掘進巷道熱環境影響因素重要性分析

董孝通， 邊夢龍， 王二雨

(內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院， 內蒙古 包頭 014010)

0 引言

隨著開采深度加深，礦井深部熱害問題日益嚴峻，其中掘進巷道因特殊的形態結構，熱量難以散失，熱害問題更加嚴重[1-4]。采掘設備放熱、礦石氧化放熱、圍巖放熱與人體放熱等是掘進巷道的熱源[5]，工作人員長期處于掘進巷道熱環境下會引發各種身體疾病甚至危及生命安全。為減少掘進巷道熱環境對工作人員的影響，需要對掘進巷道熱環境的影響因素進行研究。文獻[6-8]得到風流參數對熱環境的影響效果及通風前后巷道風流場與溫度場的分布規律。文獻[9-10]發現采取措施降低圍巖溫度，對巷道熱環境影響顯著。文獻[11-12]得出長距離送風和短距離抽風是最有效率的通風方式，不同送風參數對巷道熱環境的影響效果不同。文獻[13-15]發現采取分段降溫、輔助通風或新型降溫技術等措施對巷道熱環境有著不同程度的影響。但目前大多數研究僅討論了單一因素對巷道熱環境的影響，未涉及多因素對掘進巷道熱環境影響的重要性。鑒于此，本文利用Fluent軟件對不同入風風速、入風溫度、圍巖溫度和風筒直徑條件下的掘進巷道溫度進行數值模擬，并對數值模擬結果進行多元線性回歸擬合，可為改善掘進巷道熱環境提供參考。

1 數值計算模型與因素選取

1.1 數值計算模型

掘進工作面風流流動條件較為復雜，影響因素較多，為了數值模擬求解的簡便，將實際問題進行簡化并做出以下假設：① 風流不可壓縮，忽略流體黏性力做功，忽略水蒸氣蒸發與瓦斯因素。② 將氣體物理特性參數看作常數，流動為穩態紊流并滿足Boussinesq假設。③ 圍巖均質且各向同性，圍巖溫度與風流溫度充分進行熱交換。④ 巷道初始溫度等于原巖溫度。⑤ 氣流在巷道內的流動滿足質量守恒、能量守恒及動量守恒定律。

質量守恒方程為

(1)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；t為時間，s；xi為坐標系中i方向上的空間位置，m；ui為坐標系中i方向上的氣流速度，m/s；Sm為其他自定義源項。

能量守恒方程為

(2)

式中：θ為溫度，℃；u為速度，m/s；k為流體的傳熱系數；cp為比熱容，J/(kg·℃)；St為其他熱源，℃。

動量守恒方程為

(3)

式中：uj為坐標系中j方向上的氣流速度，m/s；p為修正時均壓力，Pa；τij為應力張量，Pa；xj為坐標系中j方向上的空間位置，m；gi，Fi分別為坐標系中i方向上的重力和外部體積力，N。

1.2 因素選取

風流在掘進巷道中會與圍巖發生熱交換，在不考慮其他因素的情況下，巷道風流流動熱交換方程為[16]

Q=KA(θb-θa)

(4)

式中：Q為總換熱量，W；K為熱交換系數，W/(m2·℃)；A為風流與圍巖的換熱面積，m2；θb為圍巖溫度，℃；θa為入風溫度，℃。

由式(4)可知，圍巖溫度、入風溫度的改變會使總換熱量發生改變。根據對流換熱理論，熱交換系數會隨著入風風速的改變而改變，且改變風筒直徑會影響風量，進而影響巷道熱環境。因此，本文選取入風風速、入風溫度、圍巖溫度和風筒直徑4個因素，分析其對掘進巷道熱環境影響的重要性。

2 三維模型

依據招金礦業股份有限公司夏甸金礦-700 m水平掘進巷道進行1∶1三維建模，如圖1所示。巷道斷面為三心拱，長92 m，寬3.5 m，直墻高2.45 m，拱高0.75 m，左側壓入式通風，風筒圓心距地面2.45 m，風筒出口距掘進工作面10 m。在距離掘進工作面10，20，30，40，50，60，70，80 m處布置8個監測斷面A—H，如圖2所示。

圖1 掘進巷道三維模型Fig.1 Three-dimensional model of tunneling roadway

圖2 巷道監測斷面分布Fig.2 Roadway monitoring section distribution

對巷道三維模型進行網格劃分，然后將模型導入Fluent進行邊界條件與求解設置。將風筒出口設置為入口邊界并定義為速度入口，巷道出口設置為出口邊界并定義為自由出流邊界，求解器選用穩態求解器，求解模型為標準k-ε湍流模型，待計算收斂后，讀取各斷面溫度。

3 模擬結果及分析

3.1 正交試驗

將入風風速、入風溫度、圍巖溫度和風筒直徑4個因素作為正交試驗研究對象，每個因素選取3個水平，因素取值見表1。

以A，D，G 3個斷面的平均溫度為試驗指標，根據表1進行9次正交試驗，試驗方案及結果見表2。由表2可知，滿足3個斷面都小于28 ℃的只有方案1、方案6與方案8，這3個方案的共同點是圍巖溫度較低。

極差是判斷因素重要性程度的重要指標，極差越大，表明因素對于試驗指標的重要性程度越高。根據正交試驗結果進行極差分析，結果見表3。由表3可知，圍巖溫度的極差最大，其次為風筒直徑、入風溫度，入風風速的極差最小，表明對掘進巷道熱環境的影響程度由大到小依次為圍巖溫度、風筒直徑、入風溫度、入風風速；入風風速、入風溫度和風筒直徑在不同斷面下的極差相差較小，表明這3個因素對掘進巷道熱環境的影響程度保持穩定；圍巖溫度在不同斷面下的極差相差較大，距離掘進工作面越遠，圍巖溫度對掘進巷道熱環境的影響越顯著。

表2 正交試驗方案及結果Table 2 Orthogonal test scheme and results

表3 極差分析結果Table 3 Range analysis results

3.2 控制變量法

3.2.1 入風風速對巷道溫度的影響

設置入風溫度為18 ℃，圍巖溫度為34 ℃，風筒直徑為500 mm，入風風速分別為8，12，16，20，24 m/s，根據數值模擬結果進行擬合，擬合曲線如圖3所示，擬合公式為

(5)

式中s為入風風速，m/s。

圖3 不同入風風速下巷道溫度Fig.3 Roadway temperature under different inlet wind speeds

由圖3可知，巷道溫度隨著入風風速增大而降低，兩者呈負冪函數關系；當入風風速從8 m/s增大至12 m/s時，巷道溫度從28.528 ℃降至28.215 ℃，降低了0.313 ℃，當入風風速從20 m/s增大至24 m/s時，巷道溫度從27.860 ℃降至27.741 ℃，僅降低了0.119 ℃，表明隨著入風風速增大，巷道溫度下降速率逐漸變小，降溫效果越來越不明顯。

3.2.2 入風溫度對巷道溫度的影響

設置入風風速為16 m/s，圍巖溫度為34 ℃，風筒直徑為500 mm，入風溫度分別為16，18，20，22，24 ℃，根據數值模擬結果進行擬合，擬合曲線如圖4所示，擬合公式為

θ=21.270 75+0.374 4θa

(6)

圖4 不同入風溫度下巷道溫度Fig.4 Roadway temperature under different inlet air temperatures

由圖4可知，巷道溫度隨著入風溫度升高而升高，兩者呈線性正相關關系。

3.2.3 圍巖溫度對巷道溫度的影響

設置入風風速為16 m/s，入風溫度為18 ℃，風筒直徑為500 mm，圍巖溫度分別為32，34，36，38，40 ℃，根據數值模擬結果進行擬合，擬合曲線如圖5所示，擬合公式為

θ=6.738 81+0.625 63θb

(7)

圖5 不同圍巖溫度下巷道溫度Fig.5 Roadway temperature under different surrounding rock temperatures

由圖5可知，巷道溫度隨著圍巖溫度升高而升高，兩者呈線性正相關關系；圖5曲線斜率(0.625 63)明顯大于圖4曲線斜率(0.374 4)，表明圍巖溫度對巷道溫度的影響程度更大，與正交試驗結果一致。

3.2.4 風筒直徑對巷道溫度的影響

設置入風風速為16 m/s，入風溫度為18 ℃，圍巖溫度為34 ℃，風筒直徑分別為400，450，500，550，600 mm，根據數值模擬結果進行擬合，擬合曲線如圖6所示，擬合公式為

θ=33.040 17-0.010 33d

(8)

式中d為風筒直徑，mm。

圖6 不同風筒直徑下巷道溫度Fig.6 Roadway temperature under different air ducts diameters

由圖6可知，巷道溫度隨著風筒直徑增大而降低，兩者呈線性負相關關系。原因是當能耗相同時，風筒直徑增大，其風量比將以風筒直徑比的1.667次方增加[17]，風量的增加對通風降溫十分有利。

3.3 多元線性回歸

依據正交試驗和控制變量分析的數值模擬結果，以掘進巷道溫度為目標因子，利用Origin進行多元線性回歸分析，得到多元線性回歸方程：

(9)

式(9)擬合優度為0.993 1，擬合程度較好，表明掘進巷道溫度與各因素之間的線性關系較為顯著。

將通過多元線性回歸方程計算得到的掘進巷道溫度與數值模擬得到的掘進巷道溫度進行對比，結果如圖7所示。可看出除個別試驗的方程計算結果與數值模擬結果略有偏差外，整體趨勢一致且誤差較小，表明該多元線性回歸方程可為工程預測掘進巷道溫度提供參考。

圖7 方程計算結果與數值模擬結果對比Fig.7 Comparison of equation calculation results and numerical simulation results

4 結論

(1) 掘進巷道熱環境影響因素重要性從大到小依次為圍巖溫度、風筒直徑、入風溫度、入風風速。入風風速、入風溫度和風筒直徑對掘進巷道熱環境的影響程度保持穩定；距離掘進工作面越遠，圍巖溫度對掘進巷道熱環境的影響越顯著。

(2) 掘進巷道溫度與入風風速之間呈負冪函數關系，通過增大入風風速可降低掘進巷道溫度，但隨著入風風速增大，溫度下降速率逐漸變小，降溫效果越來越不明顯；掘進巷道溫度與入風溫度和圍巖溫度之間呈線性正相關關系，與風筒直徑之間呈線性負相關關系。

(3) 利用Origin進行多元線性回歸分析，得到掘進巷道溫度與入風風速、入風溫度、圍巖溫度、風筒直徑之間的多元線性回歸方程，可為工程預測掘進巷道溫度提供有效參考。