瓦斯隧道有害氣體運移規律及通風方案優化研究

李潤雙

(中鐵十九局集團第二工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 引言

瓦斯是我國西南地區隧道施工過程中引起嚴重安全和隧道施工事故的重要因素之一。為了降低隧道施工過程中的瓦斯累積現象，杜絕瓦斯事故，通風是目前瓦斯隧道施工中降低有害氣體濃度和改善工作環境最廣泛、最有效和最直接的技術手段。

在發生多起瓦斯隧道施工事故之后，通風安全問題逐漸成為隧道工程研究的熱點。崔志成、李建軍和唐鷗玲等[1－3]分別以實際隧道工程為依托探討了不同瓦斯排放技術的應用成效，提出了卓有成效的瓦斯通風技術。康小兵、丁睿等[4]通過流體數值仿真模擬分析與實際監測，對瓦斯隧道工程建設中的隧道內速度場進行了研究。周洋[5]利用數值模擬軟件對某隧道局部瓦斯累積效應規律進行了分析。時亞昕[6]采用理論推導與仿真分析相結合的研究途徑，對大相嶺泥巴山隧道各段的最大自然通風與風速頻率進行研究，最終確定了利用自然通風的隧道分段縱向式通風方案。周瑩和匡亮等[7－8]參考仿真結果分析研究了隧道縱向射流通風場分布規律。蘇培東等[9－12]以實際瓦斯隧道施工工程為依托，分析了瓦斯擴散規律，應用新技術和新手段對瓦斯濃度進行了監測和預報。

本文結合現場測試和數值模擬分析瓦斯運移規律，并對通風措施進行了優化研究，為實現隧道施工過程中的瓦斯控制，保證施工安全提供理論依據。

2 工程概況及測試分析

2.1 工程概況

扎西隧道采用分離式雙洞結構，根據地質勘測報告，隧道沿線穿越不良地質區域，伴隨有多層煤層、煤層采空區、溶洞以及地質斷層等，嚴重制約施工進度，威脅施工安全。煤層瓦斯成分以甲烷和氮氣為主，根據?公路瓦斯隧道技術規程?(DB51/T 2243—2016)規定，綜合判斷扎西隧道左線ZK22＋960～ZK23＋440、右線 K22＋960～K23＋440為瓦斯突出段。

2.2 測試項目及儀器

為研究扎西隧道爆破施工后瓦斯及有害氣體的時空運動和擴散特征，以一氧化碳、硫化氫、甲烷為監測對象，對扎西隧道爆破施工后的氣體分布規律進行現場測試，測點布置見圖1。

圖1 測點布置示意

本次現場測試主要對施工通風過程中的風速、瓦斯(CH4)濃度、一氧化碳(CO)濃度、硫化氫(H2S)的濃度以及氧氣(O2)的濃度進行了全面監測，監測儀器見表1。

表1 監測儀器

2.3 現場監測結果分析

掌子面爆破掘進，待監測氣體流動速度降低穩定后，監測不同隧道斷面的氣體流動速度，見表2。測試結果表明，各斷面的風速監測數據有一定差異。理想狀態下，隧道不同監測斷面的氣體流動速度應當保持一致或相近。經過分析，其原因主要有3點:(1)實際通風過程中，隧道現場施工過程極易造成風管出現不同程度的損壞，導致密封度不夠，進而造成風管以及接頭處出現漏風現象；(2)爆破施工使隧道內一氧化碳、甲烷等有毒有害氣體和粉塵濃度嚴重增加，而這些有毒氣體在隧道內運移的過程中，不同監測點在不同時刻監測到峰值數據，隧道橫斷面內的流體運動速度和分布場監測值受瓦斯等氣體影響和干擾較大；(3)隧道內快速行進的施工車輛對監測點附近的風流場也會產生較大影響。

表2 斷面平均風速

隧道掌子面爆破施工后，左側隧道CO、CH4濃度變化監測結果如圖2所示，隧道掌子面爆破施工放炮時間與掌子面附近CO監測數據峰值出現時間相互對應。從圖2可以看出，CO的監測數據和CH4的濃度在掌子面爆破之后呈現顯著且相似的連續性變化規律。

圖2 有毒有害氣體監測數據變化曲線

由圖2可知，壓入式通風情況下，放炮后20 min之后掌子面CO濃度快速增大，幾乎線性上升到最大值300 ppm，并且持續時間超過50 min，己經超過?鐵路隧道施工規范?中規定的警戒線濃度和掌子面通風排煙中規定的30 min。另外，在掘進方向的反方向上出現了CO濃度峰值逐漸減小、超過允許濃度范圍的時間持續增加且范圍更大的現象，因此，應加大隧道通風量或增加局部通風以改善洞內施工環境，并且施工人員應在爆破后短時間內暫停掌子面處的施工作業。

3 數值模型

雙洞互補式隧道通風所采用的分析模型如圖3所示，模擬過程假定只有掌子面為瓦斯的涌出源頭，并且瓦斯涌出處于均勻穩定狀態。

圖3 三維數值模型(單位:mm)

4 數值模擬結果分析

4.1 通風風流模擬結果分析

根據圖4a仿真結果，從風管出口排出的風流速度隨著流體不斷運動逐步衰減，且整個衰減過程符合射流規律。在距離風管出口一定范圍內(0～20 m)風速快速降低，近似滿足線性遞減規律；而后風速與距離的關系近似呈二次拋物線降低趨勢，在距離工作面5 m內速度衰減梯度增大，并快速衰減至0。并且還可以看到在車行道的位置，右洞風流會不斷“闖入”左洞，并在洞口處形成“旋渦狀”的風流。在左洞掌子面和風筒管口中間同樣的會產生“旋渦狀”風流。

圖4 風速變化曲線及風流風速云圖

從圖4b同樣可以看到，風流經過長距離衰減，在人行道內基本無風流通過，如果產生瓦斯的積聚，需要及時通風處理。從圖4c隧道截面圖中可以看到，在遠離風筒的隧道表面風速很低，尤其是遠離掌子面的位置。

通過數值模擬和施工經驗分析:同一通風速度時，射流速度變化程度會隨著風管附壁程度的增高、距瓦斯涌出面距離的縮小而增大，同時風管通風對瓦斯等有毒氣體的降低效果也越理想；另外，局部壓力損失會隨著風管管口離工作面距離的縮小而增大。所以，在實際瓦斯隧道施工通風的設計過程中應盡可能地保證通風管管口與瓦斯涌出面處于合適的工作距離，此外還要注意提高風管與隧壁附貼程度，避免布設距離較短或附壁程度太高會進一步造成壓力損失過大。

4.2 掌子面瓦斯運移規律數值模擬結果分析

(1)雙洞通風瓦斯運移分析

從圖5a中可以看到，在風流的帶動下瓦斯在掌子面附近很快被稀釋，主要表現為瓦斯分布濃度的快速降低。而且同時對照圖5b也可以看到瓦斯積聚基本上在與風筒位置相反的角落，因此在實際瓦斯隧道施工過程中需密切關注并采取合適的通風手段。

圖5 隧道內風流及瓦斯云圖

另外，在隧道掌子面附近的回流區瓦斯濃度梯度大，通過對比可以發現射流區的瓦斯積聚濃度比處于回流區的瓦斯氣體積聚濃度更低。隧道斷面上的回流區瓦斯濃度較高，瓦斯涌出量的大小對風流場有一定影響，當瓦斯達到一定濃度時，在流動動能作用下，瓦斯沿隧道拱頂產生漩渦。

(2)單洞通風瓦斯運移分析

圖6a為左洞單獨通風且左洞單獨涌出瓦斯時的瓦斯分布狀況，圖6b為相同條件下右洞單獨涌出瓦斯時的情況。通過對左洞或者右洞單洞通風時瓦斯的運移模擬分析，可以對比發現在左洞或者右洞單獨進行隧道通風時，瓦斯會沿著隧道向另外一個隧道中移動，造成兩側隧道同時出現瓦斯積聚現象，顯著降低了通風效果，非常不利于整體瓦斯濃度的降低，進而引發工人中毒等安全事故。

圖6 單洞通風瓦斯運移云圖

5 通風方案優化

瓦斯隧道爆破施工過程中的隧道通風主要取決于隧道所經過的地質條件特征以及隧道斷面設計形式。隧道爆破施工通風效果的好壞還依賴于如何合理高效配置隧道通風設備等資源。參考相關的實際工程經驗和既有研究成果，對于存在少量瓦斯涌出隧道的施工通風，一般使用有壓進巷通風或巷道通風方式；而對于隧道沿線瓦斯涌出量較大，瓦斯突出現象較為嚴重的隧道施工通風，巷道式隧道通風是最為常見的通風方式。

6 結論

(1)根據現場監測結果可知，瓦斯隧道爆破施工的主要產物一氧化碳和甲烷的濃度峰值從掌子面向洞口方向逐漸減小，且超過允許濃度范圍的持續時間逐漸增多。

(2)在同一通風速度條件下，射流速度變化梯度會隨著風管附壁程度的增高、距工作面距離的縮小而增大。另外，局部壓力損失會隨著風管管口離工作面距離的縮小而增大。因此，在實際瓦斯隧道通風過程中應保持風管管口與工作面處于合適的工作距離，并提高風管與隧壁附貼程度。

(3)在距離隧道掌子面附近的回流區瓦斯濃度衰減梯度大，且瓦斯濃度在射流區比在回流區低。隧道斷面上的回流區為高瓦斯區域，瓦斯涌出量的大小對風流流場有一定影響，當瓦斯達到一定濃度，在流動動能作用下，瓦斯沿隧道拱頂產生漩渦。