通風(fēng)障礙物作用下獨頭巷道熱環(huán)境數(shù)值模擬研究

楊文宇，張成法，逄崇晨，馬 輝

（1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.招金礦業(yè)股份有限公司 夏甸金礦，山東 招遠 265418）

高地溫問題已成為礦業(yè)工程常見的地質(zhì)災(zāi)害，在深部采礦過程、采礦工程活動必然要受到礦井熱環(huán)境的制約。隨著我國淺部礦產(chǎn)資源逐漸減少，地下開采的深度也越來越大，隨之而來的熱害問題也變得愈加嚴峻[1]。為滿足工業(yè)衛(wèi)生標準對深部礦井要求的熱環(huán)境條件，礦山企業(yè)一般采用2個手段來控制獨頭巷道的熱環(huán)境，即增大風(fēng)量與降低風(fēng)溫[2]。

隨著上世紀60年代計算流體力學(xué)（CFD）的出現(xiàn)，熱害礦井掘進工作面的數(shù)值模擬研究取得了快速發(fā)展。例如，日本學(xué)者中山伸介等運用CFD數(shù)值模擬研究了掘進工作面風(fēng)流流場，高建良同樣運用數(shù)值模擬的方法對掘進工作面換熱系數(shù)的分布與風(fēng)溫預(yù)測開展了研究[3]。之后，F(xiàn)LUENT與Airpak等通用商業(yè)數(shù)值模擬軟件與CLIMSIM，MIVENA，Ventsim，VUMA，Multiflux與Kduct等 面向礦山熱害的專用數(shù)值模擬軟件在礦井掘進工作面的研究工作中得到了廣泛應(yīng)用，取得了較多的研究成果[3]。

對于金屬礦山，隨著金屬礦山機械化程度的提高，以鏟運機為代表的地下無軌設(shè)備得到了前所未有的發(fā)展，內(nèi)燃機產(chǎn)生的熱量隨之加大目前對獨頭巷道的熱環(huán)境數(shù)值模擬研究較少考慮通風(fēng)障礙物的影響，為研究通風(fēng)降溫的最優(yōu)能耗運作方式，本文以金屬礦山獨頭巷道為研究對象，在考慮通風(fēng)。

1 幾何模型的建立

障礙物如鏟運機存在情況下對其進行熱環(huán)境數(shù)值模擬研究。

本研究建立的幾何模型以實測巷道為參照，建立等比例的幾何模型，將其計算區(qū)域定為如圖1所示的長方體區(qū)域，其幾何尺寸為：X×Y×Z=40×4.9×4.6m3，為真實再現(xiàn)作業(yè)環(huán)境，在模型中還包括作業(yè)人員2人，礦工身高定為1.75m，距離迎頭3m，鏟運機1臺尺寸為8.0×2.5×2.0m3。獨頭巷道中配備膠皮風(fēng)筒，其邊長為800mm，風(fēng)筒長30m，因此風(fēng)筒口距離迎頭10m，風(fēng)筒位于巷道頂板中部。

2 假設(shè)及邊界條件

（1）假設(shè)風(fēng)流為低速不可壓縮氣體，密度符合近似假設(shè)，圍巖表面熱量均勻分布，且熱物性參數(shù)為常數(shù)，壁面粗糙度均勻；

（2）出入口邊界：其中入口邊界的風(fēng)流初始速度為v=12m/s，送風(fēng)溫度t=25℃，相對濕度為70%；出口邊界為自由回流；

（3）壁面邊界：給所有壁面施加無滑動邊界條件，假設(shè)表面溫度均勻分布，巷道兩幫及頂板熱量按照實測數(shù)據(jù)取平均值：134.8W/m2；

（4）人體熱舒適邊界：井下工作人員為繁重體力勞動作業(yè)，新陳代謝率為400W/m2，鏟運機平均散熱功率為66.8kW。

3 網(wǎng)格劃分

由于網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響計算結(jié)果和精度，網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中非常重要的一環(huán)，本模擬首先采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)劃分器的默認設(shè)置進行粗糙網(wǎng)格的劃分。判斷劃分完的粗糙網(wǎng)格是否可以充分表示巷道的物理模型，并確定其是否能夠滿足網(wǎng)格劃分規(guī)則的最小網(wǎng)格量。運用得到的粗糙網(wǎng)格進行一次求解，并查看求解出來的結(jié)果是否合理，預(yù)測所需要的計算時間。將其作為后續(xù)進行更為細致的網(wǎng)格劃分，求解更精確結(jié)果的評估依據(jù)。對劃分網(wǎng)格進行長寬比、扭曲度的網(wǎng)格質(zhì)量檢查。最終生成粗糙網(wǎng)格數(shù)33304，節(jié)點數(shù)38283，細化網(wǎng)格數(shù)403725，節(jié)點數(shù)426579。各方向網(wǎng)格單元對應(yīng)最大尺寸為總尺寸的1/20，對風(fēng)筒送風(fēng)口、巷道出風(fēng)口、與鏟運機周邊溫度梯度和速度梯度比較大的地方網(wǎng)格局部加密細化。

圖1 獨頭巷道幾何模型

4 改變送風(fēng)速度對巷道熱環(huán)境的影響

為了選擇更準確的湍流模型，在對獨頭巷道進行數(shù)值模擬研究之前，用對比分析的方法，在各類參數(shù)均相同的情況下，將幾個常用的湍流模型，如零方程模型、標準k-ε模型和RNG k-ε模型所計算出的巷道風(fēng)速與風(fēng)溫與利用風(fēng)速儀與溫度儀進行實測的結(jié)果進行比較與分析，本文選用RNG k-ε模型作為計算模型，進行下一步的數(shù)值模擬實驗。

將風(fēng)管出風(fēng)口的送風(fēng)速度分別設(shè)定為v1=12m/s，v2=13m/s，v3=14m/s，v4=15m/s，其溫度場數(shù)值模擬結(jié)果分別如圖2所示。

圖2 XY面Z=2.3m處速度分布（（a）v1=15m/s（b）v2=14m/s（c）v3=13m/s（d）v4=12m/s）

從圖2可以看出從風(fēng)筒口射出的有限空間射流，在獨頭工作面會形成射流、回流和渦流三種氣流形態(tài)。國際隧道協(xié)會對空氣的供給量最小風(fēng)速應(yīng)大于0.3m/s，當風(fēng)管出風(fēng)口風(fēng)速為12m/s時在X軸方向上存在大范圍的風(fēng)速不達標區(qū)域（風(fēng)速小于0.3m/s），這是由于受到鏟運機等通風(fēng)障礙物阻塞作用，反向回風(fēng)不暢導(dǎo)致回流速度過低。當風(fēng)管出風(fēng)口風(fēng)速為15m/s時，鏟運機的后部邊壁限制了射流邊界層的發(fā)展擴散，這部分風(fēng)流由于鏟運機的阻塞作用形成了回流，從而保證了大部分區(qū)域的風(fēng)速在0.3m/s。使得15m/s時風(fēng)速不達標區(qū)域最小。由圖3還可以看到，當風(fēng)速從15m/s改變到12m/s時，風(fēng)流在鏟運機與迎頭區(qū)域形成了較強的回流區(qū)域，使得此區(qū)域的空氣齡較無鏟運機時明顯增大。由此可見，在實施通風(fēng)降溫工程時必須考慮鏟運機或掘進機對風(fēng)流流場的阻塞作用，在鏟運機與巷道壁圍成的區(qū)域內(nèi)還會形成風(fēng)流風(fēng)道，起到促進通風(fēng)的作用。

當風(fēng)流從15m/s至12m/s的速度從風(fēng)筒射出，巷道內(nèi)空氣的平均溫度與送風(fēng)溫度相差3.2℃左右。隨著送風(fēng)速度的逐漸降低，巷道內(nèi)平均溫度呈明顯增加趨勢。巷道空間內(nèi)的風(fēng)流受熱上浮，靠近頂板區(qū)域溫度比靠近底板區(qū)域的溫度升高。頂板區(qū)域的熱氣流受熱向外回流，靠近底板區(qū)域的一小部分空氣受風(fēng)筒口氣流的卷吸作用沿X方向運動。

由于鏟運機在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致鏟運機附近的溫度比巷道內(nèi)其他地點溫度較高，巷道熱環(huán)境明顯受到鏟運機運轉(zhuǎn)放熱的影響。因此，從通風(fēng)降溫效果來看，在一定程度內(nèi)通過提高送風(fēng)速度，能夠改善巷道熱環(huán)境，這將有利于在較低成本下改善井下工作人員的工作環(huán)境，從會提高工作人員工作效率。

由此可見，在考慮經(jīng)濟成本的前提下并考慮風(fēng)管的合理布置，適當提高送風(fēng)速度，對巷道熱環(huán)境進行優(yōu)化的方法是可取的。但需要注意的是，過高的送風(fēng)速度會導(dǎo)致獨頭巷道風(fēng)速超過相關(guān)安全規(guī)程規(guī)定的上限，并且由于過高的送風(fēng)速度配合鏟運機的阻塞作用，更容易在獨頭巷道內(nèi)形成渦流，從而抑制風(fēng)流的回流，因此，持續(xù)增大送風(fēng)速度并不能達到預(yù)期的降溫效果，對獨頭巷道的熱環(huán)境優(yōu)化存在一個最優(yōu)送風(fēng)速度區(qū)間。

5 結(jié)語

在金屬礦山采場獨頭巷道，通過增加風(fēng)管出風(fēng)口風(fēng)速，可在一定程度上改善巷道熱環(huán)境，但單純依靠增大風(fēng)速進行巷道降溫時，需要注意其存在的局限性，有必要根據(jù)實際情況探索出最優(yōu)風(fēng)速值。巷道內(nèi)存在的鏟運機、掘進機等通風(fēng)障礙物的阻塞作用會對獨頭巷道的風(fēng)流場與溫度場產(chǎn)生較大影響，在優(yōu)化通風(fēng)降溫工程時必須考慮鏟運機或掘進機對熱環(huán)境的影響。