油气型高瓦斯特长隧道通风系统优化选型分析探讨

张孝广

(中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆市 400039)

0 引言

新建龙泉山隧道是成都地铁18号线火车南站-简阳机场站区间重点控制性工程，该隧道全长9695m，垂直穿越龙泉山脉含油气构造，最大天然气瓦斯涌出量达1.23m3/min。隧道施工期间通风是关乎高瓦斯特长隧道安全防控的关键[1]。因此对高瓦斯特长隧道通风方式及设备选型一定要结合现场实际情况进行技术研究。

科技工作者对瓦斯隧道通风理论及数值模拟开展了大量研究：陈选生以成贵铁路兴隆坪隧道施工为依托，运用理论分析、现场验证等方法对高瓦斯隧道施工通风难题进行研究，合理选择通风参数及设备，以便较好地进行排烟除尘和稀释瓦斯[2]；张辉川、马佳、韩兴博等在新二郎山隧道通风系统局部结构优化研究中指出通风系统采用弯道风筒可以有效降低通风阻力[3]；曹魏杨对大断面瓦斯隧道施工通风流场及瓦斯浓度场分布规律进行研究并对风筒参数进行了优化[4]。

对上述依托工程中的油气型高瓦斯隧道施工期间4个工区各工序需风量、通风压力、通风方式、风机设备选型等结合数值模拟进行了研究。

1 隧道需风量核算

施工期间通风作为防止瓦斯浓度超限及瓦斯爆炸事故最基本技术措施，风量、风压是关键数据指标[5]。除考虑参照地勘期间瓦斯涌出量和铁路瓦斯技术规程允许风速时风量需求外，还参考施工隧道洞内同时工作的最多人数、稀释爆破排烟和洞内使用内燃机废气分别进行计算，选取最大值作为本隧道施工需风量。

1.1 瓦斯涌出稀释需风量

(1)

式中：q—掌子面瓦斯涌出量1.23m3/min；

Ca—掌子面允许瓦斯浓度，取0.5%；

C0—掌子面风流中的瓦斯浓度，%；

K—瓦斯涌出不均衡系数，取1.5～2.0。

由式(1)得：

1.2 规程风速需风量

60×V低×S≤Q≤60×V高×S

(2)

式中：V—规程允许风速，瓦斯工区最低取0.5m/s，最高取6m/s；

S—隧洞断面积50.6m2。

由式(2)得：

1518m3/min≤Q≤18216m3/min

1.3 最大作业人数需风量

Q=4KN

(3)

式中：Q—隧洞需风量，m3/min；

4—单人每分钟供风量，m3/(min/人)；

N—洞内同时工作的最多人数，取60人；

K—备用系数，取1.5。

由式(3)得Q=1.5×4×60=360m3/min

1.4 爆破排烟需风量

(4)

式中：A—一次爆破炸药用量，kg；

A=S×l×b，其中l为循环进尺2.5m；

b为单位炸药用量1.2kg/m3；

A=64.5×2.5×1.2=193.5kg

L0—炮烟抛掷长度m；

(5)

其中：k0—安全系数，取1.5。

则L0=80.6m

t—爆破后通风时间，取20min；

S—隧道开挖断面积，龙泉山隧道高瓦斯区III、IV级围岩采用全断面开挖，最大开挖面积为64.5m2。

由式(4)、式(5)得Q=677m3/min

1.5 施工机械废气稀释需风量

(6)

式中：3—单位功率需风量，m3/(min·kW)；

Ni—第i台柴油机械设备功率，kW；

ηi—第i台柴油机械设备综合效率系数。

隧道施工现场机械设备使用统计如表1。

表1 施工机械功效统计

由式(5)得：Q=3×(162×0.8×1+125×0.8×1+156×0.8×2+156×0.3×2)=1718m3/min

由以上各工序需风量核算结果可知：隧道内施工需风量最大值为稀释内燃机废气需风量1718m3/min。考虑到施工后期可能遇到瓦斯溢出段涌出量增加、风筒转弯及破损漏风情况，需风量应进行适当修正。

1.6 风筒漏风损失风量修正

QL= Q×PL

(7)

式中：QL—风筒漏风损失修正风量，m3/min；

PL—风筒漏风损失修正系数。

(8)

式中：P100—风筒百米漏风率，取1.0%；

L—风筒长度。

为便于施工通风本隧道划分为进、出口与1#和2#斜井四个作业工区，以12个工作面共同辅助正洞掘进施工。其中进口工区最长掘进深度1923m，风筒长度取2000m；出口工区最长掘进深度1841m，风筒长度取1900m；1#井工区最长掘进深度1745m，风筒长度取1800m；2#井工区最长掘进深度2262m，风筒长度取2300m。

由式(7)、式(8)得各工区修正后需风量：

QL进口=1718×1.250=2148m3/min

QL出口=1718×1.235=2122m3/min

QL1#井=1718×1.220=2096m3/min

QL2#井=1718×1.299=2232m3/min

2 隧道施工通风设备选型

通风设备选型时不仅要参照隧道最大需风量，同时应根据各工区现场实际通风方式计算风筒阻力大小，主要核算风筒摩擦阻力和风筒局部阻力。

(9)

式中：H—风筒通风阻力，Pa；

hf—风筒摩擦阻力，Pa；

hx—风筒局部阻力，Pa；

Rf—风筒风阻，N×S2/m4；

QL—局部通风机吸入风量，m3/s；

ξ—风筒局部阻力系数，N×S2/m4；

ρ—空气密度， 1.20kg/m3；

A—风筒断面积，m2，各工区风筒直径为2.0m。

风筒局部阻力主要考虑第二阶段施工通风时局部通风机风筒转弯所产生的阻力，进口工区、出口工区风筒无转弯，暂未考虑局部阻力，1#斜井工区风筒存在4处转弯，2#斜井工区风筒3处转弯，均采用圆角转弯，存在局部阻力。

由式(9)得各工区风筒阻力：

施工期进行风机选型时应把风量、风压作为主要技术参数指标进行选型，均应满足核算需求，同时查阅相关风机性能曲线，在合理范围内选取通风设备，并留一定富余系数。

3 通风方式选择

目前国内隧道主流通风方式可分压入式、巷道式及混合式[6]。高瓦斯、瓦斯突出隧道可采用压入式或巷道式，当该区段供风距离超过2000m时应采用巷道通风[7]。根据龙泉山隧道实际施工情况，综合考虑本隧道布置形式、掘进长度、断面大小、开挖方法、出渣运输方式、机械设备投入条件等因素，通过综合分析比较，确定隧道第一阶段采用压入式通风，可使足够的新鲜空气被送至掌子面，实现快速安全掘进。隧道施工后期根据隧道内通风量及风压情况，当压入式通风不能满足需要时考虑第二阶段采用巷道式通风。

3.1 第一阶段压入式通风

隧洞掘进超过80m后，洞内采用独头压入式机械通风。在主洞口外安设2用2备变频轴流风机，接柔性阻燃风筒将新鲜风流压入至掌子面，污风经主洞排出地表，联络通道直接设置风门，防止风量流窜，如图1、图2。

3.2 第二阶段巷道式通风

施工后期通风较困难时，即隧洞内风速小于通风要求最低风速，或风量不能有效稀释有毒、有害气体时，可根据实际情况，采用巷道式通风，以提高风速、增加通风量，增强隧道施工通风效果。巷道式通风充分发挥巷道式通风的优势，且系统运行可靠性高、现场操作简单、用电能耗低、通风效果显著等优势，特别适用于高瓦斯特长隧道通风[8]。

横通道贯通以后段落，在进、出口工区左、右线、斜井工区在主、副斜井和横通道内安设射流风机，在斜井、竖井或正线洞口处安装抽出式风机，使左、右线形成一定的风压差，形成巷道式通风系统。新鲜风由主斜井引至第一个横通道附近，在进风侧并联安设2用2备局部通风机并接柔性阴燃风筒分别压入开挖掌子面，斜井或正洞安设抽出式风机2台，主、副斜井连接段设置帘幕，污风经横通道引至副斜井排出地表。随着施工向前掘进，通风机根据需要向前移动，除污风排烟横通道外，其余横通道全部设置风门临时密闭，防止风流互窜，造成洞内循环风，如图3、图4。

3.3 通风方式比较分析

独头压入式通风和射流风机巷道式通风在安全性、可靠性和经济性分析比较如表2。本隧道施工方可根据实际情况，后期考虑采用独头压入式通风，或综合运用两种通风方式，以提高风速、增加通风量，增强隧道施工通风效果，保障施工安全。

表2 通风方式优缺点分析比较

4 数值模拟分析

据龙泉山隧道实际断面及施工长度，通过Gambit软件建立了进、出口工区压入式通风模型，选取风筒直径2.0m，隧道净断面50.6m2，施工长度2000m，供风量2148m3/min，联络通道间距35m，瓦斯最大涌出量1.23m3/min，风筒距离掌子面25m。同时建立斜井工区巷道式通风模型，选取风筒直径2.0m，隧道施工长度2300m，供风量2232m3/min。经FLUNT软件计算，模拟隧道内压入式和巷道式不同通风参数条件下空气流速分布特征。

由压入式通风空气流速模拟可以看出，风速在风筒出风口处较大，经掌子面反射后，在掌子面附近形成湍流；风筒出风口朝洞口方向，由于重力作用，风筒出风口下部亦存在湍流效应。由于瓦斯密度低于空气，存在浮生现象，风管下侧风速较大，瓦斯易在风管顶部附近聚集，后期安全管理应注意拱顶处瓦斯检测。

由射流风机巷道式通风空气流速模拟可以看出，联络通道处由于斜井或洞口处射流风机作用，左、右线存在一定压力差，风流清洗掌子面后经联络通道会同回风风流经抽出式风机排除洞外。联络通道及掌子面处风流较大且没有产生回流现象，说明巷道式通风效率较高，风速流场较为稳定。利用巷道式通风可将有毒有害气体污染物均匀有效地排出洞口外，避免产生瓦斯积聚。

5 结论及建议

(1)经各工区各工序需风量核算并修正，满足通风安全需求的龙泉山隧道各工区需风量及风筒阻力分别为：进口2148m3/min、1042Pa；出口2122m3/min、1724Pa；1#斜井2096 m3/min、1091Pa；2#斜井2232m3/min、1396Pa。风机选型时应满足此参数要求，并留有一定富余系数。

(2)通过对不同施工阶段通风方式的安全性、可靠性、经济性进行对比分析，龙泉山隧道施工第一阶段考虑采用压入式通风方式、第二阶段考虑采用巷道式通风均能满足施工用风需求。

(3)实际施工时需根据掌子面瓦斯涌出量确定是否需增设局部射流风机稀释瓦斯浓度。