【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道工程实验研究，具体涉及一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法。
技术介绍
1、随着我国高速公路和地下交通的飞速发展，交通隧道的数量日益增多。然而，在隧道施工过程中，瓦斯隧道的施工相对复杂，且风险极高。一旦瓦斯燃烧或发生爆炸，将会引起重大的安全事故。
2、当铁路隧道穿越含瓦斯地层时，围岩受力平衡被破坏，瓦斯可能不断涌出，形成铁路瓦斯隧道。据统计，1949年至2019年，我国共修建了160座瓦斯隧道，其中高瓦斯隧道占59.375％，低瓦斯隧道占30.625％，瓦斯突出隧道占10％。瓦斯是一种无色、无味的有毒气体，当浓度达到一定水平时，容易导致人员窒息或瓦斯爆炸。近年来，铁路瓦斯隧道发生的瓦斯事故造成了严重后果。
3、通过对穿越煤系地层的隧道在隧道掘进过程中的瓦斯富集、扩散规律的研究，能够很好的避免瓦斯灾害。隧道内的瓦斯是以围岩中的裂隙或者孔隙为媒介进入隧道，在富含烃的煤系地层或者非煤系地层是提供瓦斯的主要源头，瓦斯压力、围岩孔隙率、地应力等对瓦斯涌出量有很大的影响，隧道内瓦斯的涌出是随着隧道开挖的影响破坏了原有平衡并建立新平衡的过程。
4、当前，瓦斯气体的扩散规律研究仅局限于简化后的理论模型，虽然得出一些分析数据，但现实中复杂的工况条件很难利用简化模型的理论数据指导施工生产。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：针对
技术介绍
中的目前瓦斯气体的扩散规律研究仅局限于简化后的理论模型，在复杂的工况条件难以利用的问题，提供一种隧道内
2、本申请所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，包括如下步骤：
3、步骤一：根据瓦斯隧道的实际形状和大小，构建等比例的物理模型隧道；
4、步骤二：建立物理模型隧道后，并进行网格结构化划分，建立空间框架；
5、步骤三：在空间框架的基础上，建立基于真实瓦斯隧道工况的数值模型隧道，并进行流体域划分、边界及初始条件设置和控制方程离散化；
6、步骤四：在数值模拟过程中，根据物理场的煤层内瓦斯气体涌入物理模型隧道的情况，获取物理模型隧道内的瓦斯气体的相关数据，通过数值模型进行模拟，模拟实际瓦斯隧道内瓦斯气体的富集规律；
7、步骤五：根据模拟的瓦斯气体的富集规律，进行实际瓦斯隧道内的危险区域实时报警和危险区域的预判预测。
8、本申请所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，通过建立等比例的物理模型隧道，然后进行网格结构化划分，建立空间框架，在空间框架的基础上，建立基于真实瓦斯隧道工况的数值模型隧道，并进行流体域划分、边界及初始条件设置和控制方程离散化，再根据物理场的煤层内瓦斯气体涌入物理模型隧道的情况，获取物理模型隧道内的瓦斯气体的相关数据，通过数值模型进行模拟，模拟实际瓦斯隧道内瓦斯气体的富集规律，从而使该物理模型隧道的模拟数据接近于实际，为生产实践提供更有价值的理论支撑，进一步地，应用数值模拟的方式确定瓦斯气体在物理模型隧道内的富集规律，进而模拟出瓦斯隧道内的瓦斯气体的富集规律，以便进行瓦斯隧道内的危险区域实时报警和危险区域的预判预测，从而避免瓦斯伤害，保障瓦斯隧道内的安全生产。
9、优选地，在步骤三中，初始条件设置还包括建立基于真实瓦斯隧道工况的物理场，包括扩散时隧道温度、隧道内气压和地下煤层内瓦斯压力。
10、优选地，在步骤三中，控制方程离散化包括物理模型隧道穿越物理场，煤层内的瓦斯涌入物理模型隧道。
11、优选地，在步骤三中，控制方程离散化还包括定义瓦斯涌出量的数学模型和瓦斯浓度的扩散方程数学模型，并将两个数学模型带入数值模型中，便于后续进行数值模拟。
12、优选地，定义瓦斯涌出量的数学模型和瓦斯浓度扩散方程的数学模型，包括如下步骤：
13、s1:瓦斯隧道穿越煤层带，由于围岩破碎程度的不同，瓦斯涌出量不同；
14、瓦斯涌出量的数学模型为：
15、q＝k*bm*hf；
16、其中，q表示瓦斯涌出量，k是一个常数，b表示围岩破碎程度，m是围岩破碎程度与瓦斯涌出量之间的关系指数，h表示瓦斯隧道的高度，f是瓦斯隧道的高度与瓦斯涌出量之间的关系指数；
17、s2：根据瓦斯气体在瓦斯隧道内扩散情况，建立瓦斯浓度第一扩散方程的数学模型：
18、
19、其中，n是瓦斯气体的浓度，d是扩散系数，是瓦斯浓度的拉普拉斯算子，表示浓度n关于时间t的偏导数，表示浓度随时间的变化率；
20、s3：基于瓦斯涌出量q的影响，在第一扩散方程的基础上建立瓦斯浓度第二扩散方程：
21、
22、其中，v是瓦斯隧道的体积；
23、s4：以第二扩散方程为基础，假设瓦斯隧道的长度方向为x轴，瓦斯隧道的直径方向为y轴，瓦斯隧道横截面假定为圆形，半径为r，建立瓦斯浓度第三扩散方程：
24、
25、式中：为扩散项，是浓度n关于空间坐标x的二阶导数，表示在空间坐标x方向上的浓度n的变化率，为在物理模型隧道中气体扩散的修正项；
26、s5：在第三扩散方程的基础上，建立根据瓦斯隧道内空气流速对瓦斯浓度影响的瓦斯浓度第四扩散方程：
27、
28、式中：u是空气流速，中的负号表示对流方向与x轴正方向相反。
29、通过定义瓦斯涌出量的数学模型和瓦斯浓度扩散方程数学模型，建立了瓦斯涌出量与围岩破碎程度之间的关系式，并建立了瓦斯涌出量与瓦斯气体扩散方程之间的联系，且瓦斯气体扩散方程综合考虑了瓦斯气体、瓦斯涌出量、瓦斯隧道长度、空气流速等多种因素对瓦斯气体扩散的影响，从而建立了更加符合瓦斯气体的扩散规律研究的数学模型，以便在复杂的工况条件下利用本申请的数量模型的理论数据指导施工生产，本申请的数学模型，瓦斯隧道内瓦斯气体涌出和瓦斯气体扩散模拟精准度高，能够有效进行瓦斯气体富集数值数值模拟，解决目前瓦斯气体富集规律模型简单，分析数据指导实践作用率低的问题。
30、优选地，在s1中，b为h的函数，由于瓦斯隧道的断面形状不同，上述函数映射关系也不同；
31、若隧道断面为拱形，则：
32、若隧道断面为圆形，则：
33、隧道断面的不同，围岩破碎程度与瓦斯隧道高度之间的函数映射关系也不同，从而能够更加精确的建立瓦斯涌出量的数学模型，使瓦斯涌出量的在隧道不同端面下均能有较高的精准度。
34、优选地，在s2中，煤层向瓦斯隧道内释放瓦斯，瓦斯涌出量q应为各点释放瓦斯量的综合，即：
35、q＝∑qi＝q1+q2+q3+......；
36、式中：i表示瓦斯涌出点的数量。
37、通过将各点释放瓦斯量的综合值作为瓦斯涌出量q，在扩散方程中的更好的体现瓦斯涌出量q对瓦斯气体扩散的影响。
38、优选地，在s5中，由于瓦斯从煤体围岩中不断涌出，扩散系数d本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，在步骤三中，初始条件设置还包括建立基于真实瓦斯隧道工况的物理场，包括扩散时隧道温度、隧道内气压和地下煤层内瓦斯压力。
3.根据权利要求1所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，在步骤三中，控制方程离散化包括物理模型隧道穿越物理场，煤层内的瓦斯涌入物理模型隧道。
4.根据权利要求3所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，在步骤三中，控制方程离散化还包括定义瓦斯涌出量的数学模型和瓦斯浓度的扩散方程数学模型，并将两个数学模型带入数值模型中，便于后续进行数值模拟。
5.根据权利要求4所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，定义瓦斯涌出量的数学模型和瓦斯浓度扩散方程的数学模型，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，在S1中，B为H的函数，由于瓦斯隧道的断面
7.根据权利要求5所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，在S2中，煤层向瓦斯隧道内释放瓦斯，瓦斯涌出量Q应为各点释放瓦斯量的综合，即：
8.根据权利要求5所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，在S5中，扩散系数D的公式为：
9.根据权利要求5所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，在S5中，考虑压力差、瓦斯隧道内的摩擦阻力和瓦斯隧道的形状和尺寸对其产生的影响，瓦斯隧道内的空气流速u公式为：
10.根据权利要求9所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，在S1中，为了确定瓦斯涌出量与围岩破碎程度之间的关系式中的参数k、m、f，需要多次测量瓦斯隧道内的实际瓦斯涌出量的数值，将实际瓦斯涌出量的数值带入瓦斯涌出量的关系式中，通过多次迭代和调整，以获得较为准确的参数k、m、f。
...【技术特征摘要】
1.一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，在步骤三中，初始条件设置还包括建立基于真实瓦斯隧道工况的物理场，包括扩散时隧道温度、隧道内气压和地下煤层内瓦斯压力。
3.根据权利要求1所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，在步骤三中，控制方程离散化包括物理模型隧道穿越物理场，煤层内的瓦斯涌入物理模型隧道。
4.根据权利要求3所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，在步骤三中，控制方程离散化还包括定义瓦斯涌出量的数学模型和瓦斯浓度的扩散方程数学模型，并将两个数学模型带入数值模型中，便于后续进行数值模拟。
5.根据权利要求4所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危险区域辨识的方法，其特征在于，定义瓦斯涌出量的数学模型和瓦斯浓度扩散方程的数学模型，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种隧道内瓦斯富集规律和危...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨昌宇，朱勇，李敬，罗禄森，郑杰元，卿伟宸，胖涛，蒋立，徐怀仁，袁勋，范磊，陈昂，辜英晗，
申请(专利权)人：中铁二院工程集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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