油气田瓦斯隧道通风防灾优化研究

白玉山，姚海波，江 俊，高 峰 ，张文选

(1.北方工业大学 土木工程学院力学与地下空间系,北京 100144；2.中国水利水电第七工程局有限公司第一分局,四川 成都 610084)

进入21世纪以来，我国隧道及地下工程获得了前所未有的迅速发展。而我国的地形地貌复杂多变，其中百分之七十五是山地和重丘，因此穿山隧道工程在我国的隧道建设中占有很大的比重。其中，修建山岭隧道时不免会遇到瓦斯富集的状况，给施工人员的人身安全带来了极大的安全隐患。近年来，有学者通过数值模拟、理论分析、现场试验等多种方法对瓦斯隧道通风进行了大量研究。李永生[1]以渝黔铁路天坪隧道为工程背景，在建立数学模型的基础上构建数值几何模型，研究无轨运输施工隧道瓦斯分布规律，并且提出了相应的措施，确保瓦斯隧道施工安全。郝俊锁、陈中方等[2]通过研究通风安全预警，对通风系统的可靠性进行评价，提出加强通风系统在线监测从而对施工中瓦斯动态分析进行预警。

为减小瓦斯对隧道施工的影响，采取合理的通风方案把瓦斯稀释到安全范围内[3-4]是施工控制措施的重中之重。本文以龙泉山隧道工程为例，通过数值模拟的方法分析了瓦斯在洞内的分布规律，结合现场监测数据对通风方案进行优化设计，以期为其他类似工程提供参考。

1 工程概况以及不良地质情况

1.1 工程概况

龙泉山隧道进口位于成都市天府新区合江镇龙井村，出口位于简阳市武庙乡红庙村。全长9 675 m，最大埋深275 m。隧道分为左、右线，采用双线分修，隧道平均断面面积约为67.5 m2。

隧道纵断面地质如图1所示，隧道从西翼到东翼垂直构造长轴穿越整个背斜构造[5]。受龙泉断层和卧龙寺向斜断层影响，节理和裂隙比较发育，油气通过节理缝隙上移进入遂宁组,属洛带气田典型生油气层，富含天然气。由于上覆有较厚的泥岩层，大量油气被盖层封闭，易储集而不易散发。在隧道掘进过程中，瓦斯很可能通过岩层裂隙渗出，存在瓦斯突出的危险。所以工程具有难以预测性与危险性，导致施工控制难度较大。

图1 隧道地质纵断面示意图

1.2 不良地质情况

施工现场从2018年7月13日起，探孔瓦斯含量突增。距掌子面10 m处拱底积水水面不断有气泡冒出，对施工造成严重影响。根据现场TSP与地质雷达报告推测，掌子面前方裂隙区为宽张型储气囊，赋存瓦斯较多。由于隧道所处区域围岩自身不产天然气，仅依靠隧道下方须家庙组地层产生瓦斯，且施工区域距离切源断层有一定距离，天然气来源有限，因此，瓦斯气体灾害可防、可控。

2 数值模拟模型的建立

2.1 数值模型及网格划分

首先将隧道的几何模型进行合理简化，如图2所示。风筒布置在拱顶部位，半径0.9 m，距离掌子面15 m，悬挂在隧道拱顶位置。根据现场瓦斯探测资料，掌子面瓦斯涌出量为1.5 m3/min。现场测风仪显示，距离掌子面30 m处的流场达到稳定状态。模型对掌子面50 m范围区域进行三维模拟计算，在Fluent中进行边界条件设定，采用混合运移模型[6]。将模型中风筒端口设定为空气进风入口，隧道的出口设为回风边界，为压力出口。

图2 风筒位置示意图

2.2 边界条件

模型计算域为50 m，气体为各向同性湍流，模型选用标准к-ε模型，能量方程，Simple算法。模型粗糙度默认为0.5，初始压力为标准大气压，温度300 K[7-8]。边界条件设定如下：

(1)流体计算域：设置掌子面为瓦斯的进口，为了真实模拟实际工程的瓦斯渗出，将掌子面后0.2 m区域设定为瓦斯源，瓦斯源项为0.001 53 kg/m3·s-1，假设此层赋存瓦斯并由质量源项与动量源项共同控制[9-10]。

(2)速度进口:进口风速8 m/s。

(3)压力出口:隧道进口设置为回风边界，为压力出口，工作压力0。

(4)壁面边界：无滑移壁面边界条件。

3 运行结果分析

3.1 流场分析

通风10 min后，洞内流场达到稳定，瓦斯浓度无明显变化，图3(a)为x=0纵断面风速迹线图，可以看出：风流流场的分布展现出明显的涡流效应。射流风流喷射至掌子面后产生回流，受射流区气流与回流区气流相互作用影响，导致在两者之间产生风流漩涡。涡流中心位于距离掌子面附近3～5 m高3 m处，涡流内的气体流速小，流线相对封闭。图3(b)为y=1横断面风速迹线图，图3(c)为y=3横断面风速迹线图。由图3可以看出：隧道两侧风速较小，中部流速较大，这是因为两侧距离风筒较远，瓦斯稀释能力较中心部位低；不同高度切面的风速大小明显不同。

(a)x=0断面 (b)y=1断面 (c)y=3断面

图3 各断面风速迹线图

图4 最大风速随距离变化曲线

为研究不同高度风速随距离掌子面距离变化情况，在x=0不同高度布置5道测线，如图4所示：y=1线坐标表示(0，1，n)，y=2线坐标表示(0，2，n)，y=3线坐标表示(0，3，n)，y=4线坐标表示(0，4，n)，y=5线坐标表示(0，5，n)。五条线靠近掌子面处风速最大值均可达到约2.5 m/s。y=2，y=3，y=4高度从掌子面到离掌子面区域4 m内，速度急剧下降，在离掌子面4 m达到最小值。这也说明涡流的中心处在高度为3～5 m，距离掌子面4 m处。在4 m之后的位置，由于风流通过涡流风旋后受射流影响，越向风筒处靠近风速也越大。直到离掌子面12 m处，由于风流远离风筒口，回流区风速逐渐减小，在距离掌子面40 m处风速达到稳定，五条线的风速保持在一个相对稳定的相似值，约为0.5 m/s，此风速完全满足了隧道开挖时风速不小于0.25 m/s的规定。

3.2 掌子面瓦斯浓度分析

掌子面在未通风初始状态与稳定状态瓦斯云图如图5所示。隧道未通风时，瓦斯浓度最高点位于掌子面顶端，达到5%，由拱顶至底部逐渐减少。这是由于瓦斯密度比空气轻，扩散方向与重力梯度相反，瓦斯具有向上扩散趋势。由于风筒布置在拱顶具有对称性，瓦斯浓度在掌子面分布情况也呈现对称分布。在通风10 min后，掌子面瓦斯浓度明显降低。瓦斯在风流作用下在隧道底部聚集，浓度等值线在拱顶位置呈风筒状向外扩散，由内向外逐渐增加。瓦斯浓度最高位置出现在拱脚位置，其浓度最高达到1%，区域面积较小，超过了警戒值0.5%。由此可知，瓦斯在未通风状态易积聚在拱顶，在通风达到平衡状态时易积聚在拱脚位置。所以，应加强该部位瓦斯浓度的监测，并采取有效措施减少瓦斯含量。

图5 不同时间掌子面瓦斯浓度分布

3.3 瓦斯浓度分布情况

本节研究通风达到稳定状态下不同截面处瓦斯浓度分布情况。图6为掌子面25 m范围内不同x-y平面瓦斯浓度分布云图，图7为y=1，y=3，y=5高度不同x-z平面瓦斯浓度分布云图，图8为不同高度x=0瓦斯浓度随掌子面距离变化曲线图，对比分析可以得知：掌子面15 m范围内瓦斯浓度变化明显，越靠近风筒平均瓦斯浓度越低。在掌子面15 m范围内，位置越高，瓦斯浓度越低。位置越低，瓦斯浓度越高。这也验证了在瓦斯隧道施工过程中，在掌子面与底板交界的区域容易发生瓦斯积聚。

图6x-y平面瓦斯浓度变化图 图7x-z平面瓦斯浓度变化图 图8 瓦斯浓度随距离变化曲线

4 控制对策研究

4.1 增加拱脚局扇

为了减少瓦斯在隧道底板聚集的情况，在拱底距离掌子面1 m处布置2个D400局扇以稀释掌子面底板处的瓦斯。通风10 min后掌子面瓦斯浓度云图如图9所示，可以看出拱底处的瓦斯得到明显的稀释作用。最大瓦斯浓度位置由拱脚移动到拱腰位置，最大浓度为0.26%，低于隧道瓦斯浓度预警值0.5%。

图9 掌子面瓦斯浓度云图 图10 隧道最大瓦斯浓度变化图

4.2 提高射流风速

提高射流风速也能改善瓦斯浓度。将风速提高至10 m/s与12 m/s，最大瓦斯浓度随距掌子面距离变化趋势如图10所示，由图10可知：当出风口风速增大时，稳定状态瓦斯浓度总体有所减小。v=10 m/s工况下掌子面最大瓦斯浓度为0.5%，同比标准工况下降了23.1%。v=12 m/s工况下掌子面最大瓦斯浓度为0.4%，同比标准工况下降了38.5%，且三种工况下的变化规律相似，都是掌子面的瓦斯浓度最高，距离掌子面越远浓度越低并趋于稳定。可见，提高射流风速对于瓦斯积聚的改善具有明显的效果。

4.3 增加右侧D1600侧风管

在施工现场增加一D1600侧风管，距离掌子面15 m，距离拱底3.5 m，现场洞内布置如图11所示。通风稳定状态掌子面瓦斯浓度云图如图12所示。由图12可知：由于隧道内风流场受到两个风流影响，瓦斯在掌子面分布情况呈现不对称情况，右侧拱底处的瓦斯积聚情况得到改善，瓦斯浓度最大值出现在左侧拱脚处，最大值为0.5%，在安全范围之内。增设D1600风筒不仅能改善掌子面瓦斯积聚情况，在掌子面15 m范围之内的最大瓦斯浓度也有影响。最大瓦斯浓度随距掌子面距离变化趋势如图13所示，双风筒通风由于增加了通风量，使得最大瓦斯浓度比单风筒通风工况小，在距离掌子面15 m处两工况趋于一致。

图11 增设右侧D1600风筒 图12 掌子面瓦斯浓度云图 图13 最大瓦斯浓度变化图

4.4 现场监测

如图14所示，为了保证施工安全，现场在ZDK43+764二衬位置拱顶放置一台瓦斯监测传感器1#，在ZDK43+670横通道位置处拱顶放置一台瓦斯监测传感器2#，在ZDK43+650掌子面位置处拱顶放置一台瓦斯监测传感器3#，采用KJ90NA监控系统实时监控各断面监测点瓦斯浓度随时间的变化，连续对监测点瓦斯情况进行监测。由于1#瓦斯浓度远远小于瓦斯限值且浓度变化不明显，现取2#与3#监测点瓦斯浓度变化数值，瓦斯浓度随时间变化曲线如图15所示。由图15可以看出，增设侧风管后，瓦斯浓度有降低趋势，说明采取优化措施后对瓦斯浓度改善起到作用，进行改进后的通风系统能够满足通风要求。

图14 瓦斯浓度监测点布置位置图 图15 瓦斯浓度随时间变化图

5 结论与建议

通过通风优化，结合通风模型数值模拟与现场监测，研究了通风量与风筒的布置对瓦斯浓度分布的变化规律。为保证工程的安全与可靠性，提出以下建议：

(1)在靠近隧道中断面处，即在x=0断面附近，风流流场的分布展现出了明显的涡流效应。涡流区域风速较小，在通风盲区应注重瓦斯监控。

(2)瓦斯在未通风状态时易积聚在拱顶，在通风后达到平衡状态时易积聚在拱脚部位。这些地方易形成通风盲区，应加强该部位瓦斯浓度的检测，保证瓦斯浓度处于安全水平。

(3)在掌子面前方布置局扇，采用单风筒通风时提高射流风速或在拱腰增加侧风管的方式能起到改善隧道掌子面底板瓦斯积聚的情况。