瓦斯隧道運營通風技術研究

1、瓦斯隧道運營通風技術研究王明年，鐘新樵，張開鑫，滕兆民摘要： 由于瓦斯隧道混凝土襯砌本體中的細小孔隙和“三縫”等缺陷的存在，建成后的瓦斯隧道必然受瓦斯侵襲，這對運營安全危害極大，為此，本文對瓦斯隧道運營通風技術進行了認真研究，提出了經濟、安全、有效的通風方案，為未來瓦斯隧道的通風設計提供了理論依據。關鍵詞： 瓦斯隧道; 運營通風; 通風設計分類號： U451文獻標識碼： AStudy on Operation Ventilation Technology in Gas TunnelWANG Mingnian1，ZHONG Xiqiao1，ZHANG Kaixing2，TENG Zhaomin2

2、(1Dept.of Underground Eng.and Geotechnical Eng.,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China；2The Second Survey and Design Institute,Chengdu 610031,ChinaAbstract: Because there are small openings and the "three cracks"in the concrete lining of gas tunnel,the gas should intrude into t

3、he gas tunnel built.This effect will endanger the transport safety.The authors study on the operation ventilation technology in the gas tunnel and put forward an economical,safety and effective ventilation plan,and therefore furnish a theoretical basis for the gas tunnel ventilation design in the fu

4、ture.Keywords: gas tunnel; operation ventilation; ventilation design0前言穿過煤層(或含瓦斯氣體地層的隧道常常受到瓦斯的侵襲，因此，通常稱這類隧道為瓦斯隧道。瓦斯隧道在開挖時，瓦斯壓力被釋放，但建成后，瓦斯被隧道支護結構所封閉，使原來已卸壓的瓦斯壓力又得以回升，這樣瓦斯在滲透壓力的作用下將向隧道內滲透。瓦斯?jié)B入隧道后，對隧道的運營安全危害極大，它不但容易使人窒息，給司乘人員和維修人員帶來危險，而且在電氣和機械明火下容易發(fā)生爆炸，因此，“鐵路瓦斯隧道技術暫行規(guī)定”要求1：“瓦斯隧道運營期間，隧道內的瓦斯?jié)舛炔坏么笥?.3%”。要

5、達到這一控制指標，有兩種措施：一是減少瓦斯的滲入量；二是加強機械通風。目前，減少瓦斯的滲入量有兩種方法：一是使用氣密性混凝土襯砌，二是增加襯砌厚度，而增加襯砌厚度就是增加投資，為此，使用氣密性混凝土襯砌將是投資所希望的。但即使使用了氣密性混凝土襯砌，也不能完全隔斷瓦斯的滲透，因此，瓦斯隧道必需設置機械通風。本文結合家竹箐隧道，對瓦斯隧道的運營通風技術進行了研究。1家竹箐高瓦斯隧道情況家竹箐隧道在南昆線南寧到紅果段，長4 980 m，其中瓦斯段長1 084 m(圖1，占隧道總長的21.8%，現場實測瓦斯壓力0.2 MPa1.34 MPa。瓦斯段隧道支護體系采用全封閉(帶仰拱復合式襯砌，初期支護有

6、0.04 m厚的噴射混凝土和0.15 m0.20 m厚的模注混凝土組成；二次襯砌采用0.25 m0.35 m厚模注混凝土，因此，家竹箐隧道總的模注混凝土襯砌厚度為0.40 m0.55 m。為了封閉瓦斯，支護結構材料選用摻有硅灰和粉煤灰的雙摻氣密性混凝土，并在二次模注混凝土與初期支護間設置了HDPE板，以減少瓦斯?jié)B漏。圖1家竹箐隧道概況家竹箐隧道斷面積F=31.15m2，斷面濕周S=21.51 m，斷面當量直徑d=5.79 m。隧道接縫寬度按每縫寬0.005 m計，每8m設一道橫向接縫，則瓦斯段內接縫總的長度為0.685 m。為了運營通風，家竹箐隧道在距進口2 785 m處設有一個斜井(圖1，斜

7、井斷面形式為直墻圓拱型，長度為383.83 m，斷面積F=8.51m2，斷面濕周S=11.27 m，斷面當量直徑d=3.02 m。隧道內運行列車長度LT=350 m，列車斷面積fT=12.6m2，列車車速v 上T=43.26km/h(12.02m/s,v 下T=44.55km/h(12.38m/s。2家竹箐隧道瓦斯?jié)B入量確定2.1瓦斯?jié)B入量的計算方法地層中的瓦斯主要通過襯砌本體的細微裂隙和“三縫”等缺陷滲入隧道內。瓦斯?jié)B入量不僅與煤層(或地層中瓦斯含量、壓差(即瓦斯壓力和隧道內空氣壓力之差有關，而且與襯砌材料、接縫材料的滲透性質有關，同時也與隧道內空氣的流動速度等因素有關。因此，對于瓦斯隧道，

8、常用滲透系數法來確定瓦斯?jié)B入量2，即式中，k為襯砌或接縫的滲透系數，由試驗測定(m/s；P1為滲透壓力，封閉后地層內的瓦斯壓力值(MPa；P2為隧道內空氣壓力(MPa，因隧道內氣流與外界大氣相通，故取P2=0.1MPa；h為滲透厚度，取襯砌厚度(m；為瓦斯的容重(kg/m3；A為透氣面積(m2，其值為其中，L1為隧道穿過瓦斯地層的長度(m；S為隧道斷面周長(m。當隧道混凝土襯砌本體和接縫的滲透系數不相同時，要分別計算出襯砌本體和接縫的瓦斯?jié)B入量q CH4，而后相加作為該隧道瓦斯總的滲入量。2.2滲透系數k的確定滲透系數k用壓氣法測定，實際各種材料的滲透系數可按表1選取。2.3家竹箐隧道瓦斯?jié)B入

9、量計算對于家竹箐隧道，取P2=0.1MPa,=0.716kg/m3,h=0.40m,k 體和k 縫按表1選取。襯砌本體的瓦斯?jié)B透總面積：A1=S×L=21.51×(1084-0.685=23302.10565(m2施工縫的瓦斯?jié)B透總面積：A2=S×b=21.51×0.685=14.73435(m2由此得到當襯砌為氣密性混凝土時，瓦斯的滲入量由表2可以看出，普通混凝土襯砌的瓦斯?jié)B入量是氣密性混凝土襯砌瓦斯?jié)B入量的10倍，所以氣密性混凝土襯砌對封閉瓦斯是非常有效的，為此，在家竹箐隧道的施工中采用了氣密性混凝土襯砌。同時可以看出，經氣密性混凝土襯砌封閉后，隧道

10、內仍有瓦斯?jié)B入，當瓦斯壓力為1.34MPa時，瓦斯?jié)B漏量達0.012 134 50m3/s，因此，為安全計，仍需機械通風。3家竹箐隧道瓦斯污染模型3.1瓦斯污染模型的建立假設瓦斯?jié)舛妊厮淼朗且痪S分布，根據質量守衡原理可得到瓦斯污染模型為3式中，C(x,t為x位置在t時刻的瓦斯?jié)舛?；v是隧道風速；Dt綜合擴散系數，亦稱混合系數，Dt=D1+D2,D1為分子擴散和紊動擴散系數，與隧道內風速分布和濃度分布不均等因素有關，對于層流，D1僅為分子擴散系數Dm；D2為移流離散系數，一般情況下，D2 D1 Dm，故常忽略D1和Dm，以離散為主時取Dt=D2；q(x,t是瓦斯源項，即單位時間單位體積里瓦斯的產

11、生量，隨時間而變化。上式為一個變源項的對流-擴散方程，一般用數值方法求解，將隧道長度L離散成M個長度為x的小段，時間步長取t，采用逆風隱式差分格式，將式( 5 離散為式中，上標n表示第n時間段，下標表示隧道的第j小段(j=1,M，將式( 6 整理成式( 7 是一個三對角矩陣，可用追趕法求解。由于斜井左右段隧道的風速不同(圖1，因此，計算瓦斯?jié)舛纫謩e對左右段隧道進行，由于左右段隧道的瓦斯?jié)舛仁窍嚓P的，所以當氣流由左段向右段流動時，左右段的連接點可作為右段計算的瓦斯源點，同樣，當氣流由右段向左段流動時，左右段的連接點可作為左段計算的瓦斯源點，斜井內瓦斯?jié)舛韧碛嬎?。對于隧道的進口和出口以及斜井的

12、出口作為邊界點處理，這些點的瓦斯?jié)舛仁冀K為0。3.2瓦斯源q(x,t的確定家竹箐隧道瓦斯壓力P1=1.34MPa，隧道襯砌為氣密性混凝土，由表2可得瓦斯總滲入量由此可得瓦斯段任一點單位時間單位體積里瓦斯的產生量q(x,t為q(x,t=q/(31.15×1084=3.593639868×10-7m3/(m3.s3.3單元劃分家竹箐隧道單元劃分如下：斜井左段隧道取558個節(jié)點，右段取440個節(jié)點，斜井取78個節(jié)點，單元長度都為5 m。時間劃分為每1s輸出一個結果。4家竹箐隧道活塞風速計算家竹箐隧道和斜井組成一個三通系統(tǒng)，因此，斜井左右兩側隧道的活塞風速應按三通系統(tǒng)進行計算4。取

13、自然風速為1.5m/s，并按自然風與列車運行方向相反、與列車運行方向相同、無自然風三種情況分別計算列車活塞風，同時考慮列車出洞后活塞風的衰減，計算結果列于表3。 5家竹箐隧道通風計算 5.1通風工況按自然風方向與列車運行方向的最不利組合，計算了7種工況，即：第一種工況，有列車運行，自然風由南寧紅果，且vn=1.5m/s；第二種工況，有列車運行，自然風由南寧紅果，且vn=1.5m/s；第三種工況，有列車運行，自然風始終與列車運行方向相反，且vn=1.5m/s；第四種工況，有列車運行，無自然風，vn=0m/s；第五種工況，無列車運行，自然風由南寧紅果，且vn=1.5m/s；第六種工況，無列車運行，

14、自然風由南寧紅果，且vn=1.5m/s；第七種工況，無列車運行，無自然風，vn=0m/s。5.2列車運行組織情況本區(qū)段行車對數為：近期6對，遠期8.5對；所以列車運行間隔時間為：南寧紅果方向列車出洞后300 s，南寧紅果方向列車進洞，南寧紅果方向列車出洞后300 s，南寧紅果方向列車進洞，如此往復。5.3有列車運行時隧道內瓦斯分布情況有列車運行情況共計算了4種工況，計算結果比較發(fā)現自然風始終與列車運行方向相反時最為不利，現以此為例進行分析。此時列車受逆向自然風作用，每對列車運行情況分為7個階段，第一階段，列車由南寧紅果方向，列車在斜井左側運行，運行時間為232 s。第二階段，列車由南寧紅果方向

15、，列車在斜井右側運行，運行時間為183 s。第三階段，列車出洞，活塞風速衰減，時間為300 s。第四階段，列車由南寧紅果方向，列車在斜井右側運行，運行時間為177 s。第五階段，列車由南寧紅果方向，列車在斜井左側運行，運行時間為225 s。第六階段，列車出洞，活塞風速衰減，時間為401 s。第七階段，自然風由南寧紅果方向，時間為499 s。每對列車按上述7個階段組合進行計算，共計算了57對，發(fā)現列車運行7對后，隧道內瓦斯總量基本保持不變，每對列車各個階段的瓦斯?jié)舛确植记€基本保持不變，這說明，列車運行7對以后，隧道內瓦斯的滲入總量與隧道洞口和斜井口排出的瓦斯總量相當，圖2給出了各個階段下瓦斯分

16、布曲線。由第一階段瓦斯分布曲線圖可以看出，因為列車由南寧紅果方向運行，所以活塞風速也是南寧紅果方向，因此整個瓦斯分布曲線右移，由于斜井的存在，有一部分瓦斯從斜井排出，因而斜井左側的瓦斯?jié)舛雀哂谟覀韧咚節(jié)舛?。由第二階段瓦斯分布曲線圖顯示，隨著時間的增加，斜井繼續(xù)排出瓦斯，斜井右側瓦斯?jié)舛戎饾u高于斜井左側的瓦斯?jié)舛?，斜井右側瓦斯開始從隧道出口排出。由第三階段瓦斯分布曲線圖可以看出，隨著活塞風速的衰減，斜井右側瓦斯繼續(xù)從隧道出口排出，且斜井右側瓦斯?jié)舛热愿哂谧髠韧咚節(jié)舛?。至此，南寧紅果方向運行的列車對隧道瓦斯?jié)舛确植嫉挠绊懹嬎憬Y束。目 錄第一章 總論 11.1項目概況 11.2技術支持單位及技術負責

17、人 41.3編制依據、原則、范圍 71.4規(guī)范和標準 81.5可行性研究結論 9第二章 項目背景及必要性 102.1項目背景 102.2必要性分析 11第三章 市場預測 153.1行業(yè)介紹 153.2產品特性 163.3銷售模式 173.4風險預測及應對 17第四章 項目建設條件 184.1項目建設地點 184.2自然條件 184.3社會經濟環(huán)境狀況 19第五章 原材料及燃料供應 215.1原材料概況及供應條件 215.2能源供應 21第六章 總圖運輸及工程建設方案 236.1總圖運輸 236.2土建工程建設 246.3給排水工程 266.4供電工程 26第七章 生產工藝 287.1生長環(huán)境

18、287.2生產真姬菇工藝及技術 307.3設備清單 33第八章 環(huán)境影響分析及節(jié)能、節(jié)水 348.1設計依據 348.2環(huán)境影響分析 348.3節(jié)能措施 358.4節(jié)水措施 36第九章 勞動安全、衛(wèi)生與消防 379.1編制依據 379.2安全措施 379.3衛(wèi)生措施 389.4消防 38第十章 公司組織及員工培訓 4010.1機構設置 4010.2人員配置 4010.3員工培訓 41第十一章 實施方案 4211.1建設期 4211.2項目進度安排 4211.3項目實施進度計劃表 由第四階段瓦斯分布曲線圖可以看出，由于活塞風由南寧紅果方向，所以隧道瓦斯?jié)舛确植记€開始左移，有一部分瓦斯從斜井排出

19、，斜井左側由于瓦斯不斷滲入，瓦斯?jié)舛炔粩嘣黾?。由第五階段瓦斯分布曲線圖可見，斜井左側瓦斯開始從洞口排出，右側瓦斯仍有部分從斜井排出。 第六階段瓦斯分布曲線圖顯示，隨著活塞風速的衰減，斜井右側瓦斯?jié)舛冉抵?，斜井左側瓦斯大量從洞口排出。由第七階段瓦斯分布曲線圖可以看出，在自然風作用下，隧道瓦斯?jié)舛确植记€開始右移。至此，一對列車運行結束。下一對列車通過隧道，隧道內瓦斯變化又重復圖2過程。由上述分析過程可以看出，隧道內的瓦斯?jié)舛茸畲笾禌]有超過0.06，與控制標準0.3%相差很多。前已述及，此工況為有列車運行情況的4種工況中最為不利工況。所以可得，在自然風速為1.5 m/s，列車運行速度為v 上T4

20、3.26km/h,v 下T44.55km/h；列車運行組織為：南寧紅果方向列車出洞后300 s，南寧紅果方向列車進洞，南寧紅果方向列車出洞后900 s，南寧資金籌措 5.4無列車運行時隧道內瓦斯分布情況48種工況，計算結果比較發(fā)現，無自然風時最為不利。這種工況下，隧道內瓦斯聚積最快，2個半小時，隧道內瓦斯?jié)舛葘⒊^0.3%，即超過控制指標(圖3。由此可以看出，在無自然風，無列車運行時，家竹箐隧道需要機械通風。無列車運行時的另外2種工況計算結果見圖4、圖54、圖5可以看出，無列車運行，且自然風vn=1.5財務評價依據 4913.27種工況中，只有無自然風，無列車運行時，需要機械通風，現按此種工況

21、進行通風計算，假定無自然風，無列車運行已有2小時30分鐘，計算通風如下：按斜井吸出式通風，考慮瓦斯不聚積的最小風速為1.5 m/s；按這一風速配風，風機風量為141 m3/s，此時，通風10分鐘，1520成本費用估算 25分鐘后，隧道內瓦斯分布見圖6圖9。由圖6圖9可以看出，按斜井吸出式通風，且風機風量為141 m3/s時，通風25財務盈利能力分析 5013.7結論由以上分析可得出如下結論：( 1 對于瓦斯隧道，普通混凝土襯砌的瓦斯?jié)B入量是氣密性混凝土襯砌瓦斯?jié)B入量的10倍，所以氣密性混凝土襯砌對封閉瓦斯是非常有效的，因此，建議在瓦斯隧道的施工中采用氣密性混凝土襯砌。( 2 經氣密性混凝土襯砌封閉后，隧道內仍有瓦斯?jié)B入，因此，為安全計，仍需設計機械通風。( 3 家竹箐隧道，在列車運行速度為V 上T項目社會效益評價 下T44.55附表：；列車運行組織為：南寧紅果方向列車出洞后300 S，南寧紅果方向列車進洞，南寧紅果方向列車出洞后9