油氣田瓦斯隧道通風防災優化研究

白玉山，姚海波，江 俊，高 峰 ，張文選

(1.北方工業大學 土木工程學院力學與地下空間系,北京 100144；2.中國水利水電第七工程局有限公司第一分局,四川 成都 610084)

進入21世紀以來，我國隧道及地下工程獲得了前所未有的迅速發展。而我國的地形地貌復雜多變，其中百分之七十五是山地和重丘，因此穿山隧道工程在我國的隧道建設中占有很大的比重。其中，修建山嶺隧道時不免會遇到瓦斯富集的狀況，給施工人員的人身安全帶來了極大的安全隱患。近年來，有學者通過數值模擬、理論分析、現場試驗等多種方法對瓦斯隧道通風進行了大量研究。李永生[1]以渝黔鐵路天坪隧道為工程背景，在建立數學模型的基礎上構建數值幾何模型，研究無軌運輸施工隧道瓦斯分布規律，并且提出了相應的措施，確保瓦斯隧道施工安全。郝俊鎖、陳中方等[2]通過研究通風安全預警，對通風系統的可靠性進行評價，提出加強通風系統在線監測從而對施工中瓦斯動態分析進行預警。

為減小瓦斯對隧道施工的影響，采取合理的通風方案把瓦斯稀釋到安全范圍內[3-4]是施工控制措施的重中之重。本文以龍泉山隧道工程為例，通過數值模擬的方法分析了瓦斯在洞內的分布規律，結合現場監測數據對通風方案進行優化設計，以期為其他類似工程提供參考。

1 工程概況以及不良地質情況

1.1 工程概況

龍泉山隧道進口位于成都市天府新區合江鎮龍井村，出口位于簡陽市武廟鄉紅廟村。全長9 675 m，最大埋深275 m。隧道分為左、右線，采用雙線分修，隧道平均斷面面積約為67.5 m2。

隧道縱斷面地質如圖1所示，隧道從西翼到東翼垂直構造長軸穿越整個背斜構造[5]。受龍泉斷層和臥龍寺向斜斷層影響，節理和裂隙比較發育，油氣通過節理縫隙上移進入遂寧組,屬洛帶氣田典型生油氣層，富含天然氣。由于上覆有較厚的泥巖層，大量油氣被蓋層封閉，易儲集而不易散發。在隧道掘進過程中，瓦斯很可能通過巖層裂隙滲出，存在瓦斯突出的危險。所以工程具有難以預測性與危險性，導致施工控制難度較大。

圖1 隧道地質縱斷面示意圖

1.2 不良地質情況

施工現場從2018年7月13日起，探孔瓦斯含量突增。距掌子面10 m處拱底積水水面不斷有氣泡冒出，對施工造成嚴重影響。根據現場TSP與地質雷達報告推測，掌子面前方裂隙區為寬張型儲氣囊，賦存瓦斯較多。由于隧道所處區域圍巖自身不產天然氣，僅依靠隧道下方須家廟組地層產生瓦斯，且施工區域距離切源斷層有一定距離，天然氣來源有限，因此，瓦斯氣體災害可防、可控。

2 數值模擬模型的建立

2.1 數值模型及網格劃分

首先將隧道的幾何模型進行合理簡化，如圖2所示。風筒布置在拱頂部位，半徑0.9 m，距離掌子面15 m，懸掛在隧道拱頂位置。根據現場瓦斯探測資料，掌子面瓦斯涌出量為1.5 m3/min?，F場測風儀顯示，距離掌子面30 m處的流場達到穩定狀態。模型對掌子面50 m范圍區域進行三維模擬計算，在Fluent中進行邊界條件設定，采用混合運移模型[6]。將模型中風筒端口設定為空氣進風入口，隧道的出口設為回風邊界，為壓力出口。

圖2 風筒位置示意圖

2.2 邊界條件

模型計算域為50 m，氣體為各向同性湍流，模型選用標準к-ε模型，能量方程，Simple算法。模型粗糙度默認為0.5，初始壓力為標準大氣壓，溫度300 K[7-8]。邊界條件設定如下：

(1)流體計算域：設置掌子面為瓦斯的進口，為了真實模擬實際工程的瓦斯滲出，將掌子面后0.2 m區域設定為瓦斯源，瓦斯源項為0.001 53 kg/m3·s-1，假設此層賦存瓦斯并由質量源項與動量源項共同控制[9-10]。

(2)速度進口:進口風速8 m/s。

(3)壓力出口:隧道進口設置為回風邊界，為壓力出口，工作壓力0。

(4)壁面邊界：無滑移壁面邊界條件。

3 運行結果分析

3.1 流場分析

通風10 min后，洞內流場達到穩定，瓦斯濃度無明顯變化，圖3(a)為x=0縱斷面風速跡線圖，可以看出：風流流場的分布展現出明顯的渦流效應。射流風流噴射至掌子面后產生回流，受射流區氣流與回流區氣流相互作用影響，導致在兩者之間產生風流漩渦。渦流中心位于距離掌子面附近3～5 m高3 m處，渦流內的氣體流速小，流線相對封閉。圖3(b)為y=1橫斷面風速跡線圖，圖3(c)為y=3橫斷面風速跡線圖。由圖3可以看出：隧道兩側風速較小，中部流速較大，這是因為兩側距離風筒較遠，瓦斯稀釋能力較中心部位低；不同高度切面的風速大小明顯不同。

(a)x=0斷面 (b)y=1斷面 (c)y=3斷面

圖3 各斷面風速跡線圖

圖4 最大風速隨距離變化曲線

為研究不同高度風速隨距離掌子面距離變化情況，在x=0不同高度布置5道測線，如圖4所示：y=1線坐標表示(0，1，n)，y=2線坐標表示(0，2，n)，y=3線坐標表示(0，3，n)，y=4線坐標表示(0，4，n)，y=5線坐標表示(0，5，n)。五條線靠近掌子面處風速最大值均可達到約2.5 m/s。y=2，y=3，y=4高度從掌子面到離掌子面區域4 m內，速度急劇下降，在離掌子面4 m達到最小值。這也說明渦流的中心處在高度為3～5 m，距離掌子面4 m處。在4 m之后的位置，由于風流通過渦流風旋后受射流影響，越向風筒處靠近風速也越大。直到離掌子面12 m處，由于風流遠離風筒口，回流區風速逐漸減小，在距離掌子面40 m處風速達到穩定，五條線的風速保持在一個相對穩定的相似值，約為0.5 m/s，此風速完全滿足了隧道開挖時風速不小于0.25 m/s的規定。

3.2 掌子面瓦斯濃度分析

掌子面在未通風初始狀態與穩定狀態瓦斯云圖如圖5所示。隧道未通風時，瓦斯濃度最高點位于掌子面頂端，達到5%，由拱頂至底部逐漸減少。這是由于瓦斯密度比空氣輕，擴散方向與重力梯度相反，瓦斯具有向上擴散趨勢。由于風筒布置在拱頂具有對稱性，瓦斯濃度在掌子面分布情況也呈現對稱分布。在通風10 min后，掌子面瓦斯濃度明顯降低。瓦斯在風流作用下在隧道底部聚集，濃度等值線在拱頂位置呈風筒狀向外擴散，由內向外逐漸增加。瓦斯濃度最高位置出現在拱腳位置，其濃度最高達到1%，區域面積較小，超過了警戒值0.5%。由此可知，瓦斯在未通風狀態易積聚在拱頂，在通風達到平衡狀態時易積聚在拱腳位置。所以，應加強該部位瓦斯濃度的監測，并采取有效措施減少瓦斯含量。

圖5 不同時間掌子面瓦斯濃度分布

3.3 瓦斯濃度分布情況

本節研究通風達到穩定狀態下不同截面處瓦斯濃度分布情況。圖6為掌子面25 m范圍內不同x-y平面瓦斯濃度分布云圖，圖7為y=1，y=3，y=5高度不同x-z平面瓦斯濃度分布云圖，圖8為不同高度x=0瓦斯濃度隨掌子面距離變化曲線圖，對比分析可以得知：掌子面15 m范圍內瓦斯濃度變化明顯，越靠近風筒平均瓦斯濃度越低。在掌子面15 m范圍內，位置越高，瓦斯濃度越低。位置越低，瓦斯濃度越高。這也驗證了在瓦斯隧道施工過程中，在掌子面與底板交界的區域容易發生瓦斯積聚。

圖6x-y平面瓦斯濃度變化圖 圖7x-z平面瓦斯濃度變化圖 圖8 瓦斯濃度隨距離變化曲線

4 控制對策研究

4.1 增加拱腳局扇

為了減少瓦斯在隧道底板聚集的情況，在拱底距離掌子面1 m處布置2個D400局扇以稀釋掌子面底板處的瓦斯。通風10 min后掌子面瓦斯濃度云圖如圖9所示，可以看出拱底處的瓦斯得到明顯的稀釋作用。最大瓦斯濃度位置由拱腳移動到拱腰位置，最大濃度為0.26%，低于隧道瓦斯濃度預警值0.5%。

圖9 掌子面瓦斯濃度云圖 圖10 隧道最大瓦斯濃度變化圖

4.2 提高射流風速

提高射流風速也能改善瓦斯濃度。將風速提高至10 m/s與12 m/s，最大瓦斯濃度隨距掌子面距離變化趨勢如圖10所示，由圖10可知：當出風口風速增大時，穩定狀態瓦斯濃度總體有所減小。v=10 m/s工況下掌子面最大瓦斯濃度為0.5%，同比標準工況下降了23.1%。v=12 m/s工況下掌子面最大瓦斯濃度為0.4%，同比標準工況下降了38.5%，且三種工況下的變化規律相似，都是掌子面的瓦斯濃度最高，距離掌子面越遠濃度越低并趨于穩定?？梢?，提高射流風速對于瓦斯積聚的改善具有明顯的效果。

4.3 增加右側D1600側風管

在施工現場增加一D1600側風管，距離掌子面15 m，距離拱底3.5 m，現場洞內布置如圖11所示。通風穩定狀態掌子面瓦斯濃度云圖如圖12所示。由圖12可知：由于隧道內風流場受到兩個風流影響，瓦斯在掌子面分布情況呈現不對稱情況，右側拱底處的瓦斯積聚情況得到改善，瓦斯濃度最大值出現在左側拱腳處，最大值為0.5%，在安全范圍之內。增設D1600風筒不僅能改善掌子面瓦斯積聚情況，在掌子面15 m范圍之內的最大瓦斯濃度也有影響。最大瓦斯濃度隨距掌子面距離變化趨勢如圖13所示，雙風筒通風由于增加了通風量，使得最大瓦斯濃度比單風筒通風工況小，在距離掌子面15 m處兩工況趨于一致。

圖11 增設右側D1600風筒 圖12 掌子面瓦斯濃度云圖 圖13 最大瓦斯濃度變化圖

4.4 現場監測

如圖14所示，為了保證施工安全，現場在ZDK43+764二襯位置拱頂放置一臺瓦斯監測傳感器1#，在ZDK43+670橫通道位置處拱頂放置一臺瓦斯監測傳感器2#，在ZDK43+650掌子面位置處拱頂放置一臺瓦斯監測傳感器3#，采用KJ90NA監控系統實時監控各斷面監測點瓦斯濃度隨時間的變化，連續對監測點瓦斯情況進行監測。由于1#瓦斯濃度遠遠小于瓦斯限值且濃度變化不明顯，現取2#與3#監測點瓦斯濃度變化數值，瓦斯濃度隨時間變化曲線如圖15所示。由圖15可以看出，增設側風管后，瓦斯濃度有降低趨勢，說明采取優化措施后對瓦斯濃度改善起到作用，進行改進后的通風系統能夠滿足通風要求。

圖14 瓦斯濃度監測點布置位置圖 圖15 瓦斯濃度隨時間變化圖

5 結論與建議

通過通風優化，結合通風模型數值模擬與現場監測，研究了通風量與風筒的布置對瓦斯濃度分布的變化規律。為保證工程的安全與可靠性，提出以下建議：

(1)在靠近隧道中斷面處，即在x=0斷面附近，風流流場的分布展現出了明顯的渦流效應。渦流區域風速較小，在通風盲區應注重瓦斯監控。

(2)瓦斯在未通風狀態時易積聚在拱頂，在通風后達到平衡狀態時易積聚在拱腳部位。這些地方易形成通風盲區，應加強該部位瓦斯濃度的檢測，保證瓦斯濃度處于安全水平。

(3)在掌子面前方布置局扇，采用單風筒通風時提高射流風速或在拱腰增加側風管的方式能起到改善隧道掌子面底板瓦斯積聚的情況。