瓦斯隧道竖井辅助施工通风研究

瓦斯隧道竖井辅助施工通风研究
摘要：通过cfd数值模拟手段对瓦斯隧道竖井通风进行了仿真和分析，最终得出隧道高瓦斯工区采用竖井辅助通风的可行性，并以车赶隧道为工程实例进行了工程应用。

关键词：瓦斯隧道；辅助通风；仿真分析；
中图分类号：u455文献标识码： a 文章编号：
1 引言
我国铁路隧道发展较早，穿越煤系地层的隧道较多，瓦斯是隧道建设中重大地质灾害之一。

瓦斯灾害主要表现为窒息、爆炸、煤与瓦斯突出等情况，其中以瓦斯爆炸最易发生，造成的危害也最大。

《铁路瓦斯隧道技术规范》中规定对于低瓦斯隧道可采用压入式通风，对于高瓦斯工区和瓦斯突出工区建议采用巷道式通风，而对于竖井辅助通风方式没有规定。

本文对竖井辅助通风建立数学模型进行理论分析，并结合cfd数值计算手段对采用竖井辅助通风下瓦斯隧道气体流场浓度场进行相关的仿真分析。

2 瓦斯隧道竖井辅助通风cfd仿真分析
2.1数学模型
隧道内的流动一般属于紊流流动状态，计算中将隧道内空气流动看作是三维不可压缩稳定的粘性紊流。

紊流流动的模型采用k-ε模型。

数学模型包括连续性方程、动量方程、k-ε模型方程、物质输送方程及湍流中的质量扩散方程。

建立几何模型如图2所示：
图1 数值模拟几何模型
2.2边界条件
根据工作面风流的特征,确定上述控制方程的边界和初始条件为:
(1)隧道采用壁面边界（wall），粗糙度厚度值ks取0.01；
(2)洞口采用压力出口边界(pressure outlet)，相对压强0pa；
(3)竖井洞口和风管出风口取速度进口边界条件(velocity inlet)，风管出风口风速11m/s(折算风量20m³/s)，竖井洞口风速-4m/s(折算风量-20m³/s)；
(4)掌子面设置瓦斯质量进口(mass flow inlet)边界条件，瓦斯溢出量1m³/min。

2.3求解过程
cfd模拟是通过对控制方程进行求解来实现的,所使用的求解方法是有限体积法。

这种方法将整个计算区域划分成一定数量的网格,每个网格都是一个控制体积,控制方程在每个网格内进行积分,再
通过积分展开,将微分方程转化为代数方程组。

在每个网格内,流体特征值ф是确定的。

对于某一网格的ф值,可以利用相邻网格的ф值来推算。

得到这些代数方程以后,结合初始条件和边界条件进行迭代计算,就可以得到有毒气体扩散的情况。

3 计算结果分析
3.1竖井辅助通风流场特征
通过隧道纵断面风速场云图和风速矢量图，可以看出在掌子面
附近存在涡流区，瓦斯容易在此积聚。

此外，在竖井排风口附近处存在涡流区，影响范围约20m，在向隧道洞口方向涡流场逐渐减弱，瓦斯气体会随湍流扩散至竖井排风口后方一定范围内。

图2 掌子面附近风速矢量图图3 竖井排风口处风速矢量图
3.2不同排风位置通风效果
分别对排风口位置距掌子面20m,50m,80m三种工况进行模拟。

通过计算可知，随着排风口距离掌子面距离的增加，排风口后方的瓦斯影响范围变小。

当排风口距掌子面距离大于80m后，仅在排风口位置附近拱顶处存在少量的瓦斯积聚。

因此排风口宜距离掌子面距离应大于80m；同时随着排风距离的增长，风机功率增大，因此排风口距掌子面位置也不宜过长，宜设置在距掌子面80~100m。

5 车赶隧道工程应用
吕临支线车赶隧道位于山西省吕梁市方山县大武镇与临县湍水头镇之间，隧道最大埋深约285m。

隧道设计为单线隧道，其中3#斜井工区为高瓦斯工区，原设计采用平导巷道式通风，经优化设计后取消平导，采用竖井辅助通风方式。

5.1需风量的确定
正洞所需风量按洞内最小允许风速、洞内同一时间最多人需风、稀释瓦斯绝对涌出量所需风、稀释和排炮烟所需风进行计算。

根据以上计算结果，需风量由洞内最小允许风速控制，取最大值
3165m3/min为隧道正洞所需风量。

5.2风机配置
根据需风量和克服通风阻力风压，选用专用防爆压入式轴流通风机sdf(c)-12.5型2×110kw风机，随正洞开挖掌子前移压入式通风，风管直径1500mm。

5.3通风组织设计
根据施工情况，分三阶段施工通风。

(1)施做斜井时采用独头压入式通风，轴流风机设置在斜井洞口位置处，新鲜风通过风机经风管送至掌子面，风管送风口距掌子面位置不小于5m。

(2)当通过竖井拟设置位置后，立即封闭掌子面，施做竖井。

待竖井贯通后，在竖井洞口设置2台煤矿地面防爆抽出式对旋轴流风机（1台运行1台备用），利用竖井做排风风道，将掌子面瓦斯气体吸出。

送风风机移至斜井中部，新鲜风由斜井进入，由轴流风机经风管送入掌子面。

(3)由于3号斜井施工工区较长，当独头长度大于900m后将送风风机移动至竖井与掌子面之间，新鲜风由斜井送入主隧道，由轴流风机经风管送入掌子面，对瓦斯稀释，稀释后的污风经刚性风管、竖井排出，竖井排风口由刚性风管接至距掌子面附近80m处。

各个阶段均在将掌子面和排风口附近布置射流风机，吹散局部积聚的瓦斯，同时加强监测，图4为车赶隧道第三阶段施工通风设计图。

图4车赶隧道第三阶段施工通风设计图
6 结论
本文通过cfd数值模拟手段对瓦斯隧道竖井通风进行了仿真和
分析，得出了以下结论：
(1)在瓦斯隧道高瓦斯工区，可采用竖井辅助通风方式进行施工通风。

(2)在在掌子面附近和排风口附近易发生瓦斯积聚，应设置射流风机将其吹散。

(3)当采用竖井辅助通风时，排风口宜设置在距掌子面80~100m。

参考文献
[1] 中铁五局(集团)有限公司, tb10120-2002铁路瓦斯隧道技
术规范.北京:中国铁道出版社,2003
[2] 铁道部第二勘测设计院. 铁路工程设计技术手册[m]. 北京: 中国铁道出版社, 1995
[3] 王明年. 瓦斯隧道运营通风技术研究[j]. 铁道学报,1999, 21(2): 67~70。