李永生

(渝黔鐵路有限責(zé)任公司,重慶 400014)

隨著我國(guó)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(wú)軌運(yùn)輸?shù)陌咐粩嘣黾?，因?yàn)闊o(wú)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(kāi)展瓦斯分布規(guī)律對(duì)無(wú)軌運(yùn)輸?shù)挠绊懷芯俊Ｗ?0世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外學(xué)者Shinji等人對(duì)隧道掘進(jìn)過(guò)程中掌子面瓦斯涌出做了相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)，并測(cè)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(chǎng)的影響較大[4-7]。國(guó)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(guò)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(chǎng)進(jìn)行模擬，研究結(jié)果可為獨(dú)頭巷道風(fēng)流傳質(zhì)過(guò)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(kāi)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(kāi)展的瓦斯分布規(guī)律研究，以及瓦斯分布規(guī)律對(duì)無(wú)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(wú)軌運(yùn)輸?shù)挠绊戦_(kāi)展研究。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

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(guò)程中的守恒定律。在流場(chǎng)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。控制體邊長(zhǎng)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(kāi)式的前兩項(xiàng)來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)局部通風(fēng)掘進(jìn)工作面的流場(chǎng)分布模擬計(jì)算研究，得出了局部通風(fēng)流場(chǎng)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。

2 隧道數(shù)值模擬模型的建立

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(guò)大問(wèn)題，計(jì)算模型長(zhǎng)度為隧道施工實(shí)際長(zhǎng)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(zhǎng)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。

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)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)

2.2 數(shù)值模擬模型參數(shù)及邊界條件設(shè)定

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(chǎng)中的瓦斯運(yùn)移過(guò)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(chǎng)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(chǎng)所測(cè)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(guò)程中會(huì)有分離、再附著以及撞擊問(wèn)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(chǎng)隨時(shí)間的變化，采用二階差分格式控制誤差精度。流場(chǎng)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。

3 有無(wú)障礙物隧道瓦斯運(yùn)移模擬結(jié)果分析

3.1 無(wú)障礙物工況模擬分析

無(wú)障礙物隧道距離開(kāi)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(wú)障礙物模擬模型

圖4 隧道內(nèi)無(wú)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(guò)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(wú)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(wú)障礙物縱斷面瓦斯分布云圖

從圖5可以看出：瓦斯場(chǎng)經(jīng)歷了一個(gè)擴(kuò)大之后又縮小的過(guò)程，在風(fēng)流的作用下，開(kāi)挖面涌出的瓦斯逐漸擴(kuò)散開(kāi)，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(shuō)明在隧道內(nèi)沒(méi)有阻礙的情況下，瓦斯運(yùn)移過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)大的波動(dòng)；1 200 s后(20 min后)，從開(kāi)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>

3.2 存在襯砌臺(tái)車工況模擬分析

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(kāi)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(kāi)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(kāi)的兩側(cè)瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)斷層，濃度差別較大，這說(shuō)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?chǎng)的運(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?chǎng)經(jīng)歷與無(wú)障礙情況大致相同的擴(kuò)散運(yùn)移過(guò)程，但由于襯砌臺(tái)車的影響，瓦斯?jié)舛葓?chǎng)在臺(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(lái)看，襯砌臺(tái)車改變瓦斯?jié)舛葓?chǎng)的同時(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(wú)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(chǎng)存在。

圖8 隧道內(nèi)存在襯砌臺(tái)車縱斷面瓦斯分布云圖

3.3 存在運(yùn)輸車輛工況模擬分析

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(kāi)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(guò)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(shuō)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(guò)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(guò)程，在這個(gè)過(guò)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(shuō)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。

3.4 瓦斯分布規(guī)律及對(duì)無(wú)軌運(yùn)輸?shù)挠绊懛治?/h3>

通過(guò)對(duì)大斷面有無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)數(shù)值模擬可以看出，無(wú)論有無(wú)障礙物，開(kāi)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(wú)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。考慮隧道實(shí)際施工存在超欠挖問(wèn)題、襯砌臺(tái)車、無(wú)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(wú)軌內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)巷作業(yè)時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)。

4 結(jié)論與建議

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(guò)數(shù)值模擬得到以下結(jié)論：開(kāi)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?chǎng)運(yùn)移速度明顯大于下部瓦斯?jié)舛?；在壓風(fēng)管一側(cè)瓦斯?jié)舛让黠@低于無(wú)壓風(fēng)管一側(cè)；襯砌臺(tái)車和存在無(wú)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(chǎng)的運(yùn)移；在有無(wú)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(guò)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(guò)程中遇到超欠挖、襯砌臺(tái)車、無(wú)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(guò)1 200 s時(shí)間能將極端條件開(kāi)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(cè)(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。