礦井巷道內(nèi)的通風(fēng)數(shù)值模擬

關(guān) 龍

(武漢工業(yè)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430023)

隨著礦山機(jī)械化程度和礦井生產(chǎn)能力的提高、設(shè)備尺寸變大、運(yùn)行速度提高，開(kāi)采深度增加，通風(fēng)路線增長(zhǎng)，使得井下溫度提高，粉塵及氣體有害物不易驅(qū)除，由此，通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性在礦井生產(chǎn)中顯得格外重要。

地下礦山通道由一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)構(gòu)成，主要有礦井巷道、通風(fēng)構(gòu)建物、通風(fēng)動(dòng)力裝置及為地下采礦服務(wù)的其他裝備設(shè)施，整個(gè)礦井除通風(fēng)與地表連接的通風(fēng)口，人員、設(shè)備出入口外，其他部分基本與大氣隔絕。當(dāng)?shù)V井通風(fēng)時(shí)，由于井巷對(duì)空氣的束縛作用及空氣與井壁面、提升運(yùn)輸設(shè)備表面產(chǎn)生摩擦作用，產(chǎn)生一股誘導(dǎo)風(fēng)流，使得井下空氣流通出現(xiàn)異常，影響了礦井巷道的通風(fēng)穩(wěn)定性。同時(shí)，在我國(guó)礦山通風(fēng)安全要求井下工人作業(yè)地點(diǎn)的空氣溫度不得大于28℃［1］。為保證礦山安全正常生產(chǎn)，及時(shí)的通風(fēng)降溫更是必要的。

1 研究現(xiàn)狀

礦井巷道內(nèi)的氣體流動(dòng)分布狀態(tài)的好壞直接影響到風(fēng)網(wǎng)阻力，尤其局部的渦流大小會(huì)直接影響到瓦斯的排放效果：傳統(tǒng)的技術(shù)是只能通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)的瓦斯檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，對(duì)于出現(xiàn)通風(fēng)不良的原因及位置難以得到確認(rèn)：CFD流動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，使得復(fù)雜流動(dòng)系統(tǒng)的模擬成為可能［2］。

在數(shù)值模擬中，一般礦井采掘巷道設(shè)定為局部壓入式通風(fēng)，它是在巷道內(nèi)的受限附著射流。由于空間受限及風(fēng)流的連續(xù)，采掘巷道通風(fēng)分為貼壁射流、沖擊射流、回流三區(qū)［2］。局部通風(fēng)，其任務(wù)是將新鮮的風(fēng)流引到工作面，排除工作面的炮煙、礦塵等污濁空氣，保證作業(yè)人員在良好的環(huán)境下作業(yè)。局部通風(fēng)方法有總風(fēng)壓通風(fēng)、引射器通風(fēng)、擴(kuò)散通風(fēng)和局扇通風(fēng)，其中局扇通風(fēng)是目前礦井最常采用的一種通風(fēng)方法。按照局扇的工作方法，局扇通風(fēng)可分為壓人式通風(fēng)、抽出式通風(fēng)和混合式通風(fēng)［3］。巷道內(nèi)的氣體流動(dòng)的模擬求解，采用標(biāo)準(zhǔn)方程，對(duì)壁面的處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

現(xiàn)有的數(shù)值模擬對(duì)井下巷道內(nèi)的通風(fēng)流模擬較多，量化的研究風(fēng)速與溫度傳遞，特別是風(fēng)速對(duì)于不同區(qū)間的作用較少。

2 礦井巷道的數(shù)值模型

2.1 物理模型

采掘巷道壓入通風(fēng)的通風(fēng)口一般布置在巷道側(cè)壁，通風(fēng)口的位置在巷道的中部，故建立圖1所示的三維幾何模型，巷道斷面尺寸為2.5×3 m，通風(fēng)口距迎頭為10 m，風(fēng)口直徑為300 mm。

圖1 礦井巷道物理模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

礦井內(nèi)通風(fēng)的空氣流動(dòng)為紊流流動(dòng)狀態(tài)，風(fēng)流的壓縮性表現(xiàn)在其密度隨時(shí)間、壓力、位置的變化而變化，為方便模擬，一般情況下，將礦井巷道內(nèi)的風(fēng)流設(shè)為不可壓縮性流體。標(biāo)準(zhǔn)的紊流模型方程在工程計(jì)算中，應(yīng)用的最為廣泛，它是積分到壁面的不可壓縮紊流的兩方程渦黏性模式。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，作出以下假設(shè)。

(1)礦井巷道內(nèi)空氣流動(dòng)為三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，流體的紊流黏性具有各項(xiàng)同性。

(2)巷道內(nèi)的氣體為不可壓縮氣體，符合Boussinesq假設(shè)，流體密度變化僅對(duì)浮力產(chǎn)生影響。

(3)可忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱。

(4)忽略巷道圍巖的熱輻射，壁面條件為無(wú)滑移邊界條件且壁面以絕熱處理。

(5)假設(shè)壁面的風(fēng)量不可滲透，在壁面出擴(kuò)散通量為0。

方程如下：

連續(xù)方程

運(yùn)動(dòng)方程

能量方程

紊流動(dòng)能方程(k方程)

紊流動(dòng)能耗散率方程(ε方程)

其中G為紊流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)：

式中，μt紊流黏性系數(shù)，

ρ為空氣密度，kg/m3;p為時(shí)均壓力，pa，T為空氣溫度，K;pr為充分紊流時(shí)的普朗特系數(shù);q為熱流密度，w/m3;Cp為空氣定壓比熱，kJ/kg·K;k為紊流動(dòng)能，m2/s2;ε為紊流動(dòng)能耗散率m2/s3;μ為層流動(dòng)力粘性系數(shù)，pa·s;μt為紊流動(dòng)力粘性系數(shù)，pa·s;c1，c2，cμ，σt，σk，σε為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。分別取值為 1.44，1.92，0.09，0.9，1.0，1.3。

2.3 邊界條件

該物理模型，以壓入式風(fēng)口出口為入口邊界，以風(fēng)口的另一端的巷道斷面為出口邊界;入口邊界類(lèi)型設(shè)為速度入口(velocity-inlet)，出口邊界類(lèi)型設(shè)為壓力出口(pressure-outlet)。

3 網(wǎng)格劃分和數(shù)值計(jì)算

采用圖1所示的物理模型，取Y坐標(biāo)自巷道底部向上，x坐標(biāo)自通風(fēng)口向工作面，利用Fluent前處理器 GAMBIT對(duì)所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分［4］。選擇k-ε紊流方程，應(yīng)用有限差分法和網(wǎng)格離散控制方程組，采用simple算法求解離散控制方程。壓力場(chǎng)對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)差分格式［5］。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

采用兩種工作狀況對(duì)礦井巷道進(jìn)行數(shù)值模擬，并從不同情況下的數(shù)值模擬結(jié)果中選取了Z=1.25，X=0.5，5，9.5的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

(1)風(fēng)速為1.5 m/s，4.5 m/s時(shí)，Z=1.25 送風(fēng)溫度為300 k(約25℃)，巷道內(nèi)溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 速度為1.5 m/s時(shí)溫度場(chǎng)

圖3 速度為4.5m/s時(shí)溫度場(chǎng)

圖2為速度為1.5 m/s時(shí)，巷道內(nèi)Z=1.25溫度場(chǎng)(上)，壁面溫度場(chǎng)(下)。

圖3速度為4.5 m/s時(shí)，巷道內(nèi)Z=1.25溫度場(chǎng)(上)，壁面溫度場(chǎng)(下)。

(2)風(fēng)速為1.5 m/s，4.5 m/s時(shí)，Z=1.25 送風(fēng)溫度為300 k(約25℃)，巷道內(nèi)速度場(chǎng)的模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同風(fēng)速的巷道內(nèi)速度場(chǎng)對(duì)比圖

圖4為巷道內(nèi)Z=1.25處，速度為1.5 m/s時(shí)速度場(chǎng)(上)，速度為4.5 m/s速度場(chǎng)(下)。

(3)風(fēng)速分別為1.5 m/s，4.5 m/s時(shí)，在巷道內(nèi)不同位置 X=0.5，5，9.5，送風(fēng)溫度為300 k(約25℃)，巷道內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的模擬結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 溫度場(chǎng)不同截面對(duì)比圖

圖5速度為1.5 m/s時(shí)，巷道內(nèi) X=0.5，5，9.5溫度場(chǎng)(上從左至右)，速度為4.5 m/s時(shí)，巷道內(nèi)X=0.5，5，9.5 溫度場(chǎng)(下從左至右)。

圖6 速度場(chǎng)不同截面對(duì)比圖

圖6為速度為1.5 m/s時(shí)，巷道內(nèi)X=0.5，5，9.5速度場(chǎng)(上從左至右)，速度為4.5 m/s時(shí)，巷道內(nèi) X=0.5，5，9.5速度場(chǎng)(下從左至右)。

對(duì)比圖2和圖3，可以看出，當(dāng)速度為1.5 m/s時(shí)，巷道內(nèi)溫度還是保持在較高的溫度值上，后部有所減弱，但并不能較好的起到減低溫度的作用。相比較當(dāng)溫度達(dá)到4.5 m/s時(shí)，巷道內(nèi)和壁面溫度普遍較低，風(fēng)流能較好的與后部溫度進(jìn)行熱交換。

對(duì)比圖4，圖5，圖6，風(fēng)流從風(fēng)口流出的開(kāi)始階段，速度較大，在模擬的礦井巷道的前中部形成紊流，后部由于空間的限制，射流的氣體與返回的氣體形成渦旋，當(dāng)速度達(dá)到4.5 m/s時(shí)，回流氣體能夠較好的降低后部的溫度，且通風(fēng)效率明顯比1.5 m/s要好，后者在通風(fēng)過(guò)程中，由于受到巖壁的摩擦阻力，風(fēng)速在中部減弱，不能較好的將后部的熱量帶走。在氣流射流區(qū)，氣溫低于這個(gè)平面的其他部分，越靠近巷道巖壁氣溫越高，這是因?yàn)閺娘L(fēng)筒射出的是低溫氣流，隨著射流的發(fā)展，氣流與巷道內(nèi)的空氣和巷道巖壁發(fā)生熱交換，氣流吸熱溫度升高，在靠近巖壁的位置熱交換發(fā)生的最為激烈，氣溫升高的也越大

從圖5中可知，經(jīng)過(guò)通風(fēng)降溫后巷道內(nèi)各個(gè)方向上的溫度梯度，水平方向上溫度不斷增加，這是由于氣流自風(fēng)筒射出后不斷與巷道內(nèi)空氣和圍巖進(jìn)行劇烈的熱交換，吸收熱量，熱量從周?chē)諝夂蛧鷰r的巖壁上傳遞給氣流造成溫度增加。豎直方向上因氣流在巷道內(nèi)與圍巖發(fā)生熱交換，氣流受熱膨脹產(chǎn)生重力差，使得巷道內(nèi)的氣流上升并在巷道頂部聚集，故巷道內(nèi)氣溫在豎直方向由下到上升高。

5 結(jié)論

礦井巷道的通風(fēng)對(duì)與礦業(yè)工作人員非常重要，而高溫?zé)岷?wèn)題現(xiàn)已成為困擾礦井進(jìn)行深部開(kāi)采的一個(gè)重要障礙，特別是在礦井深部的某些巷道、掘進(jìn)面等，熱害問(wèn)題尤為突出。

本文對(duì)礦井巷道的通風(fēng)，在不同風(fēng)速上的效果做了數(shù)值模擬，針對(duì)礦井通風(fēng)問(wèn)題，得出了以下結(jié)論：

(1)礦井巷道的通風(fēng)，壓入式通風(fēng)降溫的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)有著密切的關(guān)系，對(duì)比圖2、圖3、圖4可知風(fēng)速是影響巷道內(nèi)溫度場(chǎng)分布的一個(gè)主要因素。

(2)在風(fēng)速為1m/s和4.5m/s的情況下，都能起到降溫通風(fēng)的目的，相比較后者的降溫效果更好。

(3)礦井巷道的通風(fēng)在前期為射流階段，中期為紊流，后期為渦旋階段。

［1］ 山西礦業(yè)學(xué)院，礦山通風(fēng)與安全［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1959.

［2］ 王英敏.礦井通風(fēng)與防塵［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1993：192-193.

［3］ 王海橋.掘進(jìn)工作面射流通風(fēng)流場(chǎng)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1999(5)：498-501.

［4］ 王海橋，施式亮，劉榮華，等.獨(dú)頭巷道附壁射流通風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2004，29(4)：425-428.

［5］ 王瑞金，張凱，王剛.FLUENT技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007：50-55.