隧道穿越煤系地层施工，常伴有瓦斯涌出，隧道施工作业是在相对封闭和有限的空间内进行，若不采取合理的通风措施，易引发安全事故。瓦斯的上浮与积聚现象是在瓦斯涌出^[1]隧道施工作业中主要的危险源，因此，排除和防止瓦斯积聚是保证隧道施工安全进行的主要手段，而施工通风则是达到此目的的重要措施^[2]，同时，合理的通风方案和参数是取得良好通风效果的前提。通过研究掌子面附近风流对涌出瓦斯浓度分布及瓦斯积聚规律的影响，探究风流与掌子面涌出瓦斯的关系，为有效地防止瓦斯灾害提供有力的理论支持，保证瓦斯涌出隧道施工安全顺利的进行。

空气的流动直接影响到开挖面附近瓦斯分布，数值计算是研究开挖面流场的重要手段。近年来，在隧道通风领域已形成不少研究成果，祝兵^[3]等用有限元软件模拟了通风系统空气动力学特性。方勇^[4]等利用CFD对三车道公路隧道中射流风机的射流场进行了模拟。易赛莉^[5]研究了在隧道发生火灾时灾情蔓延状况、烟气运动和扩散规律。王峰等^[6]针对曲线公路隧道，采用CFD三维数值模拟方法计算分析了射流风机的射流特性及不同布置方式的影响。白冰^[7]等采用CFD对掘进巷正压通风情况进行了数值模拟，分析掘进迎头和巷道某一断面瓦斯浓度分布。王海桥^[8]、刘荣华^[9,10]等人对掘进过程中射流的产生过程和风流结构进行了分析，给出了掌子面附近流场中回流区的平均风流风速、最大回流速度及射流作用距离的计算式。在独头掘进隧道施工通风系统中，Isidro Diego^[11] 等应用CFD数值模拟手段，揭示了连续采煤机和运输先锋─高性能铰接式卡车附近的压力损失。J. Torao^[12]等运用数值模拟方法研究了在混合式施工通风系统中掘进机附近的气流和粉尘浓度。张林^[13]采用计算流体动力学软件Fluent模拟了公路隧道射流风机各种安装条件下的流态，最终提出公路隧道射流风机在各种安装条件下的最优方案。

本文采用Fluent 软件对流场进行模拟，通过改变通风量、风管布设位置以及瓦斯涌出量大小，分析对瓦斯浓度分布的影响，研究隧道掌子面风流流场特性和风流对瓦斯浓度分布的影响规律，从而更好地理解隧道施工过程中瓦斯积聚现象的发生原理及形成过程，并为隧道施工通风方案和参数的确定提供依据。 1 模型建立和边界条件确定 1.1 计算模型

利用Gambit软件，依托南充—大竹—梁平高速公路华蓥山隧道工程设计尺寸，建立三维数值计算模型，如图 1、图 2所示，隧道断面半径5.5 m，长50 m，风管直径根据现场实际选择为1.6 m，风管出风口与掌子面距离为25 m，通过改变掌子面瓦斯涌出量和风管挂设位置2个控制因素，对不同隧道断面(49.7～15 m)内瓦斯浓度分布进行研究。

图 1 风管边墙模型横断面示意图 Fig. 1 Cross-section of air duct side wall model

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图 2 风管边墙模型纵断面示意图Fig. 2 Longitudinal section of air duct side wall model

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对上述模型网格化过程中，采用非结构化网格在充分利用网格自适应能力条件下分别进行。独头掘进隧道网格剖分如图 3所示。

图 3 瓦斯模型(L=25 m)风管边墙网格剖分图Fig. 3 Gridding of air duct side wall in gas model (L=25 m)

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为了方便利用Fluent 软件对流场进行模拟，做如下假设：

(1)施工通风中气流视为三维黏性流体，且不可压缩；

(2)隧道内壁面为绝热材料，并假定隧道内温度恒定，即等温度通风；

(3)通风过程中不考虑其他的污染源对隧道内流动风流的影响，并假定有害气体(CH₄)在研究区间内均匀分布。

综上可知，模拟中气流为等温非稳态流体。

采用源项处理从隧道开挖面涌出的瓦斯，另外在模拟新鲜风流与瓦斯的混合和运移过程时，应用组分传输模型。在模拟过程中考虑粗糙度系数以更贴近工程实际。

在利用Fluent软件模拟计算过程中，z轴负方向为重力方向，重力加速度取值为-9.81 m/s²。 1.3 边界条件

对于以上所建立的模型，设置如下边界条件：

(1)设风管和隧道内壁面均为无滑移固体壁面，v_i=0，即满足无滑移，同时设置粗糙度高度和系数见表 1。

(2)风管出口即为流场内风流速度入口，风管出口处的平均风速为掌子面流场入口速度大小，方向与出口断面垂直,v_x=19.397 m/s，v_y=v_z=0。

(3)距离掌子面50 m处设为压力出口，超出50 m 范围以外是完全发展的风流，并忽略其对研究区域内风流的影响。

(4)在计算过程中，采用瓦斯源项来处理瓦斯源边界，将瓦斯源设置在迎头近壁面的第1层网格区域内。瓦斯源项包括质量源项和动量源项，其大小由瓦斯涌出量确定。 2 结果分析 2.1 隧道横断面瓦斯浓度分布

在隧道施工通风中，风管出风口为局部通风，掌子面附近风流状态为紊流流动，局部通风排除掌子面附近溢出瓦斯的过程包括2个阶段，一是风管出口具有初速度的新鲜空气与掌子面附近溢出的瓦斯的对流，然后是空气在隧道内紊流流动引起瓦斯紊流扩散。因此，针对华蓥山隧道工况，模型长度取L=25 m，风管挂设在隧道右边墙，风管出口出风量为Q=2 340 m³/min，在掘进巷道迎头断面上瓦斯均匀涌出，涌出量为105.3 m³/min，巷道回风段瓦斯平均浓度取为4.5％，进行模拟计算，研究隧道掌子面的风流和瓦斯分布情况。

为研究隧道横断面上风流和瓦斯分布情况,选用断面x=49.7 m，x=45.0 m，x=40.0 m，x=35.0 m，x=30.0 m，x=25.0 m，x=20.0 m和x=15.0 m8种工况进行模拟分析，模拟结果如图 4所示。

图 4 隧道轴向剖面瓦斯浓度分布图(回风浓度为4.5%)Fig. 4 Gas concentration distributions in tunnel axial sections(4.5% backflow concentration)

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从图 4可知，距离瓦斯涌出面较近时，风管一侧瓦斯分布浓度小，这是由于射流风速及席卷作用小，风流与瓦斯不能混合，属于横断面低瓦斯区域，瓦斯浓度在2.0％左右，但是风管异侧的回流区瓦斯浓度较高，出现瓦斯积聚，这是由于风流与瓦斯方向相同，瓦斯与空气充分接触混合，较小范围高瓦斯地带出现在隧道左边墙区域，即风管对称贴近隧道壁面区域，局部最高瓦斯浓度达23％，是平均浓度的11.5倍。随着远离瓦斯涌出面，瓦斯浓度分布整体趋于均匀化，高瓦斯分布范围逐步向隧道中央及挂设风管的右边墙扩散，呈逐渐增大趋势，且高瓦斯中心最高浓度也逐渐降到了6.4%。随着时间的推移，隧道内空气与瓦斯得到了充分混合，低瓦斯分布范围被逐步压缩，形成隧道左右侧高、低瓦斯对称分布态势。利用风管送风的通风方式会存在射流作用，且在一定范围内，射流作用强度与工作面距离成正比，因此在距离掌子面较近的范围内(x<20 m)瓦斯浓度仍然较低，为1.4%左右。由于受射流席卷作用影响，低瓦斯区域周围瓦斯浓度梯度与高速空气流动速度成正比，即风速越大，瓦斯浓度梯度就相对较大。当x<30 m，即分析断面与掌子面距离超过20 m后，在隧道横断面上，低瓦斯浓度低于2%和高瓦斯浓度高于6%的两区域逐渐缩小，并最终消失。可以看出，低瓦斯分布区域首先由向隧道拱顶移动开始，并逐步相对均匀地分布在隧道中央区域；在风管下方由于回风流风速较小，高瓦斯区域开始在此处出现，此时，第2次高瓦斯区域和低瓦斯区域形成，但此次瓦斯最高浓度为4.6％，最低为4.3％，瓦斯浓度极值差距不大。在模拟该工况进行分析计算时，隧道内平均风速保持为1 m/s。当隧道中有瓦斯涌出且回风浓度要求4.5%以下时，隧道内1 m/s的风速就可以较好地解决隧道瓦斯涌出和扩散问题，有效地解决瓦斯因浮升力而在隧道顶部发生积聚的问题。由此可见，提高送风速度和降低瓦斯回风浓度是防止瓦斯积聚的有效途径。

2.2 隧道纵向瓦斯浓度分布

为了研究隧道纵断面上瓦斯浓度的分布规律，在横断面上选取4个观测点来测定隧道纵向瓦斯浓度，如图 5所示。

图 5 瓦斯浓度监测点Fig. 5 Monitoring points of gas concentration

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图 6为隧道纵向瓦斯浓度变化曲线。可以看出，各区域瓦斯浓度均于管口所在断面(x=25 m)至掌子面间存在明显变化。其中，瓦斯涌出面附近，风管异侧风流回流区瓦斯浓度最高，出现瓦斯积聚，随着回流向洞外行进，瓦斯浓度逐渐降低；在风管同侧风流射流区，由于射流风速相对较低，席卷作用较微弱，新鲜风流未能及时与瓦斯混合，所以瓦斯浓度梯度相对较小且变化慢，瓦斯浓度最低，相反，在风管另一侧，由于空气与瓦斯相对充分的接触和混合，瓦斯浓度梯度很大。随着与瓦斯涌出面距离的增大，由于瓦斯与空气混合，低瓦斯区域逐渐减小，高瓦斯区域开始增大，处于隧道中央区域瓦斯浓度介于射流区与回流区之间。回风流瓦斯浓度自风管管口所在断面起逐渐均匀。

图 6 隧道纵向瓦斯浓度变化曲线Fig. 6 Curves of gas concentration in longitudinal direction of tunnel

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为了研究隧道横断面内瓦斯浓度分布与瓦斯涌出量之间的关系，此时固定风管出风量，瓦斯涌出量由小到大分别取为 11.7，23.4，81.9 ，163.8 m³/min，对应的回风平均瓦斯浓度分别为0.5％，1.0％，3.5％，7.0％，在这4种工况下进行模拟计算，研究增大瓦斯涌出量对隧道掌子面内流场及瓦斯浓度分布的影响规律。隧道轴向剖面上流场和瓦斯分布如图 7、图 8所示。

图 7 不同瓦斯回风浓度下隧道轴面流场分布图(z=1.5 m)Fig. 7 Flow field distributions in tunnel axial section in different gas backflow concentration (z=1.5 m)

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图 8 隧道横断面瓦斯浓度分布比较(x=35 m)Fig. 8 Comparison of gas concentration distributions in tunnel cross-section (x=35 m)

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相比较无瓦斯涌出时的情况，由图 7、图 8可以看出，4种计算工况下隧道内风流流场均有所变化。由此可以得出，瓦斯会在一定程度上干扰隧道内的流场，使隧道内原本相对稳定的流场和压力再次重分配。比较图 8中(b)和(a)，回风浓度1.0%较0.5%时，在隧道横断面各对应点的瓦斯浓度均增大1倍左右。图 8(a)中瓦斯涌出量最小，对流场的影响也最小，所以高瓦斯分布区域出现在较低的位置；逐渐增大隧道掌子面瓦斯涌出量，如图 8中(b)、(c)、(d)，流场变化趋于明显，同时，受瓦斯回风浓度的影响流场变化越来越大。当瓦斯回风浓度为7.0％时，如图 8中(d)，瓦斯开始上移至隧道拱顶，出现局部瓦斯积聚现象。掌子面涌出瓦斯与迎面的风流混合，由于空气密度大于瓦斯的密度，瓦斯产生上浮力，即体积力^[14]，与风流方向相反的部分瓦斯，在对流和扩散作用以及风速动量和体积力的共同作用下，沿隧道逆风斜向流动至拱顶，加之风流与涌出瓦斯的持续影响，在拱顶某部位会形成一定范围的漩涡，而漩涡较易造成瓦斯局部积聚，是隧道内瓦斯局部积聚的主要原因。与射流区和回流区相比，漩涡的瓦斯浓度有显著增高，并达到横截面内瓦斯浓度极大值，严重干扰原流场状态和制约通风效果。 2.4 通风量对掘进隧道断面瓦斯分布的影响

为研究通风量对隧道掘进工作面瓦斯分布的影响，保持瓦斯涌出量、风管参数(位置和直径)不变，使通风量分别为1 810 m³/min和2 870 m³/min，进行Fluent数值分析，计算结果如图 9、图 10所示。

图 9 供风量1 810 m3/min时隧道轴向剖面瓦斯浓度分布图 Fig. 9 Gas concentration distributions in tunnel axial sections when air supply amount is 1 810 m3/min

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由图 9、图 10可知，保持瓦斯涌出量不变的条件下，改变通风量，可使瓦斯浓度变化，改变前后通风量是改变前通风量的1.6倍，同一横断面对应位置的瓦斯浓度为改变前的0.63倍，可见，增大通风量，可以降低瓦斯浓度，即瓦斯浓度与通风量负相关，且瓦斯浓度相关系数与通风量几乎接近倒数关系。同时，通风量增加时，高瓦斯区域在同一横断面上的分布位置有较大降低，即增大通风量可较好地避免瓦斯积聚现象。由于瓦斯的上浮力影响，高瓦斯区域会随迎头距离增大而上浮。在瓦斯涌出量相同的情况下，对比不同通风量的结果图，可以看出，通风量增加时高瓦斯区域上移浮动明显较小，瓦斯和空气混合趋于均匀，高瓦斯分布范围扩大，浓度开始降低。在x=30 m的隧道横断面上，比较图 9、图 10中(c)组结果，容易看出，较小通风量时高瓦斯区域出现在拱顶，且瓦斯浓度极值相差较大，局部最高瓦斯浓度达12.5%，而当通风量较大时，局部最高瓦斯浓度为6.3%左右，整个横断面上瓦斯分布趋于均匀。由此可见，增加通风量能较好地解决工作面瓦斯涌出积聚问题。

图 10 供风量2 870 m3/min时隧道轴向剖面瓦斯浓度分布图 Fig. 10 Gas concentration distributions in tunnel axial sections when air supply amount is 2 870 m3/min

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将最初挂设在隧道右边墙的风管移至隧道的拱顶位置，并保持通风量和瓦斯涌出量、风管直径以及风管出口与工作面距离均不变，用以研究风管位置^[15]对隧道断面瓦斯分布规律的影响。

由图 11中(a)和(b)可以看出，当风管挂设在隧道断面的拱顶时，由于模型在几何尺寸上严格的对称性，在风管出风口与瓦斯涌出面之间的隧道断面上，瓦斯浓度和流场也对称分布。在图 11(a)中，瓦斯浓度在射流区内较小，而在回流区内却明显较高，从隧道拱顶至隧道底板两侧，瓦斯浓度和浓度梯度逐渐呈现线性升高，最终，在靠近迎头处的隧道底板两侧，瓦斯浓度和梯度均达到极值，并出现瓦斯积聚现象。此时，隧道顶部瓦斯最低浓度仅为3%，而局部最高瓦斯浓度达30.3%，为前者的10倍多。如图 11中(b)，随着与瓦斯涌出面距离的增大，高瓦斯分布区域内瓦斯浓度和浓度梯度迅速变小，并逐渐向隧道中线位置靠拢，整个隧道断面内瓦斯浓度分布区域趋于均匀；如图 11中(c)，在距瓦斯涌出面30 m的隧道断面上，瓦斯最高浓度为7.5%，高瓦斯区域已经消失，而最低瓦斯浓度为6%左右，整个断面内瓦斯分布更加均匀。这是因为此时的隧道断面处于风管出口后部，随着时间的推移，瓦斯经过扩散和上浮，使拱顶低瓦斯区域浓度增大，加之瓦斯与空气的充分混合，断面内瓦斯分布整体较均匀，最终，瓦斯平均浓度保持在7.0%左右。当风管挂设在隧道右边墙时，如图 4所示，瓦斯浓度和流场分布相对复杂，不具对称性，在模拟分析结果中的8个断面上，高瓦斯集中分布的3个区域，包括风管对称贴近隧道壁面区域、隧道拱顶和风管下面的局部区域，均容易发生瓦斯积聚现象。可见，工作面附近风管应尽量在拱顶安装或者采用分流装置将边墙风管中的风流分一部分至拱顶。

图 11 风管布设在拱顶时，隧道横断面瓦斯浓度分布图(回风浓度为7.0％)Fig. 11 Comparison of gas concentration distributions in tunnel axial sections when air ducts are at vault (7.0% backflow concentration)

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由此可见，在迎头涌出面一定范围内，风管的布置位置对断面瓦斯分布影响较大，当挂设在拱顶时，有利于预防瓦斯积聚现象，但装卸安装有较大难度，风管布置在边墙则方便装卸。但超出迎头涌出面一定范围后，风管位置对瓦斯积聚影响不大。 4 结论

本文针对利用风管送风的施工通风方式，通过Fluent软件三维空间数值模拟，系统研究了隧道开挖面附近风流、通风量和风管挂设位置对瓦斯浓度分布的影响。研究结果表明：

(1) 在瓦斯迎头涌出面附近区域，瓦斯浓度大梯度变化现象主要发生在回流区，隧道断面上高瓦斯区域也集中分布在回流区，局部最高瓦斯浓度10倍以上于回风浓度，出现瓦斯积聚现象；射流区瓦斯浓度在一定范围内与回流区对称分布，但变化梯度较小。随着与瓦斯涌出面距离的增大，瓦斯浓度有所降低，且分布逐渐趋于均匀，但整体位置上移。在与迎头涌出面距离超过35 m之后，整个隧道断面内瓦斯浓度已分布均匀，且基本上接近回风浓度，瓦斯能够随空气一起被带到巷道外。

(2)当瓦斯涌出量和回风浓度均较大时，一定初始浓度的瓦斯沿隧道逆风斜向流动至拱顶，在拱顶某部位会形成一定范围的漩涡，漩涡中心瓦斯浓度最高；瓦斯涌出量越大，瓦斯沿顶板逆流距离越远，漩涡范围越大，漩涡对瓦斯扩散有明显的滞留作用。瓦斯涌出量与流场变化程度呈正相关。当回风平均浓度高于4.5％后，瓦斯涌出量对风流流场影响较大。通风量增大时，断面上瓦斯分布较均匀，而通风量减少时，同一断面上右侧的高瓦斯地带位置较高，易发生瓦斯积聚现象。

(3)当风管沿隧道拱顶挂设时，瓦斯浓度和流场对称分布，瓦斯浓度和浓度梯度自隧道拱顶至底板两侧逐渐呈现线性升高，在靠近迎头处的隧道底板两侧达到极值，并伴随瓦斯积聚现象发生；在风管出口和瓦斯涌出面之间，随着与瓦斯涌出面距离的增大，高瓦斯分布区域逐渐向隧道中线位置靠拢的同时，瓦斯浓度和浓度梯度迅速降低；风管出口后部隧道断面，高瓦斯区域消失，瓦斯分布整体较均匀。当风管挂设在隧道边墙时，在迎头涌出面一定范围内，瓦斯浓度和流场分布相对复杂，高瓦斯集中分布区域较多，不利于预防瓦斯积聚现象。