非煤系瓦斯地层超大断面隧道施工通风关键技术研究

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当隧道穿越含有瓦斯的地层时,稍有不慎就可能会发生瓦斯窒息、爆炸等事故,造成人员伤亡、极大的经济损失和恶劣的社会影响,因此近些年来国内外提高了对瓦斯隧道施工通风的重视。本文依托龙泉山一号隧道工程,通过查阅国内外相关文献,并结合理论分析与数值模拟,研究非煤系瓦斯地层超大断面隧道施工通风技术。本论文取得的主要研究成果如下:(1)依托实际公路隧道工程,采用Fluent计算流体力学软件建立数值分析模型,获得了隧道内风流流场分布与扩散规律。研究表明,超大断面隧道内的风流流场仍分为四个区域,即冲击射流区、贴壁射流区、涡流区和回流区,并且当风流靠近涡流区时风速会急剧下降。(2)通过数值模拟计算,获得了通风条件下隧道内瓦斯分布与扩散规律。研究表明,前5s风流尚未大量到达掌子面,使得掌子面瓦斯浓度先急剧上升,之后瓦斯浓度快速下降,而后又缓慢升高,大约12min后瓦斯浓度基本保持稳定,其值为0.006。瓦斯浓度较高的区域为掌子面远离风管一侧靠近壁面的下拐角至拱肩区域。(3)分别以风管直径、风管悬挂位置、风管出风口距掌子面距离、风管出风口风速为变量,利用数值模拟计算,获得了各因素的风流流场及瓦斯分布与扩散规律。研究表明,风量一定时,选取直径为1.4m的风管能更好地稀释瓦斯,且瓦斯浓度分布均匀性更好,但应满足风机的风压要求;综合考虑掌子面平均瓦斯浓度、最大瓦斯浓度及瓦斯浓度分布均匀性,风管悬挂于下拐角更合理;风管出风口距掌子面过近或过远都不会取得较好的通风效果,风管距掌子面20m时能较好地稀释瓦斯,且瓦斯分布均匀性更高;在保持经济性基础上,增加风管出风口风速即采用风量较大的风机能有效降低瓦斯浓度。(4)以风管直径、风管出风口距掌子面距离和风管悬挂位置为变量,利用正交表设计16次正交试验,对计算结果进行极差分析和方差分析,获得了各因素对于掌子面上瓦斯浓度影响的显著性顺序,获得了该隧道最优的通风方案,为实际施工提供一定的参考意义。
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