基于正交试验的瓦斯隧道通风管道布置研究

赵宇 张志强

【摘要】隧道内瓦斯的浓度是影响隧道内工作环境的重要因素之一，而瓦斯浓度受瓦斯涌出量、通风量大小、风管直径、风管出口距工作面的距离、风管悬挂位置、风管贴壁间隙等因素的影响，在其他条件不变的情况下，瓦斯涌出量只会影响隧道相同位置瓦斯浓度的大小，其规律不会发生变化。文章基于正交试验研究不同风管直径、风管出口距工作面距离、风管悬挂位置、风管贴壁间隙对瓦斯分布规律的影响，每个因素选取三个水平，确定最佳风管布置方式，并探明四种因素之间的相互关系。

【关键词】铁路瓦斯隧道; 瓦斯扩散; 正交试验; 数值模拟; 风管布置

【中国分类号】U453.5【文献标志码】A

截至2016年底，我国公路隧道总计为15 181座，其中长隧道为11 584座，特长隧道为3 647座[1]。铁路隧道总计为14 100座，其中特长隧道为111座，短隧道及长隧道为13 989座，仅成贵铁路线上就有117座瓦斯隧道[2]。目前，隧道施工通风研究比较滞后。瓦斯是隧道建设重大的地质灾害，如果对瓦斯在隧道内的运移及分布规律认识不够，导致通风系统设计不合理，最终将导致重大事故。

康小兵[3]等利用CFD数值计算软件对瓦斯隧道施工期间不同通风风速降低瓦斯浓度效果进行了模拟计算。袁帅[4]以营盘山隧道为研究背景，通过数值模拟研究了附壁射流、瓦斯运营等问题，并提出了风室接力+巷道式通风方案、比较了压入式通风和巷道式通风的通风效率等。张恒[5]等为提高风仓接力施工通风的通风效率，研究了风仓长度、隔板长度及风机在风仓两侧的布置方式对轴流风机通风效率的影响。

本文以某铁路瓦斯隧道为依托，基于CFD数值模拟，采用正交试验分析，得到风管布设的最佳方案。

1 正交试验

正交试验是部分因子设计的一种具有代表性的试验方法，在不失去试验可靠性的基础上可以大大降低成本，具有很高的效率。为了满足正交试验的“均匀整齐”的特点使试验具有代表性及可靠性，正交试验要满足以下要求：

（1）任意因素的各个水平作相同数量的试验;

（2）任意两个因素的水平组合作相同数量的试验。

正交试验另外一个很重要的概念—正交表，它是一种安排多因素试验的一类表格，安排试验和分析试验结果都需要用到该表，每个正交表都有一个代号Ln（qm），其中L表示正交表，n表示试验总数，q表示试验的水平数，m表示表的列数，也即表中能容纳的最多因素数。表1为一个4因素3水平试验的正交表。

正交表的正交性体现在：

（1）任一列中，各水平都出现，且出现的次数相等;

（2）任两列之间各种不同水平的所有可能组合都出现，且对出现的次数相等。该正交表最多安排4个因素，每个因素均为3个水平，一共要作9次试验。正交试验设计程序及结果分析流程如图1所示。

2 正交试验设计

本文的正交试验设计方案中，取对铁路隧道内瓦斯分布规律影响较大的风管直径、风管出风口距工作面距离、风管悬挂位置、风管贴壁间隙4个因素作为正交试验的基本影响因素，每个因素选取三个水平。风管的直径取1.2 m、1.5 m、2.0 m三个水平，风管出口距工作面的距离取10 m、20 m、30 m三个水平，风管的悬挂位置取拱顶、拱肩、拱脚三个水平，风管的贴壁程度用风管距隧道壁面最近的距离进行量化，取0.2 m、0.5 m、0.8 m三个水平。通过正交试验分析出风管直径、风管出风口距离工作面距离、风管悬挂位置、风管贴壁间隙的最佳组合。各影响因素及选取的水平数对应的参数如表2所示。

正交试验对结果的分析需要在瓦斯工区风流范围内选取目标因子，试验选取隧道内风流场稳定后工作面的平均瓦斯浓度作为目标因子来表征施工通风效果，瓦斯浓度越低，通风效果越好。

本试验主要考察四个因素对瓦斯浓度分布规律的影响，不考虑因素之间的交互作用，因此正交表选用L9（34）型正交表，试验方案设计如表3所示。1～9的试验号分别记为工况1～工况9，对这9个工况分别进行建模，并使用Fluent软件进行数值模拟，提取目标因子，进行数理分析。用极差分析试验数据，确定试验因素的最佳水平及最佳水平组合。

3 正交试验瓦斯扩散数值模拟

对以上9种特定工况建立隧道模型划分网格进行数值模拟，为使结果具有可比性，9种工况都计算1500步。9种工况计算不同横断面瓦斯浓度分布云图如图2～图4所示。

4 特定工况正交试验分析

为了对正交试验进行数理分析，试验选择工作面上的瓦斯平均浓度为目标因子，表征通风效果，对正交试验结果采用极差分析法（及直观分析法）进行分析。根据正交试验表进行的9次试验试验结果如表4所示。

4.1 各因素实验结果相应指标计算

（1）分别计算风管直径A同一水平试验结果的相应指标。

4.2 判断各因素对瓦斯排放效果的影响大小

根据上述的计算，风管直径所对应的极差RA为0.001 450，风管出口距工作面距离所对应的极差RB为0.001 144，风管悬挂位置所对应的极差RC为0.001 167，风管贴壁间隙所对应的极差RD为0.001 178。得出RA>RD>RC>RB，说明风管直径对瓦斯排放的影响最大，其次是风管贴壁间隙、风管悬挂位置及风管距工作面距离。而现阶段隧道在进行施工通风设计时风管的直径通常是靠设计人员的经验进行选取，缺乏相关规范。

4.3 确定各因素对应的最优水平

以工作面瓦斯浓度为纵坐标，因素水平为横坐标，得排放效果趋势图如图5所示。

从图5可以知道：风管直径为1.5 m时，瓦斯平均浓度值最小;风管出口距工作面距离为20 m时，瓦斯平均浓度值

最小;风管悬挂位置为拱脚时，瓦斯平均浓度值最小;风管贴壁间隙为0.5 m时，瓦斯平均浓度值最小。

5 结论

（1）风管直径所对应的极差为0.001 450，风管出口距工作面距离所对应的极差为 0.001 144，风管悬挂位置所对应的极差为0.001 167，风管贴壁间隙所对应的极差为 0.001 178。通过极差分析发现，风管直径对瓦斯排放的影响最大，其次是风管贴壁间隙、风管悬挂位置及风管距工作面距离。

（2）通过正交试验分析，风管布设的最佳方案为风管直径取1.5 m，风管出口距工作面距离取20 m，风管悬挂位置在拱脚，风管贴壁间隙取0.5 m。

参考文献

[1] 蒋树屏.中國公路隧道数据统计[J].隧道建设，2017，37（5）：643-644.

[2] 赵勇，田四明.中国铁路隧道数据统计[J].隧道建设，2017，37（5）：641-642.

[3] 康小兵，丁睿，许模，赵帅军.高瓦斯隧道施工通风处理数值模拟分析[J].成都理工大学学报：自然科学版，2012，39（3）：311-316.

[4] 袁帅.特长铁路瓦斯隧道施工通风优化及安全控制技术研究[D].成都：西南交通大学，2017.

[5] 张恒，张俊儒，周水强，等.特长隧道风仓接力通风关键参数及其效果研究[J].安全与环境学报，2019，19（3）：795-803.