深部金屬礦采場通風降溫的數值模擬研究★

戴旻旻

（山東大學熱科學與工程研究中心，山東 濟南 250061）

近年來，隨著人類社會對礦產需求的不斷增加，地表和近地表的礦產資源被開發殆盡，人們不得不將目光轉向更深地底的礦產資源。目前國內許多礦山已經逐漸轉向深部采場開采，但隨著礦山開采深度的增加，地壓增大、巖溫增高、礦山的提升、排水、支護、通風等方面的困難也隨之增大，面臨的技術難題將不斷增加，其中最為突出的問題就是井下熱環境的惡化[1-2]，井下熱環境的惡化會嚴重影響礦山生產的效率和人員安全[3-5]。采場通風降溫是消除井下熱害的重要途徑，提高采場通風降溫效率對降低冷卻系統能耗、提高礦山經濟性、保障人員安全有重要意義[6]。

王海橋等[7]使用CFD 軟件建立了獨頭采場三維模型，得出了獨頭巷道有限空間受限貼附射流通風流場分區、射流起始段、射流貼附過程和流速變化等流場特征。高建良等[8]用三維k-ε 紊流模型模擬了壓入式局部通風掘進工作面風流與巷道圍巖的熱交換過程以及巷道壁面水分和風流之間的熱濕交換，得出掘進工作面風流溫度和濕度的分布關系。龍騰騰等[9]通過對同一掘進巷道模型在壓入式和抽出式兩種通風方式下速度場和溫度場進行分析計算，證明壓入式通風能更好滿足人體熱舒適要求。昝軍等[10]基于獨頭巷道受限貼附射流特征參數，計算分析風筒出口直徑與流場的關系、風筒出口風速與射流軸心速度變化的關系。王海寧等[11]建立了空氣幕風流理論模型，認為空氣幕在礦井通風中可以與風門、風窗起到相同的效果。Miao 等[12]通過對采用機械法降溫后煤礦工作面通風冷卻成本進行分析，建立了風量與通風冷卻成本的關系。Sasmito 等[13]計算研究了影響礦井隧道熱管理的各種因素，評價了原始巖體溫度、通風空氣流量和通風空氣溫度的影響，發現通風空氣溫度對整個隧道的溫度分布影響最大，其次是原始巖體溫度和通風空氣流量。Tariq 等[14]研究了風管出風口距工作面距離以及出風風速對采場內流場和溫度場。

本文以深部金屬礦獨頭采場為研究對象，建立了采場通風降溫數值模型，并與通風降溫實驗數據進行對比，以驗證模型的有效性。

1 金屬礦深部采場數值模型

1.1 數值模型建立

金屬礦深部采場多呈現拱形截面，如圖1 所示，寬度約6.0 m，高度約4.5 m，長度可達數百米。為簡化數值模型，采用1∶4 縮小的尺寸構建幾何模型，如下頁圖2 所示，模型截面寬度1.5 m（X 方向），高度1.125 m（Y 方向），長度3 m（Z 方向）。冷風由直徑為0.13 m 的風管送到采場工作面附近，在冷卻完采場后，熱風在風壓作用下從采場出口流出，實現采場通風與降溫的目的。

圖1 金屬礦深部采場橫截面示意圖

圖2 金屬礦采場通風降溫物理模型

1.2 控制方程

本文采用fluent 軟件對采場通風降溫模型進行模擬計算，在采場的熱交換中，考慮了壁面熱量的散發及通風空氣的冷卻作用，采用質量、動量和能量控制方程。

質量守恒方程：

式中：ρ 為密度；t 為時間；u、v、w 分別為x、y、z 方向的速度矢量。

動量守恒方程：

式中：μ 為流體動力黏度；P 為表面力矢量；g 為作用于單位體積流體的體積力；f 為作用于單體積流體反方向的阻力。

能量守恒方程：

式中：Cp是比熱容；t 為時間；p 為壓力；T 為溫度；k是流體導熱系數；Sr為黏性耗散項。

通過對比各種湍流模型的模擬結果，湍流方程選用k-ε 湍流模型如下：

式中：Gk為由層流速度梯度而產生的湍流動能；Gb為由浮力產生的湍流動能；YM為由于在可壓縮湍流中過渡的擴散產生的波動；Sk、Rε為需要定義的源項；μt為湍動黏度。

湍動黏度計算公式為：

式中：Cμ為常數。

1.3 邊界條件和求解方法

由于數值模型為實際采場的幾何縮小模型，因此邊界條件也需滿足相似條件。管道入口使用速度入口邊界條件，根據流動相似準則，速度入口邊界為實際采場的1/4。

采場壁面采用標準壁面函數，采場壁面均設置為恒定壁溫，結合工程實際設為45 ℃。采場出口設置為壓力出口，管道出口為內部面類型邊界條件。選用SIMPLEC 算法求解，動量方程、湍動能、湍動能耗散率和能量方程均采用二階迎風離散格式。

1.4 網格獨立性驗證

為保證數值模型的有效性，需要進行網格獨立性驗證。以坐標值（0.75，0.5，1.5）處空氣溫度為標準，分別選取16 萬、38 萬、96 萬、168 萬、233 萬數量的網格進行驗證。

圖5 給出了在相同邊界條件下，坐標值（0.75，0.5，1.5）處空氣溫度隨網格數量的變化，在網格數大于96 萬網格后，溫度幾乎不變，誤差小于1%，為保證準確度和計算速度，選取網格數量為96萬的數值模型進行計算。

圖5 網格獨立性驗證

2 采場通風降溫數值模型的實驗驗證

2.1 實驗模型簡介

為進一步驗證數值模型的有效性，圖6 給出了搭建的采場通風降溫實驗臺，采場實驗模型與數值模型的幾何尺寸一致。冷空氣從風管通入到采場實驗箱中，壁面保溫層由電熱絲和石棉構成，可維持壁面恒定溫度，采場內的溫度測點如下頁圖7 所示，由2 個位于采場實驗箱內部的2 個空氣測點和9 個位于采場實驗箱壁面的壁面測點組成。

圖6 采場實驗箱

圖7 采場實驗箱溫度測點圖

設置采場實驗箱的壁面恒定溫度為45 ℃，分別進行如下頁表1 所示的8 組不同參數冷風通風情況下的采場實驗箱降溫實驗，并通過數據采集系統記錄穩定工況的溫度測點數據。

表1 采場實驗箱通風降溫實驗工況

2.2 實驗驗證

采用與實驗相同的入口風溫和入口風速邊界條件進行數值計算，求解得到采場內的溫度分布和流場分布，圖7 給出了1 號空氣測點溫度和2 號空氣測點溫度的實驗值與模擬值對比。從圖中可以看出，1 號測點和2 號測點的數值模擬結果與實驗的誤差都低于5%，可以認為數值模擬結果可信，數值模型準確。

圖7 空氣測點對比結果

3 參數變化下采場通風降溫的模擬結果

為了研究風速對采場內部通風降溫效果的影響，在相同入口風溫條件下，將進口風速分別設置為7.15 m/s、9.15 m/s、11.15 m/s、13.15 m/s、15.15 m/s、17.15 m/s、19.15 m/s、21.15 m/s。圖8 和圖9 為不同風速下采場達到穩態時溫度場與速度場云圖。由圖8、圖9 中可知，隨著風管入口風速的增加，采場實驗箱內的平均空氣溫度緩慢降低，從30.1 ℃降低到28.3 ℃，出口區域的低溫區逐漸增加；同時，速度場變化逐漸劇烈，高風速區域逐漸增多。

圖8 不同通風速度下的溫度場分布云圖

圖9 不同通風速度下的速度場分布云圖

為了研究風溫對采場內部降溫效果的影響，在相同入口風速條件下將進口風溫分別設置為12 ℃、14 ℃、16 ℃、18 ℃、20 ℃、22 ℃、24 ℃、26 ℃。圖10和圖11 為不同通風風溫下采場內的溫度場與速度場分布云圖。由圖10、圖11 可知，隨著風管入口風溫的增加，采場實驗箱內的平均空氣溫度快速升高，從24.4 ℃升高到31.5 ℃；由于入口風速保持不變，因此速度場基本沒有變化。

圖10 不同通風溫度下的溫度場云圖變化

圖11 不同通風溫度下的速度場云圖變化

對比圖8 與圖10 中可以看出，風溫和風速變化對于采場實驗箱的溫度場變化影響程度不同，將采場中壁面和空氣的對流換熱量定義為采場散熱負荷，引入采場散熱負荷來評價風溫和風速對通風降溫效果的影響程度，采場散熱負荷越大，表明從采場中移除的熱量越多。圖12 給出了不同通風參數下的采場散熱負荷變化。隨著通風風速的增加，散熱負荷從1 975 W 升高到5 114 W，而實驗箱內的平均空氣溫度僅僅降低了1.8 ℃。隨著風溫的降低，散熱負荷從2 451 W 升高到4 030 W，實驗箱內的平均空氣溫度降低了7.1 ℃。由此可見，通過降低風溫對采場進行降溫比提高風速更具經濟性。

圖12 通風參數變化時散熱負荷的變化

4 結論

采場通風降溫能有效改善金屬礦深部礦井熱環境，通過改變參數條件下的采場通風降溫數值模擬，得到了不同風速和風溫下采場內的溫度場和速度場分布云圖。結果表明，隨著采場風速增加，采場實驗箱內的平均空氣溫度緩慢降低，高風速區域增加；隨著通風溫度增加，實驗箱內的平均空氣溫度快速升高。通過對比分析不同風溫和風速條件下的采場散熱負荷變化，表明降低風溫對采場降溫更具有經濟性。