基于数值仿真模拟的矿井通风系统优化设计研究

张 琛

（阳泉市上社煤炭有限责任公司通风部， 山西 阳泉 045000）

引言

虽然我国十三五范围内对煤炭的使用做出了限制，但是在未来很长一段时间，仍然是我国重要的能源与资源形式。目前，地表矿山煤炭供应正在减少，从而需要更深入开采地下煤炭。然而，煤矿地下开采自存在以来，其工作环境极其恶劣，危险性很高，其中甲烷和煤尘极有可能导致爆炸，并影响矿工的健康，甚至会导致死亡事件发生。

由于通风系统的运行占总运营成本的比例较高，所以控制器运营成本是非常重要的内容，在实际应用当中，成本高主要是由于驱动气流通过各种动力机械产生。为了平衡安全和成本两个变量，谨慎地进行通风设计是设计工作的主要内容之一。

1 矿井通风系统仿真优化研究进展

在过去十年中，数学和计算机建模已经在地下矿山通风系统研究和开发中发挥了重要作用。Herdeen和Sullivan（1993）是用于计算流体动力学（CFD）研究流动气流的矿井通风的创始人；但是，他们的模型没有经过实验数据验证和反馈。Srinivasa等人（1993）使用商业CFD软件利用欧拉 -拉格朗日公式预测长壁工作面灰尘分布。Tomata等（1999）扩展了CFD模型通过包括物种方程来预测甲烷的分散。Wala等人（2003）开发了长壁通风的CFD模型并用甲烷浓度的实验室规模数据验证了该模型。Canoo（2004）开发了多相Eularian模型预测更复杂几何形状的灰尘行为。帕拉等人（2006）模拟地下隧道的流动特性与实验验证对应。Aminosadati和Hooman（2008）通过CFD模拟研究了在横切区域隔板长度对空气流速的影响。

2 仿真模型及仿真方法

三维地下采煤模型为（见图1）。

图1 三维地下采煤模型建模及典型的实物图

计算区域模型的创建使用的是商业软件Gambit 2.3.16；该软件可用于创建CAD软件使用的模型，并对其网格化（结构化和非结构化的）和标签边界条件；三种不同数量的网格，即 5×105、1×106和 2×106，并进行了局部压力比较。当网格为1×106和2×106时，局部压力仅仅相差1%，而5×105网格与最高数量的网格相比，其局部压力偏差比较大，因此，约100万个元素的网格就足够用于数值仿真研究目的：在隧道中间附近的精细结构到墙壁网格越来越粗糙，主要是为了降低计算成本。

控制方程及其对应的湍流模型和边界条件使用商业CFD软件Fluent 6.3.26解决；该软件基本上是一个基于有限体积法的多用途CFD软件，能够解决复杂的流体力学，传热，燃烧，多相，粒子追踪等。方程式用众所周知的半隐式压力连接方程（SIMPLE）算法，二阶逆风离散化和代数多重网格方法。收敛值都设定为1×106。

3 基于Spallart-Almaras模型的巷道模型湍流仿真

与层流模型不同，我们可以获得近乎精确的模型解决方案，建模湍流需要特别注意验证和与实验数据的比较，因为它是必要的一个近似值。这里有四种常用的湍流模型，例如，Spallart-Almaras，k-Epsilon，k-Omega和 Reynolds应力模型（RSM），三维模型如图所示图2。

图2 巷道流场的湍流仿真切面图

图2显示了是Spallart-Almaras模型所仿真出的最优流场结果，其最优的参考值主要是对比了以往实验研究的数据。其误差大约在5左右，Spallart-Almaras模型需要最低的计算量成本，如对整体流动行为感兴趣，因为成为湍流仿真计算的一个很好的选择。因此，这一模型的选择可以有效协助今后巷道的机构设计，在深井恶劣环境条件下，实验调查将会变得很艰难，在不便于调查的地方，实验调查会产生昂贵的成本，因此，数学和计算机建模将在设计，维护，创新和优化方面发挥重要作用，这也是本文模型选择的重要目的。

4 交叉部分巷道通风仿真研究

到目前为止，交叉部分巷道通风仿真研究比较少，但是是极为重要的内容。因为，在实际工作中甲烷的更多惠及对煤矿安全生产是极为不利的。常常使用的通风手段有不设通风设备、带排气通风、用风布板。

注意在仿真使用的辅助设备，例如风布板，风管直径和风机功率额定值是典型的地下煤炭开采使用设备；风扇特性曲线是根据风扇制造商设计的。

图3给出了无辅助设备的流速及甲烷浓度情况，存在极低的空气速度死区。过低的流速直接反应在过高的甲烷浓度上（超过2%的允许浓度）。

图3 无辅助设备的流速及甲烷浓度仿真情况

当风扇放置时在排气模式中，如图4所示，可以看到大部分空气风扇吸进的空气来自主流（新鲜空气），而不是死区区域。在这个设计中，甲烷在结合处聚集至多1.5%；根据一些发达国家的规定，例如，德国和英国，这种水平的甲烷浓度是不允许的，而法国、西班牙、美国和中国则允许这种浓度，所以说这种设计方式是在我国是可以被采用的。

图4 带排气通风设备的流速及甲烷浓度仿真情况

其次布风板的设计，死区范围内流速的改善已经在很多实际情况中被采用；但在隧道中间再循环带甲烷浓度略高现象，在某些场合是不允许的。所以，结合以往的研究证明，单辅助通风是不足够使用空气流动来稀释死区面积内部的甲烷。所以，将布风板和排气设备相结合来改善通风系统现在，成为今后研究的重要内容，我们将上述两个模型进行了整合，并进行了仿真，如图5所示。

图5 带排气通风设备和布风板的流速及甲烷浓度仿真情况

从图5可以很清晰地看出，将布风板和排气通风两种方式相互结合，可以有效地对巷道内的甲烷进行稀释，这种通风手段的实施，可以将巷道内的甲烷值降低到安全要求的最高标准，但是值得考虑的是，这种方式在巷道内布置会占据过多的位置，如果进行有效合理布局，例如考虑到空气动力学的相关问题，减少布风板的长度，或者加大风机的排气功率，可以达到更好的排气效果，也可以达到节能的目的。

5 结论

1）矿井通风系统在人性化和智能化方面还存在一定的欠缺，随着仿真学、人工智能等科学技术的不断发展，将会开发出更多语言、跨平台、多功能化的矿井通风仿真与优化系统软件。

2）矿井通风系统复杂多变，利用仿真模拟技术对系统进行优化具有一定的现实意义，将是未来矿山通风系统优化和管理的发展方向，为矿井通风系统的优化提供了技术支持。

3）矿井通风系统并非一劳永逸，须定期进行详细的调查、测定、分析和评价，针对矿井通风系统存在的问题对矿井通风网络、通风设备和通风构筑物3个方面进行全面优化改造，并考虑自然风压对矿井通风系统的影响。