礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流流動數(shù)值模擬研究

高廷瑞

（陽煤集團(tuán)二礦， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對煤炭需求量越來越大，煤礦開采深度逐漸增加，這對礦井通風(fēng)系統(tǒng)提出更高的要求[1-2]，可靠的通風(fēng)系統(tǒng)不僅要有持續(xù)的供風(fēng)能力，而且要對煤礦瓦斯、粉塵等有毒有害氣體能夠及時有效的進(jìn)行稀釋，減小瓦斯突出的危險，合理有效的礦井通風(fēng)系統(tǒng)能夠排除80%～90%的瓦斯含量[3]，因此，礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性對于煤礦生產(chǎn)具有重要的意義[4]，本文通過數(shù)值模擬及工程實(shí)測的研究方法對煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評價，研究礦井生產(chǎn)系統(tǒng)能否有效合理的配給有限風(fēng)量資源。

1 工程概況

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)韓家洼煤礦位于山西省大同市左云縣，屬于兼并重組礦井，該煤礦主要開采19號、22號、25 號煤層，年產(chǎn)量為 0.9 Mt，22號煤層層厚為4 m，井田有主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)行人斜井和回風(fēng)立井4個井筒，主、副斜井井筒斷面積和長度分別為 13.2 m2、612 m，15.8 m2、396 m，礦井通風(fēng)方式為中央并列式，通風(fēng)機(jī)為抽出式通風(fēng)機(jī)，礦井總風(fēng)量4782 m3/min，主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)行人斜井進(jìn)風(fēng)量分別為 1 450 m3/min，2 199 m3/min，1 133 m3/min，如圖1所示為巷道平面布置圖。

圖1 巷道平面布置圖

韓家洼煤礦有三個開采水平，為方便模擬計(jì)算分析，本文只研究第一開采水平，其他開采水平與第一開采水平類似，該礦地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層傾角為2°～6°，井田內(nèi)有落差為2～8 m的小斷層5條，礦井有四個井筒，其中三個井筒為進(jìn)風(fēng)井，一個為回風(fēng)井，進(jìn)風(fēng)井筒減輕了進(jìn)風(fēng)困難的問題，在一定程度上能夠減輕風(fēng)阻大小，提高通風(fēng)效率，但是增加了一個進(jìn)風(fēng)井，風(fēng)流計(jì)算難度增加，風(fēng)流流動復(fù)雜，巷道通風(fēng)風(fēng)量的配給要求高，通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，其可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

韓家洼煤礦通風(fēng)風(fēng)量的測量方法為通過指派專門通風(fēng)測量員定期對煤礦井下風(fēng)量進(jìn)行測定，定期檢查通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，有毒有害氣體的濃度并及時進(jìn)行匯報。這種測量放法效率低，不能實(shí)時動態(tài)對行當(dāng)風(fēng)量進(jìn)行測定，本文通過設(shè)計(jì)模擬程序，對煤礦井下通風(fēng)狀況進(jìn)行實(shí)時的動態(tài)模擬研究，為煤礦提供科學(xué)有力的指導(dǎo)。

2 風(fēng)流流動數(shù)值模擬假設(shè)及方法

煤礦生產(chǎn)過程中，最大風(fēng)流流速為8 m/s，空氣流動速度慢，未超過可壓縮速度，在流動過程中認(rèn)為煤礦空氣不可壓縮，即研究的空氣流體為不可壓縮流體；在煤礦生產(chǎn)過程中，巷道中的空氣分布均勻，工作面產(chǎn)生的粉塵和有毒有害氣體占空氣總量百分比極小，可認(rèn)為空氣均勻分布，即研究流體為均質(zhì)流體；煤礦生產(chǎn)過程中，因巷道斷面小，流體流動可視為一維流動，即研究流體為無黏性流動。

本文的研究對象為礦井井下的整個通風(fēng)系統(tǒng)，在整個通風(fēng)系統(tǒng)中，巷道的坐標(biāo)是一個三維坐標(biāo)，而巷道可由兩個三維坐標(biāo)點(diǎn)的連線表示，但因礦井巷道空間分布的復(fù)雜性，無法精確的計(jì)算出整段巷道的各個坐標(biāo)值，因此引入局部坐標(biāo)系來表示巷道的坐標(biāo)，局部坐標(biāo)與整體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換能夠?qū)⒄麄€巷道表示出來。局部坐標(biāo)上的巷道可由單元體表示，各個單元的數(shù)值可由有限分析方法得到[5]:

上式為數(shù)值模擬軟件模擬過程中所遵循的數(shù)學(xué)公式，公式表示各離散單元值求法計(jì)算公式，用于求解巷道風(fēng)流流動單元的離散計(jì)算，通過此公式可計(jì)算出風(fēng)流流動狀態(tài)，并對風(fēng)流流動進(jìn)行模擬。

3 風(fēng)流流動數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬方法與程序

根據(jù)風(fēng)流流動數(shù)值模擬假設(shè)及方法可對風(fēng)流流動進(jìn)行模擬，模擬根據(jù)數(shù)學(xué)模型編寫了Fortran程序，計(jì)算思路為打開軟件并進(jìn)行計(jì)算，帶入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括模型的邊界條件、初始條件，巷道斷面尺寸參數(shù)等局部坐標(biāo)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入后通過所設(shè)計(jì)的程序?qū)ο锏绬卧M(jìn)行剖分，并記錄各單元局部坐標(biāo)和單元節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，局部坐標(biāo)能夠?qū)⑾锏勒w坐標(biāo)記錄，模擬流體的流動。這樣計(jì)算結(jié)果能夠通過局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成全局坐標(biāo)，計(jì)算方便，操作簡單。

3.2 模型建立

根據(jù)韓家洼煤礦巷道平面布置圖建立數(shù)值模擬示意圖，模型的網(wǎng)格剖分應(yīng)足夠小，同時各個單元之間的連接關(guān)系應(yīng)準(zhǔn)確的記錄在單元格內(nèi)，模型的單元數(shù)量不應(yīng)過多，否則會影響單元計(jì)算的速度，從而影響計(jì)算效果，對于巷道未出現(xiàn)分岔的情況，巷道設(shè)置為具有斷面面積的一條直線，若巷道之間相交，有分岔，則將巷道分為若干條細(xì)線，通過細(xì)線的疊加在將細(xì)線剖分為若干單元體，生成的單元數(shù)和線如圖2所示。

一般情況下，礦井通風(fēng)模擬中采用礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的方法，本文采用局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換全局坐標(biāo)的方法，通過局部坐標(biāo)將通風(fēng)系統(tǒng)三維模型建立出來，根據(jù)建立的線結(jié)構(gòu)和巷道上的單元體結(jié)構(gòu)與局部坐標(biāo)一一對應(yīng)，若巷道中交叉處的某一個單元出現(xiàn)問題，可通過局部坐標(biāo)將問題單元格進(jìn)行定位，這樣極大地提高了數(shù)值的計(jì)算效率，為后續(xù)數(shù)值模擬打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

本文建立的數(shù)值模擬模型為三維流體模型，但直線段巷道模型為一維，巷道交叉處為三維立體單元體模型，巷道直線段單元微度長度小于10 m，模型的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同。

3.3 模擬結(jié)果分析

如圖3所示，為礦井通風(fēng)在正常狀態(tài)下的巷道風(fēng)速分布圖，圖中紅色線段表示巷道風(fēng)速的大小，通過分析可知，巷道整體風(fēng)速滿足要求，在總回風(fēng)巷中，巷道的風(fēng)速最大，在長度較小的聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)速較小，有毒有害氣體量小，無瓦斯突出的危險。

圖3 正常狀態(tài)巷道風(fēng)速分布圖

如下頁圖4所示，為礦井通風(fēng)在正常狀態(tài)下的巷道風(fēng)量分布圖，圖中綠色線條表示風(fēng)量的大小，線條長度越長，風(fēng)量越大，由分析可知回風(fēng)巷道的風(fēng)量最大，長度較短的聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)量較小，風(fēng)速大的地方風(fēng)量也大，風(fēng)量除了與風(fēng)速大小有關(guān)，還與巷道的端面大小有關(guān)，風(fēng)量與風(fēng)速無明顯的函數(shù)關(guān)系。

圖4 正常狀態(tài)巷道風(fēng)量分布圖

圖5 調(diào)節(jié)風(fēng)門異常情況風(fēng)速圖

如下頁圖5所示為調(diào)節(jié)風(fēng)門風(fēng)量異常情況下的風(fēng)速圖，調(diào)節(jié)風(fēng)門未關(guān)閉或者無法有效工作時，通過該風(fēng)門的通風(fēng)阻力會減小，從而導(dǎo)致風(fēng)速及風(fēng)量的增大，通過模擬風(fēng)量的變化，可以查到調(diào)節(jié)風(fēng)門異常之處，如圖所示，通過分析可知，事故發(fā)生位置處的風(fēng)速由0.15 m/s增加為0.73 m/s，巷道風(fēng)速增加量大，通風(fēng)系統(tǒng)中的其他巷道受此影響風(fēng)速也有所增加，例如，工作面進(jìn)風(fēng)行人斜巷風(fēng)量由0.5 m/s升為0.58 m/s，工作面風(fēng)量由2.42 m/s降為2.38 m/s，通過分析可以察覺風(fēng)量異常點(diǎn)。

如圖6所示為風(fēng)機(jī)負(fù)壓減小狀態(tài)風(fēng)速圖，由數(shù)值模擬可知，事故位置處風(fēng)機(jī)負(fù)壓由-3 000 Pa降低為-2 000 Pa，風(fēng)速由6.32 m/s降為4.22 m/s，其他巷道風(fēng)速受此影響風(fēng)速相應(yīng)的降低35%。

如圖7所示為風(fēng)機(jī)負(fù)壓減小狀態(tài)風(fēng)量圖，事故位置處巷道風(fēng)量由79.52 m3/s降低為53.18 m3/s，副斜井處風(fēng)量由36.92 m3/s降低為24.62 m3/s，通過數(shù)值模擬對比分析可知，風(fēng)機(jī)負(fù)壓減小量與風(fēng)速大小、風(fēng)量大小關(guān)系成函數(shù)對應(yīng)關(guān)系，因此風(fēng)機(jī)負(fù)壓對于礦井安全生產(chǎn)具有重要的關(guān)系。

4 工程應(yīng)用

圖6 風(fēng)機(jī)負(fù)壓減小狀態(tài)風(fēng)速圖

圖7 風(fēng)機(jī)負(fù)壓減小狀態(tài)風(fēng)量圖

通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測對韓家洼煤礦礦井通風(fēng)情況進(jìn)行預(yù)測，研究表明整體通風(fēng)情況良好，但局部地段存在風(fēng)量分布不均的情況，經(jīng)查明為多輛礦車停留影響通風(fēng)狀況，對礦車處理完后，通風(fēng)狀況得到改善，數(shù)值模擬各巷道風(fēng)量和風(fēng)速研究結(jié)果與礦上實(shí)測結(jié)果相符，數(shù)值模擬可對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行評價。

5 結(jié)論

運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測的方法對韓家洼煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流流動進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬包括了正常狀態(tài)巷道風(fēng)速、風(fēng)量分布狀況、風(fēng)機(jī)負(fù)壓減小狀態(tài)風(fēng)速分布狀況，調(diào)節(jié)風(fēng)門異常情況下風(fēng)速風(fēng)量分布狀況。數(shù)值模擬結(jié)果與礦井實(shí)際風(fēng)量相同，說明數(shù)值模擬能夠?qū)γ旱V風(fēng)量進(jìn)行預(yù)測，對風(fēng)量資源進(jìn)行配給，可對通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評價。