大断面隧道风筒空间布置参数 对风流流动及瓦斯扩散规律的影响研究

孟祥昌 李永冲 熊建龙 王凯

摘 要：为优化大断面公路瓦斯隧道掌子面的风筒空间布置参数，降低掌子面瓦斯聚集超限问题，以召瀘高速白兆瓦斯隧道为研究对象，通过数值模拟压入式风筒在不同附壁水平距离、垂直距离、风筒出口距掌子面的距离工况参数下的风流特性及瓦斯扩散，确定风筒合理的安装方式和布置层位。结果表明：风筒附壁平距和垂距分别为2.25m和4.5m时，掌子面附近工作区受涡流和回流作用较小，瓦斯质量分数低于0.1%;风筒出口距离掌子面的距离为25.6m工况下，在兼顾施工经济性和安全性的同时，掌子面瓦斯不易积聚，隧道中后部瓦斯质量分数低于0.071%。按照模拟结果得出的风筒合理布置参数在现场实际应用，对比结果显示两种情况下的速度和瓦斯质量分数变化规律基本吻合，充分说明了风筒空间布置参数的合理性，研究结果对大断面瓦斯隧道灾害防治具有一定的指导意义。

关键词：瓦斯隧道;风筒布置;合理层位;风流特性;瓦斯扩散

中图分类号：U453.5 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）05-0187-06

Study on the Effects of Spatial Layout Parameters of Large Section Tunnel Air Duct on Wind Flow and Gas Diffusion Law

Meng Xiangchang1， Li Yongchong2，3， Xiong Jianlong2，3， Wang Kai2，3

（1. Yunnan Yunling Expressway Engineering Consulting Co.， Ltd.， Kunming 650000， China;2.Sichuan Institute of Coal Field Geological Engineering Exploration and Design， Chengdu 610072， China;3.Sichuan Keyuan Coal Mine Gas Coal Bed Methane Engineering Research Center Co.， Ltd.， Chengdu 610072， China ）

Abstract：In order to optimize the space layout parameters of the tunnel face of the large-section highway gas tunnel and reduce the problem of gas accumulation overrun on the tunnel face， the Zhaolu high-speed white mega gas tunnel is taken as the research object. By numerically simulating the wind flow characteristics and gas diffusion under different operating conditions of the horizontal wall distance， vertical distance， and the distance between the outlet of the air cylinder and the tunnel face， the reasonable installation method and layout of the air cylinder are determined. The results show that the horizontal distance and vertical distance of the attached wall of the wind cylinder are 2.25m and 4.5m respectively. The working area near the tunnel face is less affected by eddy currents and backflow， and the gas mass fraction is less than 0.1%. The distance between the outlet of the air duct and the tunnel face is 25.6m， while considering the construction economy and safety， gas on the tunnel face is not easy to accumulate， and the gas mass fraction in the rear of the tunnel is less than 0.071%. According to the simulation results， the reasonable layout parameters of the air cylinder are actually applied in the field. The comparison results show that the speed and gas quality scores in both cases are basically consistent. It fully illustrates the rationality of the spatial layout parameters of the wind cylinder， and the research results have certain guiding significance for the disaster prevention of large-section gas tunnels.

Key words：gas tunnel; air duct layout; reasonable horizon; wind flow characteristics; gas diffusion

隨着我国公路建设事业的快速发展，隧道工程正逐渐向“大、深、长、群”的战略格局迈进[1]。然而，我国西南地区地质条件复杂，施工地质灾害随处可见，在经济性、技术可行性、选址等因素的制约下，公路隧道不可避免地会穿越赋存瓦斯的煤系和石油天然气地层，在这些特殊地层条件的隧道施工常会遭遇瓦斯爆炸等灾害事故，对隧道工程建设和施工人员、设备的安全构成极大威胁和挑战[2-4]。目前，国内外绝大部分公路瓦斯隧道施工采用局部通风技术，稀释并排出独头隧道中聚集的瓦斯，确保隧道掌子面作业区域的施工安全[5-6]。因此，研究大断面瓦斯隧道压入式通风技术是目前防止隧道瓦斯超限的重要内容。王海桥[7]研究了独头隧道压入式受限贴壁射流通风的风流流动特性，为风筒空间参数的合理布置提供了参考依据。张云龙等[8]基于工程实际案例分析了隧道掌子面因风筒布设方式的不同对瓦斯稀释的效果，认为风筒末端最佳位置为13m，可以有效稀释瓦斯浓度。刘春等人研究了压入式大断面瓦斯隧道瓦斯分布及风流变化规律，优化了掌子面的风筒位置参数，确定给了风筒出口最佳位置2.5倍的隧道断面积[9]。张大明[10]模拟分析了压入式风筒出口有效距离，结果表明5～12m的距离具有较好的工作效果。Javier Tora?o[11]通过CFD软件分析局部通风情况下断面不同位置的瓦斯风流分布规律，同时提供了最佳的通风方案。朱红青[12]采用数值模拟研究了大断面隧道压入式风筒不同安设高度对炮烟和粉尘扩散规律，并确定了最佳的安设高度为3m。龚晓燕等[13]对风筒不同附壁距离进行了数值模拟分析和现场验证，发现了受限贴附射流在不同附壁距离下的流动特性及变化规律。虽然上述研究成果对隧道风筒布置具有一定的指导作用，而实际大断面瓦斯隧道风筒的布置与风筒不同垂距、平距、出口距离等因素密切相关，因此，亟待开展大断面瓦斯隧道的风筒布置方式对瓦斯分布和风流特性的研究。鉴于此，本文采用数值模拟的研究方法，全面系统地分析了大断面瓦斯隧道在不同风筒布置参数下的流场特性和瓦斯浓度分布规律，探讨风筒空间布置方式对风流流动及瓦斯扩散规律，确定大断面瓦斯隧道风筒的最佳布置参数，从而减少瓦斯积聚现象，提高通风效率，为该类隧道施工通风技术提供指导。

1 工程概况

召泸高速白兆隧道位于云南省曲靖市，为分离式隧道，隧道全长1250m，最大埋深117m。隧道穿越第四系（Q）、三叠系下统飞仙关组（T1 f）、二叠系上统宣威组（P3x）和峨眉山玄武岩组（P3 β）地层。隧道含煤地层左线起讫桩号ZK8+750～ZK9+350、右线起讫桩号K8+750～K9+350，总共1200m。由东至西单线主要穿过C10、C14、C17、C22共4层可采煤层，纯煤总厚度为4.71m。通过前期地质勘察及现场测定，隧道绝对瓦斯涌出量为2.5m3/min。根据《公路瓦斯隧道技术规程》及大断面瓦斯隧道的实际情况，隧道压入式风筒直径d=1.5m，根据文献[7]的计算公式和工程实测数据，计算出隧道风排瓦斯需风量、洞内最大工作人数需风量、最低风速以及排除炮烟所需风量分别为4920m3/min，4355m3/min，4615m3/min和4380m3/min，取其需风量的最大值4920m3/min作为模拟的通风量Qin。

2 数学模型及模拟参数

2.1 数学模型

为方便数值计算，计算模型作如下设定：整个瓦斯涌出及通风过程无能量交换;隧道内空气为不可压缩体;流体运动各向同性。基于以上假设[14]，再考虑隧道内的空气流动为紊流，在大量的资料调研及初步计算的基础上拟采用标准k-ε双方程紊流模型，其控制方程包括连续性方程、动量方程、紊流流动能量方程、k方程、ε方程和流体组分质量守恒方程。

紊流流动能量方程：

k方程：

ε方程：

质量守恒方程：

式中：υi为速度分量;ρ为时均压力;Pr为充分紊流时的普朗特数;Cp为空气的定压比热;k为紊流动能;ε为紊流的动能耗散率;G为紊流脉动动能产生项;q为热流密度;T为流体温度;ρ为流体密度;μ为层流动力黏性系数;μt为紊流动力黏性系数;cs为瓦斯的体积分数;ρcs为瓦斯的质量体积分数;Ds为瓦斯的扩散系数;Ss为单位时间单位体积组分的生产率;c1、c2、σε、σk、cμ为经验常数。

2.2 边界条件

本文以召泸高速白兆隧道实际尺寸建立三维几何模型，如图1所示。模型整体划分为隧道（150m）和煤体（20m）两部分，隧道断面面积为164m2。数值模拟计算采用的边界条件参照隧道实际施工通风情况并作如下定义：

（1）隧道壁面及风筒：设为无滑移壁面（Wall），满足无滑移条件，即vi=0。

（2）风筒进风口：设为速度入口（Velocity-inlet），方向垂直于入口断面，根据隧道风量换算得v=46.42m/s。

（3）隧道出口：设为压力出口（Pressure-out），出口基准压力为标准大气压，对隧道内风流不造成任何影响。

（4）煤体：设置为多孔介质（Porous-zone），并加入瓦斯涌出源项为3.9e-5kg/s。

2.3 网格无关性检验

为了得到更准确的数值模拟结果，采用workbench mesh对物理模型进行网格划分，通过网格独立性检验，生成了3种不同网格密度模型，如图2所示，以隧道内的测线（-5m、2.5m）速度作为分析评估的标准。通过对比发现Mesh-low和Mesh-medium速度在掌子面附近波动比较大，而Mesh-high条件下速度波动较小且平滑过渡，为了节省计算资源和时间，通过应用网格自适应功能，选择Mesh-high作为研究对象，共生成了1384704个网格，降低了网格质量对计算准确的影响。

3 风筒空间布置方式模拟方案

为了研究大断面隧道风筒空间布置参数对于隧道风流流动和瓦斯分布的影响，通过分析现场施工、安装条件、作业交替等条件，确定不同工况下风筒布置参数（如图3所示）。依据风筒悬挂方式及固定条件，将压入式贴壁风筒距离隧道壁面的水平距离H分别设置为1.0d、1.5d、2.0d。根据巷道断面高度及现场车辆通行，将压入式风筒距地面垂直距离V设定为3组，分别为2.0d、3.0d、4.0d。基于隧道断面面积与射流发展规律，压入式风筒出口距离掌子面的距离L根据式（7）设置为四种工况[15]。

式中：L为风筒出风口距掌子面的距离，m;S为隧道断面积，m2。

4 数值模拟结果分析

4.1 风筒附壁水平距离对风流流动及瓦斯浓度分布

的影响

为了分析大断面瓦斯隧道风筒附壁水平距离对风流特性及瓦斯分布规律，根据图3模拟方案将风筒平距H分别设定为1.5m、2.25m、3.0m三组，垂距V=4.5m，风筒出口距离掌子面的距离L=25.6m，风筒附壁水平距离对流场及瓦斯分布影响如图4所示。

由图4速度流线分布可知，风筒出口射流流场存在着明显的几个区域，即附壁射流区、冲击射流区、涡流区和回流区，高速射流冲击掌子面后，受壁面作用反向流动。随着平距逐渐增大，风流动能损失降低，返流逐渐向上下两侧扩散，尤其是平距H=3.0m时，射流区与回流区的相互作用增强，在风筒侧上下形成了两个较大的涡流区。根据Z=140m时瓦斯浓度分布云图可以清晰观察到，随着平距增加，隧道内远离风筒侧的瓦斯浓度逐渐减小。当风筒平距H=1.5m时，风流经过掌子面从另一侧底板流出，瓦斯积聚严重，瓦斯质量分数超过0.10%。风筒平距H为2.25m和3.0m时的风流运动与1.5m时有所不同，风流在掌子面处折返时分为上下两部分，一部分从巷道中间沿顶部流出，另一部分则是从另一侧底板流出，瓦斯积聚作用减弱，扩散效应增强，瓦斯质量分数基本维持在0.73%～0.82%，相对于风筒平距1.5m时的另一侧底板瓦斯浓度明显降低。虽然风筒平距为3.0m时的瓦斯浓度比2.25m时的瓦斯浓度低，但是回流区体积大于其它两种工况，极易造成风流裹挟瓦斯积聚在靠近掌子面上部，存在瓦斯超限的问题。综合以上风流特性及瓦斯分布分析，大断面瓦斯隧道压入式风筒附壁水平距离H的合理位置为2.25m。

4.2 风筒垂直距离对风流流动及瓦斯浓度分布的影响

根据以上对风筒贴壁水平距离的分析，得出合理的平距H=2.25m，将风筒出风口距掌子面的距离L设置为25.6m，研究风筒垂距V在 3.0m、4.5m、6.0m工况条件下的风流特性及瓦斯浓度分布规律。

由图5可知，距隧道掌子面5～30m风流明显分为射流区、涡流区和回流区。随着风筒垂距的增加，涡流区位置越来越靠近隧道顶板且涡流范围也随之增加，涡流强度却逐渐降低。当风筒固定垂距为3.0m时，风流场在靠近风筒出口处上方位置形成稳定的涡流场，涡流比较集中，返流流速高于另外两种工况。从隧道断面Y=2.0m的瓦斯分布云图可知，由于风筒布置在隧道单侧，射流冲击掌子面容易造成风筒相对侧瓦斯聚集，质量分数高于0.1%。瓦斯在隧道内的扩散受风流载气运动的影响，未布置风筒的巷道侧壁瓦斯浓度高，风筒侧壁的瓦斯浓度极低，涡流中心形成负压，不利于局部瓦斯等有害气体的稀释与扩散。随着风筒垂直距离从3.0m增加到6.0m时，瓦斯分布受涡流作用减弱，沿风筒相对侧逐渐向隧道中后部扩散，降低了瓦斯在工作区的聚集。风筒垂距为6.0m时的涡流效应相对垂距3.0m和4.5m两组工况时减弱程度明显，但在隧道上部风流速度较小，涡流区面积显著增大，容易形成8～10m瓦斯滞留区，瓦斯扩散难度增大，危险性较高。上述规律表明，隧道风筒垂直距离主要影响风流涡流区的位置和大小，进而影响瓦斯扩散效率，相对较低时容易在隧道底部形成瓦斯回流增强区，相对位置较高时，虽然下部瓦斯聚集效应减弱，但是隧道上部瓦斯聚集区显著增大，因此，选择风筒垂距V=4.5m布置风筒，既可以兼顾施工技术和安装条件，同时又能有效降低工作面瓦斯积聚的风险。

4.3 风筒出口距离掌子面的距离对风流流动及瓦斯

浓度分布的影响

基于以上对风筒平距和垂距对风流流场和瓦斯分布规律的影响，得出了平距和垂距的相对合理布置参数H=2.25m，V=4.5m。进一步研究大断面瓦斯隧道风筒出口距掌子面距离L的作用规律，将L分别为设置为12.8m、25.6m、38.4m、51.2m四种模拟工况。通过分析距离掌子面60m左右风流流场和隧道中轴纵剖面X=0m时的瓦斯浓度分布场，得到图6所示的速度和瓦斯质量分数。

从速度流线图中可知，随着风筒出口距离掌子面的距离越大，掌子面受风筒射流的冲击越小，掌子面处的返流能力先减小后增大，当L=12.8m时，风筒射流并未完全扩展并损失大量动能，造成返流动能减小，湍动能增强，影响范围缩小并形成两个不规则的涡流区。当L从25.6m增加到51.2m的过程中，掌子面受到风流的冲击效应减弱，风筒射流尾部逐渐向隧道內偏移，涡流与回流区却明显扩大，这就说明L要布置在风筒射流的有效扩展射程内。然而，从隧道中轴纵剖面X=0m的瓦斯分布图可以明显看出，L=12.8m工况下，在2～12m的隧道中部瓦斯质量分数超过0.1%，而且在掌子面上部区域也会存在明显的瓦斯偏高的现象。尽管L=38.4m和51.2m工况下隧道瓦斯质量分数低于0.64%，主要由于返流作用范围较大，但掌子面附近瓦斯浓度明显高于其它两组，这就说明这两种工况不能有效缓解掌子面瓦斯超限的问题。当L=25.6m时，不仅掌子面瓦斯不易积聚，同时隧道中后部瓦斯质量分数低于0.71%，兼顾经济性和安全性，此时的风筒布置工况参数最有利于大断面瓦斯隧道的安全施工，与刘春等[7]研究的最佳风筒出口位置的            较为吻合。

从以上分析可知，风筒出风口距掌子面距离L对大断面瓦斯隧道的风流流场和瓦斯分布影响较大，因此，选取沿隧道测线N1 （6.9m，2.5m）研究瓦斯浓度和速度的变化规律。从图7（a）的速度曲线图可知，除了L=12.8m风流速度异常外，随着距掌子面的距离逐渐增大，速度先增大后减小，在20m左右达到峰值，这说明峰值速度受L的影响较小。当距掌子面80m时风流趋于稳定，             工况下隧道断面速度分布均匀，平均速度基本能够达到0.5m/s，可以满足隧道的需风要求。由图7 （b）可知，瓦斯浓度随着距掌子面距离增大而逐渐较小，在5～20m范围存在一个瓦斯浓度波动区， 当距离掌子面10m时，瓦斯浓度随着L增大而逐渐减小，但L=51.2m时，极易在风筒另一侧形成瓦斯聚集带，不利于瓦斯管理。同样可以认为L=25.6m是最优的风筒布置参数。

5 现场应用效果分析

为了验证模拟结果得到的风筒空间布置方式的合理性及可行，将风筒空间布置参数应用在召泸高速白兆大断面瓦斯隧道的压入式通风中压入式风筒直径d=1.5m，风筒进风量Qin=4920m3/min，风筒平距H和垂距V分别为2.25m和4.5m，风筒出风口距掌子面距离L=25.6m。选取距掌子面10m（Z=140m）的隧道断面，沿断面垂高分别布置三个层次共6个测点，现场实测1#、2#、3#、4#、5#、6#的速度和瓦斯质量分数，测点具体布置方案见图8所示。

由图9可知，数值模拟结果相对高于实测结果，但两种方式得到的速度和瓦斯质量分数变化规律基本吻合。2#测点速度相对误差较大，达到了27.24%，1#、4#、5#测点的相对误差均保持在8.0%左右。同样1#和2#测点的瓦斯相对误差高于10.0%，充分说明这个位置处的瓦斯受风流影响较大，而4#测点相对误差最小。但从整体上看，实测结果进一步表明了本次数值模拟得到的风筒空间布置参数合理性。

6 结论

（1）附壁风筒水平距离和垂直距离主要影响风筒射流的冲击掌子面的返流形态和回流范围，随着平距的增加，返流对隧道底部和上部冲击效应增强，风筒对侧近壁面瓦斯浓度逐渐减小;随着垂距的增加，回流区逐渐增大，瓦斯扩散逐渐向隧道中后部，降低了掌子面附近瓦斯聚集的风险。在兼顾施工技术和安装条件，又能有效降低工作面瓦斯积聚的风险同时，可以得出风筒合理的平距和垂距分别为2.25m和4.5m。

（2）随着风筒出口距离掌子面的距离逐渐增加，风筒冲击掌子面的能耗降低，返流动能和形成的回流区逐渐增大，而掌子面瓦斯浓度却显著增加。在满足施工经济性和安全性的条件下，风筒出口距离掌子面的距离为25.6m时，有利于大断面瓦斯隧道的安全施工。

（3）模拟结果得出的风筒合理的空间布置参数在实际瓦斯隧道中应用，对比结果显示两种方式得到的速度和瓦斯质量分数变化规律基本吻合，充分验证了风筒空间布置参数的合理性。

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