不同通风参数对掘进工作面降温的影响

辛 嵩，刘尚校，张 逍，朱晓镇

（山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛266590）

随着煤炭开采强度增加以及开采工艺的改进，浅部资源日益减少，开采深部矿井资源已成为必然选择。当矿井开采到一定深度，围岩温度达到几十摄氏度，高温、高湿的作业环境严重影响着开采进度[1]。我国2016 年版《煤矿安全规程》规定：当掘进工作面空气温度超过26 ℃，必须缩短超温地点作业人员的工作时间，当掘进工作面的空气温度超过30℃必须停止作业[2]。独头巷道由于缺少回风巷，往往是矿井热害最为严重的地方，如何有效改善采掘工作面的热环境状况，成为众多学者重点研究的方向。目前，国内外学者已经在数值模拟方面对掘进工作面的风流场、温度场进行了研究。姬建虎[3]得出掘进工作面射流冲击换热系数的关联式，并对不同组合方式下换热情况进行了数值模拟，李勇[4]对巷道风流流场及降温前后温度场的分布及变化进行了模拟分析。但很少有学者对掘进工作面不同通风参数下进行较为全面的数值模拟，为此选取了赵楼煤矿7302 轨道巷掘进工作面60 m 为研究对象，使用ANSYS_FLUENT 数值模拟软件对掘进工作面不同通风条件下的热环境进行数值模拟，并与现场实测数据进行对比分析。

1 数学模型

湍流模型是表征地下热环境流动特性的关键组成部分。使用商用CFD 程序（Fluent）求解质量守恒方程（连续方程）、动量方程（Navier-Stokes 方程）、能量守恒方程以及紊流模型方程。计算了巷道内的空气流动和传热，将SIMPLE 算法用于对流项的二阶格式[5-6]。对比分析了几种常用的湍流模型选择了工程中最常用的标准K-Epsilon 模型，该模型考虑了湍流动能k 及其与湍流黏性耦合的耗散率ε 2 个方程，在预测巷道内的空气速度和温度场方面表现出最佳效果。

连续性方程：

式中：E 为总能量，J；hj为j 组分的生成焓；Jj为j 组分的扩散通量，kg/(m2·s)；Sh为化学反应热和自定义的任何其他体积热源，J；k 为湍流动能，J。ε 为耗散率，%；μ 为流体的动态黏度，Pa·s；Gk为由于平均速度梯度产生的湍流动能；C1ε、C2ε分别为模型常数；σk、σε分别为k 方程和ε 方程对应的湍流普朗特数；μt为湍流黏度，Pa·s。

2 物理模拟的构建

1）巷道几何模型。根据赵楼煤矿7302 轨道巷掘进工作面现场测量的尺寸，运用Rhino6.0 建立了长抽短压式通风系统下的掘进巷道简化后的几何模型，几何模型由掘进机、巷道、压入式风筒、抽出式风筒4 部分组成。巷道为梯形，净高4 m，上净宽4.8 m，下净宽5.2 m，选用φ0.8 m 的风筒，掘进机尺寸为11 m×3.5 m×1.8 m。

2）边界条件命名与网格划分。运用CFD－ICEM对赵楼煤矿7302 掘进工作面几何模型进行边界命名和网格划分，将压入式风筒入风口设定为入口边界，巷道的末端断面以及抽出式风筒的出风口设定为出口边界。3Dinflation 提供了靠近墙边界的高质量网格生成功能，以解决物理特性的变化。为了得到更精确的模拟结果，对受风流扰动和热量交换影响的较为强烈的风筒、掘进机附近区域进行了网格加密，共得到2 033 160 个网格，网格平均质量0.88。

3）边界条件具体参数设定。根据对赵楼煤矿7302 掘进工作面现场的实测数据分析，然后对边界条件相关参数进行了设定。假设风流为低速不可压缩流体，密度符合近似假设，可忽略由流体的黏性力做功所引起的耗散热。围岩壁面温度均匀分布，且热物性参数为常数。假设巷道壁面粗糙度均匀，所有壁面施加无滑移边界条件，假设壁面温度均匀分布，巷道围岩壁面及迎头壁温按照实测数据取平均值。计算湍流模型为Realizablek-epsilon 模型，开启能量方程，采用SIMPLE 算法，待迭代平衡后，运用CFD-Post 对结果进行分析[7-8]。具体边界条件设定为：①入口温度：23 ℃；②入口风量：300 m3/min；③抽出风管出口风速：－15 m/s；④巷道出口：自由回流；⑤围岩壁面温度：35 ℃；⑥掘进迎头温度：39 ℃；⑦掘进机壁面温度：50 ℃。

3 模拟结果

研究为了量化压入风管位置对赵楼煤矿7302掘进工作面长抽短压式通风降温效果的影响，结合矿井实际情况，固定变量压风筒距离迎头距离为20 m，通过改变压风管出风口与掘进巷道迎头端面之间的距离Lf（Lf分别设为2.5、5、7.5、10 m），对巷道内的风流速度、温度进行数值模拟，得到压风管不同布置方式下，巷道内的风流速度、温度分布规律，通过比较可以确定压风管的合理位置。

为明确抽压风量配比对赵楼煤矿7302 轨道巷掘进工作面通风降温效果的影响，结合矿井实际情况，将压入风量Q 设为300 m3/min，通过改变抽压风量配比B（B 分别设为1、1.5、2）分析7302 掘进工作面通风系统在不同抽压风量配比情况下的通风降温效果，从而得到通风效果最佳的抽压风量配比。

3.1 压风管出风口位置对风流速度的影响

不同Lf条件下掘进巷道内风流流线分布如图1。由图1 可以看出，长抽短压式通风条件下巷道内风流的运移状况要比单一压入式通风条件下更加复杂。设定距离迎头前30 m 区域为工作区域，当Lf=2.5 m 时，工作区域的局部区域的风流速度都保持在0.3 m/s 以下，风流经自由扩张后快速进入到作业区域，由于受到掘进机的阻挡作用，反向回风不畅导致作业区域的回流速度过低，不符合煤矿安全规程对空气的供给量规定的最小风速。当Lf=10 m时，由于掘进机的阻挡作用，限制了射流边界层的发展扩散，这部分风流由于掘进机的阻挡作用形成了回流，从而保证了大部分区域的风速在0.3 m/s以上。由于压风口、吸风口处的卷吸作用，在距离掘进迎头20 m 以内的区域内，形成了多个不规则涡流风流场，当Lf=7.5、10 m 时，明显风流的速度要高于其他条件下的风流速度，考虑到独头巷道的除尘效果，工作区域内的风流速度不宜过大[9-10]。

④应将统筹城乡水利基础设施和公共服务作为城乡经济社会发展一体化的重要环节。统筹考虑城乡水利基础设施建设和水利公共服务，同步纳入政府公共财政预算支出项目；建立城乡经济社会一体化发展制度，并将加快农村饮水安全建设和实施农村水环境治理作为加快发展农村公共事业的重要内容。

图1 不同Lf 条件下掘进巷道内风流流线分布Fig.1 Distribution of wind flow lines in tunneling under different Lf conditions

3.2 压风管出风口位置对风流温度的影响

不同的Lf值下，巷道后端的温度分布没有明显的差异。可以认为，巷道后端的风流主要是由回流组成的，风流与机械设备和围岩之间发生了相同的热传递，且大部分回流通过抽出风管排出巷道，只有少部分污风回流到巷道后端。相反，巷道工作区域的温度分布存在明显差异。不同Lf条件下巷道内风流速度在y=0 平面上的变化情况如图2。从图2可以看出，较小的Lf在作业区域具有更好的冷却性能，然而，Lf过小时则会起到相反的效果，因为Lf过小时，由于掘进机的阻碍作用，新鲜冷风流反向回风不畅导致作业区域的部分区域温度较高，而Lf设置为5 m 时，工作区域的平均温度最低，冷风的扩散面积最大。

综上所述，当Lf设置为5 m 时，工作区域的大部分风速符合指标，温度约为27 °C，对矿工来说较为舒适。因此，在后续分析中应采用Lf=5 m 进行研究。在优化通风降温系统时，应注意风管位置对通风降温性能的影响。

图2 不同Lf 条件下巷道内风流速度y=0 平面上的变化情况Fig.2 Changes of the air velocity in the tunnel on the y=0 plane under different Lf conditions

3.3 抽压风量配比对风流速度的影响

不同Lf值条件下巷道内风流温度在y=0 平面上的变化情况如图3。不同B 值条件下巷道内风流速度在y=0 平面上的变化情况如图4。

图3 不同Lf 值条件下巷道内风流温度在y=0 平面上的变化情况Fig.3 The change of the airflow temperature in the tunnel on the y=0 plane under different Lf conditions

图4 不同B 值条件下巷道内风流速度在y=0 平面上的变化情况Fig.4 B variation of the air velocity in the tunnel on the y=0 plane under different conditions

3 种不同抽压风量配比下，作业区域的风流速度变化不大，相反，在巷道后端风流速度产生了明显变化，当抽出风量等于压入风量（即B=1）时，巷道后端压抽重叠段风流平均速度低于0.2 m/s，当抽出风量大于压入风量（即B=1.5 及B=2）时，整个巷道中的风速基本满足相关规定，绝大部分区域大于0.3 m/s，然而当B=2 时抽风口附近得风流较紊乱，整个巷道的风速较大，使得部分污风扩散至整个巷道，对通风效果起到反作用，且会加大通风能耗。

3.4 抽压风流配比对风流温度的影响

当抽出风量大于压入风量时，可对巷道内的高温环境产生有利影响，因此混合通风可以通过适当提高抽出风量来改善巷道内的高温环境。然而，过高的抽出风量并不能有效改善巷道内的热环境，不同B 值条件下巷道内风流温度在y=0 平面上的变化情况如图5，不同B 值条件下巷道内各断面上风流温度的变化情况如图6。

图5 不同B 值条件下巷道内风流温度在y=0 平面上的变化情况Fig.5 B change of airflow temperature in the tunnel on the y=0 plane under different conditions

图6 不同B 值条件下巷道内各断面上风流温度的变化情况Fig.6 B changes of airflow temperature on each section in the tunnel under different conditions

当B=2 时，压入风管与抽出风管正负压作用下的涡流区内的风流紊乱，使得大部分高温风流扩散到巷道后端，在距离掘进迎头10 m 处的断面平均温度27.8 ℃，巷道内平均温度较高，对降温过程产生负面影响。

当B=1.5 时，抽压风流配合合理，距离掘进迎头1、5、10 m 处断面的平均温度分别为26.4、27.0、27.3℃时达到了较好的通风降温效果。

4 数值模拟与实测验证

为了全面掌握巷道中的风流参数以及验证数值模拟的有效性，根据断面与掘进迎头的选取了8 个断面，分别距离迎头1、5、10、15、20、25、30、60 m，每个巷道断面设置了4 个测量点，巷道断面测点布置图如图7。

待风机开启5 min 左右，风流场稳定后，使用风速计测量巷道内的风流速度，采用用干式温度计、红外线测温仪测量巷道内空气温度。

各测点风流速度大小、方向及风流温度大小实测数据与数值模拟对比见表1，表2。

图7 巷道断面测点布置图Fig.7 Arrangement of measuring points of tunnel cross section

表1 现场实测风流速度、方向与数值模拟对比Table 2 Field measured wind speed, direction and numerical simulation comparison

表2 现场实测风流速度与数值模拟对比Table 2 Comparison of field measured wind speed and numerical simulation

5 结 论

1）通过改变压风管出风口与掘进巷道迎头端面之间的距离Lf（分别设为2.5、5、7.5、10 m），对巷道内的风流速度、温度进行数值模拟，结果显示当Lf设置不同值时，工作区域形成的涡流场大小不一，对通风降温系统影响较大。

2）将压入风量设为Q=300 m3/min，通过改变抽压风量配比B（B 分别设为1、1.5、2）分析掘进工作面通风系统在不同抽压风量配比工况下的通风降温效果，结果显示当压入风管距离掘进迎头5 m，抽压风量配比为1.5 时，工作区域平均温度27 ℃，长抽短压式通风系统可达到最佳的通风降温效果。

3）将数值模拟结果应用到赵楼煤矿7302 轨道巷掘进工作面通风优化中，经过现场实测，实测风速与数值模拟结果平均相对误差10.07%，实测风温与数值模拟结果平均相对误差1.60%，数值模拟结果较为准确。