照AQ 1029—2007《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范》執(zhí)行。

高瓦斯隧道施工各工序是緊跟工作面的，初期支護、仰拱和二次襯砌都使用了氣密性混凝土，隧道環(huán)向周圍的瓦斯得到了有效控制和及時封堵，工作面便成為最有可能出現(xiàn)瓦斯溢出的地點，做好工作面的瓦斯監(jiān)測工作顯得尤為重要。本文運用數(shù)值模擬的方法，發(fā)現(xiàn)了工作面甲烷傳感器布置中存在的問題，通過在工作面合適位置增加甲烷傳感器的方法，消除了工作面瓦斯監(jiān)測中的盲區(qū)，確保了瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

受工作面和仰拱段復雜工序的影響，工作面甲烷傳感器的布置和維護相對比較困難，會出現(xiàn)斷線和機械破壞等問題，開展工作面的無線甲烷傳感器的研究將是以后的一個發(fā)展方向。

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