六盤水礦區掘進巷道的流場分布規律研究

沈宏俊 王春霞 孫 慶

（六盤水師范學院礦業工程系，貴州 六盤水553004）

0 引言

貴州眾多煤礦事故中，瓦斯事故是最主要事故之一，且事故災害等級高。掘進工作面瓦斯涌出量大，是瓦斯最主要的積聚地，瓦斯事故的高發地帶。為此，本文將針對貴州六盤水礦區掘進巷道實際情況，對該礦區掘進工作面進行流場數值模擬分析，得出掘進巷道瓦斯壓力和瓦斯運動規律的一些結論，并為該地區掘進巷道瓦斯運動規律奠定基礎。從而對掘進工作面的瓦斯防治和治理起到指導作用。

日本Nakayama等人對掘進工作面風流分布進行了模擬研究[1-2]。南非、美國、英國、西班等國家的一些學者也對掘進工作面的風流分布和瓦斯分布進行了模擬研究[3-6]。河南理工大學的高建良、劉金金等用RNGk-ε雙方程湍流模型對掘進巷道壓入式通風進行了仿真模擬，對k值和ε值采用三種不同的算法，并得出了與試驗較為相符合的k值和ε值計算公式[7]。安徽理工大學的胡祖祥、王百順通過建立數學模型研究了掘進巷道某一點的瓦斯體積分數[8]。本文將針對六盤水地區煤礦的實際掘進巷道尺寸進行流場分布規律的分析研究，研究掘進工作面的風筒出口風速對掘進工作面的渦流中心、渦流大小及掘進工作面正壓分布進行研究。得出風筒出口風速不同時的掘進工作面的渦流中心及渦流大小、掘進工作面正壓分布一些分布規律和結論。

1 數學模型

1.1 假設條件

（1）掘進工作面風筒出口氣流可視為不可壓縮氣體，不考慮耗散熱，壁面條件假定絕熱，通風條件為20℃；

（2）流體湍流黏性具有各向同性，湍流的黏滯系數μt可作為標量處理；

（3）流動為穩態，滿足Boussinesq假設。

1.2 數學模型

對于掘進工作面的穩態流動，由以上假設條件，可得以下控制方程（1）~（4）

質量守恒方程（MassConservationEquation）為

式中：ρ為密度，t為時間，u，v，w 為 x，y，z方向上的速度分量。

動量守恒方程 （MomentumConservationEquation）， 也稱Narier—Stokes方程，即

式中：u，v，w 為速度矢量在 x，y，z方向的分量，p為流體微元體上的壓力。

2 幾何模型的建立

本文根據六盤水米籮礦井的實際掘進巷道尺寸，建立了與實際情況相符合的模擬模型，提高模擬結果的真實度。巷道為圓拱形巷道，風筒出口的位置為掘進巷道的中部拱頂，如圖1所示。

模型一：模擬巷道長15m，寬4.6，高3.5的圓拱形掘進斷面，風筒直徑為0.5m，出風口平均速度為8m/s，風筒距工作面距離為10m。風筒布置在巷道的頂部，如圖1所示。

圖1 風筒在頂部時的布置和巷道斷面布置圖

3 邊界條件

（1）入口條件：取風筒出口為入口邊界，取風筒入口平均風速10m/s為入口速度，湍流動能k和湍流動能耗散率ε計算方法有三種，不同的計算方法得出的湍流動能k和湍流動能耗散率ε有較大的差距，然而對比后發現采用第三種方法得到的值更加符合和接近實際情況，在這里采用第三種計算方法[9]，k=0.05，，其中um為入口平均速度，d0為入口處的特征尺寸，取風筒的水力直徑。

（2）出口條件：模擬的巷道出口選取為距風筒位置5m處，此時的掘進巷道出口對于掘進工作面空氣流動的研究基本上沒有影響，流場也趨于一種平穩的狀態。出口條件采用完全的自由流動。

4 模擬結果分析

我們使用Fluent仿真模擬軟件對上述三種情況進行流場數值模擬分析，截取Y=2.3時的截面作為流場分析面，得出不同的風筒出口速度的流場流動規律。圖2為6m/s時的流場分布圖，圖3為8m/s時的流場分布圖，圖4為10m/s時的流場分布圖。

圖2 風筒出口速度為6m/s時的流場分布圖（Y=2.3）

圖3 風筒出口速度為8m/s時的流場分布圖（Y=2.3）

圖4 風筒出口速度為10m/s時的流場分布圖（Y=2.3）

從以上分析我們可以得出，風筒不同的出口風速，在出口處會形成卷吸，由于風速的不同，卷吸的作用也不一樣，從而導致渦流中心位置離掘進工作面的距離和渦流大小有一定的差距。從以上分析可以得出，風筒出口速度為6m/s時，渦流中心距離掘進工作面的距離為5m左右，形成的渦流大小為2m左右；風筒出口速度為8m/s時，渦流中心距離掘進工作面的距離為4m左右，形成的渦流大小為3m左右；風筒出口速度為10m/s時，渦流中心距離掘進工作面的距離為3m左右，形成的渦流大小為4m左右。

此外我們還對掘進巷道的中軸面Y=2.3時的截面進行壓力場分析，基于Fluent，我們分別截取了風筒出口速度為6m/s、8m/s、10m/s時Y=2.3 截面的壓力分布云圖，如圖 5（u=6m/s）、圖 6（u=8m/s）、圖 7（u=10m/s）所示。

圖5 風筒出口速度為6m/s時的壓力分布云圖（Y=2.3）

圖6 風筒出口速度為8m/s時的壓力分布云圖（Y=2.3）

圖7 風筒出口速度為10m/s時的壓力分布云圖（Y=2.3）

由以上壓力分布云圖中可以看出，風筒出口速度為6m/s時，正壓分布范圍最大，且由于渦流造成的負壓空洞最小；當風筒出口速度為8m/s時，正壓分布范圍最小，負壓空洞最大。

5 結論

風筒出口處風流會有卷吸作用，形成渦流中心，風筒出口速度越大渦流中心距離掘進工作面的距離越近，渦流直徑越大。壓力分布情況分析得出，風筒出口速度較小時，正壓分布范圍大，負壓空洞較小，通風效率高，掘進工作面通風較為理想。

［1］NNKAYAMA S,UCHINO K,INOUE M.Analysis of ventilation air flow at heading face by computational fluid dynamics[J].Shigen To Sozai,1995,111(4)：22-25.

［2］NAKAYAMA S,UCHINO K,LNOUE M.3 dimensional flow measurement at heading face and application of CFD[J].Shigen To Sozai,1996,112(9)：34-37.

［3］JONES A D.A physical scale model of flows in the waste of a retreat longwall coalface[C]//Proceedings of the 6th international mine ventilation congress.Pittsburgy：[s.n.],1997：109-115.

［4］KONDURI I M.Experimental and numerical modeling of jet fans for auxiliary ventilation in mines[C]//Proceedings of the 6th international mine ventilation congress.Pittsburgh：[s.n.],1997：179-183.

［5］MOLONEY K W,LOWNDES I S,STOCKES M R.et al.Studies on alternative methods of ventilation using computational fluid dynamics,scale and full scale gallery tests[C]//Proceeding of the 6th international mine ventilation congress.Pittsburgh：[s.n.],1997：200-203.

［6］JAVIER TORA,SUSANA TORNO,MARIO MENENDEZ,et al.Models of menthane behaviour in auxiliary ventilation of underground coal mining[J].International Journal of Coal Geology,2009,80：35-43.

［7］高建良,劉金金.局部通風流場模擬解算湍流模型k-ε值計算方法研究[J].河南理工大學學報,2011(5).

［8］胡祖祥,王百順.掘進巷道中某一點瓦斯濃度的研究[J].山東煤炭科技,2005(5)：67-67,69.

［9］梁棟.通風過程瓦斯運移規律和數值模擬[M].北京：煤炭工業出版社,1992.