高溫煤礦掘進巷道微氣候的數值計算

馮宗偉，張 昌

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高溫煤礦掘進巷道微氣候的數值計算

馮宗偉，張 昌*

(武漢紡織大學 環境工程學院，湖北 武漢 430073)

基于計算流體動力學原理，針對礦井掘進巷道的高溫情況，選擇射流風口至掘進斷面15m的范圍作為本文研究局部微環境對象，建立在時間和空間上的描述礦井掘進巷道湍流流動和溫度分布的微分方程。對礦井微環境的空氣流動及其熱力過程進行數值模擬，得出不同送風速度和送風溫度下的掘進巷道微環境的流速場和溫度場變化情況。數值分析的結果可以用于確定礦井局部降溫設備的送風速度、送風溫度、制冷量和風機的驅動功率。

湍流模型；溫度場；控制方程；流速場；礦井降溫

礦井掘進巷道的空氣溫度隨著煤礦資源向地下深部的開采而增高，目前我國有大量深部開采的礦井遭受熱害影響。礦井熱害造成的高溫作業環境嚴重影響工人的身體健康，工人氣喘、乏力，精力分散，思維和判斷力下降，勞動效率下降，作業事故上升[1]。因此，必須采取措施降低溫度改善工作環境。但是，礦井掘進巷道長空間大，溫度高，負荷大，對整條巷道進行降溫，不經濟而且浪費能源。為節約資源一般采用移動式裝置在掘進巷道工位營造一個微氣候進行局部降溫，例如，使用膨脹減焓自力式局部降溫裝置[2]。所以，對高溫煤礦掘進巷道中工位微氣候研究是非常必要的，具有工程應用價值。本文對礦井掘進巷道微氣候的風流流場和溫度分布進行數值計算。通過改變設計參數，得出井下掘進巷道微氣候的風速場、溫度場的變化規律，進而選擇最優礦井降溫空調送風參數，計算確定適當大小的微氣候區域范圍。

1 礦井掘進巷道計算空間數學模型

1.1 物理模型

圖1 模型工作面斷面形狀

1.2 計算空間的控制微分方程

雷諾時均動量方程：

湍流動能方程：

湍流動能耗散率方程：

能量方程:

1.3 邊界條件

進口湍流動能和湍流動能耗散率使用文獻上的經驗關聯式[4,5]。

（2）出口邊界條件。出口各變量假定在垂直出口邊界方向梯度上為零，即局部單向化:

（3）固體壁面邊界條件。礦井掘進巷道和工作面都是固體壁面，其邊界條件按固壁定律處理，所有固壁處的節點均采用無滑移條件，對于靠近壁面的第一個網格節點使用標準壁函數方法。

壁面處網格節點速度：

湍流參數滿足：

2 掘進巷道微氣候流場分布的數值計算

2.1 計算結果

圖2 不同送風速度、送風溫度下掘進斷面溫度

圖3 不同送風速度、送風溫度下空調制冷設備制冷量變化曲線

根據模擬結果計算出每組送風狀態下的空調機組需要提供的制冷量如圖3所示。制冷量的計算公式為：

從圖4可以看出，同一送風速度時，隨著送風溫度的升高設備制冷量逐漸下降；同一送風溫度時，隨著送風速度的增大設備的制冷量逐漸升高。

為了在掘進巷道創造一個微氣候區域，射流的送風速度必須得到來自風機的動力保障。因此，本文根據送風參數還需考慮保持射流空氣的風機驅動功率。風機所需的理論最小驅動功率為：

送風速度對應于風機的驅動力成3次方變化，因此，送風速度增加，風機所需的驅動功率就會大大增加。分別將不同的送風速度代入上式中，得出不同送風速度下風機所需的最小功率，如圖4所示。

圖4 不同送風速度下風機所需最小驅動功率

2.2 掘進巷道微氣候分析

圖5 速度分布云圖

圖6 溫度分布云圖

3 結論

對掘進巷道選擇局部降溫空調方式，在井下建立一個微環境來改善工作條件，可以減少制冷設備的供冷量。只對巷道工位很小的局部范圍進行微氣候控制，相比對整個巷道降溫[6]，其制冷量只是整個巷道降溫所需制冷量的很小一部分，具有很好的節能降溫效果。

[1] 孫艷玲，桂祥友．礦井熱害及其治理[J]．遼寧工程技術大學學報，2003，(8):35-37．

[2] 王雪，張昌．用于煤礦井下的空氣膨脹減焓降溫系統的研究[J]．武漢紡織大學學報，2012，25(6):87-91．

[3] 王偉，李紅陽，王長彬．基于FLUENT模擬的掘進工作面風流溫度預測[J]．煤炭安全，2010，(06):4-5．

[4] 高建良，張生華．壓入式局部通風工作面風流分布數值模擬研究[J]．中國安全科學學報，2004，14(1):93-96．

[5] Shinsuke Nakayama，Kenichi Uchino，Masahiro Inoue．Dimensional flow measurement at heading face and application of CFD[J]. The Mining and Materials Processing Institute of Japan，1996，112(9):638-644．

[6] 邵敬民，丁峰，賀軍豪．礦井局部降溫系統的研究與應用[J]．中州煤炭，2012，197(5):24-25．

Numerical Calculation of the Micro Climate in High Temperature Coal Mine Laneway

FENG Zong-wei, ZHANG Chang

(School of Environmental Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Based on the principle of computational fluid dynamics, aiming at high temperature conditions of the mine roadway, we select the range of jet air inlet to excavated section 15m as the research object of local micro environment and built the differential equation that describe roadway turbulent flow and temperature distribution in time and space.Being in progress numerical simulation of air flow and thermal process on the micro environment, we obtain the change of velocity field and temperature field with different air speed and air temperature in tunneling micro environment.The results of numerical analysis can be used to determine the mine’s local cooling equipment’s air velocity, air temperature, cooling capacity and the fan’s driving power.

Turbulence Model; Temperature Field; Equations; Velocity Field; Mine Cooling

張昌（1956-），男，教授，研究方向：建筑環境與空調制冷.

TD724

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2095－414X(2014)03－0082－05