烏蘭木倫礦輔運上山霧氣成因分析及解決措施研究*

方 明

(神華神東煤炭集團 烏蘭木倫煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017205)

0 引言

煤炭資源占我國能源消耗總量的60%[1]。近年來，我國煤炭產量穩步增長，2019年我國日均產煤達到10.26 Mt[2]。我國95%左右的煤炭是采用地下開采的方式生產的[3]，隨著采掘機械化程度的提高，井下巷道內粉塵污染問題越來越嚴重[4]。噴霧除塵技術操作簡單、經濟高效，在煤礦井下除塵中得到了較廣泛的應用[5]。但噴灑水霧后導致巷道內濕度增大可能會產生霧氣[6]。巷道內霧氣彌漫影響井下工作人員的視野和心情，導致工作效率下降。嚴重的霧氣導致巷道內能見度降低，使行人和貨物運輸都受到嚴重干擾，是礦井生產的重大事故隱患[7]。為保證礦井中安全生產和正常的工作環境，必須對巷道霧氣產生機理進行分析，并提出有效的治理措施。

國內外學者目前對于煤礦井下巷道起霧現象進行了部分研究：孫保民[8]對澄合王村礦夏季井下霧氣嚴重的問題提供了理論分析；李增華等[9]通過在實驗室進行模擬實驗對井下局部起霧的原因進行了分析；吳吉南等[10]分析了巷道大霧的形成機理，計算了水溝流水對大霧的作用量；楊傳樂等[6]對高莊煤礦上山霧氣成因進行了調研，提出了簡單的應對措施；祁學謙等[7]結合酸刺溝煤礦起霧的案例對產生霧氣的影響因素進行了討論。以上研究依據現場氣候參數分析霧氣成因，但對提出的應對措施效果未進行實際驗證。對于其他地下工程中產生霧氣的現象，許多學者也進行了相應的研究，劉希臣[11]研究水電站地下風洞中的霧氣時，對風流與圍巖的熱交換建立了數學模型，并進行了求解驗證；宋福元等[12]對地下海水坑道霧氣成因的物理機制進行了研究，并借助熱濕處理設備消除霧氣；惠浩勃[13]對地下交通洞通風的效果進行了測量，并設計了1種新型風道；薛永慶等[14]利用Fluent軟件對引水隧洞斜井洞內霧氣的分布規律進行了研究。這些成果對研究和消除煤礦井下霧氣都提供了相應的指導。

煤礦井下巷道霧氣對于安全生產、運輸有重大影響，同時加快設備腐蝕老化，縮短設備使用壽命。因此,本文以烏蘭木倫煤礦為研究對象，研究進風風流溫度和濕度、巷道巖壁溫度和濕度及風流方向等對巷道氣候參數的影響，分析得到巷道霧氣成因，提出相應的解決措施并在現場驗證。

1 礦井概況

烏蘭木倫煤礦生產能力5.10 Mt/a。采用平硐、斜井兩水平綜合開拓方式。目前主采煤層為1-2煤層和3-1煤層。井田內地層產狀平緩，煤層傾角1°～3°。其中1-2煤層標高為1 161 m，3-1煤層標高為1 105 m，2煤層通過輔運上山連接。該巷道作為運輸和行人巷道，全長650 m，標高差55 m。

烏蘭木倫礦通風系統示意如圖1所示，礦井主要進風井2個，分別為輔運平硐和1-2煤進風立井，回風井1個。礦井總進風量為12 981 m3/min，其中輔運平硐進風量為7 255 m3/min，1-2煤進風立井進風量為3 831 m3/min。輔運平硐風流經過3-1煤北翼輔運大巷，向3-1煤各區域供風，部分風流通過1-2煤輔運上山，流經1-2煤輔運大巷，與1-2煤進風立井風流匯合，向1-2煤各區域供風。

圖1 烏蘭木倫礦通風系統示意Fig.1 Schematic diagram of ventilation system of Wulan Mulun mine

根據集團公司相關規定，各巷道和工作面等地點安設水幕，每班灑水2次，井下空氣常年濕潤，相對濕度較大。夏季煤礦正常生產時，1-2煤輔運上山有霧氣析出，且隨著上山的高度增加霧氣越大，在上山的末端霧氣最嚴重，并延伸至1-2煤輔運大巷，在1-2煤進風立井井底霧氣完全消失。其余3個季節，1-2煤輔運上山及1-2煤輔運大巷內幾乎無霧氣產生。

1-2煤輔運上山是運輸、行人比較頻繁的主要生產巷道，1-2煤輔運上山和輔運大巷中的霧氣嚴重，增加工人的不適感、加快設備的老化速度，因此，有必要查清霧氣產生原因，并確定治理措施。

2 數值模擬方案

2.1 幾何模型

由于礦井的整個通風系統龐大、復雜，模擬整個礦井通風氣候參數對計算機要求較高，難以計算，因此，本文通過實測1-2煤輔運上山風流入口的空氣參數確定模擬初始參數，分析在此條件下1-2煤輔運上山內氣候參數變化及霧氣析出情況。采用SCDM建立1-2煤輔運上山幾何模型，其長X，寬Y，高Z分別為650，5，3 m，起點終點高差為55 m。采用ANSYS Fluent Meshing對所建立的幾何模型進行非結構網格劃分，體網格選用正六面體核心型(Poly-Hexcore)網格，該模型劃分體網格最小正交質量等于0.5，最大縱橫比等于7，最大扭斜度小于0.3，網格質量較高，有利于計算結果的快速收斂，其幾何模型和網格劃分如圖2所示。

圖2 1-2煤輔運上山幾何模型及網格劃分Fig.2 Geometric model and meshing diagram of 1-2 coal auxiliary transportation uphill

2.2 初始條件及邊界條件的設定

Fluent求解器可以求解各種流體流動的控制方程，而流體的實際流動問題是復雜的，初始條件和邊界條件的不同就是造成這種現象的主要原因。本文中進口邊界設置為速度入口(velocity inlet)，出口邊界設置為自由流出(out-flow)。巷道壁面邊界設置為無滑移壁面(wall)，考慮到巷道圍巖支護等，定義壁面粗糙度為0.2 m。根據烏蘭木倫煤礦的精查地質報告，該礦區的恒溫帶深度為20 m，恒溫帶溫度為+5.6 ℃，地溫梯度為2.8 ℃/hm，地溫率35.7 m/℃。根據地溫預測工作面溫度計算如式(1)所示：

tvr=t0+(z-z0)/g

(1)

式中：tvr為工作面溫度，℃；t0為初始溫度，℃；z為工作面深度，m；z0為初始高度，m；g為重力加速度，g/m2。

可計算出-200 m平均地溫為17.0 ℃。根據對-200 m北翼輔運大巷延伸段掘進工作面測溫孔的實際測定，原巖溫度為15.8～18.0 ℃，與計算值基本相符，本文在模擬中將巷道壁面溫度設置為18 ℃。由于夏季和冬季礦井外部氣候相差極大，因此，本文分別針對夏季和冬季工況條件下的井下氣候參數進行模擬分析。在解算方程中使用能量方程、reliablek-ε模型、PI輻射模型、組分輸運模型。初始條件及邊界條件設定后，采用基于壓力穩定基、穩態模型以及SIMPLE算法進行求解。

3 模擬結果

3.1 冬季工況井下氣候參數影響分析

烏蘭木倫礦所在地冬季地面溫度在-27～-2 ℃之間，空氣相對濕度在28%～73%之間；實測得到1-2煤輔運上山入口處冬季風流溫度為9～15 ℃，風流相對濕度為37%～81%。因此，本文選取8，10，12，14，16 ℃ 5種風流溫度及45%，55%，65%，75%，85%5種風流的相對濕度。

3.1.1 進風溫度對巷道氣候參數影響

進風溫度等因素會影響巷道內的空氣溫度和濕度，通過模擬得到巷道中線斷面(YZ斷面)上的溫度和濕度分布，分析在不同進風條件下1-2煤輔運上山內的氣候變化。圖3為在不同進風溫度條件下1-2煤輔運上山內的溫度分布，此時進風相對濕度為65%。

圖3 冬季工況進風溫度不同時溫度分布Fig.3 Temperature field distribution when inlet air temperature is different in winter

從圖3中可看出，當進風溫度高時，在風流和巷道壁面進行熱交換之后巷道同一斷面處風流溫度也會更高，進風溫度與巷道內的平均溫度呈正相關的關系。進風溫度的增加速率均呈降低趨勢，這是因為巷道壁溫為18 ℃，熱量從巖壁到空氣的傳遞速率與空氣和巖壁間的溫差正相關，隨著溫差的減小，風流溫度上升速度變慢，觀察溫度方差柱狀圖可發現，隨著進風風流溫度的逐漸升高，進風風流溫度與巷道壁面的溫差減小，溫度方差也隨之逐漸減小，與巷道壁面交換的熱量減少。

在進風風流的相對濕度相同時，溫度的變化會影響其吸濕能力，圖4為冬季工況進風溫度不同時1-2煤輔運上山內濕度場分布，此時進風相對濕度為65%。

圖4 冬季工況進風溫度不同時濕度場分布Fig.4 Humidity field distribution when the inlet air temperature is different in winter

圖4表明，冬季風流進入1-2煤輔運上山后相對濕度均呈現出先增加后減小的趨勢。風流進入巷道后由于其含濕量較小，首先從巷道壁面吸收水汽，在巷道的前100 m范圍內，風流相對濕度快速增加；同時由于冷空氣進入井下后溫度升高，風流的吸濕能力增加，導致風流在1-2煤輔運上山200 m左右到出口處空氣的相對濕度逐漸減小。此外，隨著進風溫度的增加，巷道內相對濕度的變化幅度減小。這是因為進風溫度較高時，風流本身的吸濕能力強，風流從巖壁中吸收相同水分后相對濕度變化小。當進風風流溫度較低時，在巷道內會短暫的出現風流相對濕度大于100%的情況，此時會有水汽析出，產生霧氣。

上述研究結果表明：冬季工況下，風流進入1-2煤輔運上山后溫度逐漸增加，且隨進風溫度的增加增幅減小；巷道內風流相對濕度先增加后減小，在進風溫度提高時，其變化幅度減小。

3.1.2 進風濕度對巷道氣候參數影響

在探討冬季工況進風相對濕度對井下氣候參數的影響時，若進風風流相對濕度的變化引起井下溫度的變化，則空氣吸濕能力變化，從而間接影響井下風流的相對濕度。因此，應先得出冬季進風風流相對濕度不同時1-2煤輔運上山內的溫度變化，其模擬結果如圖5所示，此時進風溫度為8 ℃。

圖5 冬季工況進風相對濕度不同時溫度場分布Fig.5 Temperature field distribution when relative humidity of inlet air is different in winter

從圖5可看出，在進風風流相對濕度不同的條件下，1-2煤輔運上山內同一位置處溫差不超過0.2 ℃，說明進風風流相對濕度的變化對巷道內溫度場的影響較小，可忽略不計。

在進風溫度一定時，進風風流中所含有的水分直接影響1-2煤輔運上山內空氣的相對濕度。圖6為冬季工況進風風流相對濕度不同時，1-2煤輔運上山內的濕度場分布，此時進風溫度為8 ℃。

圖6 冬季工況進風相對濕度不同時濕度場分布Fig.6 Humidity field distribution when relative humidity of inlet air is different in winter

由模擬結果可知，進風溫度相同時，進風風流相對濕度越大，空氣中所含水分越多，在風流和巷道壁面進行水汽交換后巷道同一斷面處風流相對濕度也會越大；風流進入1-2煤輔運上山后相對濕度均呈先快速增加后逐漸減小的趨勢。風流進入1-2煤輔運上山后，由于風流與巷道巖壁之間存在水汽濃度差，風流快速吸收水分使得相對濕度快速增加。在進風相對濕度大于65%時，巷道內100～300 m范圍內有霧氣產生。此后，由于空氣溫度升高，風流吸濕能力增加，巷道內風流的相對濕度減小，最終趨近于巷道巖壁相對濕度。

上述研究結果表明：冬季工況進風相對濕度的變化對巷道內空氣溫度幾乎無影響；對巷道內相對濕度的影響較大，進風風流的相對濕度越大，巷道內空氣的相對濕度也越大。

3.2 夏季工況井下氣候參數分析

烏蘭木倫礦夏季地面溫度在15～39 ℃之間，空氣相對濕度在35%～96%之間；實測得到1-2煤輔運上山入口處夏季風流平均溫度在16～25 ℃之間，風流相對濕度在58%～92%之間，因此，本文選取15，17，19，21，23 ℃ 5種風流溫度以及55%，65%，75%，85%，95% 5種風流的相對濕度。

由于巷道巖壁的熱容量較大，巷道壁面溫度變化較小，因此，在模擬中仍將壁面溫度設置為18 ℃。夏季由于井下絕對濕度升高，所以將壁面相對濕度設置為90%，保持其他影響因素不變，利用數值模擬得到井下夏季的氣候參數。通過計算不同YZ斷面上的平均溫度、平均相對濕度，得到在不同的進風條件下1-2煤輔運上山內溫度及相對濕度分布場。

3.2.1 進風溫度對巷道氣候參數影響

夏季工況下，首先探討進風溫度的變化對井下溫度的影響，圖7為不同進風溫度下1-2煤輔運上山的溫度分布，此時進風相對濕度為75%。

圖7 夏季工況進風溫度不同時溫度場分布Fig.7 Temperature field distribution when the inlet air temperature is different in summer

從圖7中可看出，夏季工況下，進風溫度不同，在1-2煤輔運上山的前400 m范圍內溫差較大，進風溫度越高，巷道內溫度越高；在400～650 m之間由于巷道內空氣不斷與巖壁進行熱交換，使得風流溫度均趨近于巖壁溫度。圖7中溫度方差圖表明進風風流溫度和巖壁的溫差越大，巷道內氣流溫度方差也越大；當溫差相同時，巷道內溫度的方差幾乎相同。

這些結果說明巷道內巖石的傳熱是除了地下熱水等因素外巷道壁熱的主要來源。當巷道壁熱與風流溫度不同時，遵循熱力學定律，它將不可避免地發生熱交換，且均是從溫度高的物體向溫度低的物體傳遞熱量。巷道巖壁和風流之間的溫差越大，傳遞的熱量越多；溫差相同時，風流吸收的熱量和釋放的熱量幾乎相等。

進風溫度的高低影響風流的吸濕能力，在相同相對濕度的情況下也影響著進風風流的含濕量。圖8為進風相對濕度為75%時，不同溫度下1-2煤輔運上山內空氣的相對濕度。

圖8 夏季工況進風溫度不同時濕度場分布Fig.8 Humidity field distribution when the inlet air temperature is different in summer

從圖8可發現，風流進入1-2煤輔運上山后，相對濕度在巷道前200 m范圍內快速增加，200～650 m間增幅減小，最終空氣的相對濕度都超過了100%，巷道內彌漫霧氣。進風溫度越高，沿程相對濕度越高，析出的水分越多，霧氣越嚴重。

由于進風風流與巷道巖壁之間的水汽濃度差，在1-2煤輔運上山的前200 m范圍內，風流從巷道巖壁吸收水分，使得自身相對濕度增加。與此同時，風流與巷道巖壁之間發生熱交換，溫度高于巷道巖溫的進風風流溫度下降，使得熱空氣的吸濕能力下降，有更多的水分析出；溫度低于巷道巖溫的進風風流溫度增加，巷道內相對濕度的增加速率大大減緩。

通過對夏季工況進風溫度對井下溫度、濕度的影響分析發現，不同溫度的空氣進入井下后其溫度均趨近于巷道巖溫；巷道內相對濕度逐漸增加，且進風溫度越高，巷道內相對濕度越高，最終都有霧氣產生。

3.2.2 進風濕度對巷道氣候參數影響

進風風流的相對濕度對井下空氣的溫度幾乎無影響，此處僅討論進風相對濕度的變化對于井下空氣相對濕度的影響。夏季不同進風相對濕度條件下1-2煤輔運上山內空氣相對濕度分布如圖9所示，此時進風溫度為19 ℃。

圖9 夏季工況進風相對濕度不同時濕度場分布Fig.9 Humidity field distribution when relative humidity of inlet air is different in summer

從圖9可看出，夏季溫度較高的風流進入井下巷道后相對濕度先增加后趨于穩定，且最終相對濕度都超過了100%。具體地說，在1-2煤輔運上山前200 m范圍內，進風空氣從巷道巖壁中吸收水分，風流相對濕度迅速增加，此后保持較高的相對濕度。進風風流相對濕度越高，井下空氣相對濕度越高，在進風相對濕度達到95%時，巷道50 m處的空氣相對濕度就已經超過了100%，巷道內霧氣嚴重。

3.2.3 風流量對巷道內相對濕度的影響

從上述分析可發現，當進風溫度較高、濕度較大時，1-2煤輔運上山內霧氣問題較為嚴重。風流量的變化會改變風流與巷道巖壁之間的水分交換程度，進而影響巷道內霧氣濃度。本文選取1，2，3，4，5 m/s 5種不同進風速度，對1-2煤輔運上山內濕度場進行模擬，結果如圖10所示，此處進風溫度為15 ℃、進風相對濕度為75%。

圖10 夏季工況進風速度不同時濕度場分布Fig.10 Humidity field distribution when velocity of inlet air is different in summer

圖10表明，進風速度不同時，1-2煤輔運上山內濕度變化趨勢相同，均呈現出先快速增加后趨于穩定的狀態。隨著風速的增加，巷道內相對濕度略有減小，風速的變化對巷道內濕度場的影響不大。這是因為進風風流本身含濕量較大，在進入巷道后的風流從巷道巖壁快速吸收水分，風流與巷道巖壁間水分交換充分，在進入巷道200 m處風流已達到或接近飽和，此時僅改變風速對巷道內霧氣的緩解作用較小。夏季工況下，巷道內有不同程度的霧氣析出，威脅井下安全生產，應采取有效措施及時消除霧氣。

4 巷道霧氣成因分析及解決措施

4.1 巷道霧氣成因分析

通過上述研究可以得出影響霧氣生成的主要因素包括：

1)霧氣的出現與進風溫度、濕度有關。由于烏蘭木倫煤礦緊挨烏蘭木倫河，礦井周圍空氣濕度較大，一般為45%～55%，較該地區空氣的平均相對濕度大8%～10%，此外該礦進風輔運平硐圍巖含水量大、有淋水。風流在入井過程中沿途吸收水分，到達井底時含濕量大大增加，其相對濕度可達60%以上。夏季風流的溫度高于進風輔運平硐和進風大巷，風流流經4 km的濕潤巷道到達1-2煤輔運上山入口時風流接近飽和狀態。風流在1-2煤輔運上山中仍然吸收水分、溫度下降，空氣呈過飽和狀態，不斷有水分析出，形成霧氣。冬季進風風流相對濕度大，溫度較低時也會出現短暫的霧氣。

2)霧氣的出現與巷道巖壁的相對濕度有關。風流進入井下巷道后，由于風流中的水汽與巷道巖壁中水汽存在濃度差，相對濕度發生變化。從整體而言，在進風風流相對濕度相同的情況下，雨雪天巷道巖壁含濕量越大，則巷道巖壁向風流中傳遞的水汽量越大，導致巷道內風流相對濕度越大。

3)霧氣的出現受巷道巖溫的影響。由數值模擬結果可知，巷道內風流溫度最終穩定在巷道巖溫附近，而溫度能影響空氣的吸濕能力，進而影響風流的相對濕度。

4.2 解決措施

基于巷道氣候參數影響因素及霧氣成因分析，降低進風風流濕度是解決巷道霧氣成因的主要措施。

巷道巖壁的相對濕度、溫度等因素的影響無法輕易改變，此時可考慮調整通風系統的風量分布，改變1-2煤輔運上山的風向，使上行風改變為下行風,具體的調整措施：將3-1煤北翼輔運大巷與3-1煤北翼回風大巷頂頭段調節風窗斷面減小，增加3-1煤通風系統阻力；將1-2煤輔運大巷與1-2煤膠運大巷入口處風門敞開，降低1-2煤通風阻力；將1-2煤進風立井風量由3 831 m3/min調節至6 855 m3/min；將輔運平硐風量由7 255 m3/min調節至4 266 m3/min；通過一系列調節，改變1-2煤輔運上山風流方向，上行風改變為下行風。

根據相關文獻[15]的計算方法，得到調整風向后1-2煤輔運上山巖壁溫度為18.5 ℃，相對濕度為72%；冬季巷道入口處溫度在7.9～13.6 ℃之間，相對濕度在32%～68%之間；夏季的入口處溫度在17.6～25.3 ℃范圍內，風流相對濕度在43%～82%之間。由于冬季在進風風流相對濕度較大、溫度較低時，夏季在進風風流相對濕度較大、進風溫度較高時，井下容易產生霧氣，所以在風向調整后選取進風溫度、濕度分別為(8 ℃，70%)，(25 ℃，85%)的組合，模擬井下氣候參數。結果如圖11～12所示，其中(a)為冬季工況，(b)為夏季工況。

圖11 風向調整后1-2煤輔運上山內的溫度場分布Fig.11 Temperature field distribution of 1-2 coal auxiliary transport uphill after wind direction adjustment

在風向調整后，由于地面空氣到達1-2煤輔運上山入口處的距離大大縮小，其溫度、濕度的變化隨之減小。風流進入1-2煤輔運上山后，與巷道巖壁進行熱量交換，最終溫度穩定在壁溫附近；同時風流吸收周圍環境中的水分，從圖12中看出，巷道內風流的相對濕度均低于92%，沒有水霧析出，井下霧氣問題得到有效治理。

圖12 風向調整后1-2煤輔運上山內的濕度場分布Fig.12 Humidity field distribution in 1-2 coal auxiliary transport uphill after wind direction adjustment

5 結論

1)冬季工況下風流進入1-2煤輔運上山后，沿巷道走向風溫逐漸升高；夏季工況下，進風溫度較高時巷道內溫度逐漸下降，進風溫度較低時巷道內溫度逐漸升高，不同工況下巷道內空氣溫度均逐漸趨近于巖壁溫度。冬季工況下隨進風溫度的升高巷道內相對濕度變化幅度減小；夏季工況下進風溫度越高，巷道內空氣的相對濕度也越高。冬季工況下風流進入1-2煤輔運上山后相對濕度先增加后減小，夏季工況下相對濕度隨進風溫度的增加而增加。進風速度的變化對巷道內濕度相對濕度也有影響，進風速度越大，巷道內相對濕度越小。不同工況下，進風相對濕度的變化均對巷道內空氣的溫度幾乎無影響，巷道內相對濕度均隨進風相對濕度的增大而增大。

2)霧氣的出現主要與進風風流溫度、濕度、進風速度有關。風流進入1-2煤輔運上山之前沿程吸收水分，溫度下降，吸濕能力下降，相對濕度增加。進入1-2煤輔運上山后巖壁濕度較大，風流仍然吸收水分；空氣溫度趨近于巖壁溫度，吸濕能力變化，當空氣過飽和時就會有水分析出，形成霧氣。

3)增加烏蘭木倫煤礦1-2煤進風立井風量，調整通風系統，使1-2煤回風上山風流為下行風，風流從地面到達1-2煤輔運上山的距離減小，夏季風流從巷道巖壁吸收的水汽減少，溫度下降的較少，吸濕能力較大，可以徹底消除1-2煤輔運上山內的霧氣。