井下移動熱源對深部巷道風(fēng)流環(huán)境影響研究
2024-04-29 00:00:00郭良銀張建俊王宇
黃金 2024年2期
摘要：為探究深部巷道內(nèi)移動熱源對巷道風(fēng)流環(huán)境的影響，以新城金礦為工程背景，對深部某中段運輸巷道進行風(fēng)溫風(fēng)速監(jiān)測，通過現(xiàn)場調(diào)研和理論公式計算新城金礦深部巷道燃油設(shè)備放熱量，基于Fluent有限元軟件，模擬不同風(fēng)流情況下移動熱源的動態(tài)響應(yīng)，分析移動熱源對深部巷道風(fēng)流環(huán)境的影響。結(jié)果表明：監(jiān)測段巷道平均風(fēng)速為1.91 m/s，平均風(fēng)溫為33.38 ℃；熱源在順風(fēng)移動時對前端和尾部風(fēng)溫均產(chǎn)生影響，風(fēng)溫隨距離增加逐漸減小，在熱源前端15 m處趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定風(fēng)溫為33.75 ℃，并在熱源尾部2 m范圍內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生高溫；熱源逆風(fēng)移動時僅對尾部風(fēng)溫產(chǎn)生影響，風(fēng)溫在熱源尾部0～20 m逐漸變小，并在熱源尾部20 m處趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定風(fēng)溫為34.12 ℃；熱源逆風(fēng)移動時對風(fēng)流的影響范圍比順風(fēng)移動時大，逆風(fēng)移動時風(fēng)溫比順風(fēng)移動時高0.37 ℃。
關(guān)鍵詞：深部巷道；機械化；移動熱源；風(fēng)流環(huán)境；數(shù)值模擬
中圖分類號：TD727 文章編號：1001-1277（2024）02-0008-06
文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240202
引 言
隨著淺部資源不斷枯竭，深部開采成為礦山企業(yè)發(fā)展新趨勢，隨著礦山開采深度不斷增加，高溫?zé)岷栴}特別突出。礦井熱害形成的主要原因可以歸納為：井巷圍巖放熱、風(fēng)流自壓縮放熱、機電設(shè)備放熱［1］。隨著科技發(fā)展，礦山機械化程度不斷提高，機電設(shè)備等移動熱源放熱已成為深部礦井高溫?zé)岷栴}的重中之重。
近幾年，國內(nèi)外學(xué)者對井下熱源進行了大量研究。吳柯杉［2］通過相似試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果，驗證了井下移動熱源數(shù)值模擬的正確性；李宗翔等［3］給出有熱源通風(fēng)巷道風(fēng)流初始溫度均勻分布與非均勻分布的定解條件；鹿廣利等［4］通過數(shù)值模擬得出移動熱源在巷道25～30 m對熱環(huán)境均有影響；趙宏斌［5］分析了不同熱源分布位置對采空區(qū)內(nèi)部溫度場分布規(guī)律及回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)溫度的影響規(guī)律；張育瑋等［6］對巷道進行熱阻計算，對比嵌入熱阻前后的計算結(jié)果，得出由熱源散熱產(chǎn)生的熱阻力對巷道風(fēng)流的影響；ARTEM等［7］解決了分布式熱源情況下礦井空氣和巖體的耦合傳熱問題；CHRISTOPHE等［8］運用數(shù)值模擬軟件Open FOAM模擬出礦工在工作時的熱量和CO2生產(chǎn)量；LIANG等［9］模擬了地下T形隧道火災(zāi)，分析T形隧道天花板溫度隨火源功率的變化；徐加超等［10］利用ABAQUS模擬中空環(huán)形熱源移動時的溫度場分布及熱循環(huán)曲線；王瓊［11］針對高斯移動熱源的奇異性，提出了移動加權(quán)最小二乘無網(wǎng)格法；劉支會［12］數(shù)值模擬了二維移動熱源的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象；黃山果等［13］提出了熱貢獻率概念，得出了不同季節(jié)的熱源放熱曲線；屈永良等［14］分析了不同熱源對局部通風(fēng)系統(tǒng)造成的影響。
綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對井下固定熱源開展了大量研究，但對移動熱源的研究較少。本文以山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦（下稱“新城金礦”）為背景，對新城金礦深部某中段運輸巷道進行了風(fēng)溫風(fēng)速監(jiān)測，并運用Fluent有限元軟件的動網(wǎng)格技術(shù)開展了移動熱源在巷道內(nèi)的動態(tài)模擬，分析了新城金礦深部巷道移動熱源對巷道風(fēng)流環(huán)境的影響，數(shù)值計算結(jié)果更加符合工程實際。
1 工程概況
新城金礦位于山東省煙臺市萊州市金城鎮(zhèn)，隸屬于山東黃金礦業(yè)股份有限公司，是一座大型地下開采黃金礦山。礦區(qū)屬丘陵與濱海平原過渡地帶，地勢東南高，西北低，總體向西北傾斜。
隨著礦產(chǎn)資源需求量不斷提高，深部開采成為礦山發(fā)展趨勢；隨著現(xiàn)代科技不斷進步，井下機械化作業(yè)也越來越多。礦山開采深度和機械化程度的不斷增加與提高，導(dǎo)致巷道內(nèi)溫度也隨之升高。高溫工作環(huán)境嚴重危害工人身體健康，危及生產(chǎn)安全，甚至使采礦工作被迫停止。目前，新城金礦深部運輸巷道主要移動熱源為：3 m3鏟運機、1 m3鏟運機、20 t卡車、4 t卡車、多功能服務(wù)車等，具體情況見表1。
2 深部巷道風(fēng)溫風(fēng)速監(jiān)測及機電設(shè)備放熱
2.1 深部巷道風(fēng)溫風(fēng)速監(jiān)測
選定新城金礦深部某中段運輸巷道進行風(fēng)溫風(fēng)速監(jiān)測，共設(shè)置9個監(jiān)測斷面，相鄰兩個監(jiān)測斷面間距為10 m。每個監(jiān)測斷面設(shè)置2個測點，兩個測點間距為2 m，測點高度為1.5 m，每個測點測試時間為1 min，具體布設(shè)情況見圖1。監(jiān)測儀器選用VS210固體分體插入式風(fēng)速儀，該儀器結(jié)構(gòu)形式靈活多樣、精度高、耐高溫，適用于惡劣工況。
風(fēng)流變化曲線見圖2。由圖2-a）可知：兩條測線風(fēng)速變化規(guī)律無明顯差異，隨著巷道距離的增加，巷道內(nèi)的風(fēng)速呈下降趨勢，監(jiān)測段巷道的風(fēng)速基本穩(wěn)定在1.87～1.95 m/s，平均值為1.91 m/s。由圖2-b）可知：兩條測線的風(fēng)溫變化規(guī)律相同，隨著機電設(shè)備和圍巖散熱，巷道內(nèi)風(fēng)溫呈小范圍上升，監(jiān)測段巷道的風(fēng)溫基本穩(wěn)定在33.23 ℃～33.47 ℃，平均值為33.38 ℃。
2.2 機電設(shè)備放熱
新城金礦深部巷道機電設(shè)備可分為電氣設(shè)備和燃油設(shè)備，不同機電設(shè)備放熱形式也不同。新城金礦主要燃油設(shè)備的放熱形式是發(fā)動機散熱和尾氣的排放。燃油設(shè)備散熱量可按式（1）、式（2）進行計算：
Q=（1－φ）pe """（1）
Qs=3 600Q """（2）
式中：Q為燃油設(shè)備的運行散熱功率（kW）；φ為設(shè)備工作效率（%）；pe為設(shè)備額定功率（kW）；Qs為設(shè)備的散熱量（J/h）。
根據(jù)新城金礦深部巷道燃油設(shè)備的功率來計算各燃油設(shè)備的散熱量，通過現(xiàn)場實測確定燃油設(shè)備尾氣溫度和排氣速度，具體結(jié)果見表2。
3 網(wǎng)格劃分及邊界條件
3.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分
根據(jù)新城金礦深部巷道截面積確定模型尺寸為4 750 mm×3 000 mm，拱高為1 200 mm，巷道長度為60 m。移動熱源（井下礦車）尺寸為4 300 mm×1 800 mm×1 700 mm，熱源初始位置距巷道入口5 m。模擬巷道幾何模型見圖3。
對巷道進行以六面體為主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，由于熱源形狀不規(guī)則，對其進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并且對熱源、熱源排氣管部分進行加密和膨脹層設(shè)置，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為810 000左右。計算時使用動網(wǎng)格技術(shù)加UDF方法模擬熱源勻速移動，動網(wǎng)格更新方法采用光順法和網(wǎng)格重構(gòu)法，光順法可以使網(wǎng)格運動時減少變形，網(wǎng)格重構(gòu)法使運動中網(wǎng)格進行重新構(gòu)造，避免網(wǎng)格負體積產(chǎn)生。UDF通過C語言編寫程序，可以控制熱源勻速移動，UDF可以在Fluent有限元軟件中編譯構(gòu)建，使其載荷。
3.2 模型控制方程
模型控制方程主要包括：質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。
1）質(zhì)量守恒方程：
式中：ρ為氣體密度（kg/m3）；ui為速度矢量（m/s）。
2）動量守恒方程：
式中：p為壓力（Pa）；Tij為黏性應(yīng)變張量；Fi為體積力（N/m3）。
3）能量守恒方程：
式中：T為溫度（K）；K/Cp為擴散系數(shù)；St為能量源項。
3.3 數(shù)學(xué)模型邊界條件
湍流模型選擇k-ε模型，并開啟能量方程。在本次模擬中，不考慮圍巖放熱情況，模型巷道內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)紊流，滿足Bouss-inesq假設(shè)。
將入口邊界條件風(fēng)速設(shè)為1.95 m/s，風(fēng)溫33.23 ℃。熱源尾氣出口邊界風(fēng)速為5.3 m/s，尾氣溫度68.5 ℃，熱源以1 m/s速度勻速行駛，熱源功率為17.7 kW/m3。將巷道壁面設(shè)置為厚度0.1 m的熱對流交換壁面，其材料為混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)為1.28 W/（m·K），比熱容為970 J/（kg·K），熱對流交換系數(shù)為4.74 W/（m2·K），出口設(shè)置為壓力出口（Pressure outlet）。采用Coupled求解器，時間步長設(shè)置為0.01 s，時間步數(shù)為2 000步。
4 深部運輸巷道熱源散熱模擬分析
4.1 熱源順風(fēng)移動模擬分析
熱源以1 m/s速度順風(fēng)移動20 m后在xy截面處的風(fēng)溫云圖、風(fēng)速云圖和速度矢量圖見圖4。由圖4-a）可知：移動熱源在順風(fēng)移動20 m后，由于熱源尾氣排放和熱源本身散熱，對風(fēng)溫產(chǎn)生了影響。主要影響范圍是熱源前15 m處和熱源后0.3 m處。熱源產(chǎn)生的熱量由風(fēng)流帶走，尾氣由風(fēng)流吹向巷道的下盤，上盤低溫風(fēng)流與下盤高溫風(fēng)流匯集后，在車前1 m處形成了高溫區(qū)域，隨著距離的增加，移動熱源對風(fēng)溫影響逐漸減小，最終在移動熱源前15 m處趨于穩(wěn)定，但由于熱源不斷釋放尾氣，熱源后2 m處持續(xù)產(chǎn)生高溫區(qū)域。由圖4-b）、4-c）可知：熱源尾部對風(fēng)流經(jīng)過產(chǎn)生了阻礙，風(fēng)流向巷道上盤和下盤擴散，風(fēng)流在經(jīng)過排氣管時，風(fēng)流與尾氣匯集形成了渦流；并且在熱源上下兩側(cè)形成高風(fēng)速區(qū)，在熱源前后兩側(cè)形成低風(fēng)速區(qū)。
熱源以1 m/s速度順風(fēng)移動20 m后在zx截面處風(fēng)溫云圖、風(fēng)速云圖和速度矢量圖見圖5。由圖5-b）、5-c）可知：熱源移動時對巷道內(nèi)風(fēng)流產(chǎn)生了阻塞。熱源移動時其尾部對后方風(fēng)流影響較大，風(fēng)流經(jīng)過熱源排氣管時，風(fēng)流與尾氣形成了渦流。風(fēng)流流經(jīng)熱源尾部時由于機體的阻礙，風(fēng)流開始向熱源兩側(cè)擴散，當(dāng)兩側(cè)的風(fēng)流匯合后，在熱源前端10 m范圍內(nèi)形成了“Y”形低速風(fēng)流場。由圖5-a）可知：風(fēng)流在與尾氣匯集后，在熱源左側(cè)形成了高風(fēng)速區(qū)，高風(fēng)速區(qū)風(fēng)流將熱源的熱量帶向熱源左側(cè)，使熱源左側(cè)形成高溫區(qū)域。左側(cè)高溫風(fēng)流在經(jīng)過頭部時與右側(cè)風(fēng)流匯合，匯合的風(fēng)流溫度最終在移動熱源前15 m處趨于穩(wěn)定，與xy截面相同，熱源后2 m處持續(xù)產(chǎn)生高溫。
4.2 熱源逆風(fēng)移動模擬分析
熱源以1 m/s速度逆風(fēng)移動20 m后在xy截面處風(fēng)溫云圖、風(fēng)速云圖和速度矢量圖見圖6。由圖6-b）、6-c）可知：由于是逆風(fēng)移動，熱源前端對風(fēng)流產(chǎn)生了影響，熱源尾部對風(fēng)流影響較小。由于熱源前端阻礙，風(fēng)流在經(jīng)過熱源后向上下兩側(cè)擴散，使熱源上下兩側(cè)產(chǎn)生高風(fēng)速區(qū)，上下兩側(cè)風(fēng)流與熱源尾氣匯集后在熱源尾部形成了回流旋渦。由于尾氣速度大，導(dǎo)致熱源尾部形成了外部速度低、內(nèi)部速度高的環(huán)狀卷吸區(qū)。由圖6-a）可知：熱源在逆風(fēng)移動20 m后，前端風(fēng)溫變化較小，熱量主要集中在尾部。由于受到熱源上下兩側(cè)風(fēng)流的影響，熱源散熱和排氣熱量在熱源后方形成高溫區(qū)，隨著距離的增加，風(fēng)溫逐漸降低，最終在熱源后20 m趨于穩(wěn)定。
熱源以1 m/s速度逆風(fēng)移動20 m后在zx截面處的風(fēng)溫云圖、風(fēng)速云圖和速度矢量圖見圖7。由圖7-b）、7-c）可知：風(fēng)流在經(jīng)過熱源時，在熱源左右兩側(cè)形成高風(fēng)速區(qū)，在熱源后方形成了“一”形的低風(fēng)速區(qū)。由圖7-a）可知：熱源散熱和排氣散熱的熱量聚集在汽車的尾部，在汽車尾部形成了內(nèi)部溫度高、外部溫度低的環(huán)狀溫度場。隨著距離的增加，溫度不斷下降，最終在熱源后方20 m處趨于穩(wěn)定。
4.3 移動熱源對巷道風(fēng)溫影響
移動熱源對巷道風(fēng)溫影響變化見圖8。由圖8可知：熱源順風(fēng)移動時，其風(fēng)溫最高點在距巷道口25 m處，為39.43 ℃；在距巷道口45 m處風(fēng)溫趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時溫度為33.75 ℃。熱源在逆風(fēng)移動時，其風(fēng)溫最高點在距巷道口25 m處，為39.86 ℃；在距巷道口5 m處，風(fēng)溫趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時溫度為34.12 ℃。通過對比可知，熱源在逆風(fēng)移動時由于風(fēng)流與尾氣的匯集導(dǎo)致其對風(fēng)溫影響范圍比熱源在順風(fēng)移動中大5 m，而且逆風(fēng)移動中穩(wěn)定的風(fēng)溫比順風(fēng)移動高。
5 結(jié) 論
為了研究熱源移動對深部巷道風(fēng)流環(huán)境所產(chǎn)生的影響，本文通過Fluent有限元軟件，模擬熱源在不同情況下移動對深部巷道風(fēng)流影響，結(jié)論如下：
1）熱源在順風(fēng)移動時，熱源尾部會對風(fēng)流產(chǎn)生阻礙，使熱源前端風(fēng)流紊亂；熱源順風(fēng)移動對風(fēng)溫影響范圍為熱源前端0～15 m和熱源尾部0～2 m，并使熱源附近持續(xù)產(chǎn)生高溫，最高溫度為39.43 ℃。
2）熱源在逆風(fēng)移動時，熱源前端會對風(fēng)流產(chǎn)生阻礙，使熱源尾部風(fēng)流產(chǎn)生環(huán)狀卷吸區(qū)；熱源在逆風(fēng)移動時對風(fēng)溫影響范圍為熱源尾部0～20 m，與順風(fēng)時相同，熱源附近會產(chǎn)生持續(xù)性高溫，最高溫度為39.86 ℃。
3）熱源逆風(fēng)移動時對巷道風(fēng)流影響范圍大于熱源順風(fēng)移動，熱源順風(fēng)移動使巷道風(fēng)溫升高0.52 ℃，熱源逆風(fēng)移動使巷道風(fēng)溫升高0.89 ℃，熱源逆風(fēng)移動時風(fēng)溫比順風(fēng)移動升高0.37 ℃。
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Research on the impact of underground moving heat sources on the wind flow environment of deep roadways
Guo Liangyin1，Zhang Jianjun2，Wang Yu2
（1.Xincheng Gold Mine of Shandong Gold Mining Co.，Ltd.; 2.School of Civil Engineering，Liaoning Technical University）
Abstract：In order to explore the influence of moving heat sources in the deep roadway on the wind flow environment，with Xincheng Gold Mine as the engineering background，the wind temperature and wind speed monitoring of a transport roadway on a deep level was carried out，and the heat release of fuel equipment in the deep roadway of Xincheng Gold Mine was calculated by field investigation and theoretical formula.Based on Fluent finite element software，simulation of the dynamic response of moving heat source under different wind flow conditions，and the influence of moving heat source on deep roadway wind flow environment was analyzed.The results show that the average wind speed is 1.91 m/s and the average wind temperature is 33.38 ℃ in the monitoring section;when the heat source moves downwind，the wind temperature on both the front end and the tail end is affected.The wind temperature gradually decreases with the increase of distance and tends to be stable at 15 m at the front end of the heat source，and the stable wind temperature is
