CN109184796B - 一种正洞掌子面风管管口瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的方法 - Google Patents
一种正洞掌子面风管管口瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种正洞掌子面风管管口瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的方法，解决了现有技术的如何根据其瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的问题，其技术要点是：包括模拟隧道瓦斯扩散的常规数值的计算、风量计算、正洞设备选型及验算、平导设备选型及验算、射流风机选型计算、风管口风量影响的判断、风管口位置影响的判断和瓦斯涌出量影响的判断，根据瓦斯涌出量对巷道式通风时隧道内瓦斯分布的影响，从而确定掌子面前0.5m处的隧道断面瓦斯浓度场，有利于研究瓦斯涌出位置对巷道式通风时隧道内瓦斯分布的影响，精确计算出模拟隧道瓦斯扩散的常规数值、风量、正洞设备选型、平导设备选型以及射流风机选型，提高风管管口瓦斯浓度检测的准确性以及施工的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，更具体地说，它涉及一种正洞掌子面风管管口瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的方法。
背景技术
在瓦斯隧道方面，我国最早对瓦斯隧道进行系统研究是在1999年，雷升祥和高波结合华蓥山瓦斯隧道工程实际，根据瓦斯基本性质、煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸条件等的一般性规律，研究了瓦斯隧道中的瓦斯涌出量及通风量的计算方式，分析了瓦斯突出的预测指标及防治措施，还细化了瓦斯隧道施工工艺，提出了瓦斯隧道施工管理措施。2002年，朱亮来、王哲介绍并分析了瓦斯隧道中煤与瓦斯突出的危险程度现行预测方法和评价方法，在云台山瓦斯隧道中采用模糊评价方法对揭煤突出危险进行了预测；袁真秀等在内昆铁路新寨隧道中，根据其地质勘探得到的煤系地层的各项物理力学参数，对煤与瓦斯突出的危险性作了相关评价，同时还进行了煤尘自燃和爆炸的危险性评价。2002年3月，我国原铁道部颁布了《铁路瓦斯隧道技术规范》，该规范是我国第一个完整的关于瓦斯隧道工程的技术标准，其对铁路瓦斯隧道的界定方法、设计与施工方法、安全防范措施等都做了比较详尽的描述，但公路系统中的瓦斯隧道却没有一套完整的工程技术规范，一般参照《煤矿安全规程》和《铁路瓦斯隧道技术规范》来进行设计和施工。2010年，丁睿编著并出版了《瓦斯隧道建设关键技术》，该书对瓦斯赋存与瓦斯灾害、瓦斯隧道等级评价、隧道瓦斯监测预测技术及通风技术、瓦斯隧道塌方防治技术等都作了详细介绍。近年来，我国与国外隧道工程技术的交流与合作越来越广泛，对超前地质预报工作也越来越重视，并且隧道工程技术人员对此也做了很多积极有效的探索。
针对瓦斯隧道的正洞掌子面风管管口如何根据其瓦斯涌出量检测瓦斯浓度需要提供一种方法解决现有的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种正洞掌子面风管管口瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种正洞掌子面风管管口瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的方法，包括模拟隧道瓦斯扩散的常规数值的计算、风量计算、正洞设备选型及验算、平导设备选型及验算、射流风机选型计算、风管口风量影响的判断、风管口位置影响的判断和瓦斯涌出量影响的判断；
所述模拟隧道瓦斯扩散的常规数值的计算：瓦斯均匀从掌子面涌出，采用源项进行模拟，瓦斯涌出量等于源项单位时间和单位体积瓦斯的生成量；
所述风量计算：施工通风所需风量按洞内同时作业最多人数、洞内允许最小风速、一次性爆破所需要排除的炮烟量、内燃机械设备总功率和瓦斯涌出量分别计算，取其中最大值作为控制风量；
所述正洞设备选型及验算：漏风系数：P＝1/(1-β)L/100＝1.35
其中，L——风管长度；
β——百米平均漏风率；
风机供风量：Qj＝P*Qh m3/min；
其中，Qh——工作面风量计算中各项最大值；
所述平导设备选型及验算：漏风系数：P＝1/(1-β)L/100＝1.35
其中，L——风管长度；
β——百米平均漏风率；
风机供风量：Qj＝P*Qh m3/min；
其中，Qh——工作面风量计算中各项最大值；
所述射流风机选型计算:射流风机工作风压hf；
所述风管口风量影响的判断，在风管口距掌子面距离和掌子面瓦斯涌出量为
不变的情况下，风管口出风量为Q转化为风管口出风速度；
所述风管口位置影响的判断：在掌子面瓦斯涌出量为1倍不变的情况下，对瓦斯涌出位置为正洞涌出、平导涌出和正洞平导同时涌出的3种情况进行数值计算；
所述瓦斯涌出量影响的判断：正洞掌子面涌出瓦斯，且风管出风量为Q不变和风管距掌子面距离为20m不变的情况下，对瓦斯涌出量为0.5倍、1倍和2倍下的3种情况进行数值计算；
对正洞掌子面风管管口的出风量分别为Q、2Q和0.5Q时的3种情况进行数值计算，风管的出风量越大，掌子面附近的瓦斯浓度越小，且风管出风量越大，瓦斯浓度较低的区域越大，出风量仅为0.5Q时，掌子面没有形成成片区域的低瓦斯浓度区域，而当风管口出风量为Q或2Q时，掌子面形成较大的低浓度区域；
固定风管出风量为Q和掌子面瓦斯涌出量为1倍时，当风管口离掌子面距离分别为10m、20m和30m时，掌子面前0.5m处的最大瓦斯浓度分别为0.17％、0.21％和0.25％，风管口距掌子面越近，掌子面附近的瓦斯浓度越小，且风管口距掌子面越近，瓦斯浓度较低的区域越大，而风管口距掌子面为30m时，掌子面没有形成成片区域的低瓦斯浓度区域，而当风管口距掌子面为10m或20m时，掌子面形成较大的低浓度区域；
固定风管出风量为Q和风管距掌子面距离为20m，当掌子面瓦斯涌出量分别为0.5倍、1倍和2倍时，掌子面前0.5m处的最大瓦斯浓度分别为0.1％、0.17％和0.3％，掌子面瓦斯涌出量越大，掌子面附近的瓦斯浓度越大。
作为本发明进一步的方案，通风管入口设为速度入口边界，隧道气流出口设为自由出流出口，隧道壁面、风门及风管管壁边界类型为固壁边界，且满足无滑移条件。
作为本发明进一步的方案，所述风量计算：
①按洞内同时作业最多人数计算
Q人＝q·n
式中：q——作业面每一作业人员的通风量；
n——作业面同时作业的最多人数；
②按洞内允许最小风速计算
Q风＝S·V·60
式中：S——隧道最大开挖断面积，V——保证洞内稳定风流之最小风速；
③按一次性爆破所需要排除的炮烟量计算
式中：A——同时爆破炸药量，kg；
t——通风时间；
L——炮烟抛掷长度，L＝15+A/5；
F——隧道断面积；
④按洞内使用内燃机械计算
Q＝k×∑Ni·Ti
式中：k—规定的单位需风量；
Ni—内燃机功率，kw；
Ti—各柴油设备工作时的利用率系数；
⑤按瓦斯涌出量计算
式中：K—相关系数；
A—瓦斯涌出量；
C0—送风瓦斯浓度；
C1—隧道内允许瓦斯浓度。
作为本发明进一步的方案，通风阻力；
隧道总风压阻力：h总＝h摩总+h局+h其他+h动
i.摩擦阻力：
式中：Q——通过的平均风量，
d——管道直径；
α——管道摩阻力系数；
ii局部阻力：
式中：ε——某断面形式变化的局部阻力系数；
γ——空气比重；
V——风流经过局部断面形式变化后的速度，取V＝Qj/(πd2/4)/60；
g——重力加速度，9.81m/s2；
iii.其他局部阻力：使用风管通风时，h其他增加5％～10％；
iv.管末端风压：
隧道总风压阻力：h总＝h摩总+h局+h其他+h动。
作为本发明进一步的方案，所述射流风机工作风压hf
hf≥ΣHs+∑HL
式中：Hs——摩擦阻力；
HL——局部阻力；
式中：λ——摩擦阻力系数；
ρ——隧道内的空气密度(kg/m3)；
Vav——计算管段内气流平均速度(m/s)；
L——计算管段的长度(m)；
Rs——计算管段断面的水力半径(m)，Rs＝4F/S；
式中：ζ——局部阻力系数；
V——产生局部阻力前或后的空气流动平均速度(m/s)；
式中：Hf——射流风机压力，Pa；
Vj——射流风机出口风速，m/s；
Aj——射流风机出口断面积，m2；
Ag——隧道断面积，m2；
Vgo——隧道内风速，m/s；
kj——增压系数，0.85；
nj——射流风机台数。
综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明的正洞掌子面风管管口瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的方法，根据瓦斯涌出量对巷道式通风时隧道内瓦斯分布的影响，从而确定掌子面前0.5m处的隧道断面瓦斯浓度场，有利于研究瓦斯涌出位置对巷道式通风时隧道内瓦斯分布的影响，精确计算出模拟隧道瓦斯扩散的常规数值、风量、正洞设备选型、平导设备选型以及射流风机选型，提高隧道正洞掌子面风管管口瓦斯浓度检测的准确性，提高隧道施工的安全性。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为本发明的不同风管出风量下掌子面前0.5m处的风管出风量为0.5Q的瓦斯浓度场示意图。
图2为本发明的不同风管出风量下掌子面前0.5m处的风管出风量为Q的瓦斯浓度场示意图。
图3为本发明的不同风管出风量下掌子面前0.5m处的风管出风量为2Q的瓦斯浓度场示意图。
图4为本发明的不同风管口位置下掌子面前0.5m处的管口距掌子面10m的瓦斯浓度场示意图。
图5为本发明的不同风管口位置下掌子面前0.5m处的管口距掌子面20m的瓦斯浓度场示意图。
图6为本发明的不同风管口位置下掌子面前0.5m处的管口距掌子面30m的瓦斯浓度场示意图。
图7为本发明的不同瓦斯涌出量下掌子面前0.5m处瓦斯涌出量为0.5Q的瓦斯浓度场示意图。
图8为本发明的不同瓦斯涌出量下掌子面前0.5m处瓦斯涌出量为Q的瓦斯浓度场示意图。
图9为本发明的不同瓦斯涌出量下掌子面前0.5m处瓦斯涌出量为2Q的瓦斯浓度场示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种正洞掌子面风管管口瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的方法，包括模拟隧道瓦斯扩散的常规数值的计算、风量计算、正洞设备选型及验算、平导设备选型及验算、射流风机选型计算、风管口风量影响的判断、风管口位置影响的判断和瓦斯涌出量影响的判断。
所述模拟隧道瓦斯扩散的常规数值的计算：
隧道内流动气体为低速气体，因此将通风气流视为不可压缩流体和稳态紊流。
隧道壁面不传递能量，且瓦斯在扩散中不产生任何化学反应，故将隧道内的流场视为恒温。
实际工程中瓦斯从掌子面涌出，因而在隧道中不考虑其他瓦斯涌出源。假设瓦斯均匀从掌子面涌出，采用源项进行模拟，即使瓦斯从里掌子面壁面距离很小的空气网格中的源项中涌出。瓦斯涌出量等于这些单位源项单位时间和单位体积瓦斯的生成量；
瓦斯隧道的瓦斯涌出量为0.714m3/min，转换为计算瓦斯涌出量为0.0091kg/(m3s)。
将通风管入口设为速度入口边界(Velocity-Inlet)，且速度为19.14m/s，新鲜空气垂直于风管界面进入隧道，流速均匀。空气中不含瓦斯。
隧道气流出口设为自由出流出口(Out-Flow)。
隧道壁面、风门及风管管壁边界类型为固壁边界(Wall)，且满足无滑移条件。
因此本次模拟的边界条件如下表所示。
边界条件表
所述风量计算：施工通风所需风量按洞内同时作业最多人数、洞内允许最小风速、一次性爆破所需要排除的炮烟量、内燃机械设备总功率和瓦斯涌出量分别计算，取其中最大值作为控制风量，具体包括以下计算方法：
①按洞内同时作业最多人数计算
Q人＝q·n
式中：q——作业面每一作业人员的通风量，取4m3/min·人；
n——作业面同时作业的最多人数，正洞100人、平导50人。
计算可知：正洞需风量为400m3/min，平导需风量为200m3/min。
②按洞内允许最小风速0.25m/s计算，为防止局部瓦斯聚集，增加局扇，保证防止瓦斯积聚的风速不小于1m/s。
Q风＝S·V·60
式中：S——隧道最大开挖断面积，正洞138.72m2(Ⅳd)、平导46.2m2(Ⅳ无轨双车道)；
V——保证洞内稳定风流之最小风速，瓦斯隧道取0.25m/s。
计算可知：正洞需风量为2080.8m3/min，平导需风量为693m3/min。
③按一次性爆破所需要排除的炮烟量计算
式中：A——同时爆破炸药量，kg，正洞为389.7Kg，平导为120.6Kg；
t——通风时间，30min；
L——炮烟抛掷长度，L＝15+A/5，正洞为75m，平导为27m；
F——隧道断面积，正洞为138.72m2，平导为46.2m2。
计算可知：正洞需风量为1044.2m3/min，平导需风量为190.6m3/min。正洞按照上下台阶开挖考虑，平导按照全断面开挖考虑，一次性爆破炸药量均较少。
④按洞内使用内燃机械计算
Q＝k×∑Ni·Ti
式中：k—规定的单位需风量，可取为3.0m3/min；
Ni—内燃机功率，kw；
Ti—各柴油设备工作时的利用率系数，如挖掘机、装载机、扒渣机、运渣车0.65。
隧道进口工区施工机械有装载机、挖掘机和运渣车是内燃机械，柳工856装载机(正洞2台，平导1台)功率为162KW，运渣车功率为162kw(正洞6台同时在洞内3台，平导3台同时在洞内2台)，沃尔沃C210B挖掘机的功率为110kw(正洞1台，平导1台)。计算可知：正洞需风量为1794m3/min，平导需风量为1162.2m3/min。
⑤按瓦斯涌出量计算
式中：K—相关系数，取2；
A—瓦斯涌出量，根据设计图纸说明取0.714m3/min；
C0—送风瓦斯浓度，取0.00％；
C1—隧道内允许瓦斯浓度，取0.5％。
计算可知正洞和平导需风量均为285.6m3/min。
因此，经过以上计算可知，正洞无轨运输时开挖作业面所需控制风量为2080.8m3/min(按风速计算值最大)，平导开挖面所需控制风量为1162.2m3/min(按内燃机械设备总功率计算值最大)。
所述正洞设备选型及验算：考虑风机移距离正洞洞口位置达到3000m后，很难保证新鲜风流，风机必须前移，风机给正洞超前掌子面供风的风管最大长度按3000m计(包含过横通道的长度)，则
漏风系数：P＝1/(1-β)L/100＝1.35
其中，L——风管长度，取3000m；
β——百米平均漏风率，取1％。
风机供风量：Qj＝P*Qh＝2809.1m3/min
其中，Qh-工作面风量计算中各项最大值，取2080.8m3/min。
当出现瓦斯层流时，应制订专门瓦斯排放安全措施进行处理。
为了验证此设备选型能否满足通风要求，现根据《高速铁路施工技术(隧道工程分册)》P221～P224考虑通风阻力后的总风压来选择风机，计算过程如下：
①通风阻力
隧道总风压阻力：h总＝h摩总+h局+h其他+h动
i.摩擦阻力：
式中：Q——通过的平均风量，
D——管道直径，正洞设置1.8m风管；
α——管道摩阻力系数，取0.0012；
则，
ii.局部阻力：
式中：ε——某断面形式变化的局部阻力系数，取1.64；
γ——空气比重，1.2kg/m3；
V——风流经过局部断面形式变化后的速度，取v＝Qj/(πd2/4)/60＝17.6m/s；
g——重力加速度，9.81m/s2；
计算可得h局＝310Pa
iii.其他局部阻力：使用风管通风时，h其他一般可考虑增加5％～10％，取最大10％计算得，h其他＝31Pa
iv.管末端风压：
隧道总风压阻力：h总＝h摩总+h局+h其他+h动＝1983Pa
按取最大风量2809.1m3/min，总风压1983Pa，SDF(c)-No12.5风机110KW×2最大风量为2912m3/min＞2809.1m3/min，全风压5355Pa＞1983Pa，正洞风机参数见下表。
隧道正洞风机参数表
经验算，1台110KW×2的轴流风机配直径1.8m的风管能够满足本发明的隧道通风需要。要求配备双风机和双风管。
所述平导设备选型及验算：考虑风机移距离正洞洞口位置达到3000m后，很难保证新鲜风流，风机必须前移，风机给平导掌子面供风的风管最大长度按3000m计(包含过横通道的长度)，则
漏风系数：P＝1/(1-β)L/100＝1.35
其中，L-风管长度，取3000m；
β-百米平均漏风率，取1％。
风机供风量：Qj＝P*Qh＝1569.0m3/min
其中，Qh-工作面风量计算中各项最大值，取1162.2m3/min。
当出现瓦斯层流时，制订专门瓦斯排放安全措施进行处理，防止瓦斯聚集。
为了验证此设备选型能否满足通风要求，现根据《高速铁路施工技术(隧道工程分册)》P221～P224考虑通风阻力后的总风压来选择风机，计算过程如下：
①通风阻力
隧道总风压阻力：h总＝h摩总+h局+h其他+h动
i.摩擦阻力：
式中：Q——通过的平均风量，
d——管道直径，平导设置1.5m风管；
α——管道摩阻力系数，取0.002；
则，h摩总＝1175.5Pa
ii.局部阻力：
式中：ε-某断面形式变化的局部阻力系数，取1.64；
γ-空气比重，1.2kg/m3；
v-风流经过局部断面形式变化后的速度，取v＝Qj/(πd2/4)/60＝13.4m/s；
g-重力加速度，9.81m/s2；
计算可得h局＝179.4Pa
iii.其他局部阻力：使用风管通风时，h其他一般可考虑增加5％～10％，取最大10％计算得，h其他＝17.9Pa
iv.管末端风压：
隧道总风压阻力：h总＝h摩总+h局+h其他+h动＝1382.2Pa
按取最大风量1569.0m3/min，总风压1382.2Pa，山西运城生产的SDF风机55KW×2最大风量为1985m3/min＞1569.0m3/min，全风压4150Pa＞1382.2Pa，风机参数见下表。
隧道平导风机参数表
经验算表明，平导1台55KW×2的轴流风机配直径1.5m的风管能满足本发明的隧道平导的通风要求。按要求配备双风机和单风管。
所述射流风机选型计算：
射流风机工作风压hf的计算
射流风机产生的压力必须得以克服整个系统的阻力，即：
hf≥∑Hs+∑HL
式中：Hs——摩擦阻力；
HL——局部阻力。
式中：λ——摩擦阻力系数；
ρ——隧道内的空气密度(kg/m3)；
Vav——计算管段内气流平均速度(m/s)；
L——计算管段的长度(m)；
Rs——计算管段断面的水力半径(m)，Rs＝4F/S。
式中：ζ——局部阻力系数；
V——产生局部阻力前或后的空气流动平均速度(m/s)；
式中：Hf——射流风机压力，Pa；
Vj——射流风机出口风速，m/s；
Aj——射流风机出口断面积，m2；
Ag——隧道断面积，m2；
Vgo——隧道内风速，m/s；
kj——增压系数，0.85；
nj——射流风机台数。
经计算，平导每两个横通道之间需要一台SSF-4P-№10型射流风机(30kw)，风机参数见下表。
隧道平导射流风机参数表
综上所述，经过计算，对隧道进口工区的通风设备进行选型，具体见下表。
隧道通风设备配置表
所述风管口风量影响的判断：
为了研究风管出风量对巷道式通风时隧道内瓦斯分布的影响，在风管口距掌子面20m和掌子面瓦斯涌出量为
不变的情况下，风管口出风量为Q转化为风管口出风速度即为v＝19.14m/s，对正洞掌子面风管管口的出风量分别为Q、2Q和0.5Q时(即v，2v和0.5v)的3种情况进行数值计算，3种工况下掌子面前0.5m处的隧道断面瓦斯浓度场云图如图1、图2、图3所示。
由此可知，风管口出风量对掌子面附近的瓦斯浓度分布有较大影响。确定当掌子面风管出风量分别为0.5Q、Q和2Q时，掌子面前0.5m处的最大瓦斯浓度分别为0.24％、0.2％和0.17％。风管的出风量越大，掌子面附近的瓦斯浓度越小，且风管出风量越大，瓦斯浓度较低的区域越大，而出风量仅为0.5Q时，掌子面没有形成成片区域的低瓦斯浓度区域，而当风管口出风量为Q或2Q时，掌子面形成较大的低浓度区域。
这是因为在瓦斯涌出量和风管位置一定时，增大风管出风量意味着出口射流速度增大，射流速度越大，到达掌子面时的冲击作用越强，瓦斯与空气混合的越充分。
因此在实际施工中，应该尽可能增大管口出风的射流速度，即增大风管出风量，或者在出风量足够的情况下采用较小的风管口以压缩气流。
所述风管口位置影响的判断：
为了研究瓦斯涌出位置对巷道式通风时隧道内瓦斯分布的影响，在掌子面瓦斯涌出量不变的情况下，对瓦斯涌出位置为正洞涌出、平导涌出和正洞平导同时涌出的3种情况进行数值计算，3种工况下掌子面前0.5m处的隧道断面瓦斯浓度场云图如图4、图5、图6所示。
由此可知，风管口离掌子面距离对掌子面附近的瓦斯浓度分布有较大影响，固定风管出风量为Q和掌子面瓦斯涌出量为1倍时，当风管口离掌子面距离分别为10m、20m和30m时，掌子面前0.5m处的最大瓦斯浓度分别为0.17％、0.21％和0.25％。即风管口距掌子面越近，掌子面附近的瓦斯浓度越小，且风管口距掌子面越近，瓦斯浓度较低的区域越大，而风管口距掌子面为30m时，掌子面没有形成成片区域的低瓦斯浓度区域，而当风管口距掌子面为10m或20m时，掌子面形成较大的低浓度区域。
这是因为在瓦斯涌出量和风管出风量一定时，缩短风管出风口距掌子面距离意味着风管口出风可以更有效地冲击掌子面，冲击作用越强，瓦斯与空气混合的越充分，掌子面附近的低瓦斯区域越大，掌子面的瓦斯驱散稀释效果越好。
因此在实际施工中，应该尽可能缩短风管出风口距离掌子面的距离，在确定出风量为Q不变得情况下，风管口距掌子面距离不能大于30m。
所述瓦斯涌出量影响的判断：
为了研究瓦斯涌出量对巷道式通风时隧道内瓦斯分布的影响，在确定为正洞掌子面涌出瓦斯，且风管出风量为Q不变和风管距掌子面距离为20m不变的情况下，对瓦斯涌出量为1倍、2倍和0.5倍的3种情况进行数值计算，3种工况下掌子面前0.5m处的隧道断面瓦斯浓度场云图如图7、图8、图9所示。
由此可知，掌子面的瓦斯涌出量对掌子面附近的瓦斯浓度分布有较大影响，固定风管出风量为Q和风管距掌子面距离为20m，当掌子面瓦斯涌出量分别为1倍、2倍和0.5倍的3时，掌子面前0.5m处的最大瓦斯浓度分别为0.1％、0.17％和0.3％。即掌子面瓦斯涌出量越大，掌子面附近的瓦斯浓度越大，但是与风管出风量的影响不同，不同瓦斯涌出量下掌子面附近的低瓦斯浓度区域面积基本一致，基本能形成成片的低浓度区域，只是在远离风管出风口的一侧聚集的瓦斯浓度高。
这是因为在风管出风量和风管位置一定时，掌子面瓦斯涌出量决定了掌子面附近的瓦斯气体分子数，但是由于掌子面瓦斯涌出量相比风管出风量仍小很多，因此掌子面的瓦斯涌出量并不会对隧道内的风流场产生影响，因此掌子面附近的瓦斯浓度分布规律基本一致，只是浓度高低有区别。
因此在实际施工中，要加强超前钻探预测和掌子面的瓦斯浓度监测，实时调整隧道通风参数，当遇到瓦斯涌出量突然增大，可以采取提高风管出风量和缩短风管距掌子面距离的措施加强通风以驱散瓦斯。
因此考虑实际施工情况，由于掌子面附近需要进行施工，因此风管口距掌子面距离有限制。考虑上述三个因素的影响，在瓦斯涌出量不变的情况下优选隧道实际施工通风的参数为正洞风管出风量为Q＝2080.8m3/min，风管距掌子面距离为20m，并以此对隧道施工通风进行典型阶段的数值模拟检验。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，仅是本发明的优选实施方式。本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种正洞掌子面风管管口瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的方法，其特征在于，包括模拟隧道瓦斯扩散的常规数值的计算、风量计算、正洞设备选型及验算、平导设备选型及验算、射流风机选型计算、风管口风量影响的判断、风管口位置影响的判断和瓦斯涌出量影响的判断；
所述模拟隧道瓦斯扩散的常规数值的计算：瓦斯均匀从掌子面涌出，采用源项进行模拟，瓦斯涌出量等于源项单位时间和单位体积瓦斯的生成量；
所述风量计算：施工通风所需风量按洞内同时作业最多人数、洞内允许最小风速、一次性爆破所需要排除的炮烟量、内燃机械设备总功率和瓦斯涌出量分别计算，取其中最大值作为控制风量；
所述正洞设备选型及验算：漏风系数：P＝1/(1-β)L/100＝1.35
其中，L——风管长度；
β——百米平均漏风率；
风机供风量：Qj＝P*Qh m3/min；
其中，Qh——工作面风量计算中各项最大值；
所述平导设备选型及验算：漏风系数：P＝1/(1-β)L/100＝1.35
其中，L——风管长度；
β——百米平均漏风率；
风机供风量：Qj＝P*Qh m3/min；
其中，Qh——工作面风量计算中各项最大值；
所述射流风机选型计算:射流风机工作风压hf；
所述风管口风量影响的判断，在风管口距掌子面距离和掌子面瓦斯涌出量为
不变的情况下，风管口出风量为Q转化为风管口出风速度；
所述风管口位置影响的判断：在掌子面瓦斯涌出量为1倍不变的情况下，对瓦斯涌出位置为正洞涌出、平导涌出和正洞平导同时涌出的3种情况进行数值计算；
所述瓦斯涌出量影响的判断：正洞掌子面涌出瓦斯，且风管出风量为Q不变和风管距掌子面距离为20m不变的情况下，对瓦斯涌出量为0.5倍、1倍和2倍下的3种情况进行数值计算；
对正洞掌子面风管管口的出风量分别为Q、2Q和0.5Q时的3种情况进行数值计算，风管的出风量越大，掌子面附近的瓦斯浓度越小，且风管出风量越大，瓦斯浓度较低的区域越大，出风量仅为0.5Q时，掌子面没有形成成片区域的低瓦斯浓度区域，而当风管口出风量为Q或2Q时，掌子面形成较大的低浓度区域；
固定风管出风量为Q和掌子面瓦斯涌出量为1倍时，当风管口离掌子面距离分别为10m、20m和30m时，掌子面前0.5m处的最大瓦斯浓度分别为0.17％、0.21％和0.25％，风管口距掌子面越近，掌子面附近的瓦斯浓度越小，且风管口距掌子面越近，瓦斯浓度较低的区域越大，而风管口距掌子面为30m时，掌子面没有形成成片区域的低瓦斯浓度区域，而当风管口距掌子面为10m或20m时，掌子面形成较大的低浓度区域；
固定风管出风量为Q和风管距掌子面距离为20m，当掌子面瓦斯涌出量分别为0.5倍、1倍和2倍时，掌子面前0.5m处的最大瓦斯浓度分别为0.1％、0.17％和0.3％，掌子面瓦斯涌出量越大，掌子面附近的瓦斯浓度越大。
2.根据权利要求1所述的一种正洞掌子面风管管口瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的方法，其特征在于，通风管入口设为速度入口边界，隧道气流出口设为自由出流出口，隧道壁面、风门及风管管壁边界类型为固壁边界，且满足无滑移条件。
3.根据权利要求1或2所述的一种正洞掌子面风管管口瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的方法，其特征在于，所述风量计算：
①按洞内同时作业最多人数计算
Q人＝q·n
式中：q——作业面每一作业人员的通风量；
n——作业面同时作业的最多人数；
②按洞内允许最小风速计算
Q风＝S·V·60
式中：S——隧道最大开挖断面积，V——保证洞内稳定风流之最小风速；
③按一次性爆破所需要排除的炮烟量计算
式中：A——同时爆破炸药量，kg；
t——通风时间；
L——炮烟抛掷长度，L＝15+A/5；
F——隧道断面积；
④按洞内使用内燃机械计算
Q＝k×∑Ni·Ti
式中：k—规定的单位需风量；
Ni—内燃机功率，kw；
Ti—各柴油设备工作时的利用率系数；
⑤按瓦斯涌出量计算
式中：K—相关系数；
A—瓦斯涌出量；
C0—送风瓦斯浓度；
C1—隧道内允许瓦斯浓度。
4.根据权利要求3所述的一种正洞掌子面风管管口瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的方法，其特征在于，通风阻力；
隧道总风压阻力：h总＝h摩总+h局+h其他+h动
i.摩擦阻力：
式中：Q——通过的平均风量，
d——管道直径；
α——管道摩阻力系数；
ii局部阻力：
式中：ε——某断面形式变化的局部阻力系数；
γ——空气比重；
V——风流经过局部断面形式变化后的速度，取V＝Qj/(πd2/4)/60；
g——重力加速度，9.81m/s2；
iii.其他局部阻力：使用风管通风时，h其他增加5％～10％；
iv.管末端风压：
隧道总风压阻力：h总＝h摩总+h局+h其他+h动。
5.根据权利要求4所述的一种正洞掌子面风管管口瓦斯涌出量检测瓦斯浓度的方法，其特征在于，所述射流风机工作风压hf
hf≥ΣHs+ΣHL
式中：Hs——摩擦阻力；
HL——局部阻力；
式中：λ——摩擦阻力系数；
ρ——隧道内的空气密度(kg/m3)；
Vav——计算管段内气流平均速度(m/s)；
L——计算管段的长度(m)；
Rs——计算管段断面的水力半径(m)，Rs＝4F/S；
式中：ζ——局部阻力系数；
V——产生局部阻力前或后的空气流动平均速度(m/s)；
式中：Hf——射流风机压力，Pa；
Vj——射流风机出口风速，m/s；
Aj——射流风机出口断面积，m2；
Ag——隧道断面积，m2；
Vgo——隧道内风速，m/s；
kj——增压系数，0.85；
nj——射流风机台数。
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