礦井重要區域風流紊亂機理數值模擬研究

張建山

（山西煤炭運銷集團太原有限公司，山西 太原 030016）

0 引言

礦井機械抽出式通風，在某些局部地區，由于溫度差或者密度差原因，會使得一些巷道、硐室等地風速減小，風量供應不足，甚有嚴重者出現風向逆轉，這嚴重造成了礦井的通風困難問題，發生這種不正常現象，給礦井安全生產帶來麻煩，嚴重制約礦井經濟安全效益[1]。通過文獻[2-4]總結，有些礦井會在冬季出現一種井筒供暖不達標，煤倉因通風紊亂，使得該區域瓦斯積聚。另外，逆轉風流會使得粉塵、水蒸氣、瓦斯影響工作面或者進風類巷道，給工人吸收新鮮空氣造成麻煩，使得作業環境惡劣，對井底各類設備的運轉制造困難。礦井通風在煤礦屬于頭等大事，而風流紊亂又是一種極其復雜的流體范疇，為了減輕或者避免礦井通風紊亂，確保礦井安全生產，規避通風事故，有必要運用計算機手段對該風流紊亂機理及其變化情況進行相應的數值模擬研究，這為事故預防與控制提供一定的借鑒和參考。

1 通風概況

因風流發生紊亂，打斷了礦井的正常通風，使得風流方向和風量的分配出現錯誤，達不到預期的設計效果。

某礦井通風系統采用的是中央并列式通風，通風方法采用的是機械抽出式，2臺軸流式風機，供風量平均為5963m3/min，通風容易時期負壓為902.71Pa，困難時期的負壓為1014.55Pa，該礦通風等積孔容易時期為3.60m2、困難時期為3.40m2。對一些重要的局部地區進行了檢測，風流狀態和風量統計情況見表1。

表1 風流狀態與風量統計表

根據礦方觀測，在每年溫度較低的時候，風流較為發生紊亂，特別是在氣溫驟降，局部風流偶爾發生逆轉，有甚至出現微風現象，一些地方，如井底煤倉出現瓦斯報警，裝載硐室嚴重缺風；在嚴重的時候，副井進風量過大，一些地方溫度降至零下，進而使得有水區域結冰，道路光滑，給工人工作造成困難；井底瓦斯、粉塵污染井底附屬硐室，中斷設備正常生產，給礦井的正常生產帶來不必要的損失。

2 井下數據收集

通風紊亂是一種的特殊的流體現象，要想全面的掌握，本論文采用井下數據整理的現場測試手段，運用計算機的輔助作用加以研究。

在該礦跟蹤觀測一年，時常發現風流紊亂主要原因是溫度變化，通過對通風的實測，繪得了風流紊亂隨季節性變化圖，詳見圖1所示。觀測發現，一般地，當聯絡巷或者井筒之間形成閉合時候，風流發生紊亂的概率較大；形成角聯風網時，可能會改變風流方向，此時副井反而風量增大。風量紊亂，對礦井危害較大，在嚴重時，直接中斷工作面生產，此時就會啟動應急救援方案，因此，通風安全必須成為礦井生產中關鍵的一環。

圖1 季節性風流紊亂現象

從圖1可以看出，秋末、冬季和初春是發生礦井風流紊亂的季節，在冬季中1月份時，紊亂現象最明顯。從圖中明顯能看出，在6～9月份是風流最正常的時節。在觀測中發現氣溫驟降的冬季夜間是最為嚴重的。

在風量觀測時，選取了裝載硐室、膠帶聯絡巷和副井北繞道等幾個具有代表性的地點進行了收集數據，風量變化情況見圖2所示。

圖2 每月聯絡巷風量變化規律

根據圖2風量變化，膠帶聯絡巷在這一年中，風量變化較為穩定，在秋季、冬季和春季風量與夏季風量相比較，風量稍大，從6月到1月份，風量是呈上升趨勢，而在1月份到5月份是下降的。副井北繞道的風量變化卻與膠帶聯絡巷恰恰相反的變化。裝載硐室風量在6月到10月份這段時間略微下降，在10月份以后急劇上升，在1月份達到最高，最大值大約有2200m3/min，在1月到5月期間，有起起落落變化趨勢，但總體是一種下降趨勢。

3 模擬模型建立

3.1 模擬的數學原理

風流溫度、相對濕度及密度等均是影響風流紊亂的因素。用Fluent數值模擬手段，對礦井風流進行數值模擬研究，分析風流流動規律，進一步確定風流溫度、風速等對風流發生紊亂的影響，對礦井安全通風具有重要指導意義。

風流屬于流體范疇，根據流體力學、熱力學、高等數學等學科知識，數值模擬要用到的數學原理、參數確定，其方程如下：

1）連續性方程與動量方程。

由文獻，氣體連續性方程：

式中：Ug為氣體速度矢量。

2）N-S方程：

式中：μ為層流粘性系數；μt為湍流粘性系數；ρ為氣體密度；P 為湍流有效壓力；μi為 x，y，z方向上速度；xi為 x，y，z方向上的坐標。

式中：T為開爾文溫度；t為華氏溫度。

3）雷諾數計算公式。

式中：v為流體流速；dH為流體直徑；μ為流體粘度。

4）湍流強度。

式中：I為湍流強度；u'為湍流脈動速度；為平均速度；ReH為按流體計算的雷諾數。

根據現場實測，把相應參數代入以上公式，計算得到湍流強度平均為0.29。

3.2 建立數值模擬模型

Fluent適用于牛頓流體、非牛頓流體，凡是和流體、熱傳遞和化學反應等有關的工業均可使用。采用網絡模型求解器，選擇Gambit軟件對主、副井筒分別建模，模型為三維管路流動模型[5]，并導入Fluent中進行模擬求解。

該礦井主、副井進風，垂直深度分別為561m和572m。在模擬中，根據需要對一些實際參數、實體進行抽象簡化，例如沿程阻力系數假定不變，空氣的密度不因空氣壓縮而發生變化，流體的紊流性不是異向性，巷道或者井筒假設為絕熱性的。

在建立模型時，主井深度取100m，直徑為5m，井筒截面為圓形；副井深度取100m，直徑為7m，井筒截面為圓形。

4 數值模擬結果分析

4.1 溫度對井筒斷面的模擬

賦予模擬模型參數，初始化之后，進行迭代運算，編寫代碼使其收斂，在Z軸方向，Z=0m時，主、副井中軸斷面溫度分布規律[6]，見圖3所示。

圖3 井筒斷面風流受溫度影響分布圖

兩進風井筒，受風量、斷面尺寸影響，主井風流溫度略高，因為主井進風的該井筒直徑小于副井，進風量也小于副井，故其斷面溫度在圖中顯示均勻性分布。而副井相對于進風的主井來說，其直徑較大，斷面風流分布不是均一性，一般從井口開始沿井深方向溫度較低，在進風口受地面溫度影響，溫度較高。

圖4 井筒斷面風流受溫度影響分布圖

提供的風的溫度對井筒內的風速也會造成擾動作用，在井筒斷面上有一定的不同分布情況。若冷風流與熱風流混合，會產生風流中溫度和相對濕度的變化，進風為熱風，則會對風流速度產生阻礙，阻礙越明顯，對風流中的溫度就會較為強烈。兩進風井冷風和熱風流混合后其斷面風速變化規律，見圖4。

熱風跟冷風相遇后，在井筒下方50m范圍內流動，在井筒深度超過50m后，風流速度趨于穩定狀態，從圖中可以看出，熱風在副井中的風速較為明顯。兩進風井井口附近均有渦流現象，圖中表明，冷熱相遇，井口附近區域有紊亂風流現象，這種現象主要是受溫度不同致使風流流速紊亂，進而引起風速的分布雜亂。井筒中的自然風壓受熱風影響，熱風會改變其風速流向方向，相應產生阻力作用，這對進風是不利的。所以在礦井通風的時候應考慮風流的溫度影響。

4.2 深度對風速的模擬

模擬時，考慮井筒深度對風流風速的影響，分別模擬了井筒 0m、6m、10m、20m、40m、60m、80m、100處深度的風速分布。不同深度井筒截面風速分布見圖5所示。

通過這8種深度的風流風速模擬，各個深度處的風流速度變化有所不同，進而也會對風流的溫度、流向產生影響。從風流風速分布來看在20～40m井深范圍內截面風速是一個轉折點，在0～20m范圍內，風流風速不統一，較為雜亂，特別是井深10m時最為嚴重，在20～40m井深的截面風流風速由雜亂趨于均勻，在井筒深度40～60m范圍內更加均一。通過不同深度風流風速分布模擬，要監測的溫度傳感器、風速傳感器應盡多的設置在0～40m范圍，考察井筒風速變化情況。

5 結論

通過對礦井重要區域的井筒及其硐室等的數值模擬研究，揭示了風流紊亂演化機理，為礦井通風設計、監測、控制提供了理論支持。論文研究主要成果總結如下：

1）風流紊亂易受溫度影響。風速和風流在冬季或者夜晚氣溫驟降時，容易產生紊亂現象。

2）冷熱風流混合對風流有影響。冷熱風流相遇之初，風流容易產生紊亂，隨著時間、距離的轉移，風流逐漸呈現均一性。

3）不同深度對風速有影響。在0～20m內，風流較為紊亂，風速比較雜亂，隨著深度增加，風速較為統一。

通過對礦井重要區域的風流紊亂機理數值模擬研究，解釋了風流產生紊亂的原因，風流易發生紊亂的地點，這對礦井通風設計，管理通風提供了指導。