高海拔隧道出渣过程CO分布分析及需风量研究

为解决高海拔施工隧道出渣过程的排气排放物污染,改善通风排污效果,基于海拔环境参数变化和紊流扩散理论,构建了高海拔隧道气体扩散模型.以海拔3200 m的川藏铁路某隧道为研究背景,对洞内的环境参数和CO分布进行测定,利用SolidWorks和ANSYS建立施工隧道掌子面出渣模型,采用Fluent中的组分输运方程,对不同海拔高度的有害气体运移规律和质量分数分布进行动态模拟.结果表明,隧道中内燃机械作业时,在靠近工作面迎头位置,CO分布不均匀,极差值较大.在靠近隧道出口方向,CO分布逐渐趋于平稳.CO质量分数随海拔的升高而增加,而CO质量浓度却呈相反的变化趋势.从0 m到6 km,CO质量分数上升了96％;由于环境参数变化对CO质量浓度影响的权重大于CO排放量,导致CO质量浓度下降了18％.在保证隧道内CO质量分数不变的条件下,需风量随海拔高度呈非线性增加.根据得到的需风量计算模型,在海拔3200 m时,需风量约为4.95 m3/(kW·min).     

高原隧道施工工程机械有害气体排放特性

工程机械在高原地区运行时有害气体(尾气)CO、HC等的排放量较大,为了给高原地区隧道施工等地下工程通风设计与污染控制提供科学依据,依托关角隧道工程,对高原隧道施工中所使用的装载机、挖掘机、自卸汽车等内燃设备所排放的有害气体进行了测试,并对测试结果采用多项式拟合的方法进行拟合。研究结果表明:高原环境下工程机械排放的有害气体(尾气)CO、HC排放量以指数方式变化,随着转速增大而增大;过量空气系数φa减小时排放量增大,反之,φa增大时排放量减小。     

矿井封闭火区内气体运移规律

根据气体传质理论，煤矿井下火区封闭后，火区内生O2和有害气体运移平衡系统破坏，造成封闭火区内的O2浓度减少和CO等有害气体的积聚。当火区内化学反应达到平衡后，封闭火区内有害气体浓度逐渐减小，该过程是以气体分子在多孔介质中扩散为主要运移形式的质量传递过程。分析O2、CO通过封闭墙和煤层等多孔介质的扩散机理，并推导了有效扩散系数的计算公式。由公式计算封闭火区内O2降低5％的时间to和封闭火区内CO下降到0．001％的时间t，综合考虑封闭火区内的温度，计算出火区从封闭到启封的参考时间。     

基于可跟随式有害气体抽排装置的烟尘运移规律研究——以鸡鸣隧道为例

为了降低隧道爆破产生的粉尘及CO对施工人员的危害,本文提出了一种在隧道中加入可跟随式有害气体抽排装置的辅助通风方式。为确定可跟随式有害气体抽排装置的有效性,本文依托鸡鸣隧道工程基于Fluent数值模拟软件对该装置的应用场景及应用效果进行了模拟,得到了压入式通风和加入抽排装置后的隧道流场以及粉尘、CO的运移规律,以及装置对流场的影响并验证了装置加速粉尘及CO排出的效果,并对加入装置后距离掌子面的5个测点的CO浓度随时间的变化规律进行线性拟合。结果表明：加入可跟随式有害气体抽排装置能够有效加速掌子面工作区域内粉尘及CO排出,通风120s内,相同时间点下加入装置后的相同位置处粉尘及CO浓度远低于压入式通风条件下,加入装置后仅通风110-130s掌子面前5m内粉尘及CO浓度均能够达到安全浓度以下,同时该装置的加入一定程度上会增加隧道流场的紊乱程度,加入抽排装置后的掌子面前5个测点处通风30min内的CO浓度变化满足单指数函数。对比加入可跟随式有害气体抽排装置前后粉尘及CO浓度变化情况,验证了该装置的有效性。     

采场自然发火模拟计算的数学模型及其解法

当采空区内有自然发火时，将产生大量有害气体，使得采场气体成分发生变化，本文根据采空区内有害气体的运移规律，研究采场气体压力、一氧化碳等火灾气体浓度分布，预测采空区自然发火位置。本模拟研究将采场（包括工作面和采空区）作为一个系统，利用弥散动力学和渗流理论，建立采场气体运移的数学模型，采用有限元方法在电子计算机上进行解算，并可对计算结果进行处理和分析。同实测数据或直接物理实验相比，不仅容易实现，而且能提供比物理实验更详细的实验数据。     

气体钻水平井钻杆偏心对环空岩屑运移规律的影响

气体钻水平井段,由于自身重力,钻杆倾向于下井壁,形成偏心环空,使得下环空岩屑运移困难,通过研究偏心环空正常携岩和岩屑床岩屑的运移规律对气体钻水平井井眼净化具有重要意义。针对钻杆偏心对气体钻水平井环空岩屑运移规律的影响问题,基于气固两相流理论,利用可视化实验并结合计算流体动力学(CFD)数值模拟方法对其进行了研究。从环空气体速度分布、岩屑速度分布和岩屑相对体积分数分布等方面分析了正常循环和下井壁沉积20 mm岩屑床两种工况,钻杆偏心对环空岩屑运移规律的影响。实验现象和数值模拟结果表明:正常循环时,随着偏心度不断增大,下环空气体和岩屑速度逐渐减小,气体携带岩屑的能力降低;当下井壁沉积20 mm岩屑床时,随着偏心度的增大,气流对岩屑床的扰动能力降低,使得下环空岩屑相对体积分数明显增大,岩屑床的最高剩余厚度逐渐增大。     

超长高海拔公路隧道火灾烟流扩散及温度分布规律

天山胜利隧道全长22km,是目前世界最长的在建高海拔高速公路隧道。本文采用FDS火灾动力学计算模型模拟了不同通风条件下海拔高度2850m的天山胜利隧道火灾发展过程,明确了不同通风条件下天山胜利隧道内火灾烟流的扩散规律以及温度的时空分布规律,提出了主隧道烟气的控制标准。结果表明：①考虑天山胜利隧道车型比例、多车辆串燃以及高海拔环境等因素,确定天山胜利隧道火灾火源规模折减为22MW;②当隧道不通风时,火源上方拱顶温度由于隧道坡度影响,具有明显先增大后衰减的趋势,相比于无坡度条件下,前者达到最高温度快,且最高温度低;③隧道内温度随着通风速度的增加和远离火源而降低,隧道内可视度随着远离火源先增加后减小、随着风速增加而增大;④随着风速增加,人眼特征高度处温度高于60℃、可视度低于10m的范围逐渐减少;⑤主隧道坡度为1.367%对应的火灾控烟临界风速为4m/s,横通道坡度为-7.5%时无通风条件下进本无烟气进入。     

舱室有害气体泄漏数值模拟

为研究舱室内害气体泄露过程,减少有害气体对乘载员的危害。采用Navier-Stokes方程与RNG k-ε湍流模型,利用计算流体力学(CFD)理论方法,建立有害气体泄漏的数值计算模型。以某型车辆为例,对车舱内有害气体泄漏扩散过程进行数值模拟,计算得到舱室内有害气体各组分在舱内空间分布及舱室内有害气体泄漏扩散的一般规律。分析结果表明,文中计算方法有效地捕捉到舱内有害气体运动过程以及浓度变化过程,可为舱室有害气体控制设计与评价提供理论基础。     

基于随机森林的公路隧道CO气体浓度预测模型

汽车尾气的主要成分是CO气体,是公路隧道通风设计的一项重要参数。准确、快速地预测隧道内CO气体浓度,能够为隧道通风控制提供有力参考,有助于CO气体浓度的及时控制,对保障隧道内人员的健康、安全和隧道绿色节能十分必要。采用公路隧道实地监测CO气体浓度数据,建立了以监测点位置、交通量、车速、风速为输入特征的公路隧道CO气体浓度预测随机森林模型。通过整理3 300 m长隧道CO气体浓度数据,对比了CO气体浓度实测数据与模型预测值,验证了模型的预测精度。结果表明,基于随机森林建立的CO气体浓度预测模型具有良好的预测精度,能够准确地预测隧道内CO气体浓度,测试集的均方根误差(root mean square error, RMSE )和决定系数(R2)分别为0.4974和0.9437;该预测模型性能显著优于线性回归模型和支持向量机模型;预测模型能够推广应用于其他隧道的CO气体浓度预测,对应的RMSE和R2分别为0.9095和0.7295,可以在已知测点位置、交通量、车速、风速的情况下预判隧道内CO气体浓度,为隧道通风控制或安全预警提供数据参考;特征重要性分析结果显示,测点位置对隧道内CO浓度的影响最大,在隧道出口处CO气体浓度值最高;随着风速的增大,隧道内CO气体浓度逐渐减小。     

模拟隧道衬砌混凝土湿度演化规律

为了准确分析地下隧道衬砌混凝土内部湿度的演化特征,建立了用以计算江底隧道衬砌混凝土湿度时变规律的湿度模型,并对模拟隧道衬砌混凝土的试件进行了温湿度试验.数值计算与试验结果表明:所建立的考虑胶凝材料水化影响的湿度演化模型可以很好地对地下隧道衬砌混凝土的湿度分布特征进行预测和分析;在距离蒸发面较近的100 mm位置处,衬砌混凝土内部湿含量变化受扩散过程影响较大,在距离蒸发面较远的位置处湿含量时变主要是胶凝材料水化耗水所致;模型还预测了隧道衬砌服役10年时,距离蒸发面为100 mm以内的部分湿度均与环境湿度达到平衡;随着地下衬砌混凝土服役年限的延长,其内部湿度梯度逐渐向饱水面推进.     

非煤系地层隧道围岩有害气体形成机制

大量在建和拟建隧道面临非煤系地层有害气体的挑战,厘清非煤系地层隧道围岩有害气体形成机制是解决该问题的基础。基于此,综述了我国非煤系地层隧道围岩有害气体形成机制研究的最新进展,总结了非煤系地层有害气体主要类型,探讨了地质条件对于有害气体形成的影响机理,分析了有害气体的孕育机制,展望了非煤系地层隧道有害气体问题的研究方向。研究表明：非煤系地层隧道有害气体大体可按照成因分为构造连通型、围岩变质型和综合成因型;大型断裂、褶皱及深部循环的水热型高温导热带等地质构造对非煤系地层隧道围岩有害气体的形成、赋存和溢出起到关键作用;CH4、H2S和CO2等的来源相似,但物理化学性质的差异导致其形成机制不同;复杂地质构造、复合组分隧道围岩有害气体的孕育及运移模式、固-液-热-力多场耦合机制等方面值得进一步研究。研究对于非煤系地层隧道围岩有害气体防治的实践和研究具有积极意义。     

中长公路隧道纵向通风计算模型

运用微分算子法,分析了中长公路隧道中的有害气体浓度的分布规律。以人体安全指标、隧道长度、交通量为主要依据,讨论了中长公路隧道是否需要机械通风的标准,建立了中长公路隧道纵向通风计算模型,并应用工程实例进行验证。结果表明:在近期,该隧道不需要通风;在远期,该隧道需要通风。所提出的计算模型为今后的中长公路隧道通风设计计算提供了参考。图1,参9。     

铁路双线隧道通风的空气动力特性研究

对铁路双线隧道通风的空气动力特性：射流风机的组合特性、活塞风的影响、有害气体浓度分布和稀释原理等进行了分析研究。     

煤层瓦斯渗流过程中压力分布的滑脱效应

 气体在多孔介质中渗流时,不仅需克服启动压力梯度,而且受气体滑脱效应的影响。基于煤层瓦斯的渗流特性,建立考虑滑脱效应的煤层瓦斯渗流模型,并对煤层瓦斯渗流过程的压力分布进行数值模拟。计算结果表明,在一定煤层深度内,与不考虑滑脱效应时煤层瓦斯压力分布相比,考虑滑脱效应对其影响显著,且随着暴露时间增长和距煤壁距离增大,其差别更为明显。滑脱因子的变化将直接影响煤层内部气体压力的分布,随着滑脱因子的增大,气体压力减小,滑脱越明显。与不考虑滑脱效应(Darcy 解)瓦斯压力分布相比,考虑滑脱效应时煤层瓦斯压力分布曲线更接近实测数据,表明在研究煤层渗流过程中须考虑滑脱效应。     

修正的混凝土内硫酸根离子迁移模型研究

研究因硫酸盐侵蚀导致的混凝土密实,建立了基于Fick扩散方程的考虑混凝土孔隙填充和离子迁移时间依赖关系的硫酸根离子迁移模型。模型从已有试验数据中得到了较好验证。硫酸钠溶液环境下,运用Comsol Multiphysics软件模拟混凝土内硫酸根离子的运移,分析了离子在混凝土内随时间和空间的分布以及混凝土的破坏规律。研究表明:混凝土内的硫酸根离子浓度随时间增加逐渐增加,增速急剧降低;随离子侵入深度增加,逐渐降低。孔隙填充对离子随时间侵入的影响很大。考虑密实的混凝土内硫酸根离子含量明显较小。外界硫酸根离子浓度越高,混凝土内离子含量越大,含量随时间的增加差距增加,增幅变化不大。混凝土受硫酸盐侵蚀是逐渐从表面向内的开裂破坏。     

变弥散系数和对流速度下有机溶质在多孔介质中一维运移的解析解

为研究变弥散系数和对流速度对有机溶质在多孔介质中运移规律的影响,考虑有机溶质的降解作用,设定多孔介质的厚度为有限厚度,建立变弥散系数和对流速度下有机溶质一维运移的数学模型,并利用变量代换和分离变量法获得该数学模型的解析解。将本文所提解析解分别与试验测定结果、已有解析解和有限差分解进行对比分析,对所提解析解的正确性进行验证。基于所提解析解,分析非均质特性系数δ、降解半衰期t_1/2和Robin边界常数α对有机溶质一维运移过程的影响。研究结果表明：一方面,非均质特性系数δ的增大会在一定程度上加快有机溶质的一维运移过程;另一方面,δ增大使得运移后期有机溶质的质量浓度减小;有机溶质质量浓度随降解半衰期t1/2增大而增大,当t1/2不超过800 a时,应考虑有机溶质的降解作用;Robin边界常数α主要影响出流边界附近有机溶质质量浓度的变化;在两种不同入流边界条件下,出流边界附近的有机溶质的质量浓度均随α增大而减小。     

应力剪胀对浅埋隧道稳定性系数的影响

考虑剪胀对隧道围岩稳定性的影响,对浅埋圆形盾构隧道、浅埋两车道公路隧道和浅埋双线铁路隧道在围岩发生塑性流动时进行力学特征分析.分析圆形盾构隧道围岩的位移,塑性区分布和最大剪切应变率;计算圆形断面、双线铁路隧道、双车道公路隧道等3 种不同断面形状隧道的稳定性系数,分析剪胀角对围岩稳定性系数的影响.研究结果表明剪胀角对围岩位移的影响存在一个临界值;在围岩发生塑性流动时,塑性区随着剪胀角的增大而逐渐增加;剪胀角对围岩剪切破坏带和围岩稳定性系数都有较大影响;随着剪胀角的变化,隧道临界稳定系数也发生变化.     

随机模拟方法在地下水中化学需氧量迁移模拟研究中的应用

对地下水中化学需氧量(COD)运移规律进行模拟研究。考虑到弥散度取值存在不确定性,建立三维对流-弥散模型,将弥散度作为确定性参数和随机函数分别进行模拟。通过模型计算,揭示了研究区COD的空间分布规律以及弥散度取值的随机性对COD在地下水中迁移转化的影响。结果表明,COD运移受地下水流场的影响;其在地下水中的运移主要集中在研究区第一层的砂性土中。考虑随机性时COD在地下水中的运移扩散加快,浓度峰值增大;且在运移过程中横向偏离污染中心的距离更大,污染羽的形状发生变化,浓度等值线也变得略不规则。根据COD浓度及运移范围,对研究区划定出不同等级的水资源污染风险区,为水资源保护及污染防治提供科学技术依据。     

关角隧道7^#斜井施工通风方案比选

本文对关角隧道高海拔低气压地区工程概况进行了简介,说明了施工通风的难度,并且结合关角隧道7^#斜井工区有轨运输变更为无轨运输的实际情况,对供风量进行了详细计算,提出了施工通风备选方案,通过技术、经济和理论分析,选择了合理有效的施工通风方案,为类似工程建设提供了参考。     

成贵铁路有害气体地质特征及分布规律研究

成都至贵阳高速铁路途经三个地貌单元,工程地质问题极为突出,线路工程所经区域有害气体不良地质极发育,主要类型为气田气、煤层气两大类,分布范围广泛,受其影响全线不同区段共有117座瓦斯隧道,为铁路建设史上之最。有害气体严重威胁着铁路工程的施工及运营安全,因此研究成贵铁路不同类型有害气体的地质特征及分布规律,对有害气体的防治具有重要意义。根据对铁路沿线区域地貌单元、大地构造背景、地层特性、储气构造、有害气体类型的地质分析,结合综合勘探、气体测试等验证,总结出成贵铁路工程有害气体发育的地质特征;基本查明气田气、煤层气的分布范围及分区规律,划分了隧道瓦斯等级,可供类似工程建设借鉴。