高瓦斯隧道施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)及瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究

熊 華 濤

(中鐵十六局集團(tuán)鐵運(yùn)工程有限公司， 河北 保定 074000)

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，我國(guó)已成為世界上隧道建設(shè)規(guī)模最大、難度最高與數(shù)量最多的國(guó)家。由于越來(lái)越多的隧道穿越油氣盆地、煤系地層等瓦斯積聚區(qū)山脈，瓦斯隧道隨之增多[1-3]。隧道瓦斯會(huì)導(dǎo)致中毒、窒息、爆炸等災(zāi)難性后果，施工中瓦斯管理與控制十分關(guān)鍵[4]。通風(fēng)是防止隧道內(nèi)部瓦斯?jié)舛瘸藜巴咚贡ǖ幕敬胧?/p>

根據(jù)風(fēng)機(jī)類(lèi)型及布設(shè)位置的不同，隧道通風(fēng)方式分為壓入式、抽出式、巷道式等[5-7]。《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》[8](JTGT 3374—2020)規(guī)定非瓦斯和低瓦斯隧道宜采用壓入式通風(fēng)，而高瓦斯隧道宜采用巷道式通風(fēng)。針對(duì)瓦斯隧道通風(fēng)方式的選用，趙軍喜[9]結(jié)合三都隧道進(jìn)口工區(qū)對(duì)比射流巷道式、主扇式及壓入式三種通風(fēng)方案運(yùn)行效果，指出射流巷道式的通風(fēng)效果與運(yùn)行成本最優(yōu)。楊立新[10]提出施工隧道射流通風(fēng)量的計(jì)算方法，并結(jié)合算例優(yōu)化射流風(fēng)機(jī)及局部通風(fēng)機(jī)的布設(shè)位置。彭帆[11]闡述長(zhǎng)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)量計(jì)算方法，并優(yōu)化風(fēng)機(jī)在不同情況下的運(yùn)行模式。隧道內(nèi)部瓦斯運(yùn)移和排放效果是通風(fēng)效果的關(guān)鍵評(píng)價(jià)對(duì)象。針對(duì)壓入式通風(fēng)方式下隧道內(nèi)部瓦斯排放效果，王洪濤[12]采用FLUENT軟件分析風(fēng)筒布設(shè)位置對(duì)長(zhǎng)大隧道施工通風(fēng)效果的影響。Tomita等[13]通過(guò)相似實(shí)驗(yàn)分析隧道單頭掘進(jìn)時(shí)掌子面的瓦斯涌出及擴(kuò)散規(guī)律，并分析風(fēng)筒位置對(duì)瓦斯的影響規(guī)律。在工程實(shí)際中，高瓦斯隧道不論隧道長(zhǎng)短均應(yīng)采用巷道式通風(fēng)。在特長(zhǎng)雙洞高瓦斯隧道通風(fēng)方案設(shè)計(jì)中，還會(huì)在巷道和出風(fēng)隧道設(shè)置射流風(fēng)機(jī)，通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)和射流風(fēng)機(jī)組合來(lái)改善通風(fēng)效果[14-15]。在射流風(fēng)機(jī)輔助作用下，巷道式通風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)及瓦斯運(yùn)移特征會(huì)有所不同，相應(yīng)地對(duì)人員駐足、內(nèi)燃機(jī)械停放的位置等也應(yīng)采取針對(duì)性的措施，以防增大瓦斯?jié)撛谖：?，但是相關(guān)研究還相對(duì)較少。

本文以石黔高速公路七曜山隧道為背景，對(duì)雙洞高瓦斯隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)及效果評(píng)價(jià)方法展開(kāi)研究。首先，介紹七曜山隧道設(shè)計(jì)與施工概況，以及瓦斯溢出情況。然后，闡述隧道風(fēng)量、風(fēng)阻的計(jì)算方法，及射流巷道式通風(fēng)設(shè)計(jì)與風(fēng)機(jī)選型方法。最后，基于FLUENT軟件對(duì)通風(fēng)實(shí)施效果進(jìn)行模擬，明確風(fēng)場(chǎng)分布與瓦斯運(yùn)移的基本規(guī)律，探究瓦斯容易積聚的位置，以期為類(lèi)似工程案例提供參考。

1 七曜山隧道

1.1 七曜山隧道簡(jiǎn)介

七曜山隧道是重慶石柱至黔江高速公路的重點(diǎn)控制性工程，左洞起訖里程K16+368—K21+764，右洞起訖里程YK16+386—YK21+786，屬于特長(zhǎng)型隧道。隧道襯砌為三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，如圖1所示，拱高7.05 m、上半圓半徑5.45 m，周長(zhǎng)31.17 m，凈空面積64.28 m2。采用新奧法原理進(jìn)行施工設(shè)計(jì)，最大開(kāi)挖斷面面積為69.22 m2，初期支護(hù)以噴、錨、網(wǎng)為主，二次襯砌為模筑混凝土。中鐵十六局集團(tuán)施工總承包指揮部三分部承擔(dān)七曜山隧道出口端施工任務(wù)，施工段落為左洞Y19+030—Y21+761，右洞YK19+050—YK21+786。

圖1 隧道主洞襯砌內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖(單位：cm)

1.2 瓦斯溢出情況

七曜山隧道出口端原設(shè)計(jì)不穿越煤層，勘察也未發(fā)現(xiàn)瓦斯跡象，故出口段無(wú)瓦斯相關(guān)設(shè)計(jì)。2019年4月2日，七曜山隧道出口端左洞K20+432掌子面瓦斯等有毒有害氣體溢出，經(jīng)檢測(cè)掌子面拱頂可燃?xì)怏w濃度16%、H2S濃度0.6 ppm，氨氣0.7 ppm，后續(xù)監(jiān)測(cè)洞內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?.1%～0.6%之間。2019年8月1日，隧道出口端左洞K20+323處洞內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)異常，拱頂瓦斯?jié)舛瘸^(guò)光干涉式甲烷測(cè)定器量程，掌子面瓦斯、有害氣體突出，造成起火燃燒。根據(jù)《石黔高速七曜山隧道出口段施工溢出氣體成分檢測(cè)及來(lái)源分析和等級(jí)劃分報(bào)告》，隧道左洞瓦斯氣體的絕對(duì)涌出量為1.70 m3/min～2.16 m3/min，隧道右洞瓦斯氣體的絕對(duì)涌出量為1.59 m3/min～1.82 m3/min，根據(jù)《公路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)程》[16](DB51/T 2243—2016)要求，界定為高瓦斯隧道。建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位與業(yè)主單位共同決策剩余未開(kāi)挖段按照高瓦斯隧道施工，故應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的通風(fēng)設(shè)計(jì)與管理。

2 隧道通風(fēng)量計(jì)算及方案設(shè)計(jì)

2.1 掌子面需風(fēng)量計(jì)算

風(fēng)量、風(fēng)壓是隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)[17]。需風(fēng)量根據(jù)瓦斯涌出量、規(guī)程允許風(fēng)速時(shí)風(fēng)量需求、作業(yè)人數(shù)、稀釋爆破排煙和洞內(nèi)內(nèi)燃機(jī)械廢氣等因素對(duì)應(yīng)的需風(fēng)量分別進(jìn)行計(jì)算，為保證安全，隧道施工需風(fēng)量的選取應(yīng)以最大值為準(zhǔn)。

2.1.1 瓦斯涌出稀釋需風(fēng)量

根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》[18](TB 10120—2019)、《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[19](JTG F60—2009)規(guī)定，隧道內(nèi)部各處的瓦斯?jié)舛葢?yīng)稀釋到0.5%以下。

(1)

式中：q為瓦斯涌出量，m3/min；Ca和C0分別為允許瓦斯?jié)舛群托嘛L(fēng)瓦斯?jié)舛龋?；K為不均衡系數(shù)，一般取1.5～2.0。

對(duì)于七曜山隧道，左洞和右洞瓦斯涌出量保守取為5.0 m3/min，Q=1 600 m3/min。

2.1.2 規(guī)定風(fēng)速需風(fēng)量

瓦斯隧道規(guī)定風(fēng)速對(duì)應(yīng)的需風(fēng)量計(jì)算方法為：

60VlS≤Q≤60VhS

(2)

式中：Vl和Vh分別為最低和最高風(fēng)速，瓦斯工區(qū)一般分別取0.5 m/s和6 m/s[19]；S為隧道斷面積。

七曜山隧道仰拱填充斷面初期支護(hù)內(nèi)凈空面積77.51 m2，Q=2 325.3 m3/min。

2.1.3 最大作業(yè)人數(shù)需風(fēng)量

隧道內(nèi)最大作業(yè)人數(shù)的需風(fēng)量計(jì)算方法為：

Q=aKN

(3)

式中：a為單人每分鐘供風(fēng)量，取為4 m3/(min·人)；N為洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)，按照《重慶市公路水運(yùn)工程安全生產(chǎn)強(qiáng)制性要求》(渝交委路〔2015〕81號(hào))，瓦斯隧道單工作面同時(shí)作業(yè)人員不得超過(guò)29人。普通區(qū)段配置最多人員為80;K為備用系數(shù)，取值范圍1.1～1.25，取1.2。

非瓦斯段：Q=384 m3/min。

瓦斯段：Q=139.2 m3/min。

2.1.4 爆破排煙需風(fēng)量

隧道掌子面爆破對(duì)應(yīng)的需風(fēng)量計(jì)算公式為：

(4)

式中：t為爆破后通風(fēng)時(shí)間，取30 min；A為一次爆破所需炸藥用量，kg；L0為炮煙拋擲長(zhǎng)度或通風(fēng)排煙的臨界長(zhǎng)度，m；S為隧道開(kāi)挖斷面積，七曜山隧道高瓦斯區(qū)IV級(jí)圍巖，采用全斷面開(kāi)挖；K為淋水系數(shù)，取0.6；b為每公斤炸藥產(chǎn)生的CO當(dāng)量，取40 L/kg；P為巷道計(jì)算長(zhǎng)度范圍內(nèi)漏風(fēng)系數(shù)。

A的計(jì)算公式為：

A=Slc

(5)

式中：l為循環(huán)進(jìn)尺；c為單位炸藥用量，取值為1.0 g/m3。

七曜山隧道循環(huán)進(jìn)尺2.0 m，隧道開(kāi)挖斷面積為69.22 m2，A的計(jì)算結(jié)果為138.44 kg。

L0的計(jì)算公式為：

(6)

式中：β為紊流擴(kuò)散系數(shù)，本文取0.5。

七曜山隧道通風(fēng)筒直徑1.8 m，依據(jù)《風(fēng)筒漏風(fēng)率和風(fēng)阻的測(cè)定方法》[20](GB/T 15335—2019)計(jì)算百米漏風(fēng)率為1.0%。那么漏風(fēng)系數(shù)P為：

(7)

由此爆破排煙需風(fēng)量為Q=947.52 m3/min。

2.1.5 施工機(jī)械尾氣稀釋需風(fēng)量

稀釋內(nèi)燃機(jī)械廢氣的需風(fēng)量計(jì)算方法為：

(8)

式中：b為機(jī)械單位功率需風(fēng)量，m3/(min·kW)；n為施工機(jī)械總數(shù)；N為機(jī)械功率，kW；η為綜合效率系數(shù)。

七曜山隧道施工機(jī)械設(shè)備中，裝載機(jī)、挖掘機(jī)、和運(yùn)渣車(chē)等為內(nèi)燃機(jī)械，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 施工機(jī)械功效統(tǒng)計(jì)

計(jì)算結(jié)果為Q=2 657.2 m3/min。

根據(jù)上述各因素需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果，隧道內(nèi)施工需風(fēng)量最大值為稀釋內(nèi)燃機(jī)廢氣需風(fēng)量2 657.2 m3/min。因此，對(duì)于高瓦斯隧道，在掘進(jìn)長(zhǎng)度較大的情況下，瓦斯涌出量不是所需風(fēng)量的控制因素，機(jī)械廢氣為需風(fēng)量控制因素。

2.2 掌子面通風(fēng)量計(jì)算

2.2.1 海拔影響

考慮海拔影響的需風(fēng)量修正計(jì)算方法為：

(9)

式中：Qa為考慮海拔影響進(jìn)行修改后的需風(fēng)量；Q為正常條件下計(jì)算的需風(fēng)量，即以上計(jì)算中的最大值為2 657.2 m3/min；Pa為高海拔地區(qū)大氣壓力(七曜山隧道取海拔1 000 m)。

Qa=2 996 m3/min。

2.2.2 掌子面通風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)計(jì)算，隧道掌子面的需風(fēng)量為2 996 m3/min，七曜山隧道左洞最大施工距離為1 133 m，右洞為1 060 m。考慮到施工后期瓦斯涌出量增加、風(fēng)筒轉(zhuǎn)彎及破損漏風(fēng)等因素，對(duì)需風(fēng)量進(jìn)行修正。

Qb=Qa(1+ηL/100)

(10)

式中：η為風(fēng)筒100 m漏風(fēng)率，取0.01；L為風(fēng)筒長(zhǎng)度。

左洞需風(fēng)量為：

Qb=3 335.45 m3/min；

右洞需風(fēng)量為：

Qb=3 280.4 m3/min。

根據(jù)巷道式通風(fēng)原理，左、右洞掌子面的風(fēng)量全部來(lái)自主風(fēng)流，因此七曜山隧道通風(fēng)主循環(huán)風(fēng)量為Qb≥6 615.85 m3/min。

2.3 隧道通風(fēng)阻力及風(fēng)機(jī)風(fēng)阻計(jì)算

風(fēng)機(jī)選型時(shí)不僅要參照隧道最大需風(fēng)量，同時(shí)應(yīng)根據(jù)各工區(qū)通風(fēng)方式計(jì)算風(fēng)筒阻力大小，主要核算巷道式通風(fēng)主循環(huán)風(fēng)阻和風(fēng)筒阻力。

2.3.1 巷道式通風(fēng)主循環(huán)風(fēng)阻

巷道式通風(fēng)主循環(huán)的風(fēng)阻主要來(lái)源于風(fēng)流和隧道之間的摩擦，主循環(huán)的路線(xiàn)是：進(jìn)風(fēng)洞—橫洞—出風(fēng)洞，總長(zhǎng)度為2 510 m。

沿程阻力的計(jì)算方法為：

ha=6.5g(αLQb2/d5)

(11)

式中：g為重力加速度；L為通風(fēng)長(zhǎng)度，m；α為通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)，取0.025[11]；Qb為主循環(huán)風(fēng)量，m3/s，取110.26 m3/s；d為斷面直徑，m，取9.05 m，

解得：ha=793.12 Pa。

局部阻力的計(jì)算方法為：

(12)

式中：ζ為局部阻力系數(shù)，一般取0.6；γ為空氣密度，kg/m3；S為風(fēng)帶面積，m2。

hj=1.06 Pa

綜上所述，計(jì)算得到主循環(huán)風(fēng)阻力為ha+hj=794.18 Pa。

2.3.2 風(fēng)筒阻力計(jì)算

主循環(huán)風(fēng)流形成后，新鮮風(fēng)流布置在進(jìn)風(fēng)洞內(nèi)的主通風(fēng)機(jī)通過(guò)風(fēng)筒輸送至隧道掌子面。主通風(fēng)機(jī)(軸流風(fēng)機(jī))全部布置在七曜山隧道左洞內(nèi)。主通風(fēng)機(jī)送風(fēng)距離為1 133 m(左洞)，右洞1 060 m。風(fēng)筒阻力包括沿程阻力和局部阻力。

(1) 左洞風(fēng)筒阻力。風(fēng)筒沿程阻力采用式(11)計(jì)算，風(fēng)筒長(zhǎng)度1 133 m，摩阻系數(shù)0.000 13，風(fēng)量55.59 m3/s，風(fēng)筒直徑1.8 m。由此，左洞風(fēng)筒沿程阻力為1 520.33 Pa。

風(fēng)筒局部阻力采用式(12)計(jì)算，局部阻力系數(shù)0.6；左洞風(fēng)量55.59 m3/s。由此，左洞風(fēng)筒的局部阻力為172.03 Pa。其他局部阻力按局部阻力5%取值，因此左洞風(fēng)筒總阻力為1 700.96 Pa。

(2) 右洞風(fēng)筒阻力。類(lèi)似地，右洞風(fēng)筒沿程阻力為1 375.68 Pa，局部阻力為166.38 Pa。由于采用巷道式通風(fēng)，隧道右洞風(fēng)筒經(jīng)過(guò)兩次彎折，彎折處阻力計(jì)算方法為：

hw=∑ξγQ2/(2S2)

(13)

式中：∑為風(fēng)筒轉(zhuǎn)彎次數(shù)；ξ為風(fēng)筒接頭局部阻力系數(shù)，取0.52；Q為右洞通風(fēng)量。

風(fēng)筒彎折處的風(fēng)阻計(jì)算結(jié)果為428.89 Pa。

由此，右洞風(fēng)筒阻力為1 979.27 Pa。風(fēng)筒彎折處風(fēng)阻占到總風(fēng)阻的21.7%，因此應(yīng)注意保持彎折處的圓順。綜上所述，七曜山隧道單洞最大需風(fēng)量為3 335.45 m3/min(55.59 m3/s)，最大風(fēng)壓為1 979.27 Pa。

2.4 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

綜合考慮七曜山隧道斷面型式、長(zhǎng)度、機(jī)械設(shè)備、出渣方式等因素，采用壓入式+抽出式的巷道混合射流通風(fēng)方式，如圖2所示。具體方案為：

(1) 在K20+580處設(shè)置4臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)向左右洞內(nèi)輸送風(fēng)量，K20+520橫通道和右洞安裝射流風(fēng)機(jī)加速向洞內(nèi)抽排污濁氣流。

(2) 為防止二襯臺(tái)車(chē)附近、襯砌斷面變化處、橫通道處瓦斯聚集，增加空氣流速，特在二襯臺(tái)車(chē)安裝2臺(tái)11 kW局部通風(fēng)機(jī)、開(kāi)挖臺(tái)車(chē)安裝2臺(tái)2.2 kW局部通風(fēng)機(jī)、6#車(chē)行橫通道口安裝2臺(tái)30 kW射流風(fēng)機(jī)。

(3) K21+270車(chē)行橫通道靠近左線(xiàn)設(shè)置柵欄，防止作業(yè)人員入內(nèi)，在該橫通處安裝瓦斯監(jiān)測(cè)探頭。

(4) 在正線(xiàn)洞口處安裝抽出式風(fēng)機(jī)，使左、右線(xiàn)形成一定的風(fēng)壓差，形成巷道式通風(fēng)系統(tǒng)。

施工過(guò)程中，通風(fēng)機(jī)隨著掘進(jìn)深度的增大而向前移動(dòng)，除污風(fēng)排煙橫通道外，其余橫通道全部設(shè)置風(fēng)門(mén)臨時(shí)密閉，防止風(fēng)流互竄，造成洞內(nèi)循環(huán)風(fēng)。實(shí)際施工時(shí)根據(jù)掌子面瓦斯涌出量確定是否需增設(shè)局部射流風(fēng)機(jī)稀釋瓦斯?jié)舛取?/p>

圖2 七曜山隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)方案

參考風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，隧道主通風(fēng)機(jī)選用SDDY-No14#型多級(jí)變速風(fēng)機(jī)，并對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行防爆改裝，其性能參數(shù)均滿(mǎn)足計(jì)算要求，如表2所示。

表2 SDDY-No14#通風(fēng)機(jī)主要參數(shù)表

3 基于FLUENT的隧道通風(fēng)效果模擬

3.1 計(jì)算模型

以七曜山隧道實(shí)際尺寸為參考，利用SolidWorks建模工具，在笛卡爾坐標(biāo)系下建立總長(zhǎng)度為160 m的一段空間，隧道掘進(jìn)方向?yàn)閆軸負(fù)方向，模型兩端分別對(duì)應(yīng)掌子面和風(fēng)墻位置。簡(jiǎn)化后隧道通風(fēng)幾何模型如圖3(a)所示。然后，采用Gambit軟件對(duì)隧道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)需要，網(wǎng)格最大尺寸為200 mm。網(wǎng)格模型包括389 437個(gè)節(jié)點(diǎn)， 932 443個(gè)單元，如圖3(b)所示。

圖3 七曜山隧道計(jì)算模型

模型的計(jì)算條件包括：氣流視為不可壓縮流體，氣體流動(dòng)選用標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)求解。開(kāi)啟組分運(yùn)輸模型，inlet diffusion組分包括甲烷、硫化氫、氮?dú)夂脱鯕獾瘸煞帧ressure壓力差值方式采用Standard格式，壓力差分方式為二階差分方式，動(dòng)量差分方式為二階迎風(fēng)。采用SIMPLEC算法進(jìn)行解算以加速模擬收斂速度。

七曜山隧道邊界條件如表3所示。其中，風(fēng)流沿垂直于風(fēng)筒口方向均勻進(jìn)入隧道，湍流強(qiáng)度比值為5%，水力直徑為1.8 m[11]。隧道內(nèi)掌子面、拱頂、側(cè)壁以及風(fēng)筒視為無(wú)滑移邊界條件，設(shè)定為wall單元，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法求解。

表3 七曜山隧道邊界條件參數(shù)表

依據(jù)瓦斯的實(shí)際涌出量來(lái)確定瓦斯源項(xiàng)S的值，計(jì)算方法為：

S=ρQ/Vt

(16)

式中：ρ為瓦斯的密度，0.716 kg/m3；V表示瓦斯涌出源的體積，視與掌子面距離100 mm的空氣中為實(shí)際污染源源項(xiàng)；t為時(shí)間。

七曜山隧道出口端左洞瓦斯絕對(duì)涌出量Q為1.70 m3/min～2.16 m3/min、右洞瓦斯絕對(duì)涌出量為1.59 m3/min～1.82 m3/min，計(jì)算時(shí)取最大值，計(jì)算結(jié)果分別為0.004 01 kg/(m3·s)和0.003 34 kg/(m3·s)。

3.2 風(fēng)場(chǎng)分布規(guī)律

3.2.1 總體分布規(guī)律

圖4為隧道縱向水平面的風(fēng)速分布圖(Y=3.5 m)?？梢钥闯?，隧道內(nèi)空氣的流動(dòng)模式受到軸流風(fēng)機(jī)和射流風(fēng)機(jī)的共同控制。首先，風(fēng)墻外的新鮮空氣通過(guò)壓入式軸流風(fēng)機(jī)從左洞(送風(fēng)洞)的風(fēng)筒口處進(jìn)入隧道，左洞和右洞的風(fēng)筒分別將空氣壓送至掌子面。風(fēng)筒射流由于掌子面的回彈作用，風(fēng)流質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始自風(fēng)筒所在位置向外發(fā)散，風(fēng)速逐漸減小，并逐漸形成回流，風(fēng)流從遠(yuǎn)離風(fēng)筒的隧道一側(cè)返回，在橫通道射流風(fēng)機(jī)卷吸作用下再次改變流動(dòng)方向，形成渦流區(qū)，并與從右洞掌子面處吹來(lái)的風(fēng)流混合后從隧道右洞出口排出。掌子面和橫通道之間的風(fēng)場(chǎng)明顯地分布著沖擊射流區(qū)、回流區(qū)、渦流區(qū)，表現(xiàn)出有限空間內(nèi)受限附壁射流的流場(chǎng)特性。

圖4 隧道內(nèi)風(fēng)流速度分布圖(截面Y=3.5 m)

圖5為隧洞中心位置風(fēng)速的縱向分布情況。可以看出，當(dāng)Z>45 m時(shí)，左、右洞內(nèi)的風(fēng)速處于波動(dòng)狀態(tài)，距離風(fēng)筒出口處較近的位置風(fēng)速較大，隨著與風(fēng)筒出口距離的增加，風(fēng)速逐漸降低。原因在于氣體在運(yùn)移過(guò)程中受到壁面摩擦的影響，并且存在正向風(fēng)流與回流綜合形成的渦流區(qū)域。Z<45 m時(shí)，左、右洞的縱向風(fēng)流方向相反，左洞風(fēng)流在風(fēng)墻的阻擋作用和橫通道射流風(fēng)機(jī)的抽吸作用下以約2 m/s速度向洞內(nèi)流動(dòng)；右洞(排風(fēng)洞)掌子面污染空氣與從橫通道而來(lái)的左洞污染空氣混合后在出口射流風(fēng)機(jī)的作用下以約6.0 m/s的速度向洞外排出，風(fēng)速符合通風(fēng)技術(shù)要求。

圖5 隧道左洞和右洞的風(fēng)速變化曲線(xiàn)

3.2.2 掌子面風(fēng)速分布

掌子面是瓦斯涌出的主要區(qū)域，通風(fēng)條件直接影響瓦斯排放效果。圖6為左洞距離掌子面0.5 m處的風(fēng)速分布圖?？梢钥闯?，隧道截面具有明顯的風(fēng)流分區(qū)現(xiàn)象，遠(yuǎn)離風(fēng)筒一側(cè)的風(fēng)速小于風(fēng)筒出口處射流區(qū)風(fēng)速。隧道內(nèi)部風(fēng)筒異側(cè)下隅角為風(fēng)速最小區(qū)域，不利于隧洞內(nèi)瓦斯的稀釋和排除，因此該區(qū)域容易形成瓦斯積聚，應(yīng)注意采取防范措施。

圖6 七曜山隧道左洞掌子面風(fēng)速分布

3.3 瓦斯運(yùn)移規(guī)律

3.3.1 掌子面瓦斯分布

左洞風(fēng)筒出風(fēng)口截面瓦斯?jié)舛入S時(shí)間的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 左洞風(fēng)筒出風(fēng)口截面瓦斯?jié)舛仍茍D

由圖7可以看出，在風(fēng)筒風(fēng)流未達(dá)到掌子面前，隨著瓦斯持續(xù)地涌出，隧道掌子面瓦斯?jié)舛仍龃?，由于瓦斯密度低于空氣，存在浮生現(xiàn)象。隨著新鮮空氣的壓入，掌子面瓦斯氣體隨空氣向隧道出口流動(dòng)，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生濃度上升趨勢(shì)。由圖7(c)可見(jiàn)，掌子面附近瓦斯分布不均勻，瓦斯?jié)舛仍陲L(fēng)筒出風(fēng)口處最小，并以此為中心點(diǎn)呈發(fā)射狀向外分布且逐漸增大，濃度最大處在距離風(fēng)筒最遠(yuǎn)處的掌子面近壁處。通風(fēng)120 s時(shí)，掌子面附近瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定，濃度保持在0.5%以下。

掌子面瓦斯?jié)舛染哂忻黠@的分層現(xiàn)象，進(jìn)風(fēng)側(cè)和隧道中部的瓦斯?jié)舛缺然仫L(fēng)側(cè)的值要小。由于渦流滯后的作用，在隧道回風(fēng)側(cè)整個(gè)靠近壁面的部位瓦斯?jié)舛容^大，墻頂、拱腳及墻腳處較為明顯。因此，回風(fēng)側(cè)中下方位置產(chǎn)生瓦斯災(zāi)害的可能性最大，應(yīng)注意該位置的瓦斯檢測(cè)與局部通風(fēng)。

3.3.2 隧道內(nèi)瓦斯總體分布規(guī)律

圖8為通風(fēng)時(shí)間60 s時(shí)隧道內(nèi)部瓦斯?jié)舛确植紙D(Y=3.5 m)?？梢钥闯觯蠖赐咚闺S著風(fēng)流通過(guò)橫通道與從右洞掌子面而來(lái)的瓦斯匯合后向隧道口方向排出。掌子面前10 m內(nèi)的存在射流區(qū)、回流區(qū)及渦流區(qū)，從而導(dǎo)致瓦斯體積分?jǐn)?shù)具有明顯差異，渦流區(qū)的存在使小范圍內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化梯度增大。瓦斯向外運(yùn)移過(guò)程中，風(fēng)筒出口附近濃度較低，之后由于渦流區(qū)等因素的影響又有所增大。瓦斯?jié)舛仍陲L(fēng)筒出口附近呈現(xiàn)兩端高、中間低的分布特征。因此并不是距離掌子面距離越遠(yuǎn)時(shí)，瓦斯風(fēng)險(xiǎn)最低。在施工過(guò)程中，風(fēng)筒出口3m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛炔蝗菀壮蓿梢宰鳛槭┕と藛T的駐足位置。

圖8 隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛确植紙D(Y=3.5 m)

3.3.3 橫通道瓦斯分布

橫通道與正洞連接處的瓦斯分布如圖9所示。可以看出，橫通道處的射流風(fēng)機(jī)將左洞瓦斯卷吸引射至右洞，橫通道附近瓦斯?jié)舛扔?.2%逐漸減小到0.1%。由于風(fēng)流的射流和回流作用形成的渦流會(huì)影響瓦斯的擴(kuò)散路徑，使得瓦斯擴(kuò)散軌跡具有明顯的弧度。在巷道式通風(fēng)過(guò)程中，橫通道與正洞連接處易形成渦流區(qū)，導(dǎo)致瓦斯局部聚集，應(yīng)注意防范。

4 結(jié) 論

(1) 當(dāng)高瓦斯隧道的掘進(jìn)長(zhǎng)度較大時(shí)，內(nèi)燃機(jī)械對(duì)應(yīng)的需風(fēng)量往往大于瓦斯涌出量所對(duì)應(yīng)的需風(fēng)量，成為隧道需風(fēng)量的主要控制因素。七曜山隧道排風(fēng)洞風(fēng)筒在橫通道彎折處的風(fēng)阻會(huì)占到總風(fēng)阻的21.7%，應(yīng)注意保持風(fēng)筒圓順性。

圖9 橫通道與正洞連接處瓦斯?jié)舛确植?Y=3.5 m)

(2) 同一斷面不同位置的瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速大小各不相同。掌子面和橫通道之間的風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)出有限空間內(nèi)受限附壁射流的流場(chǎng)特性，遠(yuǎn)離風(fēng)筒的拱頂與拱壁相交處、橫通道與正洞連接處等位置積聚，應(yīng)注意防范。風(fēng)筒出口附近瓦斯?jié)舛瘸蕛啥烁?、中間低的分布規(guī)律，建議施工人員盡量在風(fēng)筒出口的后方附近駐足。