通風障礙物作用下獨頭巷道熱環境數值模擬研究

楊文宇，張成法，逄崇晨，馬 輝

（1.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590；2.招金礦業股份有限公司 夏甸金礦，山東 招遠 265418）

高地溫問題已成為礦業工程常見的地質災害，在深部采礦過程、采礦工程活動必然要受到礦井熱環境的制約。隨著我國淺部礦產資源逐漸減少，地下開采的深度也越來越大，隨之而來的熱害問題也變得愈加嚴峻[1]。為滿足工業衛生標準對深部礦井要求的熱環境條件，礦山企業一般采用2個手段來控制獨頭巷道的熱環境，即增大風量與降低風溫[2]。

隨著上世紀60年代計算流體力學（CFD）的出現，熱害礦井掘進工作面的數值模擬研究取得了快速發展。例如，日本學者中山伸介等運用CFD數值模擬研究了掘進工作面風流流場，高建良同樣運用數值模擬的方法對掘進工作面換熱系數的分布與風溫預測開展了研究[3]。之后，FLUENT與Airpak等通用商業數值模擬軟件與CLIMSIM，MIVENA，Ventsim，VUMA，Multiflux與Kduct等 面向礦山熱害的專用數值模擬軟件在礦井掘進工作面的研究工作中得到了廣泛應用，取得了較多的研究成果[3]。

對于金屬礦山，隨著金屬礦山機械化程度的提高，以鏟運機為代表的地下無軌設備得到了前所未有的發展，內燃機產生的熱量隨之加大目前對獨頭巷道的熱環境數值模擬研究較少考慮通風障礙物的影響，為研究通風降溫的最優能耗運作方式，本文以金屬礦山獨頭巷道為研究對象，在考慮通風。

1 幾何模型的建立

障礙物如鏟運機存在情況下對其進行熱環境數值模擬研究。

本研究建立的幾何模型以實測巷道為參照，建立等比例的幾何模型，將其計算區域定為如圖1所示的長方體區域，其幾何尺寸為：X×Y×Z=40×4.9×4.6m3，為真實再現作業環境，在模型中還包括作業人員2人，礦工身高定為1.75m，距離迎頭3m，鏟運機1臺尺寸為8.0×2.5×2.0m3。獨頭巷道中配備膠皮風筒，其邊長為800mm，風筒長30m，因此風筒口距離迎頭10m，風筒位于巷道頂板中部。

2 假設及邊界條件

（1）假設風流為低速不可壓縮氣體，密度符合近似假設，圍巖表面熱量均勻分布，且熱物性參數為常數，壁面粗糙度均勻；

（2）出入口邊界：其中入口邊界的風流初始速度為v=12m/s，送風溫度t=25℃，相對濕度為70%；出口邊界為自由回流；

（3）壁面邊界：給所有壁面施加無滑動邊界條件，假設表面溫度均勻分布，巷道兩幫及頂板熱量按照實測數據取平均值：134.8W/m2；

（4）人體熱舒適邊界：井下工作人員為繁重體力勞動作業，新陳代謝率為400W/m2，鏟運機平均散熱功率為66.8kW。

3 網格劃分

由于網格的質量直接影響計算結果和精度，網格劃分是數值模擬中非常重要的一環，本模擬首先采用非結構化網劃分器的默認設置進行粗糙網格的劃分。判斷劃分完的粗糙網格是否可以充分表示巷道的物理模型，并確定其是否能夠滿足網格劃分規則的最小網格量。運用得到的粗糙網格進行一次求解，并查看求解出來的結果是否合理，預測所需要的計算時間。將其作為后續進行更為細致的網格劃分，求解更精確結果的評估依據。對劃分網格進行長寬比、扭曲度的網格質量檢查。最終生成粗糙網格數33304，節點數38283，細化網格數403725，節點數426579。各方向網格單元對應最大尺寸為總尺寸的1/20，對風筒送風口、巷道出風口、與鏟運機周邊溫度梯度和速度梯度比較大的地方網格局部加密細化。

圖1 獨頭巷道幾何模型

4 改變送風速度對巷道熱環境的影響

為了選擇更準確的湍流模型，在對獨頭巷道進行數值模擬研究之前，用對比分析的方法，在各類參數均相同的情況下，將幾個常用的湍流模型，如零方程模型、標準k-ε模型和RNG k-ε模型所計算出的巷道風速與風溫與利用風速儀與溫度儀進行實測的結果進行比較與分析，本文選用RNG k-ε模型作為計算模型，進行下一步的數值模擬實驗。

將風管出風口的送風速度分別設定為v1=12m/s，v2=13m/s，v3=14m/s，v4=15m/s，其溫度場數值模擬結果分別如圖2所示。

圖2 XY面Z=2.3m處速度分布（（a）v1=15m/s（b）v2=14m/s（c）v3=13m/s（d）v4=12m/s）

從圖2可以看出從風筒口射出的有限空間射流，在獨頭工作面會形成射流、回流和渦流三種氣流形態。國際隧道協會對空氣的供給量最小風速應大于0.3m/s，當風管出風口風速為12m/s時在X軸方向上存在大范圍的風速不達標區域（風速小于0.3m/s），這是由于受到鏟運機等通風障礙物阻塞作用，反向回風不暢導致回流速度過低。當風管出風口風速為15m/s時，鏟運機的后部邊壁限制了射流邊界層的發展擴散，這部分風流由于鏟運機的阻塞作用形成了回流，從而保證了大部分區域的風速在0.3m/s。使得15m/s時風速不達標區域最小。由圖3還可以看到，當風速從15m/s改變到12m/s時，風流在鏟運機與迎頭區域形成了較強的回流區域，使得此區域的空氣齡較無鏟運機時明顯增大。由此可見，在實施通風降溫工程時必須考慮鏟運機或掘進機對風流流場的阻塞作用，在鏟運機與巷道壁圍成的區域內還會形成風流風道，起到促進通風的作用。

當風流從15m/s至12m/s的速度從風筒射出，巷道內空氣的平均溫度與送風溫度相差3.2℃左右。隨著送風速度的逐漸降低，巷道內平均溫度呈明顯增加趨勢。巷道空間內的風流受熱上浮，靠近頂板區域溫度比靠近底板區域的溫度升高。頂板區域的熱氣流受熱向外回流，靠近底板區域的一小部分空氣受風筒口氣流的卷吸作用沿X方向運動。

由于鏟運機在工作過程中會產生大量的熱量，導致鏟運機附近的溫度比巷道內其他地點溫度較高，巷道熱環境明顯受到鏟運機運轉放熱的影響。因此，從通風降溫效果來看，在一定程度內通過提高送風速度，能夠改善巷道熱環境，這將有利于在較低成本下改善井下工作人員的工作環境，從會提高工作人員工作效率。

由此可見，在考慮經濟成本的前提下并考慮風管的合理布置，適當提高送風速度，對巷道熱環境進行優化的方法是可取的。但需要注意的是，過高的送風速度會導致獨頭巷道風速超過相關安全規程規定的上限，并且由于過高的送風速度配合鏟運機的阻塞作用，更容易在獨頭巷道內形成渦流，從而抑制風流的回流，因此，持續增大送風速度并不能達到預期的降溫效果，對獨頭巷道的熱環境優化存在一個最優送風速度區間。

5 結語

在金屬礦山采場獨頭巷道，通過增加風管出風口風速，可在一定程度上改善巷道熱環境，但單純依靠增大風速進行巷道降溫時，需要注意其存在的局限性，有必要根據實際情況探索出最優風速值。巷道內存在的鏟運機、掘進機等通風障礙物的阻塞作用會對獨頭巷道的風流場與溫度場產生較大影響，在優化通風降溫工程時必須考慮鏟運機或掘進機對熱環境的影響。