煤礦通風(fēng)巷道斷面風(fēng)速測(cè)定與變化規(guī)律研究

＊吳 剛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤公司姜家灣煤礦 山西 037000）

若想精準(zhǔn)計(jì)算煤礦通風(fēng)巷道中的瓦斯與有害氣體分布、溫度與濕度的變化規(guī)律，就必須要明確通風(fēng)巷道中的風(fēng)速分布曲線，風(fēng)速分布曲線同時(shí)也是計(jì)算巷道通風(fēng)量以及布置風(fēng)速傳感器的重要依據(jù)。相關(guān)學(xué)者結(jié)合納雷斯托克斯湍流運(yùn)動(dòng)方程，推導(dǎo)出了煤礦通風(fēng)巷道斷面風(fēng)速變化規(guī)律的函數(shù)曲線，在測(cè)定斷面風(fēng)速時(shí)取得了顯著效果。在此背景下，本文參考了大量文獻(xiàn)資料，以普蘭特湍流混合長(zhǎng)理論為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)煤礦通風(fēng)巷道斷面風(fēng)速測(cè)定與變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究。

1.風(fēng)流湍流脈動(dòng)特征

根據(jù)普朗特流體力學(xué)理論，我們可知：煤礦巷道中的風(fēng)流無限接近沿平板的湍流流動(dòng)，具有明顯的脈動(dòng)特征。結(jié)合這一結(jié)論，本文將以山西某煤礦通風(fēng)巷道為例，利用專業(yè)儀器對(duì)通風(fēng)巷道的西翼輔運(yùn)大巷與1302回風(fēng)巷指定位置的瞬時(shí)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖1所示。

圖1 回風(fēng)巷與西翼輔運(yùn)大巷風(fēng)速脈動(dòng)曲線

由圖1可知，同一測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻的風(fēng)速波動(dòng)并不呈現(xiàn)出明顯的規(guī)則性，在西翼輔運(yùn)大巷和1302回風(fēng)巷中，被測(cè)點(diǎn)的最大瞬時(shí)風(fēng)度分別為4.1m/s與0.45m/s，最小瞬時(shí)風(fēng)速分別為2.4m/s與0.1m/s，最大動(dòng)幅度分別為29.4%與66.7%。通過上述數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)速場(chǎng)中瞬時(shí)風(fēng)速呈現(xiàn)出明顯的脈動(dòng)特征，同時(shí)也呈現(xiàn)出不規(guī)則波動(dòng)，所以在測(cè)量風(fēng)速與變化規(guī)律時(shí)切忌不可簡(jiǎn)單的將某一時(shí)刻的瞬時(shí)風(fēng)速作為基礎(chǔ)，否則將會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度，會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量偏差。所以，在進(jìn)行通風(fēng)巷道風(fēng)速測(cè)量時(shí)，技術(shù)人員必須計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)在某一時(shí)段內(nèi)的平均風(fēng)流速度，如此才能準(zhǔn)確判斷風(fēng)速場(chǎng)的變化規(guī)律。根據(jù)普朗特流體力學(xué)理論有如下公式成立：

其中，T代表時(shí)間，代表在T時(shí)間段內(nèi)的平均風(fēng)速且T必須大于該點(diǎn)的平均脈動(dòng)周期。由于超聲波風(fēng)速測(cè)量?jī)x在測(cè)量風(fēng)速時(shí)具有相等的時(shí)間間隔，所以平均風(fēng)速也可按下述公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，vi代表第i次實(shí)驗(yàn)的被測(cè)風(fēng)速，n為實(shí)驗(yàn)次數(shù)。通過計(jì)算可得，西翼輔運(yùn)大巷的測(cè)點(diǎn)平均分速為3.4m/s，1302回風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)速為0.3m/s。

2.風(fēng)流速度場(chǎng)分布規(guī)律分析

通風(fēng)巷道斷面中的風(fēng)流在流動(dòng)過程中會(huì)與巷道壁面發(fā)生摩擦，同時(shí)也因?yàn)榭諝饩哂幸欢ㄕ承裕燥L(fēng)流在通風(fēng)斷面中分布并不均勻，在底層處風(fēng)速分布規(guī)律呈現(xiàn)出明顯的層流特征，底層之外的風(fēng)流則具有明顯的湍流特征。科學(xué)家通常將通風(fēng)巷道中的風(fēng)流流動(dòng)看成二為平行剪切流，然后根據(jù)弗朗特混合長(zhǎng)理論和布辛涅斯克假設(shè)，計(jì)算出巷道湍流核心區(qū)風(fēng)流速度場(chǎng)變化公式：

其中，k為混合長(zhǎng)度系數(shù)；t0代表通風(fēng)巷道斷面所受到的切應(yīng)力Pa；ρ代表空氣密度；y是測(cè)點(diǎn)與巷道壁的距離m；c為積分常數(shù)。如圖2所示，通過公式可以得知，在通風(fēng)巷道的黏性底層，風(fēng)速分布呈現(xiàn)出明顯的直線性特征；在湍流核心區(qū)域內(nèi)風(fēng)速分布則具有明顯的對(duì)數(shù)特征。如果風(fēng)速增大到一定程度，那么將會(huì)直接影響巷道黏性底層厚度，能夠使其變薄，如此就可在一定程度上增大湍流核心區(qū)域，使得風(fēng)速分布更加均勻。

根據(jù)湍流摩擦阻力定律，可知有如下公式成立：

其中，α為井巷摩擦阻力系數(shù)，單位為N·s2/m4；γ為實(shí)驗(yàn)比例系數(shù)。

通過計(jì)算可得：

由上述公式可知，可以用對(duì)數(shù)公式表達(dá)通風(fēng)巷道湍流核心區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速分布規(guī)律。其中摩擦阻力系數(shù)α的數(shù)值可通過查表獲得，積分常數(shù)c可利用邊界條件求出，k為混合長(zhǎng)度系數(shù)，通常在試驗(yàn)中獲得。我們令：

則有v=flny+cv成立，其中f為速度場(chǎng)分布系數(shù)，是計(jì)算巷道風(fēng)速分布規(guī)律的重要參數(shù)，數(shù)值與ρ、k、α密切相關(guān)，可通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具體計(jì)算。

在靠近巷道壁的區(qū)域附近分布著黏性底層，質(zhì)薄，在此區(qū)域內(nèi)風(fēng)速呈現(xiàn)層流分布。通過前文介紹可知，黏性底層的厚度會(huì)影響風(fēng)速的分布特征，所以有必要計(jì)算黏性底層的具體厚度，可以由近似公式進(jìn)行估算：

其中，σ為黏性底層厚度m；a為巷道斷面寬度m；Re為雷諾數(shù)。綜合上述公式可計(jì)算出該通風(fēng)巷道的黏性底層厚度為厘米級(jí)，對(duì)巷道斷面風(fēng)速分布產(chǎn)生的影響微乎其微，這也就代表在煤礦通風(fēng)巷道中，風(fēng)速分布規(guī)律呈現(xiàn)出明顯的湍流特征。

3.井下試驗(yàn)

為了確保風(fēng)速測(cè)定的結(jié)果準(zhǔn)確，本文不僅僅對(duì)西翼輔助大巷和1302回風(fēng)巷進(jìn)行了風(fēng)速測(cè)定與分布規(guī)律的理論計(jì)算，同時(shí)決定以東翼輔助大巷的通風(fēng)斷面作為具體的井下實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，來具體驗(yàn)證理論的準(zhǔn)確性。東翼輔助大巷不僅斷面規(guī)整，同時(shí)受外界環(huán)境影響較小，因此巷道內(nèi)風(fēng)流相對(duì)穩(wěn)定，可提供理想的試驗(yàn)環(huán)境。在東翼輔助大巷中，技術(shù)人員選擇符合規(guī)定距離的兩個(gè)斷面作為測(cè)試點(diǎn)：在斷面1中布設(shè)了2條測(cè)量路線：路線a始終距離巷道右?guī)?m，從巷道底板沿豎直方向延伸至巷道中央；路線b始終距離底板1.4m，從巷道右?guī)脱厮椒较蜓由熘料锏乐醒搿Ｔ跀嗝?處路線c始終距離底板1.0m，路線d始終距離底板1.5m，兩條線路均從右方沿水平方向延伸至巷道中央。同時(shí)在1306回風(fēng)巷測(cè)風(fēng)站設(shè)計(jì)了路線e和路線f，其中路線e始終距離創(chuàng)造右?guī)?.2m，路線f始終距離底板1.4m。在測(cè)量過程中，技術(shù)人員考慮到風(fēng)速的湍流隨機(jī)脈動(dòng)特征，選擇使用CFD15超聲波煤礦用電子風(fēng)速儀。

風(fēng)流速度會(huì)沿巷道邊界處逐漸增大，在與巷道中心這一段距離內(nèi)，會(huì)以較高的幅度迅速升高，在到達(dá)巷道中心后升高幅度變緩。也就是說，越接近巷道壁，風(fēng)速變化值越大，達(dá)到巷道中心處變化趨于平穩(wěn)，保持平衡；這一規(guī)律明顯符合對(duì)數(shù)函數(shù)的變化特征。通過對(duì)各線路風(fēng)速分布曲線進(jìn)行細(xì)致分析可知，各風(fēng)路相關(guān)系數(shù)總體分布在0.7832～0.9569之間，對(duì)數(shù)函數(shù)曲線清晰的表達(dá)了風(fēng)速的分布規(guī)律。1306回風(fēng)巷測(cè)風(fēng)站風(fēng)速分布測(cè)量曲線具有更小誤差，主要是因?yàn)樵撎幓仫L(fēng)巷道的壁面相對(duì)平整并且進(jìn)行了必要的光滑處理，摩擦系數(shù)更低，使得風(fēng)流分布受到的干擾較小，因此風(fēng)速場(chǎng)分布更加符合對(duì)數(shù)變化規(guī)律。東翼輔助大巷的壁面明顯粗糙于1306回風(fēng)巷道，因此不規(guī)則的巷道表面嚴(yán)重影響了風(fēng)速場(chǎng)的分布，形成了許多大小方向不同的漩渦，導(dǎo)致風(fēng)速場(chǎng)分布嚴(yán)重偏離對(duì)數(shù)分布規(guī)律。除此之外，因?yàn)榫嘛L(fēng)流并非嚴(yán)格意義的定常流，所以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的精度有一定影響。

4.計(jì)算通風(fēng)量

在明確風(fēng)速和風(fēng)速場(chǎng)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，技術(shù)人員就可以根據(jù)掘進(jìn)工作的實(shí)際情況科學(xué)計(jì)算出通風(fēng)巷道所需要的最大通風(fēng)量，為煤礦綜采創(chuàng)建更加安全的工作環(huán)境。

方法1：可以按照瓦斯的實(shí)際涌出量來進(jìn)行具體計(jì)算，公式為：

Q掘=100q瓦K掘通=3.5m3/min，其中Q掘代表在掘進(jìn)過程中作業(yè)面的通風(fēng)量；q瓦為瓦斯涌出最大量m3/min；K掘通為通風(fēng)系數(shù)。

方法2：根據(jù)施工人數(shù)計(jì)算，公式為：

Q捆=4N=80m3/min，其中N為最大施工人數(shù)。

方法3：根據(jù)最低風(fēng)速計(jì)算，公式為：

Q掘=0.25×60×S掘=385.9m3/min，其中S掘?yàn)樽鳂I(yè)面的橫截面積m3。

5.結(jié)論

綜上所述，通過對(duì)煤礦通風(fēng)巷斷面風(fēng)速測(cè)定以及風(fēng)速場(chǎng)分布變化規(guī)律的研究可知，煤礦井下巷道風(fēng)速具有典型的湍流脈動(dòng)特征，以平均風(fēng)速為中心，瞬時(shí)風(fēng)速在此附近持續(xù)上下隨機(jī)波動(dòng)，并且最高脈動(dòng)幅度可達(dá)平均風(fēng)速的66.7%。通過理論計(jì)算和井下實(shí)驗(yàn)，技術(shù)人員可以證明：如果通風(fēng)巷道壁面光滑并且無障礙物阻擋，那么風(fēng)流就會(huì)相對(duì)穩(wěn)定，并且風(fēng)速場(chǎng)分布明顯符合對(duì)數(shù)函數(shù)變化規(guī)律，也就是說巷道表面越光滑，風(fēng)速場(chǎng)變化規(guī)律的對(duì)數(shù)規(guī)律越明顯，這可以為技術(shù)人員研究平均風(fēng)速所在位置提供理論依據(jù)。