礦山通風巷道風門后的風速分布特性研究①

胡建華，趙 陽，周 坦，肖紅星，趙 磊

（1．中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙410083；2．湖北三寧礦業有限公司，湖北 宜昌443000）

隨著礦山信息化水平的逐步提高，礦井通風智能化已成為未來礦山發展的必然趨勢［1］，通過對風機、風門、風窗等設備的智能調控，穩定、經濟地向井下連續輸送新鮮空氣，消除有毒有害氣體和礦井粉塵，實現井下按需智能供風［2－4］。精準監測井巷風速是實現礦山智能通風功能的關鍵技術之一。目前，多采用單點法或多點法測量巷道內風速，即在同一斷面固定單個或多個傳感器進行監測，其中單點法經濟成本低、測點位置選擇靈活，以單點風速準確表達平均風速已成為業界學者普遍關注的問題［5］。

已有的研究成果表明，無論是單點法還是多點法，傳感器的測點位置受巷道內風速分布的影響較大，特別是自動風門、風窗等設施導致井巷內風流環境復雜，風速的分布特性對測點布控位置影響較大［6－11］，提高障礙物條件下井巷風速準確性至關重要。基于此，本文利用計算流體力學方法，以湖北某礦山含卷簾式自動風門巷道段為研究對象，分析巷道風速、風門開合程度、壁面粗糙度對風門后流場分布的規律，探究通風設施對風速測點的影響，為風門后傳感器布置范圍的確定以及障礙物條件下精準測風等提供理論支持。

1 障礙物對巷道風速分布的影響

1．1 自動風門

井下作業環境相對封閉，巷道內風速分布極易受環境影響，障礙物的存在會造成風速測量準確性降低。以卷簾式自動風門設置后形成的方形障礙物為例，障礙物附近的風流場可分為3個區域：位移區、空腔區和尾流區，如圖1所示［12］。風流沿巷道方向遭遇障礙物后被切分出現分離，流場結構發生變化，風流向下偏移形成位移區；風流保持繼續繞過障礙物流動的趨勢，在障礙物背風面形成具有環繞回流現象的空腔區；由于邊界層內動能損失，在空腔區的下風向形成了尾流區，在經過數倍障礙物高度的距離后逐漸消失，巷道風流逐漸恢復常態。

圖1 障礙物后流場結構

空腔區風速發生損失，靠近巷道壁的風速方向改變，測量偏差較大；隨著距障礙物距離逐漸增加，尾流區測量準確性提高，流場結構逐漸恢復。可見，影響風門后傳感器測量精度的主要原因是存在空腔區和尾流區。研究風門不同開合程度下空腔區及尾流區的作用范圍，對明確風門后傳感器的水平范圍具有重要意義。

1．2 粗糙壁面

采用單點法測量巷道風速時，施工等原因造成的粗糙壁面將造成流場結構的改變，影響測量準確性。如圖2所示，粗糙度的存在增大了壁面阻力，使風能發生損失，在近壁面處形成一定范圍的低速區域，靠近頂壁的傳感器測量結果受到影響。

圖2 粗糙壁面流場結構

實際粗糙表面多為三維，除二維粗糙表面的粗糙元形狀、間隔、高度之外，還需考慮橫向粗糙元間距、前后排粗糙元交錯度等參數的影響［13］。由于傳感器布置方向多與巷道斷面垂直，風流沿巷道方向輸送，粗糙表面對其影響可近似簡化為二維模型。研究分析二維粗糙度下的風速波動范圍，對確定傳感器懸掛的最優豎直距離具有重要意義。

2 數值模擬

2．1 巷道幾何模型

本次模擬的巷道實際斷面為寬4 m、高3．5 m的矩形，卷簾式自動風門垂直巷道風流方向放置。風門厚5 mm，距頂壁30 cm，距側壁15 cm，風門與巷道邊壁之間采用木石、混凝土填充，無漏風現象，如圖3所示。

圖3 巷道斷面示意圖

根據開合程度建立多種長度的巷道模型，以風門所在斷面底邊中點為坐標原點，沿巷道進風方向為X軸正向，垂直巷道底板向上方向為Y軸正向，水平方向為Z軸，建立長度為L1＋L2的矩形巷道模型，如圖4所示。

圖4 巷道幾何模型

為研究風門后頂壁粗糙程度對于測點位置的影響，以圖4所建模型的光滑頂壁為巷道標準廓線，建立最大起伏程度為R的粗糙曲線。在實際生產過程中，對于開挖產生的較大起伏會進行相應的平整處理，故整體起伏高度較多地集中于標準巷道廓線附近，即曲線上點的R值較多趨于0。利用MATLAB生成期望值為0、標準差為R的正態分布數據，并將數據進行隨機排列，以相同間距導入CAD中形成不同粗糙度的曲線。本次模擬生成長度L2、R分別為10 cm、20 cm和30 cm時的粗糙曲線，曲線示例如圖5所示。

圖5 不同粗糙度曲線示例

2．2 控制方程及計算模型

采用黏性不可壓縮Navier-Stokes方程作為控制方程［14］，連續型方程及N-S方程可寫為：

式中x j為坐標分量；i、j為張量分量；ρ為大氣密度；p為氣流相對壓力；u i、u j為不同方向上的速度分量；f i為微元體在i方向上的單位質量力；υ為空氣的動力黏性系數。

選擇標準κ-ε湍流模型進行計算，湍流動能κ和動能耗散率ε分別由下式控制［14］：

式中σk，σε，C1ε，C2ε均為經驗常數，其中σk＝1．0，σε＝1．3，C1ε＝1．44，C2ε＝1．92。采用SIMPLE算法，迭代收斂標準為連續性殘差降至10－6。

2．3 邊界條件

由《金屬非金屬礦山安全規程》［15］關于井巷斷面平均最高風速的規定可知，采場斷面平均風速不超過4 m／s，運輸巷道、采區進風道不超過6 m／s。因此，在本次計算中以1～6 m／s為主要模擬的巷道進口風速。

巷道進口設置為速度入口邊界，只在進口有風流入，且不存在漏風現象，巷道出口采用壓力出口邊界。假設壁面固定，無滑移，氣流與巷道壁面無熱交換，且巷道內無工作人員、運輸車輛等其他障礙物。巷道內空氣視為不可壓縮黏性紊流，空氣密度1．2 kg／m3，忽略重力影響。

3 結果分析

3．1 進口風速的影響

考慮到傳感器距巷道頂壁的懸掛位置，提取巷道中心線上Y＝3 m的模擬數據，研究進口風速的影響。建立長度100 m（L1＝15 m，L2＝85 m）、斷面尺寸4 m×3．5 m的矩形光滑巷道，風門開合程度為50%（形成的障礙物高度H＝2．1 m），進口風速Vinlet分別為1、2、4、6 m／s，超出安全規程的8，10，12 m／s用于對照，風流方向沿X軸正向。不同進口風速下風速比（V／Vinlet）隨風門后距離的變化如圖6所示。從圖6可以看出，迎風面（X＜0 m）處風速比并無明顯變化，在X＝0～10 m范圍內波峰為風門后形成的空腔區，空腔區內風速點距離隨著進口風速增大而稍有增大，其中10 m／s和12 m／s處最為明顯；30 m處風速值衰減比例分別為64．0%和55．5%，40 m處風速值衰減比例分別為84．6%和81．0%，可見進口風速主要影響背風面風速分布，且隨來流風速增大，風門作為障礙物的影響作用加強，空腔區范圍及衰減比例增大。處在礦山安全規程范圍內的模擬風速（1～6 m／s），其風速增大對背風面風速影響不明顯，30 m處衰減比例分別為70．3%、69．5%、69．0%和68．7%，40 m處衰減比例分別為87．4%、87．0%、86．8%和86．5%，可見進口風速1～6 m／s時，來流風速大小對于風門后風速分布無明顯影響，這與文獻［7］對于不同通風風速影響的研究結果一致。

圖6 不同進口風速時沿巷道中心線3 m處的風速比

3．2 風門開合程度的影響

根據風門開合程度建立不同尺寸的幾何模型，使L1＝－10H、L2＝40H。選取開合程度為10%、30%、50%、70%、90%，則H分別為3．18、2．54、1．90、1．26和0．62 m，建立5種長度的光滑巷道模型，斷面尺寸4 m×3．5 m，進口風速2 m／s，來流方向沿X軸正向，巷道中心線Y＝3 m處不同風門開合程度下風速比與距高比之間的關系如圖7所示。改變風門開合程度后，迎風面風速比未發生較大變化，背風面變化則較為明顯，開合程度越小（障礙物高度越高），空腔區風速比越大；雖然不同開合程度之間風速比差距明顯，但空腔區水平分布穩定在6H～9H范圍內，超過這一范圍可避免空腔區渦流的影響；在進入尾流區后，風流開始抬升，以10%和30%處最為明顯，因為此時巷道上下壓力差最大；以進口風速90%作為評估標準，達到這一標準的距高比分別為15H、17H、22H、35H，開口程度90%時距高比40H處的衰減比例為79．8%。

圖7 不同開合程度下沿巷道中心線3 m高度處的風速比

提取開合程度10%、50%、90%的模型在Z＝0平面上的數據，進一步考察開合程度的影響。以虛線表示障礙物高度H，不同位置巷道斷面垂直風速廓線分布如圖8所示。以X＝－5H所在速度廓線為進口風速、X＝－0．5H處所在速度廓線為迎風面風速，X＝5H、10H、20H、30H為背風面風速。其中X＝－0．5H、5H、10H處的風速廓線與進口差異明顯，X＝－0．5H處的風流由于風門的阻礙切分作用，風速廓線分布開始出現偏差；在抵達背風面后，5H處受空腔區影響，風速比先增大后減小再增大，最小值所在位置即為空腔區中心；從X＝10H開始，風流繞過空腔區，受壓力差作用開始抬升，并在20H、30H處逐漸恢復至來流狀態；空腔區對背風面風速分布的影響在距頂壁約為2H范圍內，但因巷道高度有限，風門開合程度減至50%（H＝1．9 m）時，便可對整個巷道垂直方向的風速分布造成影響。

圖8 Z＝0上不同X位置處巷道垂直方向風速比

3．3 頂壁粗糙度的影響

選取不同粗糙度R作為風門后長L2的頂壁模擬粗糙度，風門前長為L1的巷道壁面光滑。考慮到當前置障礙物高度對R的影響［16］，設置風門開口程度為90%（H＝0．62 m），建立矩形巷道模型，斷面尺寸4 m×3．5 m，巷道長度80 m（L1＝20 m，L2＝60 m），進口風速4 m／s，風流沿X軸正向。不同R值下Y＝3 m處沿巷道方向的風速如圖9所示。以R＝0 m處風速大小為標準值，在X＝10～20 m處，風速值差異較小，X＝20 m之后，R對巷道風速存在明顯影響，且同一高度下R越大，風速值與標準值偏差越大，但風速總體變化與光滑壁面類似，呈波動上升趨勢。

圖9 Y＝3 m處不同粗糙度壁面沿巷道方向風速分布

不同R值的模型在Z＝0平面上的速度分布如圖10所示。可見，風門后流場與理論基本一致，存在空腔區、尾流區；增大R對風門后高速區域范圍無明顯影響，低速區域則由于粗糙元的高度和分布不同有所差異；隨著風流逐漸遠離風門，沿巷道方向的上部風流出現分層，且這一現象隨R增大越發明顯，這是因為隨著R增大，巷道頂壁阻礙能力加強，一方面風流繞過粗糙元提供了一部分位移厚度，另一方面由于黏性阻滯，靠近頂壁附近的風流對下部風流的摩擦使得風速出現分層。可見在粗糙壁面下，不同高度巷道風速大小確實存在明顯差異。

圖10 風門后Z＝0平面不同粗糙度風速分布云圖

提取不同粗糙度模型在X＝20～60 m的模擬數據，不同R值下平均風速及平均衰減比例如表1所示。可知，隨著Y值減小，平均風速值及平均衰減比例呈上升趨勢，通過降低傳感器布置高度，可以遠離粗糙頂壁的影響，增強風速監測的準確性。但考慮到實際工程中，巷道內存在人員、車輛的移動，傳感器仍需保持一定的懸掛高度，故以達到光滑壁面風速90%作為評估標準。可見，保持距粗糙頂壁2R的距離進行測量可以較好地避免粗糙壁面的影響，提高風速測量精度。

表1 Z＝0平面內不同高度平均風速及平均衰減比例

4 結 論

1）根據模擬結果，風門后的流場結構與理論相一致，存在空腔區和尾流區。其中，空腔區的水平影響范圍約9H，豎直影響范圍約2H。

2）處在井巷安全規程范圍內風速（1～6 m／s）改變對巷道風速分布影響不明顯；風門開合程度對風速分布的影響主要通過空腔區來體現，開合程度越小，空腔區風速比越大；粗糙頂壁加強了沿巷道方向風速值的波動，使得巷道上部風流出現分層現象。

3）根據開合程度，傳感器的水平位置距風門距離大于9H時，可擺脫空腔區影響，距離大于35H時，可使測量風速達到進口風速約90%水平；根據頂壁的粗糙程度，傳感器豎直位置距頂壁距離大于2R時，可使測量風速達到標準值90%。