瓦斯隧道运营通风技术研究.doc

瓦斯隧道运营通风技术研究 王明年， 钟新樵， 张开鑫， 滕兆民 摘 要 由于瓦斯隧道混凝土衬砌本体中的细小孔隙和“三缝”等缺陷的存在，建成后的瓦斯隧道必然受瓦斯侵袭，这对运营安全危害极大，为此，本文对瓦斯隧道运营通风技术进行了认真研究，提出了经济、安全、有效的通风方案，为未来瓦斯隧道的通风设计提供了理论依据。 关键词 瓦斯隧道; 运营通风; 通风设计 分类号 U451 文献标识码 A Study on Operation Ventilation Technology in Gas Tunnel WANG Mingnian1， ZHONG Xiqiao1， ZHANG Kaixing2， TENG Zhaomin2 1Dept.of Underground Eng.and Geotechnical Eng.,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China； 2The Second Survey and Design Institute,Chengdu 610031,China Abstract Because there are small openings and the “three cracks“in the concrete lining of gas tunnel,the gas should intrude into the 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 future. Keywords gas tunnel; operation ventilation; ventilation design 0 前言 穿过煤层或含瓦斯气体地层的隧道常常受到瓦斯的侵袭，因此，通常称这类隧道为瓦斯隧道。瓦斯隧道在开挖时，瓦斯压力被释放，但建成后，瓦斯被隧道支护结构所封闭，使原来已卸压的瓦斯压力又得以回升，这样瓦斯在渗透压力的作用下将向隧道内渗透。瓦斯渗入隧道后，对隧道的运营安全危害极大，它不但容易使人窒息，给司乘人员和维修人员带来危险，而且在电气和机械明火下容易发生爆炸，因此，“铁路瓦斯隧道技术暂行规定”要求［1］“瓦斯隧道运营期间，隧道内的瓦斯浓度不得大于0.3”。要达到这一控制指标，有两种措施一是减少瓦斯的渗入量；二是加强机械通风。目前，减少瓦斯的渗入量有两种方法一是使用气密性混凝土衬砌，二是增加衬砌厚度，而增加衬砌厚度就是增加投资，为此，使用气密性混凝土衬砌将是投资所希望的。但即使使用了气密性混凝土衬砌，也不能完全隔断瓦斯的渗透，因此，瓦斯隧道必需设置机械通风。本文结合家竹箐隧道，对瓦斯隧道的运营通风技术进行了研究。 1 家竹箐高瓦斯隧道情况 家竹箐隧道在南昆线南宁到红果段，长4 980 m，其中瓦斯段长1 084 m图1，占隧道总长的21.8，现场实测瓦斯压力0.2 MPa～1.34 MPa。瓦斯段隧道支护体系采用全封闭带仰拱复合式衬砌，初期支护有0.04 m厚的喷射混凝土和0.15 m～0.20 m厚的模注混凝土组成；二次衬砌采用0.25 m～0.35 m厚模注混凝土，因此，家竹箐隧道总的模注混凝土衬砌厚度为0.40 m～0.55 m。为了封闭瓦斯，支护结构材料选用掺有硅灰和粉煤灰的双掺气密性混凝土，并在二次模注混凝土与初期支护间设置了HDPE板，以减少瓦斯渗漏。 图1 家竹箐隧道概况 家竹箐隧道断面积F31.15 m2，断面湿周S21.51 m，断面当量直径d5.79 m。隧道接缝宽度按每缝宽0.005 m计，每8m设一道横向接缝，则瓦斯段内接缝总的长度为0.685 m。 为了运营通风，家竹箐隧道在距进口2 785 m处设有一个斜井图1，斜井断面形式为直墙圆拱型，长度为383.83 m，断面积F8.51 m2，断面湿周S11.27 m，断面当量直径d3.02 m。 隧道内运行列车长度LT350 m，列车断面积fT12.6 m2，列车车速v 上T43.26 km/h12.02 m/s,v 下T44.55 km/h12.38 m/s。 2 家竹箐隧道瓦斯渗入量确定 2.1 瓦斯渗入量的计算方法 地层中的瓦斯主要通过衬砌本体的细微裂隙和“三缝”等缺陷渗入隧道内。瓦斯渗入量不仅与煤层或地层中瓦斯含量、压差即瓦斯压力和隧道内空气压力之差有关，而且与衬砌材料、接缝材料的渗透性质有关，同时也与隧道内空气的流动速度等因素有关。因此，对于瓦斯隧道，常用渗透系数法来确定瓦斯渗入量［2］，即 式中，k为衬砌或接缝的渗透系数，由试验测定m/s；P1为渗透压力，封闭后地层内的瓦斯压力值MPa；P2为隧道内空气压力MPa，因隧道内气流与外界大气相通，故取P20.1 MPa；h为渗透厚度，取衬砌厚度m；γ为瓦斯的容重kg/m3；A为透气面积m2，其值为 其中，L1为隧道穿过瓦斯地层的长度m；S为隧道断面周长m。 当隧道混凝土衬砌本体和接缝的渗透系数不相同时，要分别计算出衬砌本体和接缝的瓦斯渗入量q CH4，而后相加作为该隧道瓦斯总的渗入量。 2.2 渗透系数k的确定 渗透系数k用压气法测定，实际各种材料的渗透系数可按表1选取。 2.3 家竹箐隧道瓦斯渗入量计算 对于家竹箐隧道，取P20.1 MPa,γ0.716 kg/m3,h0.40 m,k 体和k 缝按表1选取。衬砌本体的瓦斯渗透总面积A1SL21.511 084-0.68523 302.105 65m2 施工缝的瓦斯渗透总面积A2Sb21.510.68514.734 35m2 由此得到当衬砌为气密性混凝土时，瓦斯的渗入量 由表2可以看出，普通混凝土衬砌的瓦斯渗入量是气密性混凝土衬砌瓦斯渗入量的10倍，所以气密性混凝土衬砌对封闭瓦斯是非常有效的，为此，在家竹箐隧道的施工中采用了气密性混凝土衬砌。同时可以看出，经气密性混凝土衬砌封闭后，隧道内仍有瓦斯渗入，当瓦斯压力为1.34 MPa时，瓦斯渗漏量达0.012 134 50 m3/s，因此，为安全计，仍需机械通风。 3 家竹箐隧道瓦斯污染模型 3.1 瓦斯污染模型的建立 假设瓦斯浓度沿隧道是一维分布，根据质量守衡原理可得到瓦斯污染模型为［3］ 式中，Cx,t为x位置在t时刻的瓦斯浓度；v是隧道风速；Dt综合扩散系数，亦称混合系数，DtD1D2,D1为分子扩散和紊动扩散系数，与隧道内风速分布和浓度分布不均等因素有关，对于层流，D1仅为分子扩散系数Dm；D2为移流离散系数，一般情况下，D2 D1 Dm，故常忽略D1和Dm，以离散为主时取DtD2；qx,t是瓦斯源项，即单位时间单位体积里瓦斯的产生量，随时间而变化。上式为一个变源项的对流-扩散方程，一般用数值方法求解，将隧道长度L离散成M个长度为Δx的小段，时间步长取Δt，采用逆风隐式差分格式，将式 5 离散为 式中，上标n表示第n时间段，下标表示隧道的第j小段j1,M，将式 6 整理成 式 7 是一个三对角矩阵，可用追赶法求解。由于斜井左右段隧道的风速不同图1，因此，计算瓦斯浓度要分别对左右段隧道进行，由于左右段隧道的瓦斯浓度是相关的，所以当气流由左段向右段流动时，左右段的连接点可作为右段计算的瓦斯源点，同样，当气流由右段向左段流动时，左右段的连接点可作为左段计算的瓦斯源点，斜井内瓦斯浓度同理计算。对于隧道的进口和出口以及斜井的出口作为边界点处理，这些点的瓦斯浓度始终为0。 3.2瓦斯源qx,t的确定 家竹箐隧道瓦斯压力P11.34 MPa，隧道衬砌为气密性混凝土，由表2可得瓦斯总渗入量 由此可得瓦斯段任一点单位时间单位体积里瓦斯的产生量qx,t为 qx,tq/31.15108 43.593 639 86810-7 m3/m3.s 3.3 单元划分 家竹箐隧道单元划分如下斜井左段隧道取558个节点，右段取440个节点，斜井取78个节点，单元长度都为5 m。时间划分为每1 s输出一个结果。 4 家竹箐隧道活塞风速计算 家竹箐隧道和斜井组成一个三通系统，因此，斜井左右两侧隧道的活塞风速应按三通系统进行计算［4］。 取自然风速为1.5 m/s，并按自然风与列车运行方向相反、与列车运行方向相同、无自然风三种情况分别计算列车活塞风，同时考虑列车出洞后活塞风的衰减，计算结果列于表3。 5 家竹箐隧道通风计算 5.1 通风工况 按自然风方向与列车运行方向的最不利组合，计算了7种工况，即第一种工况，有列车运行，自然风由南宁→红果，且vn1.5 m/s；第二种工况，有列车运行，自然风由南宁←红果，且vn1.5 m/s；第三种工况，有列车运行，自然风始终与列车运行方向相反，且vn1.5 m/s；第四种工况，有列车运行，无自然风，vn0 m/s；第五种工况，无列车运行，自然风由南宁→红果，且vn1.5 m/s；第六种工况，无列车运行，自然风由南宁←红果，且vn1.5 m/s；第七种工况，无列车运行，无自然风，vn0 m/s。 5.2 列车运行组织情况 本区段行车对数为近期6对，远期8.5对；所以列车运行间隔时间为南宁→红果方向列车出洞后300 s，南宁←红果方向列车进洞，南宁←红果方向列车出洞后300 s，南宁→红果方向列车进洞，，如此往复。 5.3 有列车运行时隧道内瓦斯分布情况 有列车运行情况共计算了4种工况，计算结果比较发现自然风始终与列车运行方向相反时最为不利，现以此为例进行分析。 此时列车受逆向自然风作用，每对列车运行情况分为7个阶段，第一阶段，列车由南宁→红果方向，列车在斜井左侧运行，运行时间为232 s。第二阶段，列车由南宁→红果方向，列车在斜井右侧运行，运行时间为183 s。第三阶段，列车出洞，活塞风速衰减，时间为300 s。第四阶段，列车由南宁←红果方向，列车在斜井右侧运行，运行时间为177 s。第五阶段，列车由南宁←红果方向，列车在斜井左侧运行，运行时间为225 s。第六阶段，列车出洞，活塞风速衰减，时间为401 s。第七阶段，自然风由南宁→红果方向，时间为499 s。 每对列车按上述7个阶段组合进行计算，共计算了57对，发现列车运行7对后，隧道内瓦斯总量基本保持不变，每对列车各个阶段的瓦斯浓度分布曲线基本保持不变，这说明，列车运行7对以后，隧道内瓦斯的渗入总量与隧道洞口和斜井口排出的瓦斯总量相当，图2给出了各个阶段下瓦斯分布曲线。 由第一阶段瓦斯分布曲线图可以看出，因为列车由南宁→红果方向运行，所以活塞风速也是南宁→红果方向，因此整个瓦斯分布曲线右移，由于斜井的存在，有一部分瓦斯从斜井排出，因而斜井左侧的瓦斯浓度高于右侧瓦斯浓度。由第二阶段瓦斯分布曲线图显示，随着时间的增加，斜井继续排出瓦斯，斜井右侧瓦斯浓度逐渐高于斜井左侧的瓦斯浓度，斜井右侧瓦斯开始从隧道出口排出。由第三阶段瓦斯分布曲线图可以看出，随着活塞风速的衰减，斜井右侧瓦斯继续从隧道出口排出，且斜井右侧瓦斯浓度仍高于左侧瓦斯浓度。至此，南宁→红果方向运行的列车对隧道瓦斯浓度分布的影响计算结束。 目 录 第一章 总论 1 1.1项目概况 1 1.2技术支持单位及技术负责人 4 1.3编制依据、原则、范围 7 1.4规范和标准 8 1.5可行性研究结论 9 第二章 项目背景及必要性 10 2.1项目背景 10 2.2必要性分析 11 第三章 市场预测 15 3.1行业介绍 15 3.2产品特性 16 3.3销售模式 17 3.4风险预测及应对 17 第四章 项目建设条件 18 4.1项目建设地点 18 4.2自然条件 18 4.3社会经济环境状况 19 第五章 原材料及燃料供应 21 5.1原材料概况及供应条件 21 5.2能源供应 21 第六章 总图运输及工程建设方案 23 6.1总图运输 23 6.2土建工程建设 24 6.3给排水工程 26 6.4供电工程 26 第七章 生产工艺 28 7.1生长环境 28 7.2生产真姬菇工艺及技术 30 7.3设备清单 33 第八章 环境影响分析及节能、节水 34 8.1设计依据 34 8.2环境影响分析 34 8.3节能措施 35 8.4节水措施 36 第九章 劳动安全、卫生与消防 37 9.1编制依据 37 9.2安全措施 37 9.3卫生措施 38 9.4消防 38 第十章 公司组织及员工培训 40 10.1机构设置 40 10.2人员配置 40 10.3员工培训 41 第十一章 实施方案 42 11.1建设期 42 11.2项目进度安排 42 11.3项目实施进度计划表 由第四阶段瓦斯分布曲线图可以看出，由于活塞风由南宁←红果方向，所以隧道瓦斯浓度分布曲线开始左移，有一部分瓦斯从斜井排出，斜井左侧由于瓦斯不断渗入，瓦斯浓度不断增加。由第五阶段瓦斯分布曲线图可见，斜井左侧瓦斯开始从洞口排出，右侧瓦斯仍有部分从斜井排出。 第六阶段瓦斯分布曲线图显示，随着活塞风速的衰减，斜井右侧瓦斯浓度降至0，斜井左侧瓦斯大量从洞口排出。由第七阶段瓦斯分布曲线图可以看出，在自然风作用下，隧道瓦斯浓度分布曲线开始右移。至此，一对列车运行结束。下一对列车通过隧道，隧道内瓦斯变化又重复图2过程。 由上述分析过程可以看出，隧道内的瓦斯浓度最大值没有超过0.06‰，与控制标准0.3相差很多。前已述及，此工况为有列车运行情况的4种工况中最为不利工况。所以可得，在自然风速为1.5 m/s，列车运行速度为v 上T＞43.26 km/h,v 下T＞44.55 km/h；列车运行组织为南宁→红果方向列车出洞后300 s，南宁←红果方向列车进洞，南宁←红果方向列车出洞后900 s，南宁→资金筹措 5.4 无列车运行时隧道内瓦斯分布情况48种工况，计算结果比较发现，无自然风时最为不利。这种工况下，隧道内瓦斯聚积最快，2个半小时，隧道内瓦斯浓度将超过0.3，即超过控制指标图3。由此可以看出，在无自然风，无列车运行时，家竹箐隧道需要机械通风。 无列车运行时的另外2种工况计算结果见图4、图54、图5可以看出，无列车运行，且自然风vn1.5 财务评价依据 49 13.27种工况中，只有无自然风，无列车运行时，需要机械通风，现按此种工况进行通风计算，假定无自然风，无列车运行已有2小时30分钟，计算通风如下 按斜井吸出式通风，考虑瓦斯不聚积的最小风速为1.5 m/s；按这一风速配风，风机风量为141 m3/s，此时，通风10分钟，1520成本费用估算 25分钟后，隧道内瓦斯分布见图6～图9。由图6～图9可以看出，按斜井吸出式通风，且风机风量为141 m3/s时，通风25财务盈利能力分析 50 13.7 结论 由以上分析可得出如下结论 1 对于瓦斯隧道，普通混凝土衬砌的瓦斯渗入量是气密性混凝土衬砌瓦斯渗入量的10倍，所以气密性混凝土衬砌对封闭瓦斯是非常有效的，因此，建议在瓦斯隧道的施工中采用气密性混凝土衬砌。 2 经气密性混凝土衬砌封闭后，隧道内仍有瓦斯渗入，因此，为安全计，仍需设计机械通风。 3 家竹箐隧道，在列车运行速度为V 上T＞项目社会效益评价 下T＞44.55 附表；列车运行组织为南宁→红果方向列车出洞后300 S，南宁←红果方向列车进洞，南宁←红果方向列车出洞后900 S，南宁→红果方向列车进洞，不需要机械通风。即列车运行密度大时，不需要机械通风。 4 家竹箐隧道，无列车运行，但有自然风，且VN＞1.5 M/S，不需要设计机械通风。 5 家竹箐隧道，在无自然风，无列车运行时最为不利，此时瓦斯积累最快。在2小时30分钟时，隧道内瓦斯浓度将超过0.3，即超过控制指标，因此，需要设计机械通风。 6 家竹箐隧道按斜井吸出式通风，当风机风量为141 M3/S时，在无自然风，无列车运行最不利工况下，通风25分钟，可基本上将隧道内瓦斯全部排出。 第一章 总论 2小时30分钟，需通风251.1.1项目名称 有限公司年产1000吨真姬菇周年栽培项目 基金项目铁道部重点科研项目资助铁科工科字N6 作者简介王明年1965， 男， 副教授， 博士 作者单位王明年， 钟新樵 西南交通大学 地下工程及岩土工程系， 四川 成都 经营范围食用菌生产、加工、销售； 张开鑫， 滕兆民 铁道部第二勘测设计院， 四川 成都 610031 1.1.5编制单位 ［1］ 铁道部铁建函［1994］344号文.铁路瓦斯隧道技术暂行规定［S］ 编制负责人1994. ［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］ 周雪漪.计算水力学［M］.北京清华大学出版社，1995. ［4］ 铁道部第二勘测设计院.铁路隧道运营通风［M］.北京中国铁道出版社，1983.