井下巷道-矿车系统风流扰动特征规律实验研究*

司俊鸿，孙金华，李 林，胡 伟，李沂蔓，李 潭

(1.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026；2.华北科技学院 应急技术与管理学院，河北 廊坊 065201)

0 引言

矿井通风系统安全稳定运行是矿井安全生产的重要前提和保障[1]。矿车作为井下常用运输设备，其与井下巷道构成的巷道-矿车系统是影响矿井通风系统风流扰动的主要因素之一。受矿车运行状态、行驶位置影响，巷道-矿车系统的等效风阻动态变化，使得矿井通风网络各分支风量重新分配[2]，对于井下角联巷道极易出现微风、无风现象[3]。当巷道风量不满足《煤矿安全规程》规定的井下巷道风速、用风地点需风量要求时，严重影响矿井安全生产。

车辆运行与通风系统的关系研究起源于隧道通行车辆引起的空气动力学问题，大量研究成果集中在地铁隧道领域，通过分析高速列车在隧道中运行产生的活塞效应，研究活塞风形成机理。基于动网格法和动量源项法的计算机数值模拟[4]以及现场实测[5-7]方法确定单向行车[8]、车辆交错[9]时活塞风对隧道风阻系数的影响[10]。

煤矿井下矿车运行对通风系统风流扰动的研究主要集中在矿车参数对活塞风效应的影响。王文才等[11]基于计算流体力学数值模拟方法，研究了单一巷道中活塞风效应影响因素以及活塞风对通风系统的影响；王从陆等[12]研究了矿车运行时活塞风速度场、空气流场和压力分布情况，得出了矿车附近区域风速变化较大；邬长福等[13]采用控制变量法研究了矿车速度、巷道风速和阻塞比对井巷活塞风效应的影响；谢中朋[14]建立了通风系统稳定性数学模型，研究了矿车运行状态对通风系统的影响，得出了通风困难时期活塞风对通风系统的影响严重；张宏杰等[15]研究了车辆行驶与巷道通风阻力的关系，推导了车辆运行巷道百米阻力经验公式；李义杰[16]通过Fluent软件研究了矿车运行状态、运行长度对巷道通风阻力以及风阻的影响；彭云等[17]研究了矿车状态与活塞风效应的关系，得出了矿车尾部和底部活塞风效应较强，空载时对通风阻力的影响较大。

随着监测监控技术的提升，获取有效的通风系统基本参数，研究风流扰动的基本特征规律，确定巷道-矿车系统对矿井通风系统的扰动风阻，提出保障矿井通风系统安全稳定运行的自适应调节技术，是矿井智能化通风系统发展面临的瓶颈[18-19]。

本文基于巷道风流扰动原理，提出巷道-矿车系统风流扰动模式以及表征巷道-矿车系统风流扰动特征的关键参数，建立相关数学模型，采用实验方法研究巷道-矿车系统的风流扰动特征规律，为矿井通风系统的智能化调控提供理论依据。

1 巷道-矿车系统风流扰动模式

巷道空间为半封闭式受限空间，矿车可视为空间正面阻力物。当矿车在巷道中行驶时，占据巷道部分空间，导致巷道断面发生动态改变，起到调节风窗增阻作用。矿车运行时，巷内风流受限于矿车车身、巷道两帮以及顶底板，机械能与风流场耦合，发生能量交换，风流流速以及矿车前后压差发生改变，导致巷内风流紊乱，巷道-矿车系统的等效风阻发生变化，其变化量与矿车的物理参数以及运行状态相关。

当矿车运行方向与巷道风流方向一致，即顺风行驶，且矿车行驶速度大于巷道风速时，矿车的机械能对风流场作正功，增加了风流能量，对通风系统进行了增压调节，有利于矿井通风；当矿车顺风行驶，但行驶速度小于巷道风速，或矿车行驶方向与巷道风流方向相反，即逆风行驶时，均会导致巷道内风量减少，甚至出现局部反风，同时增加巷道风阻，即对通风系统进行了增阻调节。由此可见，矿车运行对原通风状态造成扰动，从正扰动和负扰动2方面影响通风系统稳定性。

2 巷道-矿车系统风流扰动影响因素

巷道-矿车系统风流扰动与矿车运行状态、矿车位置、矿车在巷道内的阻塞比、阻力损失、巷道风阻等因素密切相关，其中巷道风阻、巷道断面积、巷道长度、矿车长度、矿车横截面积是固定物理常数，巷道风速、巷道阻力损失、矿车行驶速度、行驶时间、运行状态等参数可通过监控系统获取数据，在此基础上，提出扰动风阻、阻塞比、矿车位置3个参数表征巷道-矿车系统的风流扰动特征。巷道-矿车风流扰动影响因素如图1所示。

图1 巷道-矿车系统风流扰动影响因素Fig.1 Influencing factors for airflow disturbance of roadway-harvester system

1)矿车位置

矿车运行位置与矿车运行状态、巷道长度、矿车长度、矿车行驶速度、行驶时间等因素有关，矿车与某条巷道的相对位置主要包括以下5种情况：矿车未驶入此巷道、矿车部分车体驶入巷道、矿车全部车体在此巷道、矿车部分车体驶出巷道、矿车全部车体在此巷道运行。矿车运行位置能够引起巷道断面变化，对通风系统风量、风压分配以及局部阻力造成影响。

2)阻塞比

阻塞比是矿车横截面积与巷道断面积比值，用于描述有效通风断面。阻塞比值影响空间正面阻力物在风流垂直方向上的投影大小，投影越大巷内风流越容易受压，扩大扰动范围。

3)巷道扰动风阻

巷道扰动风阻指矿车所在分支风阻的变化量，与巷道风速、风阻、阻力损失、矿车相对位置和阻塞比有关。当矿车在巷道内行驶时，巷内风流流速大小和方向遇矿车发生瞬时改变，风流分子与矿车猛烈撞击并产生摩擦，导致巷内矿车附近空气分子运动加快，流体间能量流失。风流沿巷道流动过程中，流体与流体、流体与巷道壁面之间发生碰撞，产生摩擦阻力。因此，阻力损失是矿车的正面阻力和摩擦阻力。

3 巷道-矿车系统风流扰动数学建模

井下风流流动满足气体流动非恒定流伯努利方程。矿车在通风网络中的位置示意如图2所示，根据矿车运行位置A，1，2，3，4，B，建立巷道AB扰动风阻ΔRAB的计算模型。

图2 矿车位置示意Fig.2 Schematic diagram for positions of harvester

矿车位于位置1时，未驶入巷道AB，没有对巷道风流造成扰动，故巷道扰动风阻ΔRAB=0。巷道风阻计算如式(1)所示：

(1)

矿车位于位置2时，部分车体驶入巷道AB。以巷道为参照系，矿车在巷道内行驶满足连续性方程如式(2)所示：

v0·S0=vs·(S-S0)+v·S

(2)

式中：v0为矿车行驶速度，m/s；S0为矿车横截面面积，m2；vs为矿车截面和巷道断面所构成空间的气流速度，m/s；v为巷道AB的风速，m/s，风流方向由A到B。

矿车在巷道内的阻塞比α计算如式(3)所示：

(3)

由式(2)和式(3)联合求解得到气流速度，如式(4)所示：

(4)

以矿车的迎头为截面，矿车头部断面1与巷道起点断面A之间以及与巷道末点断面B的气流非恒定流伯努利方程如式(5)所示：

(5)

式中：P1，PA，PB分别为1,A,B点处空气静压，Pa；g为重力加速度，一般取9.8 m/s2；hA,h1，hB分别为位置A，1，B点的标高，m；x为矿车进入巷道AB部分的长度(A点为零点)，m。设l0为矿车长度，当矿车位于位置2时，x≤l0。

令T=PA-PB+ρg(hA-hB)，表示AB2点的静压差和位压差之和，求解式(5)得式(6)：

(6)

令Ki=(ξi+λix/ds)/(1-α)2，i=1,2,3,4。其中，ξi，λi分别为矿车截面和巷道断面剩余空间的局部和沿程阻力系数；ds为该区域空间的当量直径，m。

结合风阻计算公式，得出矿车运行时巷道扰动风阻ΔRAB计算式(7)：

(7)

式中：RA1，R1B分别表示位置A点到1点和1点到B点的风阻，kg/m7。

矿车位于位置3时，矿车全部车体在某条巷道运行。当l0≤l时，矿车未占满巷道。如图2所示，位置3处将巷道分成3段。设矿车一端断面2与断面A的距离为z，则断面3与断面B的距离为l-l0-z，矿车运行时巷道扰动风阻如式(8)所示：

(8)

式中：RA2，R23，R3B分别表示位置A点到2点，2点到3点，3点到B点的风阻，kg/m7。

矿车位于位置4时，部分车体驶出某条巷道。以断面4为切面，可将巷道分为有车和无车两部分，设y为矿车未驶出巷道AB部分的长度(B点为零点)，m，y≤l0。非恒定流伯努利方程如式(9)所示：

(9)

式中：P4为位置4点的空气静压，Pa；h4为位置4点的标高，m。

联合式(4)和式(9)，可得式(10)：

(10)

矿车运行时巷道扰动风阻如式(11)所示：

(11)

此外，当矿车车体长度大于巷道AB的长度时，l0>l，此时巷道风流流动属于定常流动，受矿车运行扰动后，巷道扰动风阻如式(12)所示：

(12)

Ki按Абрамовец公式简化计算，如式(13)所示：

(13)

式中：x为矿车在巷道中的长度，m。

联合式(6)和式(10)，得出巷道-矿车系统的风速v。由于α，hA，hB，l，l0固定，ρ为常数，因此，只需测定v0，v′，t，PA，PB，即可计算巷道扰动风阻。

4 巷道-矿车系统风流扰动实验研究

4.1 实验模型

为减少风门、罐笼、井筒等其他扰动对矿井通风系统的影响[20]，采用矿井通风仿真监控实验系统研究矿车运行过程中风流的变化。实验系统由模拟巷道、风速传感器、压力传感器、变频风机及控制系统组成，电机最大频率为50 Hz，风速、压力等传感器通过实现相应功能的变送器与数显显示器连接，可实时监测并获取巷道风量、风压参数，如图3所示。

图3 实验系统Fig.3 Experimental system

实验巷道选取易于矿车通行的井底大巷段，巷道长度为4.5 m，巷道断面为矩形，长度为0.3 m，宽度为0.3 m。矿车采用矩形模块替代，矿车以速度0.25 m/s逆风行驶。倾斜压差计测量巷道两端的压差变化，校正系数为0.2，测点布置方案如图4所示。

图4 测点布置示意Fig.4 Schematic diagram for layout of measurement points

4.2 数学模型验证

采用模拟巷道实测数据对矿车扰动数学模型进行验证分析。水平巷道势能为0，两端压差计读数为15 mmH2O。α=0.36，v0=0.25 m/s，ρ=1.2 kg/m3，λ=0.04，ξ=0.33，d=0.34 m。当矿车运行至位置2处时，x=0.05 m；位置4处y=0.05 m；当矿车运行至位置3处时，x=l0=0.1 m。根据式(6)、式(8)和式(11)分别计算出矿车在巷道不同位置时的扰动风阻值，对比结果见表1。

表1 扰动风阻计算值与实测值误差分析Table 1 Error analysis between calculated values and measured values of disturbance wind resistance

由表1可知，数学模型求解结果与实测数据基本匹配，位置3点的误差最大，为6.84%。

4.3 巷道风速与扰动风阻的关系

利用变频风机研究电机频率分别为15，20，25，30，35，40 Hz时，巷道风速与巷道-矿车系统扰动风阻的关系。矿车长度为0.1 m，宽度为0.18 m，高度为0.18 m，巷道阻塞系数为0.36，不同电机频率与巷道风速的关系如图5所示。

图5 电机频率与巷道风速关系Fig.5 Relationship between motor frequency and roadway wind speed

由图5可知，随着电机频率的增加，巷道风速呈线性递增关系。通过对矿车在巷道不同位置运行时巷道两端压差计读数测量，得出不同巷道风速下矿车运行至不同位置时巷道压差计读数，如图6所示。

图6 不同电机频率下矿车位置与巷道压差关系Fig.6 Relationship between harvester position and roadway pressure difference under different motor frequencies

由图6可知，随着电机频率由15 Hz增加到40 Hz，矿车由B点向A点运行过程中，当矿车运行至断面B处时，巷道的压差由8 mmH2O增加到42 mmH2O，增长率为425%；当矿车运行至断面A处时，巷道的压差由6 mm H2O增加到21 mmH2O，增长率为250%；当矿车在巷道中间(断面1，2，3)运行时，压差由7～8 mmH2O增加到41～43 mmH2O，增长率为438%～486%。当电机频率较大时，矿车对巷道-矿车系统压差的影响较大，对巷道风流造成的扰动较强。因此，矿车逆风运行时，驶出巷道时刻对巷道-矿车系统风流扰动的影响大于驶入时刻。

根据阻力定律计算得出矿车运行至巷道不同位置时，巷道风阻随风速的变化规律如图7所示。

图7 不同风速下矿车位置与巷道风阻关系Fig.7 Relationship between harvester position and roadway wind resistance under different wind speeds

由图7可知，随着巷道风速由2.88 m/s增加到9.75 m/s，矿车由B点到A点运行过程中，当矿车运行至B点时，巷道-矿车系统的风阻由233.20 kg/m7降低至106.99 kg/m7；运行至A点时，巷道-矿车系统的风阻由174.90 kg/m7降低至53.50 kg/m7。当巷道风速较小时，矿车对巷道-矿车系统风阻的影响较大。随着矿井通风系统供风量的增大，巷道-矿车系统的风阻逐渐减小。

当矿车驶入B点时巷道风阻变化较小，矿车在巷道中运行过程中(由断面B处向断面A处)，巷道风阻变化也较小，当驶出A点时，巷道风阻变化较大。因此，巷道-矿车系统风阻的波动主要发生在矿车驶出巷道时刻，尤其在小风速巷道逆风运行时。

4.4 阻塞比与扰动风阻的关系

当电机频率为25 Hz，矿车长度为0.1 m，矿车截面(宽×高)分别为0.09 m×0.05 m，0.09 m×0.09 m，0.18 m×0.09 m，0.18 m×0.15 m，0.18 m×0.18 m时，矿车行驶至巷道断面2处的压差测定结果见表2。

由表2可知，阻塞比由0增加到0.36时，巷道-矿车系统的压力差由2.5 mmH2O增加到15 mmH2O，巷道风速由3.31 m/s降低到3.07 m/s，巷道-矿车系统的风阻由55.21 kg/m7增加到385.11 kg/m7。绘制出阻塞比与巷道风阻的关系，如图8所示。

表2 阻塞比与巷道压差关系Table 2 Relationship between blocking ratio and roadway pressure difference

由图8可知，巷道-矿车系统风阻随着矿车截面的增大而增大，即矿车在小断面巷道中运行时对通风系统产生的扰动大于大断面巷道。矿车在巷道内的阻塞比与巷道风阻基本呈现线性递增关系。因此，井下矿车运输设计应优先选择大断面、大风速巷道。

图8 阻塞比与巷道风阻的关系Fig.8 Relationship between blocking ratio and roadway wind resistance

5 结论

1)提出巷道-矿车系统风流扰动模式，建立巷道-矿车系统风流扰动影响因素体系，得出表征巷道-矿车系统的风流扰动特征参数，包括巷道扰动风阻、阻塞比和矿车位置。

2)推导巷道-矿车系统的等效扰动风阻计算模型，利用矿井通风仿真监控实验系统进行模型验证，数学模型求解结果与实测数据的最大误差为6.84%。

3)实验研究巷道风速、阻塞比与巷道-矿车系统扰动风阻的关系。当矿车逆风运行时，巷道-矿车系统风阻的波动主要发生在矿车驶出巷道时刻。小风速、小断面巷道行驶的矿车对巷道-矿车系统的扰动风阻影响大于大风速、大断面巷道。