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原文传递施工隧道瓦斯运移扩散规律及其浓度动态预测研究

论文题名：	施工隧道瓦斯运移扩散规律及其浓度动态预测研究
关键词：	隧道施工;瓦斯运移;数值模拟;极限学习机
摘要：	随着我国“西部大开发”及“交通强国”战略的实施，山区铁路得到迅速发展，受西南地区复杂的地理条件和丰富的矿产资源影响，铁路建设过程中涌现出大量瓦斯隧道工程，瓦斯事故时有发生。瓦斯浓度是衡量隧道瓦斯危害程度的重要指标，我国大多数瓦斯灾害事故都与瓦斯浓度超限有关。因此，研究隧道施工过程中瓦斯运移扩散过程、分析瓦斯浓度影响因素、探究瓦斯浓度数据序列特征对控制瓦斯浓度、防治瓦斯灾害事故具有重要理论价值和现实意义。本文以成兰铁路跃龙门隧道施工过程中出现的瓦斯涌出为背景，以优化通风控制方案与改进瓦斯监测方法为措施，通过理论分析、数值模拟以及ELM模型预测的方法，对隧道施工过程中瓦斯运移扩散规律、瓦斯时空演化特点以及瓦斯浓度动态预测进行了系统的研究。主要结论如下：　　（1）通过建立隧道瓦斯运移扩散理论模型与三维有限体积数值模型，对瓦斯隧道两种典型通风方式（压入式、巷道式）下的瓦斯运移扩散规律以及时空分布特点展开了研究。结果表明：根据压入式通风风流流态，隧道沿程流场结构可分为涡流段、发展段、稳定段，其中发展段、稳定段对瓦斯扩散影响较小，瓦斯浓度呈现均匀一致分布，涡流段是影响瓦斯分布的重要区域，其掌子面左侧（无风管侧）拱肩、拱脚处涡流对瓦斯有积聚滞留作用。采用巷道式通风，正洞两侧风流在横洞汇聚合流时发生引射效应，卷吸正洞低速气流，加快瓦斯扩散速度，提高隧道通风效率，瓦斯由正洞流入横洞时，浓度下降约为40.85%。但由于合流时风流流态及隧道边壁发生改变，横洞附近出现两个通风“死区”和三个“涡流区”，其中横洞“死区”与“涡流区”对瓦斯扩散有积聚滞留作用。　　（2）为优化通风控制方案，采用单因素控制法对隧道瓦斯浓度影响因素展开研究，分别选取不同风管布设位置、出风口距掌子面距离以及隧道施工方法下的流场特征与瓦斯扩散规律进行分析。结果表明：瓦斯扩散速率受风流速度与涡流强度共同影响，其中涡流强度为主要影响因素。风管布设位置采用拱顶布设时，掌子面风速分布均匀、涡流强度较小，整个施工阶段瓦斯浓度低于允许浓度，通风效果最佳，其次为拱肩布设，拱脚布设通风效果最差；瓦斯扩散效果与出风口距掌子面距离成反比，通风距离为1√A时，隧道瓦斯浓度全程低于允许浓度，随着通风距离增加，瓦斯浓度降低至允许浓度所需通风时间增加，通风距离为4√A时，射流空气发生无效射流，瓦斯浓度降低至允许浓度所需时间为5.25h；采用全断面法、台阶法与下导洞超前法施工瓦斯浓度降低至允许浓度所需时间分别为0.51h、3.15h、5.32h，其中台阶法与下导洞超前法施工射流空气发生无效射流。　　（3）为进一步提高隧道瓦斯灾害防治能力，依据瓦斯浓度时间序列特征，运用极限学习机（ELM）构建了隧道瓦斯浓度预测模型，通过实时调取瓦斯监测数据实现瓦斯浓度动态预测，并结合现场实测数据对模型进行了验证。结果表明：ELM预测模型处理瓦斯浓度数据具有良好的学习能力，不存在“欠拟合”或“过拟合”现象，瓦斯浓度预测误差维持在-0.035%～0.032%内，其中测试集样本精度评定指标R2、RMSE、MAE和ME分别为0.9678、0.0089%、0.0063%、0.0359%，满足隧道施工所需，可以对施工隧道短期瓦斯浓度进行动态预测，辅助隧道监测系统实现瓦斯灾害预防。
作者：	李伟林
专业：	安全科学与工程
导师：	章光
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022