中圖分類號：U455 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）07-0064-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.07.013

Study on theVentilation Flow Field and Gas TransportationLawof CompositeRailroadGas Tunnel

LIN Qihuang

（China Railway 24 Bureau Group Fujian Railway Construction Limited，F(xiàn)uzhou 3501O8， China）

Abstract：[Purposes] This paper aims to investigate the ventilation and gas transportation law during the construction of coalbed methane and shallow natural gas composite high-gas railroad tunnel.[Methods] Taking the actual project as an example，F(xiàn)LUENT numerical simulation software was used to conduct transient analysis and study the effect of ventilation on gas concentration.[Findings] The study shows that： ① after 2O minof ventilation，the flow field in the tunnel is basicall stable，and the wind speeds in the tunnel are all greater than 0 . 2 5 m / s ，which is in line with the requirements of the construction ventilation; ② under the stable state of ventilation，the closer the area of the palm face is，the greater the fluctuations in wind speed and gas concentrationare are; ③ after the ventilationflow field isstabilized， it isdifficult to discharge the gas accumulation atthe top of the wall，the footing，and thecornersof the walof the palm face.[Conclusions] Through analysis，it can be seen that the ventilation wind speed is 1 4 . 5 4 m / s which meets the ventilation requirements of the tunnel. Gas detection and local ventilation should be done in the area prone to gas accumulation on the return air side.

Keywords： gas tunnel; numerical simulation;gas ventilation;transportation law

0 引言

隨著我國交通建設的發(fā)展，隧道及地下工程的建設規(guī)模越來越大。在隧道開挖過程中難免會穿越煤層和含碳巖層，處理不當易發(fā)生隧道瓦斯超限和瓦斯爆炸事故，為保證施工環(huán)境的安全，必須采取有效的通風措施。許多學者對瓦斯隧道通風防災進行了研究。黃登里對不同瓦斯隧道類型進行研究，并根據(jù)隧道實際情況提出了施工通風措施；陳波對特長瓦斯隧道工程施工通風技術進行了探討；李勝任3針對高速公路隧道施工經(jīng)常出現(xiàn)的問題，開展高速公路隧道瓦斯防治施工工藝技術研究；王賀等4研究了高瓦斯隧道在開挖爆破后的瓦斯擴散運移規(guī)律及通風對瓦斯?jié)舛鹊挠绊懀@得了掌子面附近瓦斯擴散運移規(guī)律；安俊杰等5采用計算流體動力學方法模擬風管漏風工況下瓦斯隧道通風案例，分析漏風面積與漏風位置對隧道瓦斯分布的影響規(guī)律；楊永斌等通過數(shù)值模擬，對不同參數(shù)下的瓦斯隧道通風效果進行研究并得到不同技術方案下的瓦斯運移規(guī)律；趙樹磊等針對瓦斯隧道多工作面作業(yè)時對壓入式通風方案中風管最優(yōu)布設方式進行研究，探究了多作業(yè)面通風系統(tǒng)中的射流風機最佳布設方案。

綜上所述，研究人員針對不同瓦斯隧道提出了不同的通風方案，但對煤層氣與淺層天然氣復合型瓦斯鐵路隧道施工期間的通風情況研究較少。本研究依托實際工程，采用FLUENT軟件分析復合型瓦斯隧道通風流場及瓦斯運移規(guī)律。

1工程概況

某鐵路隧道位于四川省達州市通川區(qū)，長度為41 3 6 m ，最大埋深約 3 6 0 m 。地貌單元屬川東嶺谷低山丘陵區(qū)，測區(qū)海拔為 3 5 0 ～ 7 4 0 m ，相對高差為3 9 0 m ，自然坡度一般為 。隧址區(qū)下伏基巖為砂巖泥巖互層、砂巖夾泥巖、頁巖夾灰?guī)r、泥巖、炭質(zhì)頁巖夾煤。區(qū)域內(nèi)碳質(zhì)含量較多，具有一定的生烴能力。根據(jù)測試數(shù)據(jù)、計算結果及相關既有工程資料綜合分析，隧道為高瓦斯隧道，進口為低瓦斯工區(qū)，出口為高瓦斯工區(qū)。

2隧道通風數(shù)值模擬分析

2.1 控制方程

本研究采用標準 k-ε 模型進行模擬計算，具體控制方程如下[8]

① 連續(xù)性方程見式（1）。

② 動量守恒方程見式（2）。

其中 的計算公式見式（3）。

③ 能量守恒方程見式（4）。

其中， G 的計算公式見式（5）。

④ 組分質(zhì)量守恒方程見式（6）。

其中 的計算公式見式（7）。

⑤k 方程見式（8）。

其中， K 的計算公式見式（9）。

⑥ε 方程見式（10）。

其中， B 和 E 的計算公式見式（11）。

以上式中： ρ 為流體密度， 為通風時間， 為 i ， j 方向的速度分量；為 i ， j 方向的坐標； p 為氣體壓力， 為 方向上流體單位體積所受的體積力， 為應力張量； T 為流體溫度，K； 為空氣定壓比熱， J / （ k g? K） ; K 為氣體熱系數(shù)，W/ 為黏性力做功項; 為瓦斯體積分數(shù)； 為瓦斯擴散系數(shù)；k為紊流流體內(nèi)部應力， P a; μ 為層流體動力黏結因子， 為湍流體動力黏結因子， P a? s; ε 為湍流能量耗散率， 為湍流能量生成率， 為系數(shù)。

2.2 幾何模型

參考隧道截面實際尺寸，運用SpaceClaim建立隧道氣體流動計算模型，該模型主要研究掌子面附近的流場和瓦斯分布情況，故選取隧道出口工區(qū)，對距掌子面 2 0 0 m 的區(qū)域范圍內(nèi)進行分析。風筒布置于隧道右側拱腰處，直徑取 1 . 8 m ，距離地面6 . 5 m ，風筒出風口距掌子面 1 5 m ，在掌子面后方設定 0 . 1 m 厚的空間為瓦斯源項。利用FLUENT軟件自帶的網(wǎng)格劃分功能對隧道模型進行非結構化網(wǎng)格劃分，整個模型共生成約120萬個網(wǎng)格，隧道網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2.3模型參數(shù)及邊界參數(shù)

模型邊界條件設置見表1、表2。根據(jù)隧道施工實際情況及相關文獻，模擬時采用標準 k-ε 模型，模型的重力加速度取 。通過現(xiàn)場實測，隧道實際瓦斯涌出量為 ，計算可得瓦斯源項為 ，根據(jù)所需風量計算風速為 1 4 . 5 4 m / s 。

3數(shù)值模擬結果分析

3.1隧道通風流場分析

隧道縱斷面（ y=6 . 5 m， 的風流場分布如圖2所示。由圖2可知，風流由通風管口射出，沿隧道壁面向掌子面方向發(fā)展，到達掌子面后受到限制，風流向遠離風管一側運移回流。隨著通風時間的增加，風流逐漸向隧道出口移動。當通風1s時，風流剛由風筒出風口射出，小部分風流脫離風筒的約束向四周擴散，大部分風流緊貼隧道壁向前流動，但通風時間較短，風流未到達掌子面；當通風 1 m i n 時，射流充分發(fā)展，但隧道內(nèi)流場發(fā)展不穩(wěn)定。隨著隧道通風時間的推移，風流向掌子面靠近的同時，風流的貼壁面積越大，在隧道中的貼壁現(xiàn)象越明顯。原因主要是通風時間增加使更多的風流能夠到達隧道各個斷面，并且風流具有較強的貼壁效應。對比風流云圖隨時間的變化可以看出，隨著時間的推移，隧道內(nèi)的風流場產(chǎn)生了明顯的分區(qū)現(xiàn)象，風筒與掌子面之間的射流區(qū)域風流流場基本穩(wěn)定，而遠離風筒一側的風流流場面積逐漸擴大，風流發(fā)生明顯的回流生成渦流區(qū)。當通風 2 0 m i n 時，隧道風流流場變化較小，整個流場趨于穩(wěn)定，因此，選取隧道通風 2 0 m i n 作為隧道穩(wěn)定時刻進行分析。

選取斷面典型位置構建7條測線對通風風速規(guī)律進行研究。各測線 坐標分別為（6.5，10，n ）（2.5，5.5，n）（6.5，5.5，n）（11，5.5，n）（2，2，n）（6.5，2 ， n ） （ 1 1 . 5 ， 2 ， n ） ， n 取 0 ～ 2 0 0 。通風穩(wěn)定狀態(tài)下的各測線風速分布規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，遠離掌子面的風速整體呈現(xiàn)先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定的趨勢。 峰值出現(xiàn)在 3 0 m 處，為 峰值出現(xiàn)在 5 m 處，峰值分別為 $5 . 4 ＼ 、 4 . 7 、 4 . 1 m / s，峰值出現(xiàn)在 1 0 m 處，為 2 . 9 m / s 。表明越靠近掌子面，風速越大，波動幅度越大，這是渦流導致流場不穩(wěn)定。通過各測線對比分析，越靠近射流中心，波動幅度越大。當距掌子面距離 1 2 0 m 處隧道各平面風速基本穩(wěn)定，風速基本為 0 . 3 m / s 。

圖3通風穩(wěn)定狀態(tài)下各測線風速

3.2 瓦斯運移分布規(guī)律

瓦斯分布云圖如圖4所示。在通風過程中，由于射流的貼壁效應及隧道空間的限制，掌子面處的瓦斯分布出現(xiàn)明顯的分區(qū)現(xiàn)象。靠近風筒一側的瓦斯?jié)舛茸钚?，并以風筒出口為中心點，瓦斯?jié)舛瘸拾l(fā)射狀向外分布并逐漸增大，遠離風筒一側的掌子面近壁處的濃度最大。向外排出的瓦斯在通過流場中的渦流區(qū)時，部分瓦斯由于渦流的卷吸作用重新流回掌子面，使墻頂、拱腳、墻角處的瓦斯難以排出形成瓦斯積聚。因此，在回風側中下方容易發(fā)生瓦斯災害，對此區(qū)域應該做好瓦斯檢測和局部通風。

在通風穩(wěn)定的狀態(tài)下，根據(jù)典型位置的7條測線對瓦斯分布規(guī)律進行研究，通風穩(wěn)定狀態(tài)下各測線瓦斯?jié)舛热鐖D5所示。由圖5可知，瓦斯?jié)舛仍诹鲌龇€(wěn)定的情況下， 測線經(jīng)歷了先下降后上升，最后趨于穩(wěn)定的過程， 測線處的瓦斯?jié)舛葎t先下降，然后上升，隨后又下降，最后趨于穩(wěn)定， 測線相較于其他測線變化幅度較大。掌子面至后方 處的區(qū)域內(nèi)，越靠近掌子面的位置瓦斯?jié)舛炔▌臃仍酱?，距掌子?2 0 m 處后方區(qū)域，各平面瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定且濃度基本保持一致，為 。掌子面處各測線的濃度分別為0 . 0 0 1 7 % 0 . 0 0 2 3 % 0 . 0 0 1 5 % 0 . 0 0 0 9 % 0 . 0 0 3 2 % 00 . 0 0 1 7 % . 0 . 0 0 1 3 % 測線在掌子面至后方 2 0 m 處的區(qū)域內(nèi)濃度高于其他測線濃度，由此可知拱腰及拱腳處容易發(fā)生瓦斯積聚。在隧道施工過程中應該對此區(qū)域做好通風工作。

4結論

本研究運用FLUENT軟件對復合型瓦斯鐵路隧道通風情況進行數(shù)值模擬分析，以風速與瓦斯?jié)舛葹樵u價指標，研究了隧道通風流場及瓦斯分布規(guī)律，得出以下結論。

① 隨著通風時間的增加，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛戎饾u降低，通風時間為 2 0 m i n 時隧道內(nèi)流場基本穩(wěn)定。

② 通風穩(wěn)定狀態(tài)下，靠近掌子面的區(qū)域會產(chǎn)生渦流區(qū)，越靠近掌子面的區(qū)域風速和瓦斯?jié)舛炔▌臃仍酱蟆?/p>

③ 在通風過程中，由于射流的貼壁效應及渦流的卷吸作用，在掌子面墻頂、拱腳、墻角形成瓦斯積聚，瓦斯難以排出，對此區(qū)域應該做好瓦斯檢測和局部通風。

參考文獻：

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