基于正交試驗(yàn)的瓦斯隧道通風(fēng)管道布置研究

趙宇 張志強(qiáng)

【摘要】隧道內(nèi)瓦斯的濃度是影響隧道內(nèi)工作環(huán)境的重要因素之一，而瓦斯?jié)舛仁芡咚褂砍隽?、通風(fēng)量大小、風(fēng)管直徑、風(fēng)管出口距工作面的距離、風(fēng)管懸掛位置、風(fēng)管貼壁間隙等因素的影響，在其他條件不變的情況下，瓦斯涌出量只會(huì)影響隧道相同位置瓦斯?jié)舛鹊拇笮?，其?guī)律不會(huì)發(fā)生變化。文章基于正交試驗(yàn)研究不同風(fēng)管直徑、風(fēng)管出口距工作面距離、風(fēng)管懸掛位置、風(fēng)管貼壁間隙對(duì)瓦斯分布規(guī)律的影響，每個(gè)因素選取三個(gè)水平，確定最佳風(fēng)管布置方式，并探明四種因素之間的相互關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】鐵路瓦斯隧道; 瓦斯擴(kuò)散; 正交試驗(yàn); 數(shù)值模擬; 風(fēng)管布置

【中國(guó)分類(lèi)號(hào)】U453.5【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

截至2016年底，我國(guó)公路隧道總計(jì)為15 181座，其中長(zhǎng)隧道為11 584座，特長(zhǎng)隧道為3 647座[1]。鐵路隧道總計(jì)為14 100座，其中特長(zhǎng)隧道為111座，短隧道及長(zhǎng)隧道為13 989座，僅成貴鐵路線(xiàn)上就有117座瓦斯隧道[2]。目前，隧道施工通風(fēng)研究比較滯后。瓦斯是隧道建設(shè)重大的地質(zhì)災(zāi)害，如果對(duì)瓦斯在隧道內(nèi)的運(yùn)移及分布規(guī)律認(rèn)識(shí)不夠，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，最終將導(dǎo)致重大事故。

康小兵[3]等利用CFD數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)瓦斯隧道施工期間不同通風(fēng)風(fēng)速降低瓦斯?jié)舛刃ЧM(jìn)行了模擬計(jì)算。袁帥[4]以營(yíng)盤(pán)山隧道為研究背景，通過(guò)數(shù)值模擬研究了附壁射流、瓦斯運(yùn)營(yíng)等問(wèn)題，并提出了風(fēng)室接力+巷道式通風(fēng)方案、比較了壓入式通風(fēng)和巷道式通風(fēng)的通風(fēng)效率等。張恒[5]等為提高風(fēng)倉(cāng)接力施工通風(fēng)的通風(fēng)效率，研究了風(fēng)倉(cāng)長(zhǎng)度、隔板長(zhǎng)度及風(fēng)機(jī)在風(fēng)倉(cāng)兩側(cè)的布置方式對(duì)軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)效率的影響。

本文以某鐵路瓦斯隧道為依托，基于CFD數(shù)值模擬，采用正交試驗(yàn)分析，得到風(fēng)管布設(shè)的最佳方案。

1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)是部分因子設(shè)計(jì)的一種具有代表性的試驗(yàn)方法，在不失去試驗(yàn)可靠性的基礎(chǔ)上可以大大降低成本，具有很高的效率。為了滿(mǎn)足正交試驗(yàn)的“均勻整齊”的特點(diǎn)使試驗(yàn)具有代表性及可靠性，正交試驗(yàn)要滿(mǎn)足以下要求：

（1）任意因素的各個(gè)水平作相同數(shù)量的試驗(yàn);

（2）任意兩個(gè)因素的水平組合作相同數(shù)量的試驗(yàn)。

正交試驗(yàn)另外一個(gè)很重要的概念—正交表，它是一種安排多因素試驗(yàn)的一類(lèi)表格，安排試驗(yàn)和分析試驗(yàn)結(jié)果都需要用到該表，每個(gè)正交表都有一個(gè)代號(hào)Ln（qm），其中L表示正交表，n表示試驗(yàn)總數(shù)，q表示試驗(yàn)的水平數(shù)，m表示表的列數(shù)，也即表中能容納的最多因素?cái)?shù)。表1為一個(gè)4因素3水平試驗(yàn)的正交表。

正交表的正交性體現(xiàn)在：

（1）任一列中，各水平都出現(xiàn)，且出現(xiàn)的次數(shù)相等;

（2）任兩列之間各種不同水平的所有可能組合都出現(xiàn)，且對(duì)出現(xiàn)的次數(shù)相等。該正交表最多安排4個(gè)因素，每個(gè)因素均為3個(gè)水平，一共要作9次試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)程序及結(jié)果分析流程如圖1所示。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中，取對(duì)鐵路隧道內(nèi)瓦斯分布規(guī)律影響較大的風(fēng)管直徑、風(fēng)管出風(fēng)口距工作面距離、風(fēng)管懸掛位置、風(fēng)管貼壁間隙4個(gè)因素作為正交試驗(yàn)的基本影響因素，每個(gè)因素選取三個(gè)水平。風(fēng)管的直徑取1.2 m、1.5 m、2.0 m三個(gè)水平，風(fēng)管出口距工作面的距離取10 m、20 m、30 m三個(gè)水平，風(fēng)管的懸掛位置取拱頂、拱肩、拱腳三個(gè)水平，風(fēng)管的貼壁程度用風(fēng)管距隧道壁面最近的距離進(jìn)行量化，取0.2 m、0.5 m、0.8 m三個(gè)水平。通過(guò)正交試驗(yàn)分析出風(fēng)管直徑、風(fēng)管出風(fēng)口距離工作面距離、風(fēng)管懸掛位置、風(fēng)管貼壁間隙的最佳組合。各影響因素及選取的水平數(shù)對(duì)應(yīng)的參數(shù)如表2所示。

正交試驗(yàn)對(duì)結(jié)果的分析需要在瓦斯工區(qū)風(fēng)流范圍內(nèi)選取目標(biāo)因子，試驗(yàn)選取隧道內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)穩(wěn)定后工作面的平均瓦斯?jié)舛茸鳛槟繕?biāo)因子來(lái)表征施工通風(fēng)效果，瓦斯?jié)舛仍降停L(fēng)效果越好。

本試驗(yàn)主要考察四個(gè)因素對(duì)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律的影響，不考慮因素之間的交互作用，因此正交表選用L9（34）型正交表，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表3所示。1～9的試驗(yàn)號(hào)分別記為工況1～工況9，對(duì)這9個(gè)工況分別進(jìn)行建模，并使用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，提取目標(biāo)因子，進(jìn)行數(shù)理分析。用極差分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定試驗(yàn)因素的最佳水平及最佳水平組合。

3 正交試驗(yàn)瓦斯擴(kuò)散數(shù)值模擬

對(duì)以上9種特定工況建立隧道模型劃分網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬，為使結(jié)果具有可比性，9種工況都計(jì)算1500步。9種工況計(jì)算不同橫斷面瓦斯?jié)舛确植荚茍D如圖2～圖4所示。

4 特定工況正交試驗(yàn)分析

為了對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)理分析，試驗(yàn)選擇工作面上的瓦斯平均濃度為目標(biāo)因子，表征通風(fēng)效果，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果采用極差分析法（及直觀(guān)分析法）進(jìn)行分析。根據(jù)正交試驗(yàn)表進(jìn)行的9次試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

4.1 各因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果相應(yīng)指標(biāo)計(jì)算

（1）分別計(jì)算風(fēng)管直徑A同一水平試驗(yàn)結(jié)果的相應(yīng)指標(biāo)。

4.2 判斷各因素對(duì)瓦斯排放效果的影響大小

根據(jù)上述的計(jì)算，風(fēng)管直徑所對(duì)應(yīng)的極差RA為0.001 450，風(fēng)管出口距工作面距離所對(duì)應(yīng)的極差RB為0.001 144，風(fēng)管懸掛位置所對(duì)應(yīng)的極差RC為0.001 167，風(fēng)管貼壁間隙所對(duì)應(yīng)的極差RD為0.001 178。得出RA>RD>RC>RB，說(shuō)明風(fēng)管直徑對(duì)瓦斯排放的影響最大，其次是風(fēng)管貼壁間隙、風(fēng)管懸掛位置及風(fēng)管距工作面距離。而現(xiàn)階段隧道在進(jìn)行施工通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)管的直徑通常是靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，缺乏相關(guān)規(guī)范。

4.3 確定各因素對(duì)應(yīng)的最優(yōu)水平

以工作面瓦斯?jié)舛葹榭v坐標(biāo)，因素水平為橫坐標(biāo)，得排放效果趨勢(shì)圖如圖5所示。

從圖5可以知道：風(fēng)管直徑為1.5 m時(shí)，瓦斯平均濃度值最小;風(fēng)管出口距工作面距離為20 m時(shí)，瓦斯平均濃度值

最小;風(fēng)管懸掛位置為拱腳時(shí)，瓦斯平均濃度值最小;風(fēng)管貼壁間隙為0.5 m時(shí)，瓦斯平均濃度值最小。

5 結(jié)論

（1）風(fēng)管直徑所對(duì)應(yīng)的極差為0.001 450，風(fēng)管出口距工作面距離所對(duì)應(yīng)的極差為 0.001 144，風(fēng)管懸掛位置所對(duì)應(yīng)的極差為0.001 167，風(fēng)管貼壁間隙所對(duì)應(yīng)的極差為 0.001 178。通過(guò)極差分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)管直徑對(duì)瓦斯排放的影響最大，其次是風(fēng)管貼壁間隙、風(fēng)管懸掛位置及風(fēng)管距工作面距離。

（2）通過(guò)正交試驗(yàn)分析，風(fēng)管布設(shè)的最佳方案為風(fēng)管直徑取1.5 m，風(fēng)管出口距工作面距離取20 m，風(fēng)管懸掛位置在拱腳，風(fēng)管貼壁間隙取0.5 m。

參考文獻(xiàn)

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