礦車對井下通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響研究

王凱強

（山西石港煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 左權(quán) 032600）

0 引言

礦車在井下巷道內(nèi)不同運行狀態(tài)所產(chǎn)生的風(fēng)阻對井下通風(fēng)系統(tǒng)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(shù)值模擬，得到的結(jié)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(dǎo)實際工程。因此，本文利用數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實驗的方法對陽煤集團石港公司井下礦車運行所產(chǎn)生的活塞風(fēng)壓的數(shù)值大小進行研究，通過對實驗得來的具體數(shù)值進行分析整理，以此來評價礦車運行對通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

1 巷道活塞風(fēng)數(shù)值模擬分析

本文采用Fluent流體模擬軟件，對礦車運行產(chǎn)生的活塞風(fēng)進行模擬，利用模擬軟件自帶的流體本構(gòu)模型（包括在工程模擬中常用的湍流模型以及相關(guān)子模型）可以很好地模擬出巷道內(nèi)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(guān)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(shè)計10節(jié)礦車。在進行模擬時，設(shè)置巷道風(fēng)速為3m／s，礦車的運行速度為2m／s，并將礦車運行狀態(tài)分為靜止、逆風(fēng)、順風(fēng)三種進行模擬。

1.2 邊界條件

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

（1）在巷道入口處設(shè)置入口風(fēng)速為3m／s，水力半徑設(shè)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(shè)置，出流參數(shù)為1，即不存在回流。

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

圖1 巷道模擬物理模型

1.3 模擬結(jié)果分析

圖2 為礦車不同運行狀態(tài)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(cè)）也就是圖中的淺綠色條紋處表現(xiàn)為全壓最低區(qū)域，而礦車后方淺紅色條紋表現(xiàn)為全壓最高區(qū)域，不難分析這是由于礦車阻礙作用所導(dǎo)致的結(jié)果。礦車順風(fēng)與逆風(fēng)運行時，由圖2（b）、圖2（c）中礦車右側(cè)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(tài)下巷道全壓云圖，可以看出礦車逆風(fēng)狀態(tài)時，全壓最高區(qū)的風(fēng)壓比礦車靜止及礦車順風(fēng)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(xiàn)出了這一點；而礦車靜止?fàn)顟B(tài)時，全壓最高區(qū)的風(fēng)壓比礦車順風(fēng)時的大，說明了礦車在順風(fēng)狀態(tài)時巷道的通風(fēng)阻力最小，而逆風(fēng)時 巷道的通風(fēng)阻力最大。

圖2 礦車不同運行狀態(tài)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(fēng)阻力，因此基于此對巷道內(nèi)無礦車、礦車靜止、礦車順風(fēng)、礦車逆風(fēng)4種情況進行現(xiàn)場通風(fēng)阻力測定，測試的相關(guān)參數(shù)有巷道通風(fēng)阻力、百米風(fēng)阻以及總風(fēng)阻。利用機械翼輪式風(fēng)表對巷道風(fēng)量進行測定，利用傾斜式微壓表對巷道通風(fēng)阻力進行測定，并通過分析這些相關(guān)參數(shù)來比較礦車不同情況下對巷道通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)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(lián)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(jié)果

表1為礦車不同狀態(tài)下不同斷面巷道通風(fēng)相關(guān)參數(shù)的測試結(jié)果，通過對這些參數(shù)數(shù)值大小及規(guī)律的分析，可知礦車不同運行狀態(tài)對巷道通風(fēng)系統(tǒng)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(nèi)無礦車時的通風(fēng)阻力、總風(fēng)阻、百米風(fēng)阻是礦車順風(fēng)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(fēng)運行時是無礦車時的3.60倍；巷道斷面為9.8m2時，巷道內(nèi)無礦車時的通風(fēng)阻力、總風(fēng)阻、百米風(fēng)阻是礦車順風(fēng)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(fēng)運行時是無礦車時的2.80倍；巷道斷面為8.5m2時，巷道內(nèi)無礦車時的通風(fēng)阻力、總風(fēng)阻、百米風(fēng)阻是礦車順風(fēng)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(fēng)運行時是無礦車時的3.76倍。

由進一步得出的分析數(shù)據(jù)可以看出，在4種不同的礦車狀態(tài)下巷道內(nèi)通風(fēng)阻力的大小順序為：礦車逆風(fēng)運行＞礦車靜止＞無礦車＞礦車順風(fēng)運行。還可以看出，巷道斷面不同時，礦車4種狀態(tài)下巷道的通風(fēng)阻力大小也存在差異，整體表現(xiàn)為巷道斷面9.8m2時的通風(fēng)阻力大于斷面為13.0m2和8.5m2的。但是由4種狀態(tài)下巷道通風(fēng)阻力之間的比值即通風(fēng)阻力增加巷道斷面為9.8m2時，礦車靜止以及礦車逆風(fēng)運行狀態(tài)比無礦車時，通風(fēng)阻力增加系數(shù)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(tài)對巷道通風(fēng)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(fēng)阻力的增幅對礦車不同的運行狀態(tài)較為敏感。

表1 礦車不同狀態(tài)對不同斷面巷道通風(fēng)參數(shù)測定結(jié)果

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

3 結(jié)論

（1）由數(shù)值模擬全壓云圖可以看出，礦車靜止時，礦車左方（圖左側(cè)）為全壓最高區(qū)，礦車右方為全壓最低區(qū)，當(dāng)?shù)V車順風(fēng)以及逆風(fēng)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(tài)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(fēng)運行＜礦車靜止＜礦車逆風(fēng)運行。說明了礦車在順風(fēng)狀態(tài)時巷道的通風(fēng)阻力最小，而逆風(fēng)時巷道的通風(fēng)阻力最大。

（2）通過分析陽煤集團石港公司井下巷道現(xiàn)場實驗測試結(jié)果可知，礦車在4種狀態(tài)下的通風(fēng)阻力大小順序為：礦車逆風(fēng)運行＞礦車靜止＞無礦車＞礦車順風(fēng)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(fēng)阻力增幅變化對礦車不同運行狀態(tài)的改變更為敏感。