礦車對井下通風系統穩定性影響研究

王凱強

（山西石港煤業有限責任公司，山西 左權 032600）

0 引言

礦車在井下巷道內不同運行狀態所產生的風阻對井下通風系統有一定的影響［1］，目前針對該影響主要的研究手段為理論計算以及數值模擬，得到的結果往往只能做定性分析而不能做定量計算［2］，所以并不能更好地指導實際工程。因此，本文利用數值模擬以及現場實驗的方法對陽煤集團石港公司井下礦車運行所產生的活塞風壓的數值大小進行研究，通過對實驗得來的具體數值進行分析整理，以此來評價礦車運行對通風系統穩定性的影響。

1 巷道活塞風數值模擬分析

本文采用Fluent流體模擬軟件，對礦車運行產生的活塞風進行模擬，利用模擬軟件自帶的流體本構模型（包括在工程模擬中常用的湍流模型以及相關子模型）可以很好地模擬出巷道內湍流流動氣體的壓力場以及速度場［3］，以此可以方便地做出相關分析。

1.1 物理模型

巷道模擬物理模型如圖1所示，陽煤集團石港公司某井下巷道長125m、寬4.2m、高3.2m，巷道表面采用噴漿處理。礦車長1.7m、寬0.9m、高1.25m，共設計10節礦車。在進行模擬時，設置巷道風速為3m／s，礦車的運行速度為2m／s，并將礦車運行狀態分為靜止、逆風、順風三種進行模擬。

1.2 邊界條件

在Fluent軟件中設置巷道中風流流動區域為流域，并將其設置為參考系［4］，接著將流域的流動類型設置為 Moving Reference Frame，并 設 置 translation velocity為3m／s，且利用Gambit進行體網格劃分。

（1）在巷道入口處設置入口風速為3m／s，水力半徑設置為1.87m，紊流強度為2.87Pa。

（2）利用outflow出流邊界對出口進行設置，出流參數為1，即不存在回流。

（3）礦車及巷道內表面的邊界條件都設置為wall，并把wall motion設置為移動墻體條件。設置邊界運動方式如下：巷道內墻表面為absolute，translational，礦車為relative to adjacent cell zone，translational。為了模擬出礦車順風、逆風以及靜止三種狀態，設置礦車速度為－2m／s、0、2m／s，巷道墻面速度設置為0。

圖1 巷道模擬物理模型

1.3 模擬結果分析

圖2 為礦車不同運行狀態下巷道全壓模擬云圖。由圖2（a）可以看出，礦車靜止時，在礦車的前方（圖右側）也就是圖中的淺綠色條紋處表現為全壓最低區域，而礦車后方淺紅色條紋表現為全壓最高區域，不難分析這是由于礦車阻礙作用所導致的結果。礦車順風與逆風運行時，由圖2（b）、圖2（c）中礦車右側兩條細淺青色條紋可以明顯看出，巷道全壓最低處為礦車右方巷道墻面。比較3種礦車運行狀態下巷道全壓云圖，可以看出礦車逆風狀態時，全壓最高區的風壓比礦車靜止及礦車順風時的壓力都要大，無論從巷道的長度方向上還是寬度方向上都體現出了這一點；而礦車靜止狀態時，全壓最高區的風壓比礦車順風時的大，說明了礦車在順風狀態時巷道的通風阻力最小，而逆風時 巷道的通風阻力最大。

圖2 礦車不同運行狀態下巷道全壓模擬云圖

2 實驗測試

2.1 實驗測試方法及儀器

皮托管壓差計法由于精度高、誤差小被廣泛用于測試巷道通風阻力，因此基于此對巷道內無礦車、礦車靜止、礦車順風、礦車逆風4種情況進行現場通風阻力測定，測試的相關參數有巷道通風阻力、百米風阻以及總風阻。利用機械翼輪式風表對巷道風量進行測定，利用傾斜式微壓表對巷道通風阻力進行測定，并通過分析這些相關參數來比較礦車不同情況下對巷道通風系統穩定性的影響。井下被測試段的巷道長度為120m，采用的支護方式為錨噴聯合支護，巷道斷面為半圓拱形。不同情況的測定位置如圖3所示。

圖3 實驗測試位置圖

2.2 實驗測試結果

表1為礦車不同狀態下不同斷面巷道通風相關參數的測試結果，通過對這些參數數值大小及規律的分析，可知礦車不同運行狀態對巷道通風系統的影響。

由表1可以看出：在測試巷道長度一定的情況下，巷道斷面為13.0m2時，巷道內無礦車時的通風阻力、總風阻、百米風阻是礦車順風運行時的1.80倍，礦車靜止時是無礦車時的1.85倍，礦車逆風運行時是無礦車時的3.60倍；巷道斷面為9.8m2時，巷道內無礦車時的通風阻力、總風阻、百米風阻是礦車順風運行時的2.01倍，礦車靜止時是無礦車時的1.43倍，礦車逆風運行時是無礦車時的2.80倍；巷道斷面為8.5m2時，巷道內無礦車時的通風阻力、總風阻、百米風阻是礦車順風運行時的1.35倍，礦車靜止時是無礦車時的1.83倍，礦車逆風運行時是無礦車時的3.76倍。

由進一步得出的分析數據可以看出，在4種不同的礦車狀態下巷道內通風阻力的大小順序為：礦車逆風運行＞礦車靜止＞無礦車＞礦車順風運行。還可以看出，巷道斷面不同時，礦車4種狀態下巷道的通風阻力大小也存在差異，整體表現為巷道斷面9.8m2時的通風阻力大于斷面為13.0m2和8.5m2的。但是由4種狀態下巷道通風阻力之間的比值即通風阻力增加巷道斷面為9.8m2時，礦車靜止以及礦車逆風運行狀態比無礦車時，通風阻力增加系數相對另外兩個斷面的要小，說明在斷面為9.8m2時，礦車不同運行狀態對巷道通風阻力增幅的改變影響不是很大。對比說明，巷道斷面分別為13.0m2和8.5m2時，巷道通風阻力的增幅對礦車不同的運行狀態較為敏感。

表1 礦車不同狀態對不同斷面巷道通風參數測定結果

由上述分析可以得出，礦車的不同運行狀態對巷道通風阻力有一定的影響，特別是礦車靜止以及逆風運行時，巷道通風阻力的增加格外嚴重，所以在通風困難時期，要避免這兩種情況的發生，以此避免井下通風不足或通風效率低的情況發生。

3 結論

（1）由數值模擬全壓云圖可以看出，礦車靜止時，礦車左方（圖左側）為全壓最高區，礦車右方為全壓最低區，當礦車順風以及逆風運行時，巷道全壓最低處為礦車右方巷道墻面。比較三種礦車運行狀態下巷道全壓云圖可以看出：全壓最高壓的壓力值為礦車順風運行＜礦車靜止＜礦車逆風運行。說明了礦車在順風狀態時巷道的通風阻力最小，而逆風時巷道的通風阻力最大。

（2）通過分析陽煤集團石港公司井下巷道現場實驗測試結果可知，礦車在4種狀態下的通風阻力大小順序為：礦車逆風運行＞礦車靜止＞無礦車＞礦車順風運行。相比于巷道斷面為9.8m2時，巷道斷面分別為13.0m2和8.5m2時，巷道通風阻力增幅變化對礦車不同運行狀態的改變更為敏感。