瓦斯隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)技術(shù)研究

1、瓦斯隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)技術(shù)研究王明年，鐘新樵，張開(kāi)鑫，滕兆民摘要： 由于瓦斯隧道混凝土襯砌本體中的細(xì)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(duì)運(yùn)營(yíng)安全危害極大，為此，本文對(duì)瓦斯隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行了認(rèn)真研究，提出了經(jīng)濟(jì)、安全、有效的通風(fēng)方案，為未來(lái)瓦斯隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞： 瓦斯隧道; 運(yùn)營(yíng)通風(fēng); 通風(fēng)設(shè)計(jì)分類(lèi)號(hào)： U451文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guò)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(lèi)隧道為瓦斯隧道。瓦斯隧道在開(kāi)挖時(shí)，瓦斯壓力被釋放，但建成后，瓦斯被隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所封閉，使原來(lái)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(nèi)滲透。瓦斯?jié)B入隧道后，對(duì)隧道的運(yùn)營(yíng)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(lái)危險(xiǎn)，而且在電氣和機(jī)械明火下容易發(fā)生爆炸，因此，“鐵路瓦斯隧道技術(shù)暫行規(guī)定”要求1：“瓦斯隧道運(yùn)營(yíng)期間，隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛炔坏么笥?.3%”。要

5、達(dá)到這一控制指標(biāo)，有兩種措施：一是減少瓦斯的滲入量；二是加強(qiáng)機(jī)械通風(fēng)。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(shè)置機(jī)械通風(fēng)。本文結(jié)合家竹箐隧道，對(duì)瓦斯隧道的運(yùn)營(yíng)通風(fēng)技術(shù)進(jìn)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(zhǎng)4 980 m，其中瓦斯段長(zhǎng)1 084 m(圖1，占隧道總長(zhǎng)的21.8%，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯壓力0.2 MPa1.34 MPa。瓦斯段隧道支護(hù)體系采用全封閉(帶仰拱復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)間設(shè)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(dāng)量直徑d=5.79 m。隧道接縫寬度按每縫寬0.005 m計(jì)，每8m設(shè)一道橫向接縫，則瓦斯段內(nèi)接縫總的長(zhǎng)度為0.685 m。為了運(yùn)營(yíng)通風(fēng)，家竹箐隧道在距進(jìn)口2 785 m處設(shè)有一個(gè)斜井(圖1，斜

7、井?dāng)嗝嫘问綖橹眽A拱型，長(zhǎng)度為383.83 m，斷面積F=8.51m2，斷面濕周S=11.27 m，斷面當(dāng)量直徑d=3.02 m。隧道內(nèi)運(yùn)行列車(chē)長(zhǎng)度LT=350 m，列車(chē)斷面積fT=12.6m2，列車(chē)車(chē)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(jì)算方法地層中的瓦斯主要通過(guò)襯砌本體的細(xì)微裂隙和“三縫”等缺陷滲入隧道內(nèi)。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(nèi)空氣壓力之差有關(guān)，而且與襯砌材料、接縫材料的滲透性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)也與隧道內(nèi)空氣的流動(dòng)速度等因素有關(guān)。因此，對(duì)于瓦斯隧道，

8、常用滲透系數(shù)法來(lái)確定瓦斯?jié)B入量2，即式中，k為襯砌或接縫的滲透系數(shù)，由試驗(yàn)測(cè)定(m/s；P1為滲透壓力，封閉后地層內(nèi)的瓦斯壓力值(MPa；P2為隧道內(nèi)空氣壓力(MPa，因隧道內(nèi)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(guò)瓦斯地層的長(zhǎng)度(m；S為隧道斷面周長(zhǎng)(m。當(dāng)隧道混凝土襯砌本體和接縫的滲透系數(shù)不相同時(shí)，要分別計(jì)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(shù)k的確定滲透系數(shù)k用壓氣法測(cè)定，實(shí)際各種材料的滲透系數(shù)可按表1選取。2.3家竹箐隧道瓦斯?jié)B入

9、量計(jì)算對(duì)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(dāng)襯砌為氣密性混凝土?xí)r，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(duì)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(shí)可以看出，經(jīng)氣密性混凝土襯砌封閉后，隧道

10、內(nèi)仍有瓦斯?jié)B入，當(dāng)瓦斯壓力為1.34MPa時(shí)，瓦斯?jié)B漏量達(dá)0.012 134 50m3/s，因此，為安全計(jì)，仍需機(jī)械通風(fēng)。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(shè)瓦斯?jié)舛妊厮淼朗且痪S分布，根據(jù)質(zhì)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(shí)刻的瓦斯?jié)舛?；v是隧道風(fēng)速；Dt綜合擴(kuò)散系數(shù)，亦稱混合系數(shù)，Dt=D1+D2,D1為分子擴(kuò)散和紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，與隧道內(nèi)風(fēng)速分布和濃度分布不均等因素有關(guān)，對(duì)于層流，D1僅為分子擴(kuò)散系數(shù)Dm；D2為移流離散系數(shù)，一般情況下，D2 D1 Dm，故常忽略D1和Dm，以離散為主時(shí)取Dt=D2；q(x,t是瓦斯源項(xiàng)，即單位時(shí)間單位體積里瓦斯的產(chǎn)

11、生量，隨時(shí)間而變化。上式為一個(gè)變?cè)错?xiàng)的對(duì)流-擴(kuò)散方程，一般用數(shù)值方法求解，將隧道長(zhǎng)度L離散成M個(gè)長(zhǎng)度為x的小段，時(shí)間步長(zhǎng)取t，采用逆風(fēng)隱式差分格式，將式( 5 離散為式中，上標(biāo)n表示第n時(shí)間段，下標(biāo)表示隧道的第j小段(j=1,M，將式( 6 整理成式( 7 是一個(gè)三對(duì)角矩陣，可用追趕法求解。由于斜井左右段隧道的風(fēng)速不同(圖1，因此，計(jì)算瓦斯?jié)舛纫謩e對(duì)左右段隧道進(jìn)行，由于左右段隧道的瓦斯?jié)舛仁窍嚓P(guān)的，所以當(dāng)氣流由左段向右段流動(dòng)時(shí)，左右段的連接點(diǎn)可作為右段計(jì)算的瓦斯源點(diǎn)，同樣，當(dāng)氣流由右段向左段流動(dòng)時(shí)，左右段的連接點(diǎn)可作為左段計(jì)算的瓦斯源點(diǎn)，斜井內(nèi)瓦斯?jié)舛韧碛?jì)算。對(duì)于隧道的進(jìn)口和出口以及斜井的

12、出口作為邊界點(diǎn)處理，這些點(diǎn)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(diǎn)單位時(shí)間單位體積里瓦斯的產(chǎn)生量q(x,t為q(x,t=q/(31.15×1084=3.593639868×10-7m3/(m3.s3.3單元?jiǎng)澐旨抑耋渌淼绬卧獎(jiǎng)澐秩缦拢盒本蠖嗡淼廊?58個(gè)節(jié)點(diǎn)，右段取440個(gè)節(jié)點(diǎn)，斜井取78個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元長(zhǎng)度都為5 m。時(shí)間劃分為每1s輸出一個(gè)結(jié)果。4家竹箐隧道活塞風(fēng)速計(jì)算家竹箐隧道和斜井組成一個(gè)三通系統(tǒng)，因此，斜井左右兩側(cè)隧道的活塞風(fēng)速應(yīng)按三通系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算4。取

13、自然風(fēng)速為1.5m/s，并按自然風(fēng)與列車(chē)運(yùn)行方向相反、與列車(chē)運(yùn)行方向相同、無(wú)自然風(fēng)三種情況分別計(jì)算列車(chē)活塞風(fēng)，同時(shí)考慮列車(chē)出洞后活塞風(fēng)的衰減，計(jì)算結(jié)果列于表3。 5家竹箐隧道通風(fēng)計(jì)算 5.1通風(fēng)工況按自然風(fēng)方向與列車(chē)運(yùn)行方向的最不利組合，計(jì)算了7種工況，即：第一種工況，有列車(chē)運(yùn)行，自然風(fēng)由南寧紅果，且vn=1.5m/s；第二種工況，有列車(chē)運(yùn)行，自然風(fēng)由南寧紅果，且vn=1.5m/s；第三種工況，有列車(chē)運(yùn)行，自然風(fēng)始終與列車(chē)運(yùn)行方向相反，且vn=1.5m/s；第四種工況，有列車(chē)運(yùn)行，無(wú)自然風(fēng)，vn=0m/s；第五種工況，無(wú)列車(chē)運(yùn)行，自然風(fēng)由南寧紅果，且vn=1.5m/s；第六種工況，無(wú)列車(chē)運(yùn)行，

14、自然風(fēng)由南寧紅果，且vn=1.5m/s；第七種工況，無(wú)列車(chē)運(yùn)行，無(wú)自然風(fēng)，vn=0m/s。5.2列車(chē)運(yùn)行組織情況本區(qū)段行車(chē)對(duì)數(shù)為：近期6對(duì)，遠(yuǎn)期8.5對(duì)；所以列車(chē)運(yùn)行間隔時(shí)間為：南寧紅果方向列車(chē)出洞后300 s，南寧紅果方向列車(chē)進(jìn)洞，南寧紅果方向列車(chē)出洞后300 s，南寧紅果方向列車(chē)進(jìn)洞，如此往復(fù)。5.3有列車(chē)運(yùn)行時(shí)隧道內(nèi)瓦斯分布情況有列車(chē)運(yùn)行情況共計(jì)算了4種工況，計(jì)算結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)始終與列車(chē)運(yùn)行方向相反時(shí)最為不利，現(xiàn)以此為例進(jìn)行分析。此時(shí)列車(chē)受逆向自然風(fēng)作用，每對(duì)列車(chē)運(yùn)行情況分為7個(gè)階段，第一階段，列車(chē)由南寧紅果方向，列車(chē)在斜井左側(cè)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間為232 s。第二階段，列車(chē)由南寧紅果方向

15、，列車(chē)在斜井右側(cè)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間為183 s。第三階段，列車(chē)出洞，活塞風(fēng)速衰減，時(shí)間為300 s。第四階段，列車(chē)由南寧紅果方向，列車(chē)在斜井右側(cè)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間為177 s。第五階段，列車(chē)由南寧紅果方向，列車(chē)在斜井左側(cè)運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間為225 s。第六階段，列車(chē)出洞，活塞風(fēng)速衰減，時(shí)間為401 s。第七階段，自然風(fēng)由南寧紅果方向，時(shí)間為499 s。每對(duì)列車(chē)按上述7個(gè)階段組合進(jìn)行計(jì)算，共計(jì)算了57對(duì)，發(fā)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行7對(duì)后，隧道內(nèi)瓦斯總量基本保持不變，每對(duì)列車(chē)各個(gè)階段的瓦斯?jié)舛确植记€基本保持不變，這說(shuō)明，列車(chē)運(yùn)行7對(duì)以后，隧道內(nèi)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(dāng)，圖2給出了各個(gè)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?yàn)榱熊?chē)由南寧紅果方向運(yùn)行，所以活塞風(fēng)速也是南寧紅果方向，因此整個(gè)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(cè)的瓦斯?jié)舛雀哂谟覀?cè)瓦斯?jié)舛?。由第二階段瓦斯分布曲線圖顯示，隨著時(shí)間的增加，斜井繼續(xù)排出瓦斯，斜井右側(cè)瓦斯?jié)舛戎饾u高于斜井左側(cè)的瓦斯?jié)舛龋本覀?cè)瓦斯開(kāi)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(fēng)速的衰減，斜井右側(cè)瓦斯繼續(xù)從隧道出口排出，且斜井右側(cè)瓦斯?jié)舛热愿哂谧髠?cè)瓦斯?jié)舛?。至此，南寧紅果方向運(yùn)行的列車(chē)對(duì)隧道瓦斯?jié)舛确植嫉挠绊懹?jì)算結(jié)束。目 錄第一章 總論 11.1項(xiàng)目概況 11.2技術(shù)支持單位及技術(shù)負(fù)責(zé)

17、人 41.3編制依據(jù)、原則、范圍 71.4規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn) 81.5可行性研究結(jié)論 9第二章 項(xiàng)目背景及必要性 102.1項(xiàng)目背景 102.2必要性分析 11第三章 市場(chǎng)預(yù)測(cè) 153.1行業(yè)介紹 153.2產(chǎn)品特性 163.3銷(xiāo)售模式 173.4風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)及應(yīng)對(duì) 17第四章 項(xiàng)目建設(shè)條件 184.1項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn) 184.2自然條件 184.3社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境狀況 19第五章 原材料及燃料供應(yīng) 215.1原材料概況及供應(yīng)條件 215.2能源供應(yīng) 21第六章 總圖運(yùn)輸及工程建設(shè)方案 236.1總圖運(yùn)輸 236.2土建工程建設(shè) 246.3給排水工程 266.4供電工程 26第七章 生產(chǎn)工藝 287.1生長(zhǎng)環(huán)境

18、287.2生產(chǎn)真姬菇工藝及技術(shù) 307.3設(shè)備清單 33第八章 環(huán)境影響分析及節(jié)能、節(jié)水 348.1設(shè)計(jì)依據(jù) 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(dòng)安全、衛(wèi)生與消防 379.1編制依據(jù) 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(xùn) 4010.1機(jī)構(gòu)設(shè)置 4010.2人員配置 4010.3員工培訓(xùn) 41第十一章 實(shí)施方案 4211.1建設(shè)期 4211.2項(xiàng)目進(jìn)度安排 4211.3項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度計(jì)劃表 由第四階段瓦斯分布曲線圖可以看出，由于活塞風(fēng)由南寧紅果方向，所以隧道瓦斯?jié)舛确植记€開(kāi)始左移，有一部分瓦斯從斜井排出

19、，斜井左側(cè)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(jiàn)，斜井左側(cè)瓦斯開(kāi)始從洞口排出，右側(cè)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(fēng)速的衰減，斜井右側(cè)瓦斯?jié)舛冉抵?，斜井左側(cè)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(fēng)作用下，隧道瓦斯?jié)舛确植记€開(kāi)始右移。至此，一對(duì)列車(chē)運(yùn)行結(jié)束。下一對(duì)列車(chē)通過(guò)隧道，隧道內(nèi)瓦斯變化又重復(fù)圖2過(guò)程。由上述分析過(guò)程可以看出，隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛茸畲笾禌](méi)有超過(guò)0.06，與控制標(biāo)準(zhǔn)0.3%相差很多。前已述及，此工況為有列車(chē)運(yùn)行情況的4種工況中最為不利工況。所以可得，在自然風(fēng)速為1.5 m/s，列車(chē)運(yùn)行速度為v 上T4

20、3.26km/h,v 下T44.55km/h；列車(chē)運(yùn)行組織為：南寧紅果方向列車(chē)出洞后300 s，南寧紅果方向列車(chē)進(jìn)洞，南寧紅果方向列車(chē)出洞后900 s，南寧資金籌措 5.4無(wú)列車(chē)運(yùn)行時(shí)隧道內(nèi)瓦斯分布情況48種工況，計(jì)算結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，無(wú)自然風(fēng)時(shí)最為不利。這種工況下，隧道內(nèi)瓦斯聚積最快，2個(gè)半小時(shí)，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛葘⒊^(guò)0.3%，即超過(guò)控制指標(biāo)(圖3。由此可以看出，在無(wú)自然風(fēng)，無(wú)列車(chē)運(yùn)行時(shí)，家竹箐隧道需要機(jī)械通風(fēng)。無(wú)列車(chē)運(yùn)行時(shí)的另外2種工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4、圖54、圖5可以看出，無(wú)列車(chē)運(yùn)行，且自然風(fēng)vn=1.5財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)依據(jù) 4913.27種工況中，只有無(wú)自然風(fēng)，無(wú)列車(chē)運(yùn)行時(shí)，需要機(jī)械通風(fēng)，現(xiàn)按此種工況

21、進(jìn)行通風(fēng)計(jì)算，假定無(wú)自然風(fēng)，無(wú)列車(chē)運(yùn)行已有2小時(shí)30分鐘，計(jì)算通風(fēng)如下：按斜井吸出式通風(fēng)，考慮瓦斯不聚積的最小風(fēng)速為1.5 m/s；按這一風(fēng)速配風(fēng)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為141 m3/s，此時(shí)，通風(fēng)10分鐘，1520成本費(fèi)用估算 25分鐘后，隧道內(nèi)瓦斯分布見(jiàn)圖6圖9。由圖6圖9可以看出，按斜井吸出式通風(fēng)，且風(fēng)機(jī)風(fēng)量為141 m3/s時(shí)，通風(fēng)25財(cái)務(wù)盈利能力分析 5013.7結(jié)論由以上分析可得出如下結(jié)論：( 1 對(duì)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(duì)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(jīng)氣密性混凝土襯砌封閉后，隧道內(nèi)仍有瓦斯?jié)B入，因此，為安全計(jì)，仍需設(shè)計(jì)機(jī)械通風(fēng)。( 3 家竹箐隧道，在列車(chē)運(yùn)行速度為V 上T項(xiàng)目社會(huì)效益評(píng)價(jià) 下T44.55附表：；列車(chē)運(yùn)行組織為：南寧紅果方向列車(chē)出洞后300 S，南寧紅果方向列車(chē)進(jìn)洞，南寧紅果方向列車(chē)出洞后9