不同通風參數對掘進工作面降溫的影響

辛 嵩，劉尚校，張 逍，朱曉鎮

（山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島266590）

隨著煤炭開采強度增加以及開采工藝的改進，淺部資源日益減少，開采深部礦井資源已成為必然選擇。當礦井開采到一定深度，圍巖溫度達到幾十攝氏度，高溫、高濕的作業環境嚴重影響著開采進度[1]。我國2016 年版《煤礦安全規程》規定：當掘進工作面空氣溫度超過26 ℃，必須縮短超溫地點作業人員的工作時間，當掘進工作面的空氣溫度超過30℃必須停止作業[2]。獨頭巷道由于缺少回風巷，往往是礦井熱害最為嚴重的地方，如何有效改善采掘工作面的熱環境狀況，成為眾多學者重點研究的方向。目前，國內外學者已經在數值模擬方面對掘進工作面的風流場、溫度場進行了研究。姬建虎[3]得出掘進工作面射流沖擊換熱系數的關聯式，并對不同組合方式下換熱情況進行了數值模擬，李勇[4]對巷道風流流場及降溫前后溫度場的分布及變化進行了模擬分析。但很少有學者對掘進工作面不同通風參數下進行較為全面的數值模擬，為此選取了趙樓煤礦7302 軌道巷掘進工作面60 m 為研究對象，使用ANSYS_FLUENT 數值模擬軟件對掘進工作面不同通風條件下的熱環境進行數值模擬，并與現場實測數據進行對比分析。

1 數學模型

湍流模型是表征地下熱環境流動特性的關鍵組成部分。使用商用CFD 程序（Fluent）求解質量守恒方程（連續方程）、動量方程（Navier-Stokes 方程）、能量守恒方程以及紊流模型方程。計算了巷道內的空氣流動和傳熱，將SIMPLE 算法用于對流項的二階格式[5-6]。對比分析了幾種常用的湍流模型選擇了工程中最常用的標準K-Epsilon 模型，該模型考慮了湍流動能k 及其與湍流黏性耦合的耗散率ε 2 個方程，在預測巷道內的空氣速度和溫度場方面表現出最佳效果。

連續性方程：

式中：E 為總能量，J；hj為j 組分的生成焓；Jj為j 組分的擴散通量，kg/(m2·s)；Sh為化學反應熱和自定義的任何其他體積熱源，J；k 為湍流動能，J。ε 為耗散率，%；μ 為流體的動態黏度，Pa·s；Gk為由于平均速度梯度產生的湍流動能；C1ε、C2ε分別為模型常數；σk、σε分別為k 方程和ε 方程對應的湍流普朗特數；μt為湍流黏度，Pa·s。

2 物理模擬的構建

1）巷道幾何模型。根據趙樓煤礦7302 軌道巷掘進工作面現場測量的尺寸，運用Rhino6.0 建立了長抽短壓式通風系統下的掘進巷道簡化后的幾何模型，幾何模型由掘進機、巷道、壓入式風筒、抽出式風筒4 部分組成。巷道為梯形，凈高4 m，上凈寬4.8 m，下凈寬5.2 m，選用φ0.8 m 的風筒，掘進機尺寸為11 m×3.5 m×1.8 m。

2）邊界條件命名與網格劃分。運用CFD－ICEM對趙樓煤礦7302 掘進工作面幾何模型進行邊界命名和網格劃分，將壓入式風筒入風口設定為入口邊界，巷道的末端斷面以及抽出式風筒的出風口設定為出口邊界。3Dinflation 提供了靠近墻邊界的高質量網格生成功能，以解決物理特性的變化。為了得到更精確的模擬結果，對受風流擾動和熱量交換影響的較為強烈的風筒、掘進機附近區域進行了網格加密，共得到2 033 160 個網格，網格平均質量0.88。

3）邊界條件具體參數設定。根據對趙樓煤礦7302 掘進工作面現場的實測數據分析，然后對邊界條件相關參數進行了設定。假設風流為低速不可壓縮流體，密度符合近似假設，可忽略由流體的黏性力做功所引起的耗散熱。圍巖壁面溫度均勻分布，且熱物性參數為常數。假設巷道壁面粗糙度均勻，所有壁面施加無滑移邊界條件，假設壁面溫度均勻分布，巷道圍巖壁面及迎頭壁溫按照實測數據取平均值。計算湍流模型為Realizablek-epsilon 模型，開啟能量方程，采用SIMPLE 算法，待迭代平衡后，運用CFD-Post 對結果進行分析[7-8]。具體邊界條件設定為：①入口溫度：23 ℃；②入口風量：300 m3/min；③抽出風管出口風速：－15 m/s；④巷道出口：自由回流；⑤圍巖壁面溫度：35 ℃；⑥掘進迎頭溫度：39 ℃；⑦掘進機壁面溫度：50 ℃。

3 模擬結果

研究為了量化壓入風管位置對趙樓煤礦7302掘進工作面長抽短壓式通風降溫效果的影響，結合礦井實際情況，固定變量壓風筒距離迎頭距離為20 m，通過改變壓風管出風口與掘進巷道迎頭端面之間的距離Lf（Lf分別設為2.5、5、7.5、10 m），對巷道內的風流速度、溫度進行數值模擬，得到壓風管不同布置方式下，巷道內的風流速度、溫度分布規律，通過比較可以確定壓風管的合理位置。

為明確抽壓風量配比對趙樓煤礦7302 軌道巷掘進工作面通風降溫效果的影響，結合礦井實際情況，將壓入風量Q 設為300 m3/min，通過改變抽壓風量配比B（B 分別設為1、1.5、2）分析7302 掘進工作面通風系統在不同抽壓風量配比情況下的通風降溫效果，從而得到通風效果最佳的抽壓風量配比。

3.1 壓風管出風口位置對風流速度的影響

不同Lf條件下掘進巷道內風流流線分布如圖1。由圖1 可以看出，長抽短壓式通風條件下巷道內風流的運移狀況要比單一壓入式通風條件下更加復雜。設定距離迎頭前30 m 區域為工作區域，當Lf=2.5 m 時，工作區域的局部區域的風流速度都保持在0.3 m/s 以下，風流經自由擴張后快速進入到作業區域，由于受到掘進機的阻擋作用，反向回風不暢導致作業區域的回流速度過低，不符合煤礦安全規程對空氣的供給量規定的最小風速。當Lf=10 m時，由于掘進機的阻擋作用，限制了射流邊界層的發展擴散，這部分風流由于掘進機的阻擋作用形成了回流，從而保證了大部分區域的風速在0.3 m/s以上。由于壓風口、吸風口處的卷吸作用，在距離掘進迎頭20 m 以內的區域內，形成了多個不規則渦流風流場，當Lf=7.5、10 m 時，明顯風流的速度要高于其他條件下的風流速度，考慮到獨頭巷道的除塵效果，工作區域內的風流速度不宜過大[9-10]。

④應將統籌城鄉水利基礎設施和公共服務作為城鄉經濟社會發展一體化的重要環節。統籌考慮城鄉水利基礎設施建設和水利公共服務，同步納入政府公共財政預算支出項目；建立城鄉經濟社會一體化發展制度，并將加快農村飲水安全建設和實施農村水環境治理作為加快發展農村公共事業的重要內容。

圖1 不同Lf 條件下掘進巷道內風流流線分布Fig.1 Distribution of wind flow lines in tunneling under different Lf conditions

3.2 壓風管出風口位置對風流溫度的影響

不同的Lf值下，巷道后端的溫度分布沒有明顯的差異。可以認為，巷道后端的風流主要是由回流組成的，風流與機械設備和圍巖之間發生了相同的熱傳遞，且大部分回流通過抽出風管排出巷道，只有少部分污風回流到巷道后端。相反，巷道工作區域的溫度分布存在明顯差異。不同Lf條件下巷道內風流速度在y=0 平面上的變化情況如圖2。從圖2可以看出，較小的Lf在作業區域具有更好的冷卻性能，然而，Lf過小時則會起到相反的效果，因為Lf過小時，由于掘進機的阻礙作用，新鮮冷風流反向回風不暢導致作業區域的部分區域溫度較高，而Lf設置為5 m 時，工作區域的平均溫度最低，冷風的擴散面積最大。

綜上所述，當Lf設置為5 m 時，工作區域的大部分風速符合指標，溫度約為27 °C，對礦工來說較為舒適。因此，在后續分析中應采用Lf=5 m 進行研究。在優化通風降溫系統時，應注意風管位置對通風降溫性能的影響。

圖2 不同Lf 條件下巷道內風流速度y=0 平面上的變化情況Fig.2 Changes of the air velocity in the tunnel on the y=0 plane under different Lf conditions

3.3 抽壓風量配比對風流速度的影響

不同Lf值條件下巷道內風流溫度在y=0 平面上的變化情況如圖3。不同B 值條件下巷道內風流速度在y=0 平面上的變化情況如圖4。

圖3 不同Lf 值條件下巷道內風流溫度在y=0 平面上的變化情況Fig.3 The change of the airflow temperature in the tunnel on the y=0 plane under different Lf conditions

圖4 不同B 值條件下巷道內風流速度在y=0 平面上的變化情況Fig.4 B variation of the air velocity in the tunnel on the y=0 plane under different conditions

3 種不同抽壓風量配比下，作業區域的風流速度變化不大，相反，在巷道后端風流速度產生了明顯變化，當抽出風量等于壓入風量（即B=1）時，巷道后端壓抽重疊段風流平均速度低于0.2 m/s，當抽出風量大于壓入風量（即B=1.5 及B=2）時，整個巷道中的風速基本滿足相關規定，絕大部分區域大于0.3 m/s，然而當B=2 時抽風口附近得風流較紊亂，整個巷道的風速較大，使得部分污風擴散至整個巷道，對通風效果起到反作用，且會加大通風能耗。

3.4 抽壓風流配比對風流溫度的影響

當抽出風量大于壓入風量時，可對巷道內的高溫環境產生有利影響，因此混合通風可以通過適當提高抽出風量來改善巷道內的高溫環境。然而，過高的抽出風量并不能有效改善巷道內的熱環境，不同B 值條件下巷道內風流溫度在y=0 平面上的變化情況如圖5，不同B 值條件下巷道內各斷面上風流溫度的變化情況如圖6。

圖5 不同B 值條件下巷道內風流溫度在y=0 平面上的變化情況Fig.5 B change of airflow temperature in the tunnel on the y=0 plane under different conditions

圖6 不同B 值條件下巷道內各斷面上風流溫度的變化情況Fig.6 B changes of airflow temperature on each section in the tunnel under different conditions

當B=2 時，壓入風管與抽出風管正負壓作用下的渦流區內的風流紊亂，使得大部分高溫風流擴散到巷道后端，在距離掘進迎頭10 m 處的斷面平均溫度27.8 ℃，巷道內平均溫度較高，對降溫過程產生負面影響。

當B=1.5 時，抽壓風流配合合理，距離掘進迎頭1、5、10 m 處斷面的平均溫度分別為26.4、27.0、27.3℃時達到了較好的通風降溫效果。

4 數值模擬與實測驗證

為了全面掌握巷道中的風流參數以及驗證數值模擬的有效性，根據斷面與掘進迎頭的選取了8 個斷面，分別距離迎頭1、5、10、15、20、25、30、60 m，每個巷道斷面設置了4 個測量點，巷道斷面測點布置圖如圖7。

待風機開啟5 min 左右，風流場穩定后，使用風速計測量巷道內的風流速度，采用用干式溫度計、紅外線測溫儀測量巷道內空氣溫度。

各測點風流速度大小、方向及風流溫度大小實測數據與數值模擬對比見表1，表2。

圖7 巷道斷面測點布置圖Fig.7 Arrangement of measuring points of tunnel cross section

表1 現場實測風流速度、方向與數值模擬對比Table 2 Field measured wind speed, direction and numerical simulation comparison

表2 現場實測風流速度與數值模擬對比Table 2 Comparison of field measured wind speed and numerical simulation

5 結 論

1）通過改變壓風管出風口與掘進巷道迎頭端面之間的距離Lf（分別設為2.5、5、7.5、10 m），對巷道內的風流速度、溫度進行數值模擬，結果顯示當Lf設置不同值時，工作區域形成的渦流場大小不一，對通風降溫系統影響較大。

2）將壓入風量設為Q=300 m3/min，通過改變抽壓風量配比B（B 分別設為1、1.5、2）分析掘進工作面通風系統在不同抽壓風量配比工況下的通風降溫效果，結果顯示當壓入風管距離掘進迎頭5 m，抽壓風量配比為1.5 時，工作區域平均溫度27 ℃，長抽短壓式通風系統可達到最佳的通風降溫效果。

3）將數值模擬結果應用到趙樓煤礦7302 軌道巷掘進工作面通風優化中，經過現場實測，實測風速與數值模擬結果平均相對誤差10.07%，實測風溫與數值模擬結果平均相對誤差1.60%，數值模擬結果較為準確。