富硫化氢隧道注碱固硫机理与数值模拟

隧道工程穿越区域性含油气地层或煤系地层经常会遇到硫化氢和瓦斯等有毒有害气体。在隧道掌子面前方围岩体内部预注碱液是从根本上去除硫化氢的方法,利用碱液与硫化氢在围岩内部发生化学反应,从而达到固硫的目的。通过分析隧道围岩气-液两相流渗流机理和渗流场-化学场耦合机理,基于Van-Genuchten模型建立考虑硫沉积条件下的围岩气-液两相流渗流场-化学场耦合运移方程,给出解耦方法和计算流程,引入碱液有效饱和度的定义并推导有效饱和度方程。通过对比分析考虑耦合与不考虑耦合条件下、不同注碱压力条件下和不同钻孔布置条件下碱液饱和度、压力和流速分布,研究了围岩注碱固硫和瓦斯抽采的运移规律。研究结果表明,在围岩渗透率较低,硫化氢浓度较高的条件下,隧道掌子面内碱液饱和度在考虑耦合作用时明显低于不考虑耦合作用,应考虑硫沉积堵塞围岩孔隙而造成孔渗结构损伤的影响。注碱压力较小时,碱液饱和度分布局限于隧道掌子面范围内,随着注碱压力的增加,碱液饱和度向隧道围岩深部扩散,碱液压力在5~10 MPa时,碱液均匀向围岩四周扩散,有利于吸收硫化氢和驱替瓦斯,应根据围岩物理力学特性,采用中、低压注入碱液,提高固硫效率。加密钻孔间距可显著提高隧道掌子面内碱液压力和流速分布,验证了同等条件下,小间距钻孔布置具有较高的渗流能力和瓦斯驱替能力,实际工程中应根据围岩地质条件,通过数值模拟和现场试验,综合对比钻孔布置的经济性与注碱固硫的效率来确定钻孔间距和数量。研究成果可为富硫化氢和瓦斯隧道的灾害治理提供参考。