基于數值仿真模擬的礦井通風系統優化設計研究

張 琛

（陽泉市上社煤炭有限責任公司通風部， 山西 陽泉 045000）

引言

雖然我國十三五范圍內對煤炭的使用做出了限制，但是在未來很長一段時間，仍然是我國重要的能源與資源形式。目前，地表礦山煤炭供應正在減少，從而需要更深入開采地下煤炭。然而，煤礦地下開采自存在以來，其工作環境極其惡劣，危險性很高，其中甲烷和煤塵極有可能導致爆炸，并影響礦工的健康，甚至會導致死亡事件發生。

由于通風系統的運行占總運營成本的比例較高，所以控制器運營成本是非常重要的內容，在實際應用當中，成本高主要是由于驅動氣流通過各種動力機械產生。為了平衡安全和成本兩個變量，謹慎地進行通風設計是設計工作的主要內容之一。

1 礦井通風系統仿真優化研究進展

在過去十年中，數學和計算機建模已經在地下礦山通風系統研究和開發中發揮了重要作用。Herdeen和Sullivan（1993）是用于計算流體動力學（CFD）研究流動氣流的礦井通風的創始人；但是，他們的模型沒有經過實驗數據驗證和反饋。Srinivasa等人（1993）使用商業CFD軟件利用歐拉 -拉格朗日公式預測長壁工作面灰塵分布。Tomata等（1999）擴展了CFD模型通過包括物種方程來預測甲烷的分散。Wala等人（2003）開發了長壁通風的CFD模型并用甲烷濃度的實驗室規模數據驗證了該模型。Canoo（2004）開發了多相Eularian模型預測更復雜幾何形狀的灰塵行為。帕拉等人（2006）模擬地下隧道的流動特性與實驗驗證對應。Aminosadati和Hooman（2008）通過CFD模擬研究了在橫切區域隔板長度對空氣流速的影響。

2 仿真模型及仿真方法

三維地下采煤模型為（見圖1）。

圖1 三維地下采煤模型建模及典型的實物圖

計算區域模型的創建使用的是商業軟件Gambit 2.3.16；該軟件可用于創建CAD軟件使用的模型，并對其網格化（結構化和非結構化的）和標簽邊界條件；三種不同數量的網格，即 5×105、1×106和 2×106，并進行了局部壓力比較。當網格為1×106和2×106時，局部壓力僅僅相差1%，而5×105網格與最高數量的網格相比，其局部壓力偏差比較大，因此，約100萬個元素的網格就足夠用于數值仿真研究目的：在隧道中間附近的精細結構到墻壁網格越來越粗糙，主要是為了降低計算成本。

控制方程及其對應的湍流模型和邊界條件使用商業CFD軟件Fluent 6.3.26解決；該軟件基本上是一個基于有限體積法的多用途CFD軟件，能夠解決復雜的流體力學，傳熱，燃燒，多相，粒子追蹤等。方程式用眾所周知的半隱式壓力連接方程（SIMPLE）算法，二階逆風離散化和代數多重網格方法。收斂值都設定為1×106。

3 基于Spallart-Almaras模型的巷道模型湍流仿真

與層流模型不同，我們可以獲得近乎精確的模型解決方案，建模湍流需要特別注意驗證和與實驗數據的比較，因為它是必要的一個近似值。這里有四種常用的湍流模型，例如，Spallart-Almaras，k-Epsilon，k-Omega和 Reynolds應力模型（RSM），三維模型如圖所示圖2。

圖2 巷道流場的湍流仿真切面圖

圖2顯示了是Spallart-Almaras模型所仿真出的最優流場結果，其最優的參考值主要是對比了以往實驗研究的數據。其誤差大約在5左右，Spallart-Almaras模型需要最低的計算量成本，如對整體流動行為感興趣，因為成為湍流仿真計算的一個很好的選擇。因此，這一模型的選擇可以有效協助今后巷道的機構設計，在深井惡劣環境條件下，實驗調查將會變得很艱難，在不便于調查的地方，實驗調查會產生昂貴的成本，因此，數學和計算機建模將在設計，維護，創新和優化方面發揮重要作用，這也是本文模型選擇的重要目的。

4 交叉部分巷道通風仿真研究

到目前為止，交叉部分巷道通風仿真研究比較少，但是是極為重要的內容。因為，在實際工作中甲烷的更多惠及對煤礦安全生產是極為不利的。常常使用的通風手段有不設通風設備、帶排氣通風、用風布板。

注意在仿真使用的輔助設備，例如風布板，風管直徑和風機功率額定值是典型的地下煤炭開采使用設備；風扇特性曲線是根據風扇制造商設計的。

圖3給出了無輔助設備的流速及甲烷濃度情況，存在極低的空氣速度死區。過低的流速直接反應在過高的甲烷濃度上（超過2%的允許濃度）。

圖3 無輔助設備的流速及甲烷濃度仿真情況

當風扇放置時在排氣模式中，如圖4所示，可以看到大部分空氣風扇吸進的空氣來自主流（新鮮空氣），而不是死區區域。在這個設計中，甲烷在結合處聚集至多1.5%；根據一些發達國家的規定，例如，德國和英國，這種水平的甲烷濃度是不允許的，而法國、西班牙、美國和中國則允許這種濃度，所以說這種設計方式是在我國是可以被采用的。

圖4 帶排氣通風設備的流速及甲烷濃度仿真情況

其次布風板的設計，死區范圍內流速的改善已經在很多實際情況中被采用；但在隧道中間再循環帶甲烷濃度略高現象，在某些場合是不允許的。所以，結合以往的研究證明，單輔助通風是不足夠使用空氣流動來稀釋死區面積內部的甲烷。所以，將布風板和排氣設備相結合來改善通風系統現在，成為今后研究的重要內容，我們將上述兩個模型進行了整合，并進行了仿真，如圖5所示。

圖5 帶排氣通風設備和布風板的流速及甲烷濃度仿真情況

從圖5可以很清晰地看出，將布風板和排氣通風兩種方式相互結合，可以有效地對巷道內的甲烷進行稀釋，這種通風手段的實施，可以將巷道內的甲烷值降低到安全要求的最高標準，但是值得考慮的是，這種方式在巷道內布置會占據過多的位置，如果進行有效合理布局，例如考慮到空氣動力學的相關問題，減少布風板的長度，或者加大風機的排氣功率，可以達到更好的排氣效果，也可以達到節能的目的。

5 結論

1）礦井通風系統在人性化和智能化方面還存在一定的欠缺，隨著仿真學、人工智能等科學技術的不斷發展，將會開發出更多語言、跨平臺、多功能化的礦井通風仿真與優化系統軟件。

2）礦井通風系統復雜多變，利用仿真模擬技術對系統進行優化具有一定的現實意義，將是未來礦山通風系統優化和管理的發展方向，為礦井通風系統的優化提供了技術支持。

3）礦井通風系統并非一勞永逸，須定期進行詳細的調查、測定、分析和評價，針對礦井通風系統存在的問題對礦井通風網絡、通風設備和通風構筑物3個方面進行全面優化改造，并考慮自然風壓對礦井通風系統的影響。