李永生
(渝黔鐵路有限責(zé)任公司,重慶 400014)
隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展,瓦斯隧道數(shù)量與日俱增。按照以往慣例,瓦斯隧道施工多采用有軌運(yùn)輸,隨著內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備防爆技術(shù)的發(fā)展和完善,近些年瓦斯隧道施工采用無軌運(yùn)輸?shù)陌咐粩嘣黾?,因?yàn)闊o軌運(yùn)輸對(duì)施工進(jìn)度和機(jī)械設(shè)備配置會(huì)造成很大影響[1-3],所以有必要開展瓦斯分布規(guī)律對(duì)無軌運(yùn)輸?shù)挠绊懷芯俊W?0世紀(jì)80年代以來,國外學(xué)者Shinji等人對(duì)隧道掘進(jìn)過程中掌子面瓦斯涌出做了相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn),并測得隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊姆植记闆r,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出風(fēng)管出口位置對(duì)隧道風(fēng)流流場的影響較大[4-7]。國內(nèi)學(xué)者在隧道通風(fēng)程序化方面也做了大量工作:康小兵等通過采用流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)高瓦斯隧道通風(fēng)處理效果進(jìn)行模擬,根據(jù)瓦斯?jié)舛冉档统潭却_定適當(dāng)?shù)纳淞黠L(fēng)機(jī)風(fēng)速[8-9];王海橋等采用Phoenics3.4計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)獨(dú)頭巷道射流通風(fēng)三維流場進(jìn)行模擬,研究結(jié)果可為獨(dú)頭巷道風(fēng)流傳質(zhì)過程和通風(fēng)排污效率等提供理論基礎(chǔ)[10];劉釗春等采用大型有限元軟件ADINA的CFD模塊,對(duì)壓入式通風(fēng)條件下掘進(jìn)隧道的有害氣體濃度擴(kuò)散進(jìn)行了三維空間數(shù)值模擬,得到了該工況下隧道內(nèi)的風(fēng)流結(jié)構(gòu)分布[11]。以往研究成果為進(jìn)一步開展相關(guān)研究提供了理論基礎(chǔ),但是結(jié)合實(shí)際工況的研究比較欠缺,尤其是結(jié)合實(shí)際工況開展的瓦斯分布規(guī)律研究,以及瓦斯分布規(guī)律對(duì)無軌運(yùn)輸施工的影響研究更加欠缺,所以有必要結(jié)合隧道施工實(shí)際工況,對(duì)瓦斯分布規(guī)律及其對(duì)無軌運(yùn)輸?shù)挠绊戦_展研究。
氣流在隧道的流動(dòng)符合流體力學(xué)的基本原理,遵循著機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律,即遵守質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。對(duì)這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述有不同的控制方程,控制方程結(jié)合具體的隧道邊界和初始條件便構(gòu)成了隧道內(nèi)風(fēng)流流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型[12]。
控制方程要體現(xiàn)流體流動(dòng)過程中的守恒定律。在流場中任取一個(gè)微小的六面體作為研究對(duì)象,該六面體以D(x,y,z)為中心,6個(gè)面分別用N、S、E、W、T和B表示,如圖1所示??刂企w邊長為dx、dy、dz,中心點(diǎn)的流速為u,其在3個(gè)方向上的分量為u、v、w,密度為ρ,壓強(qiáng)為P。設(shè)J為中心點(diǎn)物理量的通用表達(dá)式,Jx為其x方向的分量。
圖1 控制體示意
由于所考察的微元具有極小尺寸,因此各微元面上的流體物性可由泰勒級(jí)數(shù)展開式的前兩項(xiàng)來表達(dá),以x方向?yàn)槔?/p>
依據(jù)流體力學(xué)的基本原理建立如下3個(gè)方程。
(1)流體力學(xué)的連續(xù)性方程
(1)
式中,vol為控制體;A為控制面。等式左邊第一項(xiàng)代表控制體vol內(nèi)部質(zhì)量的增加量,等式左邊的第二項(xiàng)代表通過控制體表面流入控制體的凈通量,兩項(xiàng)之和應(yīng)為零。
(2)流體力學(xué)的動(dòng)量方程
固定資產(chǎn)投資項(xiàng)目由于多人參與項(xiàng)目建議書、科研報(bào)告、初步設(shè)計(jì)報(bào)告的編寫,報(bào)告要經(jīng)過反復(fù)的修訂,產(chǎn)生了非常多版本,經(jīng)常發(fā)現(xiàn)編寫、修訂或匯總的文件版本不一致的現(xiàn)象,給工作帶了巨大的麻煩。通過信息化系統(tǒng),對(duì)文件進(jìn)行版本控制和審簽流程控制。對(duì)任何檢出檢入、修訂的文件自動(dòng)進(jìn)行版本編號(hào)與控制,同時(shí)在信息系統(tǒng)內(nèi)對(duì)文件進(jìn)行審簽流程,從而保證文件的唯一性和有效性,解決文件報(bào)告版本混亂的問題。
(2)
(3)流體力學(xué)的能量方程
(3)
1972年Launder Spalding提出了標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型,其是典型的兩方程模型,也是目前應(yīng)用最廣泛的湍流模型。通過局部通風(fēng)掘進(jìn)工作面的流場分布模擬計(jì)算研究,得出了局部通風(fēng)流場適合采用的湍動(dòng)能和湍流散率方法[13]。所以選擇合適的K-ε兩方程模型,結(jié)合上述基本方程進(jìn)行湍流模型計(jì)算。
為了更加接近工程實(shí)際,依托渝黔鐵路天坪隧道實(shí)際尺寸建立物理模型,為了避免計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)過大問題,計(jì)算模型長度為隧道施工實(shí)際長度,坐標(biāo)原點(diǎn)為隧道出口。天坪隧道位于貴州省北部,隧道全長13978.252 m,為單洞雙線大斷面隧道,設(shè)置“平導(dǎo)+2斜井+橫洞(主、副井)”。其中,橫洞工區(qū)為瓦斯突出工區(qū),在DK127+710~DK127+850段穿越龍?zhí)督M煤系地層,隧道連續(xù)穿越C6、C5、C3煤層,層厚分別為1.33、2.45、2.6 m,煤層瓦斯壓力為3.58~3.67 MPa,正洞煤系地層區(qū)段采用三臺(tái)階掘進(jìn)施工。
依據(jù)現(xiàn)場施組方案數(shù)據(jù),以襯砌臺(tái)車外輪廓線為隧道幾何模型(圖2),將隧道的幾何模型進(jìn)行合理簡化,抽象為三維模型,并利用FLEUNT前處理器GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分[14-18]。
圖2 天坪隧道橫斷面幾何圖形(單位:mm)
建立幾何模型并劃分網(wǎng)格后,需要導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行計(jì)算模型選擇和邊界條件設(shè)定,之后迭代計(jì)算才能最終得出模擬結(jié)果。本模型采用甲烷-空氣的混合運(yùn)移模型,分析流場中的瓦斯運(yùn)移過程分布情況。
(1)求解器的選擇
求解器主要有基于壓力和基于密度的2種求解方法。前者主要適用于低速不可壓縮的流體,后者主要適用于高速可壓縮流體。由于氣流在大斷面隧道中速度很小,而經(jīng)查空氣在流速20 m/s時(shí)的密度與流速為0時(shí)的密度值之比約為1,即在隧道施工環(huán)境流場內(nèi)速度對(duì)密度的影響可以忽略。所以選擇基于壓力求解器求解。
(2)瓦斯涌出速度的確定
根據(jù)收集附近煤礦最大瓦斯含量作為隧道煤層瓦斯含量,同時(shí)考慮極端條件下及隧道揭煤煤層中的瓦斯瞬間釋放,故模擬計(jì)算時(shí)認(rèn)為煤層中瓦斯在1 s時(shí)間內(nèi)涌出。瓦斯的涌出速度是根據(jù)現(xiàn)場所測得的瓦斯的相對(duì)涌出量53.24 m3/t,利用下述公式計(jì)算求得。
Avt=Q和Q=mq=Adρ
式中,A為隧道橫截面面積;ν為瓦斯涌出速度;t為瓦斯涌出時(shí)間;Q為瓦斯相對(duì)涌出量;d為煤層厚度;ρ為煤的密度。
設(shè)置邊界條件時(shí),將模型中風(fēng)筒入口為新鮮風(fēng)流入口,設(shè)為速度進(jìn)口,速度15 m/s;隧道的入口設(shè)為回風(fēng)邊界,為壓力出口;在前述假設(shè)條件下,隧道工作面即隧道臺(tái)階上部截面設(shè)為瓦斯涌出面,涌出的氣體為甲烷,為瓦斯速度進(jìn)口,經(jīng)計(jì)算瓦斯涌出速度最大為88.5 m/s。
(3)邊界條件設(shè)定
在Solution Controls面板中選擇SMPLE算法。隧道中氣體流動(dòng)為各項(xiàng)同性的均勻湍流,F(xiàn)LUENT計(jì)算中選擇standard K-ε雙方程模型模擬氣相湍流流動(dòng)。選擇壁面函數(shù)時(shí),由于隧道內(nèi)障礙物的存在,空氣流在流動(dòng)過程中會(huì)有分離、再附著以及撞擊問題,所以選用非平衡壁面函數(shù)。數(shù)值模擬中,系統(tǒng)默認(rèn)模型粗糙度為0.5,即Wall Roughness content設(shè)置為0.5。選用一階迎風(fēng)離散格式,分離算法選取非定常流動(dòng)模擬隧道內(nèi)流場隨時(shí)間的變化,采用二階差分格式控制誤差精度。流場初始設(shè)定介質(zhì)為空氣,初始?jí)毫橐粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,溫度為300 K。
以上模型參數(shù)及邊界條件設(shè)定完成后,便可以進(jìn)行迭代計(jì)算。
無障礙物隧道距離開挖面100 m處的隧道斷面模型如圖3所示。數(shù)值模擬分別給出100 m處橫斷面瓦斯?jié)舛入S時(shí)間的變化規(guī)律和瓦斯涌出后在隧道中的運(yùn)移規(guī)律,分別如圖4和圖5所示。
圖3 隧道內(nèi)無障礙物模擬模型
圖4 隧道內(nèi)無障礙物橫斷面瓦斯分布云圖
從圖4可以看出,當(dāng)瓦斯隧道揭露煤層瓦斯涌出后距離掌子面100 m處橫截面瓦斯隨時(shí)間的變化規(guī)律,該斷面瓦斯?jié)舛冉?jīng)歷了從增加到減少的過程,在250 s之后此斷面的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到峰值,隨著時(shí)間的增加濃度逐漸降低;瓦斯?jié)舛茸兓容^均勻,無濃度跨度大的情況出現(xiàn);斷面瓦斯?jié)舛仁紫壬叩膮^(qū)域在遠(yuǎn)離風(fēng)筒的位置,瓦斯?jié)舛茸铍y降低的位置在風(fēng)筒所在位置的附近;隧道上部的瓦斯運(yùn)移速度大于隧道下部瓦斯運(yùn)移速度。
圖5 隧道內(nèi)無障礙物縱斷面瓦斯分布云圖
從圖5可以看出:瓦斯場經(jīng)歷了一個(gè)擴(kuò)大之后又縮小的過程,在風(fēng)流的作用下,開挖面涌出的瓦斯逐漸擴(kuò)散開,并逐漸向隧道出口處運(yùn)移;瓦斯?jié)舛仍茍D變化比較均勻,這說明在隧道內(nèi)沒有阻礙的情況下,瓦斯運(yùn)移過程中沒有出現(xiàn)大的波動(dòng);1 200 s后(20 min后),從開挖面涌出的瓦斯被風(fēng)流帶出了數(shù)值模擬范圍;總體而言,隧道上部的瓦斯?jié)舛却笥谙虏康耐咚節(jié)舛取?/p>
存在襯砌臺(tái)車隧道斷面模型如圖6所示,采用相同模擬參數(shù),獲得如圖7、圖8所示的距離出口40 m橫截面和沿著隧道方向上的瓦斯?jié)舛入S時(shí)間的變化規(guī)律(襯砌臺(tái)車距離開挖面100 m左右)。
圖6 存在襯砌臺(tái)車模擬模型
圖7 隧道內(nèi)存在襯砌臺(tái)車橫斷面瓦斯分布云圖
從圖7可以看出:斷面內(nèi)瓦斯?jié)舛仁紫壬邊^(qū)域在遠(yuǎn)離風(fēng)筒的位置,瓦斯?jié)舛茸铍y降低的位置在風(fēng)筒所在位置的附近,這與風(fēng)流的流動(dòng)相關(guān),風(fēng)流出風(fēng)筒后遇壁面反射,會(huì)首先向開闊的風(fēng)阻較小的那一面運(yùn)行,故而遠(yuǎn)離風(fēng)筒的位置瓦斯最先到,而靠近風(fēng)筒的位置風(fēng)流較難到達(dá),故而此處的瓦斯降低速度較慢;襯砌臺(tái)車分割開的兩側(cè)瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)斷層,濃度差別較大,這說明襯砌臺(tái)車的存在會(huì)對(duì)瓦斯的運(yùn)移流動(dòng)產(chǎn)生阻擋。同時(shí)在相同通風(fēng)時(shí)間下,有襯砌臺(tái)車對(duì)瓦斯?jié)舛葓龅倪\(yùn)移存在明顯的影響。
從圖8可以看出,瓦斯?jié)舛妊刂淼婪较蜻\(yùn)移規(guī)律:瓦斯?jié)舛葓鼋?jīng)歷與無障礙情況大致相同的擴(kuò)散運(yùn)移過程,但由于襯砌臺(tái)車的影響,瓦斯?jié)舛葓鲈谂_(tái)車位置發(fā)生變化,原因是臺(tái)車的存在增加了該處的局部阻力;從時(shí)間上來看,襯砌臺(tái)車改變瓦斯?jié)舛葓龅耐瑫r(shí),也改變了瓦斯在隧道中的運(yùn)移時(shí)間,1 200 s時(shí)刻的瓦斯?jié)舛让黠@高于無障礙隧道,即20 min后在襯砌臺(tái)車后部還有較高濃度的瓦斯場存在。
圖8 隧道內(nèi)存在襯砌臺(tái)車縱斷面瓦斯分布云圖
圖9 隧道內(nèi)有施工運(yùn)輸車輛的模擬模型
存在運(yùn)輸車輛隧道斷面模型如圖9所示,施工運(yùn)輸車輛尺寸為3 m×2.5 m×6 m,位于距離隧道正中央的位置,距離開挖面150~200 m。模擬結(jié)果如圖10、圖11所示。
圖10 隧道內(nèi)有施工運(yùn)輸車輛橫斷面瓦斯分布云圖
圖10為存在運(yùn)輸車輛隧道橫斷面瓦斯?jié)舛确植荚茍D,從圖中可以看出:瓦斯?jié)舛韧瑯咏?jīng)歷了從增加到減少的過程,同樣在250 s之后此斷面的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到峰值,與前兩種工況不同的是,此工況中250 s和450 s時(shí)刻的高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域更大,這說明施工運(yùn)輸車輛的存在會(huì)增加隧道中瓦斯的聚集;風(fēng)流的流動(dòng)對(duì)瓦斯的運(yùn)移影響相似,但施工運(yùn)輸車輛下方輪胎之間的區(qū)域瓦斯?jié)舛扰c周圍區(qū)域不同,相當(dāng)于一個(gè)比較獨(dú)立的區(qū)域,那是因?yàn)槭┕み\(yùn)輸車輛下方輪胎之間的區(qū)域比較狹小,與周圍區(qū)域的風(fēng)流交換區(qū)域很小。
圖11為存在運(yùn)輸車輛隧道過中心縱斷面上的瓦斯?jié)舛饶M云圖,從圖中可以看出:瓦斯團(tuán)同樣經(jīng)歷了一個(gè)擴(kuò)大之后又縮小的過程,在這個(gè)過程中,瓦斯總體更加擴(kuò)散,并且逐漸向隧道洞口處運(yùn)移,這一點(diǎn)與前面的情況相似;瓦斯?jié)舛仍茍D變化相比于前兩種情況而言更加不均勻,施工運(yùn)輸車輛附近的瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)程度比存在襯砌臺(tái)車阻擋時(shí)更加劇烈,在施工運(yùn)輸車輛附近的瓦斯?jié)舛确植汲?huì)出現(xiàn)斷層,這些都說明施工運(yùn)輸車輛對(duì)風(fēng)流的擾動(dòng)及對(duì)瓦斯的快速排出會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的阻擋和擾動(dòng)作用。
通過對(duì)大斷面有無障礙物特定通風(fēng)條件下的隧道瓦斯?jié)舛冗\(yùn)輸數(shù)值模擬結(jié)果可以看出:在橫截面上,布設(shè)風(fēng)管的一側(cè)瓦斯?jié)舛容^低,變化較快,且分布不均勻,但不容易形成高濃度聚集區(qū);未布設(shè)風(fēng)管的一側(cè)濃度相對(duì)高些,變化相對(duì)較慢,分布比較均勻;隧道上部濃度較高,且分布不均勻,會(huì)在拱頂形成一個(gè)高濃度聚集區(qū)域,隨著風(fēng)流逐漸擴(kuò)散濃度降低;隧道下部濃度較低,且分布比較均勻,基本不會(huì)形成高濃度聚集區(qū),但在無軌內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備底部的輪胎之間容易形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域。沿著隧道縱向方向上,瓦斯涌出后總體是向上部漂移,瓦斯團(tuán)隨著風(fēng)流向洞外移動(dòng)時(shí),逐漸擴(kuò)大,瓦斯?jié)舛戎饾u降低,在隧道拱頂形成局部高濃度區(qū)域,隧道中部和下部為濃度不斷降低的均勻分布區(qū)域;瓦斯團(tuán)在向洞外移動(dòng)時(shí)遇到無軌內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備或襯砌臺(tái)車的影響,瓦斯?jié)舛确植紝⒃跓o軌內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備處出現(xiàn)突變,高濃度瓦斯團(tuán)大部分沿著運(yùn)輸設(shè)備迎風(fēng)面向上迅速攀升,很快漂移到拱部形成高濃度聚集區(qū),只有小部分?jǐn)U散流入隧道中部和下部;隧道上部高濃度瓦斯運(yùn)移速度明顯大于下部瓦斯運(yùn)移速度,在隧道下部如果有障礙物的出現(xiàn),會(huì)進(jìn)一步阻礙其運(yùn)移速度。
通過數(shù)值模擬可以看出,無論有無障礙物,開挖面如果瓦斯突然涌出,在隧道設(shè)計(jì)的通風(fēng)條件下,瓦斯運(yùn)移出隧道的時(shí)間約為20 min,即無軌內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)入隧道的作業(yè)時(shí)間不得低于20 min??紤]隧道實(shí)際施工存在超欠挖問題、襯砌臺(tái)車、無軌裝運(yùn)設(shè)備等的干擾,會(huì)出現(xiàn)局部瓦斯積聚現(xiàn)象,無軌內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)巷作業(yè)時(shí)間適當(dāng)延長。
考慮渝黔鐵路天坪隧道瓦斯極限涌出條件,結(jié)合隧道實(shí)際施工工序條件,通過數(shù)值模擬得到以下結(jié)論:開挖面涌出的瓦斯在風(fēng)流作用下,在隧道的上部發(fā)生積聚,隧道下部濃度相對(duì)較低,但上部瓦斯?jié)舛葓鲞\(yùn)移速度明顯大于下部瓦斯?jié)舛龋辉趬猴L(fēng)管一側(cè)瓦斯?jié)舛让黠@低于無壓風(fēng)管一側(cè);襯砌臺(tái)車和存在無軌內(nèi)燃機(jī)車的情況下會(huì)對(duì)瓦斯運(yùn)移產(chǎn)生影響,尤其是下部瓦斯場的運(yùn)移;在有無障礙物影響條件下,瓦斯全部運(yùn)移出隧道的時(shí)間約為1 200 s。
通過數(shù)值模擬,考慮隧道施工實(shí)際,建議:在正常的施工工序條件下,瓦斯團(tuán)擴(kuò)散過程中遇到超欠挖、襯砌臺(tái)車、無軌裝運(yùn)設(shè)備等的干擾,會(huì)出現(xiàn)局部瓦斯積聚現(xiàn)象,雖然經(jīng)過1 200 s時(shí)間能將極端條件開挖面涌出的瓦斯?jié)舛冉档偷揭粋€(gè)安全的水平,建議施工渣石運(yùn)輸工序在爆破后通風(fēng)不低于30 min后進(jìn)行。同時(shí),為了避免施工中出現(xiàn)異常情況,建議施工中多采用瓦斯抽放、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、專項(xiàng)揭煤施工方案、加強(qiáng)通風(fēng)(包括風(fēng)電閉鎖)和瓦斯監(jiān)測(包括瓦電閉鎖)等主動(dòng)防控措施,并加強(qiáng)主動(dòng)防控措施的有效管控;最后結(jié)合施工條件,適當(dāng)與合理采用防爆設(shè)備進(jìn)行被動(dòng)防控,確保瓦斯隧道施工安全。