礦井巷道斷面風(fēng)速分布規(guī)律研究

余方超 劉雅倩 黃濤

（1.潞安集團(tuán)王莊煤業(yè)公司，山西 長治 046103； 2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083）

合理可靠的通風(fēng)系統(tǒng)是井下安全生產(chǎn)的保證，研究巷道斷面的平均風(fēng)速分布規(guī)律[1-3]能夠?yàn)轱L(fēng)速傳感器位置確定及風(fēng)量準(zhǔn)確測量[4]提供理論指導(dǎo)。本文針對王莊礦井下矩形、梯形、三心拱巷道，采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了井下巷道平均風(fēng)速分布規(guī)律，對于風(fēng)速傳感器布置具有較強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 風(fēng)速測量方案及風(fēng)速分布規(guī)律研究

1.1 現(xiàn)場實(shí)測方案

王莊礦位于山西省長治市郊區(qū)故縣，地處黃土高原，井田面積79.6806km2，開采深度由+880 m至+350m。王莊礦屬于高瓦斯礦井，瓦斯相對涌出量為5.44m3/t，煤層屬不易自燃煤層，通風(fēng)方式為混合式通風(fēng)。

為研究井下巷道風(fēng)流的分布規(guī)律，本文針對王莊煤礦，選取矩形、梯形、三心拱三種形狀巷道斷面進(jìn)行風(fēng)量參數(shù)現(xiàn)場實(shí)測研究，測點(diǎn)位置為630 軌道大巷及進(jìn)風(fēng)分巷處。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括中速機(jī)械風(fēng)表、風(fēng)速儀、空盒氣壓計(jì)、自動(dòng)點(diǎn)式干濕溫度儀、激光測距儀及卷尺等。三種巷道斷面支護(hù)方式均為錨噴，斷面幾何參數(shù)見表1。

表1 巷道斷面幾何參數(shù)

對風(fēng)速分布的現(xiàn)場實(shí)測方案，具體實(shí)施步驟如下：

（1）首先分別對三種形狀巷道斷面相關(guān)尺寸參數(shù)進(jìn)行測量。根據(jù)所測斷面尺寸，對巷道斷面進(jìn)行測點(diǎn)布置。對矩形、梯形、三心拱巷道，寬度方向每隔0.6m 布置一個(gè)測點(diǎn)，高度方向每隔0.5m 布置一個(gè)測點(diǎn)。因此，矩形巷道總共布置49 個(gè)測點(diǎn)，梯形巷道總共布置49 個(gè)測點(diǎn)，三心拱巷道總共布置70 個(gè)測點(diǎn)。

（2）采用風(fēng)速儀對布點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)測量。測點(diǎn)每隔5s 記數(shù)一次，每個(gè)測點(diǎn)計(jì)數(shù)3 次，取其平均值為該測點(diǎn)風(fēng)速值，直至測量結(jié)束。連續(xù)測量10d，統(tǒng)計(jì)并整理數(shù)據(jù)。

1.2 巷道斷面實(shí)測風(fēng)速分布規(guī)律

為研究巷道斷面風(fēng)速分布規(guī)律，需選取風(fēng)流穩(wěn)定區(qū)域?yàn)檠芯繉ο蟆Ｒ虼耍瑢匦巍⑻菪巍⑷墓跋锏溃謩e選取高度為2m、2.5m、1m 處布點(diǎn)為研究對象，選取其中5d 所測風(fēng)速數(shù)據(jù)，繪制三種形狀巷道從邊界到中心的風(fēng)速變化規(guī)律，如圖1 所示（本文只展示矩形巷道部分）。

圖1 巷道邊界到中心的風(fēng)速變化曲線

三種形狀巷道風(fēng)速變化曲線圖中，橫坐標(biāo)以巷道一側(cè)邊壁為坐標(biāo)起點(diǎn)和該高度下第一個(gè)布點(diǎn)，至另一側(cè)邊壁布點(diǎn)結(jié)束。由圖1 可以看出，對于某一形狀巷道斷面，在同一高度下的巷道風(fēng)速由邊界向中心逐漸增大，在中部風(fēng)速達(dá)到最高，且風(fēng)速分布曲線左右對稱，在有障礙物和靠近巷道邊壁處風(fēng)速較低。

2 風(fēng)速分布規(guī)律模擬研究

2.1 Fluent 數(shù)值模型的建立

礦井巷道的風(fēng)流分布特征可通過Fluent 模擬出這一過程。利用Fluent 軟件建立與實(shí)測同尺寸的巷道物理模型，假定模擬巷道風(fēng)流為粘性不可壓縮流體，巷道壁面粗糙度相同，空氣密度為常數(shù)。巷道模型包括一個(gè)風(fēng)流入口和一個(gè)風(fēng)流出口，其余面為壁面，模擬風(fēng)流狀態(tài)為湍流，設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)k-ε 方程。經(jīng)計(jì)算，巷道模型長度選為120m，三種形狀巷道紊流充分發(fā)展處長度可均取為118m。

2.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)王莊礦井下巷道現(xiàn)場實(shí)測風(fēng)速范圍，矩形巷道、梯形巷道的模擬速度選擇從1m/s 到3m/s，每隔0.5 取一個(gè)速度值，共取5 個(gè)不同的通風(fēng)風(fēng)速；三心拱截面巷道模擬速度選擇從2m/s 到6m/s，每隔1 取一個(gè)速度值，共取5 個(gè)不同的通風(fēng)風(fēng)速。下面僅給出風(fēng)速為2m/s 時(shí)巷道截面風(fēng)速場模擬云圖，如圖2 所示（本文只展示矩形巷道部分）。通過模擬，在不同通風(fēng)風(fēng)速工況下，提取出矩形、梯形、三心拱巷道在紊流充分發(fā)展處巷道斷面的平均風(fēng)速分布曲線，如圖3 所示。

圖2 巷道斷面風(fēng)速分布云圖

由圖2 可知，巷道斷面的風(fēng)速分布呈環(huán)狀且與截面形狀近似相同，說明風(fēng)速分布規(guī)律與截面形狀有關(guān)。風(fēng)速值在中心達(dá)到最大，由中心向邊壁減小，平均風(fēng)速位置靠近巷道邊壁，且在巷道邊壁處風(fēng)速下降很快。

由圖3 可知，對于同一形狀的巷道斷面，在不同通風(fēng)風(fēng)速下的風(fēng)流充分發(fā)展段，巷道斷面平均風(fēng)速曲線近乎完全重合且靠近巷道邊壁處，即表明巷道斷面的平均風(fēng)速分布曲線與通風(fēng)風(fēng)速大小無關(guān)，平均風(fēng)速分布曲線和巷道形狀相似。基于此，可以提取不同形狀巷道靠近邊壁處的平均風(fēng)速點(diǎn)，用于王莊礦風(fēng)速監(jiān)測器的布置及風(fēng)速的測量。

圖3 不同風(fēng)速下巷道斷面風(fēng)速等值圖

通過對比現(xiàn)場實(shí)測及模擬結(jié)果可知，巷道斷面風(fēng)速在中部達(dá)到最高，由中心向邊壁逐漸減小。而通過Fluent 模擬，進(jìn)一步得出巷道斷面的風(fēng)速分布呈環(huán)狀且與截面形狀近似相同，且平均風(fēng)速分布曲線與通風(fēng)風(fēng)速大小無關(guān)。基于現(xiàn)場實(shí)測風(fēng)量參數(shù)進(jìn)行模擬，進(jìn)一步完善了巷道斷面風(fēng)速分布規(guī)律。同時(shí)，平均風(fēng)速分布點(diǎn)圖對王莊礦風(fēng)速監(jiān)測器的位置確定具有很強(qiáng)的針對性和指導(dǎo)性。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對矩形、梯形、三心拱三種形狀巷道斷面進(jìn)行風(fēng)速分布規(guī)律研究，結(jié)論如下：

（1）巷道風(fēng)速由邊界向中心逐漸增大，在中部風(fēng)速達(dá)到最高，平均風(fēng)速分布曲線與風(fēng)速大小無關(guān)。

（2）巷道斷面的平均風(fēng)速分布曲線呈環(huán)狀且與截面形狀近似相同，平均風(fēng)速位置靠近巷道邊壁。此結(jié)論相關(guān)數(shù)據(jù)可對王莊礦風(fēng)速監(jiān)測器位置確定及風(fēng)量準(zhǔn)確監(jiān)測提供現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)依據(jù)，對煤礦高效生產(chǎn)具有重要意義。