高温矿井工作面热害控制模拟研究及系统优化

朱国龙，周 鹏，宫伟力，孟宪宇

(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

高温矿井工作面热害控制模拟研究及系统优化

朱国龙1，2，周 鹏1，2，宫伟力1，孟宪宇1，2

(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

针对典型煤矿的深部高温热害威胁，在徐州矿区建立的“以矿井涌水为冷源的深井降温系统”取得了良好效果，但也仍存在优化潜力。本文以徐州张双楼矿井热害控制为例，应用流固传热及边界层理论数值模拟的方法，建立工作面的岩石-空气耦合传热模型，对降温系统干预下的深井工作面温度场进行了研究。利用系统运行实测结果对模型进行验证，证明了模型的准确性和适用性。通过对降温系统不同工况进行模拟，为现场降温系统提出了优化方案。

深井热害；流固传热；低Re数k-ε模型；边界层；HEMS系统优化

随着煤矿开采深度的进一步增加，尤其是位于我国东部地区的矿井在深部开采过程中普遍受到高温热害的的威胁，徐州矿区多个矿井主要工作面的环境温度达到32℃，传统通风回风温度高达36℃，均超出了我国相关规定中的温度上限值[1]。高温环境会造成井下作业人员身体机能下降，工作效率低下并引发晕厥和疾病，同时高温也会对井下生产设备的安全造成威胁。过去的研究表明，高温环境会造成岩石体软化和吸附瓦斯逸出现象[2]，诱发岩爆和瓦斯突出等伴生事故严重影响安全生产[3]。依照“十三五”对矿业工程学科发展的要求，在矿山安全领域，到2020年预期在超大规模超深井矿山安全开采和典型灾害防治技术领域形成引领性的研究方向，如：矿山通风与火灾综合防治基础理论与方法研究、现有开采条件下的职业危害治理与监测需求下的应用基础研究等，以期在相关技术和装备上取得有阶段性的研究成果[4]。

为实现节能高效的深井热害控制，通过在徐州矿区多个煤矿开展现场实验，先后在夹河煤矿、三河尖煤矿、张双楼煤矿等矿区分别建立起了“以矿井涌水为冷源的深井降温系统”(HEMS系统)，即利用矿井各水平出现的涌水，通过能量提取系统从中获取冷量，然后运用提取出的冷量与工作面高温空气进行换热作用，达到降低工作面的环境温度及湿度的目的，一定程度上减少了能源消耗[5]。对于降温系统的运行参数优化，由于现场运行成本和安全开采要求的限制，只能通过数值模拟的方法进行模拟实验。本文以徐州矿区张双楼煤矿HEMS系统深井工作面热害控制为例，结合现场地质情况和降温系统运行参数，通过构建工作面围岩和空气耦合传热模型，应用流固传热及边界层理论取代常用的壁函数法进行数值模拟，提高数值模拟的精度，对深井工作面降温系统运行前后的固流传热过程和巷道温度场分布进行了研究。对构建的模型利用了系统运行实测结果进行检验，验证了模型的准确性，进而利用该模型对HEMS降温模块的多种工况进行了模拟，通过比对巷道温度场和速度场，参照安全规范和降温系统评价指标，为现场热害控制系统提出了优化方案。

1 研究背景

1.1 工程背景

徐州矿区张双楼煤矿位于中国东部地区，目前矿井开采深度达到-1000m，如图1所示的现场的原岩温度测试结果表明，-800m水平岩温38.6℃，-1000m采区岩温达43.7℃。7119工作面为典型高温工作面，工作面标高-694～-820m，工作面进风巷道长220m，宽4m；工作面长200m，宽3.5m；回风巷道长220m，宽4m；通风风量为2500～3260m3/min。

图1 现场原岩温度测试[1]

注：O为进风巷入口；A为HEMS-II降温模块出风口；A1为进风巷末端点；B为工作面入口；B-C为工作面中点；C为工作面出口；D为回风巷出口图2 工作面模型和监测点分布

图3 工作面降温前后温度监测曲线[1]

在张双楼煤矿HEMS系统热害控制现场实验中，我们对工作面温度检测对降温前后各个监测点的情况进行了对比，工作面模型和监测点分布如图2所示，对降温系统运行前后的工作面温度进行了监测，见图3。结果显示，降温前各点温度普遍高于31℃，应用以矿井涌水为冷源的降温系统后，将原先进风巷道风温由28℃降低至18℃，现场实测温度表明通风至工作面出口C点的温度平均值为27℃，满足了《煤矿安全规程》中对于采掘工作面的空气温度不超过30℃的要求。但工作面的温度是受围岩、机械设备及复杂地质环境等多因素共同影响的复杂问题，HEMS系统工作参数的设置虽初步满足了安全规程要求，但仍具有很大优化和调整的空间。虽然可以通过现场的HEMS系统参数调控与反馈，对系统的运行参数设计进行优化，但由于煤矿安全生产要求和现场实验时间和空间上存在局限性，只能通过建立深部采煤工作面物理模型和运用数值模拟的方法，实现多种现实工况的热害控制模拟，进而实现对HEMS系统的现场运行优化。

1.2 研究现状

深部采动作用下渗流场与巷道围岩体的温度场耦合作用以及渗流作用下的巷道围岩与风流温度场的热湿传递研究是矿井降温技术的基础问题之一。为揭示煤炭深部开采中的复杂热环境耦合作用机理，国内外专家学者在数值计算和数值模拟方面取得了基础性突破，20世纪40年代起，平松良雄[6]，J.D.V.Lambrechts[7]等系统的对井下风流与围岩热交换进行研究，并形成了热害控制的经典计算方法。在矿井巷道围岩散热方面，高建良等[8]、吴强等[9]、秦跃平等[10]通过数值推导，用有限元的方法优化了传热模型和边界函数，对巷道围岩、风流和水的传热过程进行了细化计算。Danko G和Bahrami D[11]利用CLIMSIM MULTI FLUX软件对矿井巷道壁面的传热、传质现象进行了数值模拟；I.S.Lowndes等[12]对风流与围岩之间对流换热系数及换热特性进行了模拟实验。目前，在井下巷道围岩与空气换热研究中仍主要依赖于经验公式或半经验，使用壁函数对近壁模型进行简化。随着开采深度的增加，对于深部采场工作面热环境分析及降温系统作用下的流固换热设计与实际生产的问题越发显著，可以引入更精细化的理论模型对系统进行优化调控。在流体力学领域，固流耦合传热理论很早就被广泛研究和应用于航空、航天等精细化程度较高的领域中，形成了成熟的流固换热和边界层理论。在对近壁区流动情况描述时，壁面区流动湍流应力作用小，普通的k-ε模型无法用于这个区域内的流动求解，目前常用的解决途径就是利用半经验公式，即壁面函数，将壁面情况与湍流核心区内的相应物理量构建联系，形成了现今普遍采用的壁面函数法，本文在数值模拟中，采用低Re数k-ε模型来求解近壁区受流体粘性影响明显的区域，该方法要求在壁面区划分比较致密的网格，从而使的高Re数k-ε模型的数值计算能从湍流核心区一直计算到壁面上[13]。

细化近壁区的流动能够实现更加精细的煤矿深井热害数值模拟研究。本文拟应用流固传热及边界层理论取代常用的壁函数法进行数值模拟，提高数值模拟的精度，对深井工作面降温系统运行前后的固流传热过程和巷道温度场分布进行深入研究。

2 理论计算

描述近壁区流动时，由于流体的粘性其在近壁流动时沿壁面法线方向可划分为壁面区(近壁区)和核心区，核心区的流体被认为是完全湍流流动，而流体在壁面区受到壁面流动的影响大，往往雷诺数(Re)数较低，湍流发展并不充分，一般将壁面区划分为3个子层，即粘性底层、过渡层、对数律层(或完全湍流层)，如图4所示。粘性底层是一个紧贴固体壁面的极薄层，其中粘性力在动量、热量及质量交换中起主导作用；过渡层处于粘性底层的外面，其中粘性力与湍流切应力的作用相当，流动状况比较复杂，且由于厚度极小，因而在工程计算中通常归入外层的对数律层；最外层的对数律层，粘性力的影响不明显，而湍流切应力占主要地位，流动处于充分发展的湍流状态，流速分布接近对数律。在实际计算中，为了数学上的简便，常常忽略缓冲层，使用仅考虑粘性底层与湍流核心的两层模型。

图4 平面湍流边界层结构示意图[13]

壁面区流动湍流应力作用小，计算求解时传统的k-ε模型无法用于这个区域内的流动，目前常用的解决途径就是利用半经验公式，即壁面函数，将壁面情况与湍流核心区内的相应物理量构建联系，这样，不需要对壁面区内的流动进行求解，就可直接得到与壁面相邻控制体积的节点变量值，形成了现今普遍采用的壁面函数法。而另一种解决方法，是采用低Re数k-ε模型法。两种方法与标准的k-ε模型和RNG k-ε模型等配合，成功地解决近壁区及低Re数情况下的流动计算问题。

本文在数值模拟中，采用低Re数k-ε模型来求解近壁区受流体粘性影响明显的区域，该方法要求在壁面区划分比较致密的网格，从而使的高Re数k-ε模型的数值计算能从湍流核心区一直计算到壁面上。对于定长流动和不考虑分离点位置时，平面湍流的边界层方程组见式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

3 数值模拟分析

FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导等问题的常用CFD商业软件，能够对巷道温度场和人工降温系统介入下的热环境进行深入分析。

3.1 计算模型

在数值模拟的过程中，为简化研究问题进行了加设：巷道内空气为理想气体，空气性质不随温度的变化而变化；由于湍流边界层的引入，加设巷道内空气的湍流粘性为各向同性；对于计算区的工程围岩体，视为宏观上均质、各向同性介质；简化空气流动，加设巷道内空气为稳态流动，且入口处风流温度和速度稳定。

以徐州地区张双楼矿7119工作面为例建立物理模型，调热圈半径是流固换热中的重要参数，其主要受到通风时间的影响，一般随着通风时间的增加而不断增大，此外调热半径还与原岩温度、岩石的热物理性质以及风流温度对岩体的影响等有关。通风时间为一个月时，得出调热圈半径的估计值为10m，设为外延围岩厚度。巷道内的机械设备结合现场情况进行了简化，物理模型如图5所示。

BC所示的工作面周围巷道分布如下，A点为进风巷道入口，D点为回风巷道出口。在工作面的短点拐角处，B点和C点位置，分别设置了控制点1和控制点2，在工作面温度场模拟结果等值线图中分别记录工作面入口和出口处的最高温度。

边界条件的设定如下：①风流入口边界条件：空气已经进行了不可压缩性流体加设，设定恒定风流进口流速和温度；②风流出口边界条件：由于出口风流速度及温度未知，给定出口为outflow；③采场围岩固壁边界条件—计算区域中的采场围岩温度为现场原岩温度，内壁为coupled耦合热边界，外壁给定壁面温度，均为无滑移壁面。设巷道壁面表面粗糙，粗糙度高度设为0.0003m，粗糙度常数设为0.5。巷道围岩为砂岩，给定砂岩热物理性质。

为了充分捕捉近壁区信息，在近壁区必须细化网格，把第一层网格节点布置在湍流充分发展区域内，网格层数取10层，离壁面最近的节点y+=30。用四边形和三角形混合网格进行二维剖分，并在固壁处划分边界层，对模型进行离散化，同时对工作面进出口拐点位置进行了网格加密，表1对网格类型与数量进行了统计，局部网格划分如图6所示。

图5 物理模型(单位：m)

表1 网格类型及数量

传热方式网格类型及数量节点数巷道围岩散热及机械设备散热边界层180四边形14665三角形4589088921

3.2 模型检验

为了对张双楼工作面进行模拟研究，参数均采用了7119工作面实地测量的空气和围岩的物理参数，如表2所示。

图6 工作面入口处网格

对于平板边界层由工作面实测资料计算雷诺数，见式(6)。

(6)

当雷诺数Re大于5×105时层流将转变为湍流，计算时取Rexty=5×105。

根据2012年7、8月对井下7119采掘工作面空气温度进行测定，工作面回采期间使用下行通风，表3为7119采掘工作面现场温度实测数据。

表2 模拟参数表

表3 7119采掘工作面现场实测参数表

工作面风量换算为入口风速，约为3m/s，设定入口温度为16.9℃，利用所建立的模型进行工作面热害控制数值模拟，稳态迭代计算温度场结果如图7所示，将模拟监测点温度值与实测温度值对比，对所建模型进项检验，如表4所示。

由上表可以看出，7119采掘工作面在正常通风条件下，采掘工作面入口和出口处模拟温度值与实测温度值最大差值为2.7℃，最小差值为0.21℃，考虑到实地测量误差、实际壁面粗糙程度模拟不充分以及其他因素影响的影响，模拟温度结果低于实测温度，在合理范围内。模型检验结果表明，徐州张双楼煤矿深井热害控制工程降温工作面温度场分析模型的大小选取、单元类型选取及其离散化处理方法、边界条件的确定等都较为准确和合理，模型温度场计算结果与实测结果比较一致，尤其是本模型对于工作面上隅角C点的模拟温度与实际值差别不大，设计的模型可以用于模拟7119工作面降温工作面的温度场，从而对HEMS系统在现场热害控制的运行参数进行优化。

图7 工作面降温模拟结果

3.3 工况模拟

结合现场HEMS系统的降温模块HEMS-II降温能力，及7119工作面的实际情况，综合现有现场实验数据参数，选取了入口空气温度值为16℃、17℃和18℃。风流进口的速度分别设为0.1m/s、0.3m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s，分别用以模拟无风状态，1级风到3级风的工作状态。设定工况下的工作面降温数值模拟结果如图8所示。数值模拟过程中对工作面风流速度同样进行了关注，由模拟得到的风流速度等值线图可以得到工作面风流速度，1～18模拟工况的工作面速度均小于8m/s，符合《煤矿安全规程》第101条规定。

表4 7119采掘工作面实测温度值与模拟温度值对比表

图8 不同工况下工作面监测点温度模拟结果

4 降温系统优化

评价HEMS系统降温模组工况时，首先对每组工况下工作面进口(B点)和出口上隅角(C点)进行评价并初步筛选，对各模拟工况工作面风温模拟结果的统计结果如图9所示，依照人体清醒状态下最舒适的温度为21～25℃，同时选取工作面温度浮动系数1.2以保证工作面上隅角C点温度始终不低于30℃，可以选取合理的工况组合有六组：①供风速度为3m/s，供风温度为16℃；②供风速度为3m/s，供风温度为17℃；③供风速度为4m/s，供风温度为16℃；④供风速度为4m/s，供风温度为17℃；⑤供风速度为4m/s，供风温度为18℃；⑥供风速度为5m/s，供风温度为18℃。

图9 关键点温度随入口风速变化关系曲线

高风速工况下，虽然出口C处温度为23℃，符合要求，但入口B处温度低于21℃，温度过低时，造成温差过大亦会对工人身体造成不适，且设置温度过低，对于井下冷源和能源会造成过多浪费。当风量增加时，会造成巷道工作面负压呈二次方增加，同时风机功耗随之呈三次方增加。因此与提高供风速度相比较，选择略低的供风温度更经济。因此，HEMS-II降温工作站机组的最佳降温工况为：供风温度为17℃，供风速度为3m/s。这时，降温系统最节能。

5 结 论

本文以张双楼矿井HEMS降温系统为例，探讨了深井巷道数值模拟细化计算方法，利用低Re数k-ε模型和边界层理论构建了工作面现场的岩石和空气耦合传热模型进行流固传热数值模拟。对构建的模型利用了系统运行实测结果进行了检验，与现场实测数据进行对比分析，得出如下结论。

1)张双楼矿区7119工作面降温工作面的温度测量结果同本文数值模拟结果对比表明，岩石和空气耦合传热模型的建立、边界条件的设定等能够较为准确的对工作面热害控制效果进行模拟。研究结果为类似条件巷道温度场研究提供了思路。

2)利用工作面模型对HEMS降温工作站现场工况进行了模拟实验，得到了不同工况下工作面温度场分布，设计了现场热害控制的组合工况。

3)从节能角度考虑，优化了现场降温工作站工况，最佳工况为供风温度为17℃，供风速度为3m/s。

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Numerical simulation research on deep mine work face heat hazards control and cooling system optimizing

ZHU Guolong1，2，ZHOU Peng1，2，GONG Weili1，MENG Xianyu1，2

(1.State Key Laboratory of Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining & Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Institute of Mechanics and Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Heat hazards in China’s typical coal mines become more and more serious with the increase of mining depth. Recently, the high-temperature exchange machinary system (HEMS) by using coal mine inflow is employed in Xuzhou Mining Group deep coal mines. Field experiments show that this cooling system achieves obvious effect in heat hazard control, but the researches on mechanism and the optimizing of HEMS system are still needed. Based on the field experiment in Zhangshuanglou coal mine, the numerical simulation are performed with the rock-air coupled heat transmission model. The solid heat transfer and flow boundary layer theory are employed and then the model is examined by the field monitored data, which shows the model is reliable in working face cooling simulation. With the simulating results for different HEMS working conditions, the temperature field and velocity field at working face are obtained, and the system optimizing parameters are also provided with 17centigrade and 3 m/s outlet velocity. The model and simulating test methods may provide basis and ideas for similar ventilation and cooling systems optimization.

deep heat hazard；fluid-solid heat transfer；low Re k-ε model；boundary layer；high-temperate exchange machinary ststem (HEMS) optimizing

2016-03-02

国家自然科学基金委重点项目资助(编号：51134005)。

朱国龙(1988-)，男，汉，山东泰安人，博士研究生，主要从事岩土工程方面的研究工作岩土工程专业，E-mail：zhu.guolong@hotmail.com。

TD353

A

1004-4051(2016)12-0159-06