乌兰木伦矿辅运上山雾气成因分析及解决措施研究*

方 明

(神华神东煤炭集团 乌兰木伦煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017205)

0 引言

煤炭资源占我国能源消耗总量的60%[1]。近年来，我国煤炭产量稳步增长，2019年我国日均产煤达到10.26 Mt[2]。我国95%左右的煤炭是采用地下开采的方式生产的[3]，随着采掘机械化程度的提高，井下巷道内粉尘污染问题越来越严重[4]。喷雾除尘技术操作简单、经济高效，在煤矿井下除尘中得到了较广泛的应用[5]。但喷洒水雾后导致巷道内湿度增大可能会产生雾气[6]。巷道内雾气弥漫影响井下工作人员的视野和心情，导致工作效率下降。严重的雾气导致巷道内能见度降低，使行人和货物运输都受到严重干扰，是矿井生产的重大事故隐患[7]。为保证矿井中安全生产和正常的工作环境，必须对巷道雾气产生机理进行分析，并提出有效的治理措施。

国内外学者目前对于煤矿井下巷道起雾现象进行了部分研究：孙保民[8]对澄合王村矿夏季井下雾气严重的问题提供了理论分析；李增华等[9]通过在实验室进行模拟实验对井下局部起雾的原因进行了分析；吴吉南等[10]分析了巷道大雾的形成机理，计算了水沟流水对大雾的作用量；杨传乐等[6]对高庄煤矿上山雾气成因进行了调研，提出了简单的应对措施；祁学谦等[7]结合酸刺沟煤矿起雾的案例对产生雾气的影响因素进行了讨论。以上研究依据现场气候参数分析雾气成因，但对提出的应对措施效果未进行实际验证。对于其他地下工程中产生雾气的现象，许多学者也进行了相应的研究，刘希臣[11]研究水电站地下风洞中的雾气时，对风流与围岩的热交换建立了数学模型，并进行了求解验证；宋福元等[12]对地下海水坑道雾气成因的物理机制进行了研究，并借助热湿处理设备消除雾气；惠浩勃[13]对地下交通洞通风的效果进行了测量，并设计了1种新型风道；薛永庆等[14]利用Fluent软件对引水隧洞斜井洞内雾气的分布规律进行了研究。这些成果对研究和消除煤矿井下雾气都提供了相应的指导。

煤矿井下巷道雾气对于安全生产、运输有重大影响，同时加快设备腐蚀老化，缩短设备使用寿命。因此,本文以乌兰木伦煤矿为研究对象，研究进风风流温度和湿度、巷道岩壁温度和湿度及风流方向等对巷道气候参数的影响，分析得到巷道雾气成因，提出相应的解决措施并在现场验证。

1 矿井概况

乌兰木伦煤矿生产能力5.10 Mt/a。采用平硐、斜井两水平综合开拓方式。目前主采煤层为1-2煤层和3-1煤层。井田内地层产状平缓，煤层倾角1°～3°。其中1-2煤层标高为1 161 m，3-1煤层标高为1 105 m，2煤层通过辅运上山连接。该巷道作为运输和行人巷道，全长650 m，标高差55 m。

乌兰木伦矿通风系统示意如图1所示，矿井主要进风井2个，分别为辅运平硐和1-2煤进风立井，回风井1个。矿井总进风量为12 981 m3/min，其中辅运平硐进风量为7 255 m3/min，1-2煤进风立井进风量为3 831 m3/min。辅运平硐风流经过3-1煤北翼辅运大巷，向3-1煤各区域供风，部分风流通过1-2煤辅运上山，流经1-2煤辅运大巷，与1-2煤进风立井风流汇合，向1-2煤各区域供风。

图1 乌兰木伦矿通风系统示意Fig.1 Schematic diagram of ventilation system of Wulan Mulun mine

根据集团公司相关规定，各巷道和工作面等地点安设水幕，每班洒水2次，井下空气常年湿润，相对湿度较大。夏季煤矿正常生产时，1-2煤辅运上山有雾气析出，且随着上山的高度增加雾气越大，在上山的末端雾气最严重，并延伸至1-2煤辅运大巷，在1-2煤进风立井井底雾气完全消失。其余3个季节，1-2煤辅运上山及1-2煤辅运大巷内几乎无雾气产生。

1-2煤辅运上山是运输、行人比较频繁的主要生产巷道，1-2煤辅运上山和辅运大巷中的雾气严重，增加工人的不适感、加快设备的老化速度，因此，有必要查清雾气产生原因，并确定治理措施。

2 数值模拟方案

2.1 几何模型

由于矿井的整个通风系统庞大、复杂，模拟整个矿井通风气候参数对计算机要求较高，难以计算，因此，本文通过实测1-2煤辅运上山风流入口的空气参数确定模拟初始参数，分析在此条件下1-2煤辅运上山内气候参数变化及雾气析出情况。采用SCDM建立1-2煤辅运上山几何模型，其长X，宽Y，高Z分别为650，5，3 m，起点终点高差为55 m。采用ANSYS Fluent Meshing对所建立的几何模型进行非结构网格划分，体网格选用正六面体核心型(Poly-Hexcore)网格，该模型划分体网格最小正交质量等于0.5，最大纵横比等于7，最大扭斜度小于0.3，网格质量较高，有利于计算结果的快速收敛，其几何模型和网格划分如图2所示。

图2 1-2煤辅运上山几何模型及网格划分Fig.2 Geometric model and meshing diagram of 1-2 coal auxiliary transportation uphill

2.2 初始条件及边界条件的设定

Fluent求解器可以求解各种流体流动的控制方程，而流体的实际流动问题是复杂的，初始条件和边界条件的不同就是造成这种现象的主要原因。本文中进口边界设置为速度入口(velocity inlet)，出口边界设置为自由流出(out-flow)。巷道壁面边界设置为无滑移壁面(wall)，考虑到巷道围岩支护等，定义壁面粗糙度为0.2 m。根据乌兰木伦煤矿的精查地质报告，该矿区的恒温带深度为20 m，恒温带温度为+5.6 ℃，地温梯度为2.8 ℃/hm，地温率35.7 m/℃。根据地温预测工作面温度计算如式(1)所示：

tvr=t0+(z-z0)/g

(1)

式中：tvr为工作面温度，℃；t0为初始温度，℃；z为工作面深度，m；z0为初始高度，m；g为重力加速度，g/m2。

可计算出-200 m平均地温为17.0 ℃。根据对-200 m北翼辅运大巷延伸段掘进工作面测温孔的实际测定，原岩温度为15.8～18.0 ℃，与计算值基本相符，本文在模拟中将巷道壁面温度设置为18 ℃。由于夏季和冬季矿井外部气候相差极大，因此，本文分别针对夏季和冬季工况条件下的井下气候参数进行模拟分析。在解算方程中使用能量方程、reliablek-ε模型、PI辐射模型、组分输运模型。初始条件及边界条件设定后，采用基于压力稳定基、稳态模型以及SIMPLE算法进行求解。

3 模拟结果

3.1 冬季工况井下气候参数影响分析

乌兰木伦矿所在地冬季地面温度在-27～-2 ℃之间，空气相对湿度在28%～73%之间；实测得到1-2煤辅运上山入口处冬季风流温度为9～15 ℃，风流相对湿度为37%～81%。因此，本文选取8，10，12，14，16 ℃ 5种风流温度及45%，55%，65%，75%，85%5种风流的相对湿度。

3.1.1 进风温度对巷道气候参数影响

进风温度等因素会影响巷道内的空气温度和湿度，通过模拟得到巷道中线断面(YZ断面)上的温度和湿度分布，分析在不同进风条件下1-2煤辅运上山内的气候变化。图3为在不同进风温度条件下1-2煤辅运上山内的温度分布，此时进风相对湿度为65%。

图3 冬季工况进风温度不同时温度分布Fig.3 Temperature field distribution when inlet air temperature is different in winter

从图3中可看出，当进风温度高时，在风流和巷道壁面进行热交换之后巷道同一断面处风流温度也会更高，进风温度与巷道内的平均温度呈正相关的关系。进风温度的增加速率均呈降低趋势，这是因为巷道壁温为18 ℃，热量从岩壁到空气的传递速率与空气和岩壁间的温差正相关，随着温差的减小，风流温度上升速度变慢，观察温度方差柱状图可发现，随着进风风流温度的逐渐升高，进风风流温度与巷道壁面的温差减小，温度方差也随之逐渐减小，与巷道壁面交换的热量减少。

在进风风流的相对湿度相同时，温度的变化会影响其吸湿能力，图4为冬季工况进风温度不同时1-2煤辅运上山内湿度场分布，此时进风相对湿度为65%。

图4 冬季工况进风温度不同时湿度场分布Fig.4 Humidity field distribution when the inlet air temperature is different in winter

图4表明，冬季风流进入1-2煤辅运上山后相对湿度均呈现出先增加后减小的趋势。风流进入巷道后由于其含湿量较小，首先从巷道壁面吸收水汽，在巷道的前100 m范围内，风流相对湿度快速增加；同时由于冷空气进入井下后温度升高，风流的吸湿能力增加，导致风流在1-2煤辅运上山200 m左右到出口处空气的相对湿度逐渐减小。此外，随着进风温度的增加，巷道内相对湿度的变化幅度减小。这是因为进风温度较高时，风流本身的吸湿能力强，风流从岩壁中吸收相同水分后相对湿度变化小。当进风风流温度较低时，在巷道内会短暂的出现风流相对湿度大于100%的情况，此时会有水汽析出，产生雾气。

上述研究结果表明：冬季工况下，风流进入1-2煤辅运上山后温度逐渐增加，且随进风温度的增加增幅减小；巷道内风流相对湿度先增加后减小，在进风温度提高时，其变化幅度减小。

3.1.2 进风湿度对巷道气候参数影响

在探讨冬季工况进风相对湿度对井下气候参数的影响时，若进风风流相对湿度的变化引起井下温度的变化，则空气吸湿能力变化，从而间接影响井下风流的相对湿度。因此，应先得出冬季进风风流相对湿度不同时1-2煤辅运上山内的温度变化，其模拟结果如图5所示，此时进风温度为8 ℃。

图5 冬季工况进风相对湿度不同时温度场分布Fig.5 Temperature field distribution when relative humidity of inlet air is different in winter

从图5可看出，在进风风流相对湿度不同的条件下，1-2煤辅运上山内同一位置处温差不超过0.2 ℃，说明进风风流相对湿度的变化对巷道内温度场的影响较小，可忽略不计。

在进风温度一定时，进风风流中所含有的水分直接影响1-2煤辅运上山内空气的相对湿度。图6为冬季工况进风风流相对湿度不同时，1-2煤辅运上山内的湿度场分布，此时进风温度为8 ℃。

图6 冬季工况进风相对湿度不同时湿度场分布Fig.6 Humidity field distribution when relative humidity of inlet air is different in winter

由模拟结果可知，进风温度相同时，进风风流相对湿度越大，空气中所含水分越多，在风流和巷道壁面进行水汽交换后巷道同一断面处风流相对湿度也会越大；风流进入1-2煤辅运上山后相对湿度均呈先快速增加后逐渐减小的趋势。风流进入1-2煤辅运上山后，由于风流与巷道岩壁之间存在水汽浓度差，风流快速吸收水分使得相对湿度快速增加。在进风相对湿度大于65%时，巷道内100～300 m范围内有雾气产生。此后，由于空气温度升高，风流吸湿能力增加，巷道内风流的相对湿度减小，最终趋近于巷道岩壁相对湿度。

上述研究结果表明：冬季工况进风相对湿度的变化对巷道内空气温度几乎无影响；对巷道内相对湿度的影响较大，进风风流的相对湿度越大，巷道内空气的相对湿度也越大。

3.2 夏季工况井下气候参数分析

乌兰木伦矿夏季地面温度在15～39 ℃之间，空气相对湿度在35%～96%之间；实测得到1-2煤辅运上山入口处夏季风流平均温度在16～25 ℃之间，风流相对湿度在58%～92%之间，因此，本文选取15，17，19，21，23 ℃ 5种风流温度以及55%，65%，75%，85%，95% 5种风流的相对湿度。

由于巷道岩壁的热容量较大，巷道壁面温度变化较小，因此，在模拟中仍将壁面温度设置为18 ℃。夏季由于井下绝对湿度升高，所以将壁面相对湿度设置为90%，保持其他影响因素不变，利用数值模拟得到井下夏季的气候参数。通过计算不同YZ断面上的平均温度、平均相对湿度，得到在不同的进风条件下1-2煤辅运上山内温度及相对湿度分布场。

3.2.1 进风温度对巷道气候参数影响

夏季工况下，首先探讨进风温度的变化对井下温度的影响，图7为不同进风温度下1-2煤辅运上山的温度分布，此时进风相对湿度为75%。

图7 夏季工况进风温度不同时温度场分布Fig.7 Temperature field distribution when the inlet air temperature is different in summer

从图7中可看出，夏季工况下，进风温度不同，在1-2煤辅运上山的前400 m范围内温差较大，进风温度越高，巷道内温度越高；在400～650 m之间由于巷道内空气不断与岩壁进行热交换，使得风流温度均趋近于岩壁温度。图7中温度方差图表明进风风流温度和岩壁的温差越大，巷道内气流温度方差也越大；当温差相同时，巷道内温度的方差几乎相同。

这些结果说明巷道内岩石的传热是除了地下热水等因素外巷道壁热的主要来源。当巷道壁热与风流温度不同时，遵循热力学定律，它将不可避免地发生热交换，且均是从温度高的物体向温度低的物体传递热量。巷道岩壁和风流之间的温差越大，传递的热量越多；温差相同时，风流吸收的热量和释放的热量几乎相等。

进风温度的高低影响风流的吸湿能力，在相同相对湿度的情况下也影响着进风风流的含湿量。图8为进风相对湿度为75%时，不同温度下1-2煤辅运上山内空气的相对湿度。

图8 夏季工况进风温度不同时湿度场分布Fig.8 Humidity field distribution when the inlet air temperature is different in summer

从图8可发现，风流进入1-2煤辅运上山后，相对湿度在巷道前200 m范围内快速增加，200～650 m间增幅减小，最终空气的相对湿度都超过了100%，巷道内弥漫雾气。进风温度越高，沿程相对湿度越高，析出的水分越多，雾气越严重。

由于进风风流与巷道岩壁之间的水汽浓度差，在1-2煤辅运上山的前200 m范围内，风流从巷道岩壁吸收水分，使得自身相对湿度增加。与此同时，风流与巷道岩壁之间发生热交换，温度高于巷道岩温的进风风流温度下降，使得热空气的吸湿能力下降，有更多的水分析出；温度低于巷道岩温的进风风流温度增加，巷道内相对湿度的增加速率大大减缓。

通过对夏季工况进风温度对井下温度、湿度的影响分析发现，不同温度的空气进入井下后其温度均趋近于巷道岩温；巷道内相对湿度逐渐增加，且进风温度越高，巷道内相对湿度越高，最终都有雾气产生。

3.2.2 进风湿度对巷道气候参数影响

进风风流的相对湿度对井下空气的温度几乎无影响，此处仅讨论进风相对湿度的变化对于井下空气相对湿度的影响。夏季不同进风相对湿度条件下1-2煤辅运上山内空气相对湿度分布如图9所示，此时进风温度为19 ℃。

图9 夏季工况进风相对湿度不同时湿度场分布Fig.9 Humidity field distribution when relative humidity of inlet air is different in summer

从图9可看出，夏季温度较高的风流进入井下巷道后相对湿度先增加后趋于稳定，且最终相对湿度都超过了100%。具体地说，在1-2煤辅运上山前200 m范围内，进风空气从巷道岩壁中吸收水分，风流相对湿度迅速增加，此后保持较高的相对湿度。进风风流相对湿度越高，井下空气相对湿度越高，在进风相对湿度达到95%时，巷道50 m处的空气相对湿度就已经超过了100%，巷道内雾气严重。

3.2.3 风流量对巷道内相对湿度的影响

从上述分析可发现，当进风温度较高、湿度较大时，1-2煤辅运上山内雾气问题较为严重。风流量的变化会改变风流与巷道岩壁之间的水分交换程度，进而影响巷道内雾气浓度。本文选取1，2，3，4，5 m/s 5种不同进风速度，对1-2煤辅运上山内湿度场进行模拟，结果如图10所示，此处进风温度为15 ℃、进风相对湿度为75%。

图10 夏季工况进风速度不同时湿度场分布Fig.10 Humidity field distribution when velocity of inlet air is different in summer

图10表明，进风速度不同时，1-2煤辅运上山内湿度变化趋势相同，均呈现出先快速增加后趋于稳定的状态。随着风速的增加，巷道内相对湿度略有减小，风速的变化对巷道内湿度场的影响不大。这是因为进风风流本身含湿量较大，在进入巷道后的风流从巷道岩壁快速吸收水分，风流与巷道岩壁间水分交换充分，在进入巷道200 m处风流已达到或接近饱和，此时仅改变风速对巷道内雾气的缓解作用较小。夏季工况下，巷道内有不同程度的雾气析出，威胁井下安全生产，应采取有效措施及时消除雾气。

4 巷道雾气成因分析及解决措施

4.1 巷道雾气成因分析

通过上述研究可以得出影响雾气生成的主要因素包括：

1)雾气的出现与进风温度、湿度有关。由于乌兰木伦煤矿紧挨乌兰木伦河，矿井周围空气湿度较大，一般为45%～55%，较该地区空气的平均相对湿度大8%～10%，此外该矿进风辅运平硐围岩含水量大、有淋水。风流在入井过程中沿途吸收水分，到达井底时含湿量大大增加，其相对湿度可达60%以上。夏季风流的温度高于进风辅运平硐和进风大巷，风流流经4 km的湿润巷道到达1-2煤辅运上山入口时风流接近饱和状态。风流在1-2煤辅运上山中仍然吸收水分、温度下降，空气呈过饱和状态，不断有水分析出，形成雾气。冬季进风风流相对湿度大，温度较低时也会出现短暂的雾气。

2)雾气的出现与巷道岩壁的相对湿度有关。风流进入井下巷道后，由于风流中的水汽与巷道岩壁中水汽存在浓度差，相对湿度发生变化。从整体而言，在进风风流相对湿度相同的情况下，雨雪天巷道岩壁含湿量越大，则巷道岩壁向风流中传递的水汽量越大，导致巷道内风流相对湿度越大。

3)雾气的出现受巷道岩温的影响。由数值模拟结果可知，巷道内风流温度最终稳定在巷道岩温附近，而温度能影响空气的吸湿能力，进而影响风流的相对湿度。

4.2 解决措施

基于巷道气候参数影响因素及雾气成因分析，降低进风风流湿度是解决巷道雾气成因的主要措施。

巷道岩壁的相对湿度、温度等因素的影响无法轻易改变，此时可考虑调整通风系统的风量分布，改变1-2煤辅运上山的风向，使上行风改变为下行风,具体的调整措施：将3-1煤北翼辅运大巷与3-1煤北翼回风大巷顶头段调节风窗断面减小，增加3-1煤通风系统阻力；将1-2煤辅运大巷与1-2煤胶运大巷入口处风门敞开，降低1-2煤通风阻力；将1-2煤进风立井风量由3 831 m3/min调节至6 855 m3/min；将辅运平硐风量由7 255 m3/min调节至4 266 m3/min；通过一系列调节，改变1-2煤辅运上山风流方向，上行风改变为下行风。

根据相关文献[15]的计算方法，得到调整风向后1-2煤辅运上山岩壁温度为18.5 ℃，相对湿度为72%；冬季巷道入口处温度在7.9～13.6 ℃之间，相对湿度在32%～68%之间；夏季的入口处温度在17.6～25.3 ℃范围内，风流相对湿度在43%～82%之间。由于冬季在进风风流相对湿度较大、温度较低时，夏季在进风风流相对湿度较大、进风温度较高时，井下容易产生雾气，所以在风向调整后选取进风温度、湿度分别为(8 ℃，70%)，(25 ℃，85%)的组合，模拟井下气候参数。结果如图11～12所示，其中(a)为冬季工况，(b)为夏季工况。

图11 风向调整后1-2煤辅运上山内的温度场分布Fig.11 Temperature field distribution of 1-2 coal auxiliary transport uphill after wind direction adjustment

在风向调整后，由于地面空气到达1-2煤辅运上山入口处的距离大大缩小，其温度、湿度的变化随之减小。风流进入1-2煤辅运上山后，与巷道岩壁进行热量交换，最终温度稳定在壁温附近；同时风流吸收周围环境中的水分，从图12中看出，巷道内风流的相对湿度均低于92%，没有水雾析出，井下雾气问题得到有效治理。

图12 风向调整后1-2煤辅运上山内的湿度场分布Fig.12 Humidity field distribution in 1-2 coal auxiliary transport uphill after wind direction adjustment

5 结论

1)冬季工况下风流进入1-2煤辅运上山后，沿巷道走向风温逐渐升高；夏季工况下，进风温度较高时巷道内温度逐渐下降，进风温度较低时巷道内温度逐渐升高，不同工况下巷道内空气温度均逐渐趋近于岩壁温度。冬季工况下随进风温度的升高巷道内相对湿度变化幅度减小；夏季工况下进风温度越高，巷道内空气的相对湿度也越高。冬季工况下风流进入1-2煤辅运上山后相对湿度先增加后减小，夏季工况下相对湿度随进风温度的增加而增加。进风速度的变化对巷道内湿度相对湿度也有影响，进风速度越大，巷道内相对湿度越小。不同工况下，进风相对湿度的变化均对巷道内空气的温度几乎无影响，巷道内相对湿度均随进风相对湿度的增大而增大。

2)雾气的出现主要与进风风流温度、湿度、进风速度有关。风流进入1-2煤辅运上山之前沿程吸收水分，温度下降，吸湿能力下降，相对湿度增加。进入1-2煤辅运上山后岩壁湿度较大，风流仍然吸收水分；空气温度趋近于岩壁温度，吸湿能力变化，当空气过饱和时就会有水分析出，形成雾气。

3)增加乌兰木伦煤矿1-2煤进风立井风量，调整通风系统，使1-2煤回风上山风流为下行风，风流从地面到达1-2煤辅运上山的距离减小，夏季风流从巷道岩壁吸收的水汽减少，温度下降的较少，吸湿能力较大，可以彻底消除1-2煤辅运上山内的雾气。