瓦斯隧道有害气体运移规律及通风方案优化研究

李润双

(中铁十九局集团第二工程有限公司 辽宁辽阳 111000)

1 引言

瓦斯是我国西南地区隧道施工过程中引起严重安全和隧道施工事故的重要因素之一。为了降低隧道施工过程中的瓦斯累积现象，杜绝瓦斯事故，通风是目前瓦斯隧道施工中降低有害气体浓度和改善工作环境最广泛、最有效和最直接的技术手段。

在发生多起瓦斯隧道施工事故之后，通风安全问题逐渐成为隧道工程研究的热点。崔志成、李建军和唐鸥玲等[1－3]分别以实际隧道工程为依托探讨了不同瓦斯排放技术的应用成效，提出了卓有成效的瓦斯通风技术。康小兵、丁睿等[4]通过流体数值仿真模拟分析与实际监测，对瓦斯隧道工程建设中的隧道内速度场进行了研究。周洋[5]利用数值模拟软件对某隧道局部瓦斯累积效应规律进行了分析。时亚昕[6]采用理论推导与仿真分析相结合的研究途径，对大相岭泥巴山隧道各段的最大自然通风与风速频率进行研究，最终确定了利用自然通风的隧道分段纵向式通风方案。周莹和匡亮等[7－8]参考仿真结果分析研究了隧道纵向射流通风场分布规律。苏培东等[9－12]以实际瓦斯隧道施工工程为依托，分析了瓦斯扩散规律，应用新技术和新手段对瓦斯浓度进行了监测和预报。

本文结合现场测试和数值模拟分析瓦斯运移规律，并对通风措施进行了优化研究，为实现隧道施工过程中的瓦斯控制，保证施工安全提供理论依据。

2 工程概况及测试分析

2.1 工程概况

扎西隧道采用分离式双洞结构，根据地质勘测报告，隧道沿线穿越不良地质区域，伴随有多层煤层、煤层采空区、溶洞以及地质断层等，严重制约施工进度，威胁施工安全。煤层瓦斯成分以甲烷和氮气为主，根据«公路瓦斯隧道技术规程»(DB51/T 2243—2016)规定，综合判断扎西隧道左线ZK22＋960～ZK23＋440、右线 K22＋960～K23＋440为瓦斯突出段。

2.2 测试项目及仪器

为研究扎西隧道爆破施工后瓦斯及有害气体的时空运动和扩散特征，以一氧化碳、硫化氢、甲烷为监测对象，对扎西隧道爆破施工后的气体分布规律进行现场测试，测点布置见图1。

图1 测点布置示意

本次现场测试主要对施工通风过程中的风速、瓦斯(CH4)浓度、一氧化碳(CO)浓度、硫化氢(H2S)的浓度以及氧气(O2)的浓度进行了全面监测，监测仪器见表1。

表1 监测仪器

2.3 现场监测结果分析

掌子面爆破掘进，待监测气体流动速度降低稳定后，监测不同隧道断面的气体流动速度，见表2。测试结果表明，各断面的风速监测数据有一定差异。理想状态下，隧道不同监测断面的气体流动速度应当保持一致或相近。经过分析，其原因主要有3点:(1)实际通风过程中，隧道现场施工过程极易造成风管出现不同程度的损坏，导致密封度不够，进而造成风管以及接头处出现漏风现象；(2)爆破施工使隧道内一氧化碳、甲烷等有毒有害气体和粉尘浓度严重增加，而这些有毒气体在隧道内运移的过程中，不同监测点在不同时刻监测到峰值数据，隧道横断面内的流体运动速度和分布场监测值受瓦斯等气体影响和干扰较大；(3)隧道内快速行进的施工车辆对监测点附近的风流场也会产生较大影响。

表2 断面平均风速

隧道掌子面爆破施工后，左侧隧道CO、CH4浓度变化监测结果如图2所示，隧道掌子面爆破施工放炮时间与掌子面附近CO监测数据峰值出现时间相互对应。从图2可以看出，CO的监测数据和CH4的浓度在掌子面爆破之后呈现显著且相似的连续性变化规律。

图2 有毒有害气体监测数据变化曲线

由图2可知，压入式通风情况下，放炮后20 min之后掌子面CO浓度快速增大，几乎线性上升到最大值300 ppm，并且持续时间超过50 min，己经超过«铁路隧道施工规范»中规定的警戒线浓度和掌子面通风排烟中规定的30 min。另外，在掘进方向的反方向上出现了CO浓度峰值逐渐减小、超过允许浓度范围的时间持续增加且范围更大的现象，因此，应加大隧道通风量或增加局部通风以改善洞内施工环境，并且施工人员应在爆破后短时间内暂停掌子面处的施工作业。

3 数值模型

双洞互补式隧道通风所采用的分析模型如图3所示，模拟过程假定只有掌子面为瓦斯的涌出源头，并且瓦斯涌出处于均匀稳定状态。

图3 三维数值模型(单位:mm)

4 数值模拟结果分析

4.1 通风风流模拟结果分析

根据图4a仿真结果，从风管出口排出的风流速度随着流体不断运动逐步衰减，且整个衰减过程符合射流规律。在距离风管出口一定范围内(0～20 m)风速快速降低，近似满足线性递减规律；而后风速与距离的关系近似呈二次抛物线降低趋势，在距离工作面5 m内速度衰减梯度增大，并快速衰减至0。并且还可以看到在车行道的位置，右洞风流会不断“闯入”左洞，并在洞口处形成“旋涡状”的风流。在左洞掌子面和风筒管口中间同样的会产生“旋涡状”风流。

图4 风速变化曲线及风流风速云图

从图4b同样可以看到，风流经过长距离衰减，在人行道内基本无风流通过，如果产生瓦斯的积聚，需要及时通风处理。从图4c隧道截面图中可以看到，在远离风筒的隧道表面风速很低，尤其是远离掌子面的位置。

通过数值模拟和施工经验分析:同一通风速度时，射流速度变化程度会随着风管附壁程度的增高、距瓦斯涌出面距离的缩小而增大，同时风管通风对瓦斯等有毒气体的降低效果也越理想；另外，局部压力损失会随着风管管口离工作面距离的缩小而增大。所以，在实际瓦斯隧道施工通风的设计过程中应尽可能地保证通风管管口与瓦斯涌出面处于合适的工作距离，此外还要注意提高风管与隧壁附贴程度，避免布设距离较短或附壁程度太高会进一步造成压力损失过大。

4.2 掌子面瓦斯运移规律数值模拟结果分析

(1)双洞通风瓦斯运移分析

从图5a中可以看到，在风流的带动下瓦斯在掌子面附近很快被稀释，主要表现为瓦斯分布浓度的快速降低。而且同时对照图5b也可以看到瓦斯积聚基本上在与风筒位置相反的角落，因此在实际瓦斯隧道施工过程中需密切关注并采取合适的通风手段。

图5 隧道内风流及瓦斯云图

另外，在隧道掌子面附近的回流区瓦斯浓度梯度大，通过对比可以发现射流区的瓦斯积聚浓度比处于回流区的瓦斯气体积聚浓度更低。隧道断面上的回流区瓦斯浓度较高，瓦斯涌出量的大小对风流场有一定影响，当瓦斯达到一定浓度时，在流动动能作用下，瓦斯沿隧道拱顶产生漩涡。

(2)单洞通风瓦斯运移分析

图6a为左洞单独通风且左洞单独涌出瓦斯时的瓦斯分布状况，图6b为相同条件下右洞单独涌出瓦斯时的情况。通过对左洞或者右洞单洞通风时瓦斯的运移模拟分析，可以对比发现在左洞或者右洞单独进行隧道通风时，瓦斯会沿着隧道向另外一个隧道中移动，造成两侧隧道同时出现瓦斯积聚现象，显著降低了通风效果，非常不利于整体瓦斯浓度的降低，进而引发工人中毒等安全事故。

图6 单洞通风瓦斯运移云图

5 通风方案优化

瓦斯隧道爆破施工过程中的隧道通风主要取决于隧道所经过的地质条件特征以及隧道断面设计形式。隧道爆破施工通风效果的好坏还依赖于如何合理高效配置隧道通风设备等资源。参考相关的实际工程经验和既有研究成果，对于存在少量瓦斯涌出隧道的施工通风，一般使用有压进巷通风或巷道通风方式；而对于隧道沿线瓦斯涌出量较大，瓦斯突出现象较为严重的隧道施工通风，巷道式隧道通风是最为常见的通风方式。

6 结论

(1)根据现场监测结果可知，瓦斯隧道爆破施工的主要产物一氧化碳和甲烷的浓度峰值从掌子面向洞口方向逐渐减小，且超过允许浓度范围的持续时间逐渐增多。

(2)在同一通风速度条件下，射流速度变化梯度会随着风管附壁程度的增高、距工作面距离的缩小而增大。另外，局部压力损失会随着风管管口离工作面距离的缩小而增大。因此，在实际瓦斯隧道通风过程中应保持风管管口与工作面处于合适的工作距离，并提高风管与隧壁附贴程度。

(3)在距离隧道掌子面附近的回流区瓦斯浓度衰减梯度大，且瓦斯浓度在射流区比在回流区低。隧道断面上的回流区为高瓦斯区域，瓦斯涌出量的大小对风流流场有一定影响，当瓦斯达到一定浓度，在流动动能作用下，瓦斯沿隧道拱顶产生漩涡。