朱國龍，周 鵬，宮偉力，孟憲宇

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

高溫礦井工作面熱害控制模擬研究及系統(tǒng)優(yōu)化

朱國龍1，2，周 鵬1，2，宮偉力1，孟憲宇1，2

(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

針對(duì)典型煤礦的深部高溫?zé)岷ν{，在徐州礦區(qū)建立的“以礦井涌水為冷源的深井降溫系統(tǒng)”取得了良好效果，但也仍存在優(yōu)化潛力。本文以徐州張雙樓礦井熱害控制為例，應(yīng)用流固傳熱及邊界層理論數(shù)值模擬的方法，建立工作面的巖石-空氣耦合傳熱模型，對(duì)降溫系統(tǒng)干預(yù)下的深井工作面溫度場進(jìn)行了研究。利用系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，證明了模型的準(zhǔn)確性和適用性。通過對(duì)降溫系統(tǒng)不同工況進(jìn)行模擬，為現(xiàn)場降溫系統(tǒng)提出了優(yōu)化方案。

深井熱害；流固傳熱；低Re數(shù)k-ε模型；邊界層；HEMS系統(tǒng)優(yōu)化

隨著煤礦開采深度的進(jìn)一步增加，尤其是位于我國東部地區(qū)的礦井在深部開采過程中普遍受到高溫?zé)岷Φ牡耐{，徐州礦區(qū)多個(gè)礦井主要工作面的環(huán)境溫度達(dá)到32℃，傳統(tǒng)通風(fēng)回風(fēng)溫度高達(dá)36℃，均超出了我國相關(guān)規(guī)定中的溫度上限值[1]。高溫環(huán)境會(huì)造成井下作業(yè)人員身體機(jī)能下降，工作效率低下并引發(fā)暈厥和疾病，同時(shí)高溫也會(huì)對(duì)井下生產(chǎn)設(shè)備的安全造成威脅。過去的研究表明，高溫環(huán)境會(huì)造成巖石體軟化和吸附瓦斯逸出現(xiàn)象[2]，誘發(fā)巖爆和瓦斯突出等伴生事故嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)[3]。依照“十三五”對(duì)礦業(yè)工程學(xué)科發(fā)展的要求，在礦山安全領(lǐng)域，到2020年預(yù)期在超大規(guī)模超深井礦山安全開采和典型災(zāi)害防治技術(shù)領(lǐng)域形成引領(lǐng)性的研究方向，如：礦山通風(fēng)與火災(zāi)綜合防治基礎(chǔ)理論與方法研究、現(xiàn)有開采條件下的職業(yè)危害治理與監(jiān)測(cè)需求下的應(yīng)用基礎(chǔ)研究等，以期在相關(guān)技術(shù)和裝備上取得有階段性的研究成果[4]。

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效的深井熱害控制，通過在徐州礦區(qū)多個(gè)煤礦開展現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，先后在夾河煤礦、三河尖煤礦、張雙樓煤礦等礦區(qū)分別建立起了“以礦井涌水為冷源的深井降溫系統(tǒng)”(HEMS系統(tǒng))，即利用礦井各水平出現(xiàn)的涌水，通過能量提取系統(tǒng)從中獲取冷量，然后運(yùn)用提取出的冷量與工作面高溫空氣進(jìn)行換熱作用，達(dá)到降低工作面的環(huán)境溫度及濕度的目的，一定程度上減少了能源消耗[5]。對(duì)于降溫系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，由于現(xiàn)場運(yùn)行成本和安全開采要求的限制，只能通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。本文以徐州礦區(qū)張雙樓煤礦HEMS系統(tǒng)深井工作面熱害控制為例，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況和降溫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，通過構(gòu)建工作面圍巖和空氣耦合傳熱模型，應(yīng)用流固傳熱及邊界層理論取代常用的壁函數(shù)法進(jìn)行數(shù)值模擬，提高數(shù)值模擬的精度，對(duì)深井工作面降溫系統(tǒng)運(yùn)行前后的固流傳熱過程和巷道溫度場分布進(jìn)行了研究。對(duì)構(gòu)建的模型利用了系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)而利用該模型對(duì)HEMS降溫模塊的多種工況進(jìn)行了模擬，通過比對(duì)巷道溫度場和速度場，參照安全規(guī)范和降溫系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，為現(xiàn)場熱害控制系統(tǒng)提出了優(yōu)化方案。

1 研究背景

1.1 工程背景

徐州礦區(qū)張雙樓煤礦位于中國東部地區(qū)，目前礦井開采深度達(dá)到-1000m，如圖1所示的現(xiàn)場的原巖溫度測(cè)試結(jié)果表明，-800m水平巖溫38.6℃，-1000m采區(qū)巖溫達(dá)43.7℃。7119工作面為典型高溫工作面，工作面標(biāo)高-694～-820m，工作面進(jìn)風(fēng)巷道長220m，寬4m；工作面長200m，寬3.5m；回風(fēng)巷道長220m，寬4m；通風(fēng)風(fēng)量為2500～3260m3/min。

圖1 現(xiàn)場原巖溫度測(cè)試[1]

注：O為進(jìn)風(fēng)巷入口；A為HEMS-II降溫模塊出風(fēng)口；A1為進(jìn)風(fēng)巷末端點(diǎn)；B為工作面入口；B-C為工作面中點(diǎn)；C為工作面出口；D為回風(fēng)巷出口圖2 工作面模型和監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

圖3 工作面降溫前后溫度監(jiān)測(cè)曲線[1]

在張雙樓煤礦HEMS系統(tǒng)熱害控制現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)工作面溫度檢測(cè)對(duì)降溫前后各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況進(jìn)行了對(duì)比，工作面模型和監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，對(duì)降溫系統(tǒng)運(yùn)行前后的工作面溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，見圖3。結(jié)果顯示，降溫前各點(diǎn)溫度普遍高于31℃，應(yīng)用以礦井涌水為冷源的降溫系統(tǒng)后，將原先進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)溫由28℃降低至18℃，現(xiàn)場實(shí)測(cè)溫度表明通風(fēng)至工作面出口C點(diǎn)的溫度平均值為27℃，滿足了《煤礦安全規(guī)程》中對(duì)于采掘工作面的空氣溫度不超過30℃的要求。但工作面的溫度是受圍巖、機(jī)械設(shè)備及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境等多因素共同影響的復(fù)雜問題，HEMS系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)置雖初步滿足了安全規(guī)程要求，但仍具有很大優(yōu)化和調(diào)整的空間。雖然可以通過現(xiàn)場的HEMS系統(tǒng)參數(shù)調(diào)控與反饋，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，但由于煤礦安全生產(chǎn)要求和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間上存在局限性，只能通過建立深部采煤工作面物理模型和運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，實(shí)現(xiàn)多種現(xiàn)實(shí)工況的熱害控制模擬，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)HEMS系統(tǒng)的現(xiàn)場運(yùn)行優(yōu)化。

1.2 研究現(xiàn)狀

深部采動(dòng)作用下滲流場與巷道圍巖體的溫度場耦合作用以及滲流作用下的巷道圍巖與風(fēng)流溫度場的熱濕傳遞研究是礦井降溫技術(shù)的基礎(chǔ)問題之一。為揭示煤炭深部開采中的復(fù)雜熱環(huán)境耦合作用機(jī)理，國內(nèi)外專家學(xué)者在數(shù)值計(jì)算和數(shù)值模擬方面取得了基礎(chǔ)性突破，20世紀(jì)40年代起，平松良雄[6]，J.D.V.Lambrechts[7]等系統(tǒng)的對(duì)井下風(fēng)流與圍巖熱交換進(jìn)行研究，并形成了熱害控制的經(jīng)典計(jì)算方法。在礦井巷道圍巖散熱方面，高建良等[8]、吳強(qiáng)等[9]、秦躍平等[10]通過數(shù)值推導(dǎo)，用有限元的方法優(yōu)化了傳熱模型和邊界函數(shù)，對(duì)巷道圍巖、風(fēng)流和水的傳熱過程進(jìn)行了細(xì)化計(jì)算。Danko G和Bahrami D[11]利用CLIMSIM MULTI FLUX軟件對(duì)礦井巷道壁面的傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬；I.S.Lowndes等[12]對(duì)風(fēng)流與圍巖之間對(duì)流換熱系數(shù)及換熱特性進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。目前，在井下巷道圍巖與空氣換熱研究中仍主要依賴于經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)，使用壁函數(shù)對(duì)近壁模型進(jìn)行簡化。隨著開采深度的增加，對(duì)于深部采場工作面熱環(huán)境分析及降溫系統(tǒng)作用下的流固換熱設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)的問題越發(fā)顯著，可以引入更精細(xì)化的理論模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控。在流體力學(xué)領(lǐng)域，固流耦合傳熱理論很早就被廣泛研究和應(yīng)用于航空、航天等精細(xì)化程度較高的領(lǐng)域中，形成了成熟的流固換熱和邊界層理論。在對(duì)近壁區(qū)流動(dòng)情況描述時(shí)，壁面區(qū)流動(dòng)湍流應(yīng)力作用小，普通的k-ε模型無法用于這個(gè)區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)求解，目前常用的解決途徑就是利用半經(jīng)驗(yàn)公式，即壁面函數(shù)，將壁面情況與湍流核心區(qū)內(nèi)的相應(yīng)物理量構(gòu)建聯(lián)系，形成了現(xiàn)今普遍采用的壁面函數(shù)法，本文在數(shù)值模擬中，采用低Re數(shù)k-ε模型來求解近壁區(qū)受流體粘性影響明顯的區(qū)域，該方法要求在壁面區(qū)劃分比較致密的網(wǎng)格，從而使的高Re數(shù)k-ε模型的數(shù)值計(jì)算能從湍流核心區(qū)一直計(jì)算到壁面上[13]。

細(xì)化近壁區(qū)的流動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)更加精細(xì)的煤礦深井熱害數(shù)值模擬研究。本文擬應(yīng)用流固傳熱及邊界層理論取代常用的壁函數(shù)法進(jìn)行數(shù)值模擬，提高數(shù)值模擬的精度，對(duì)深井工作面降溫系統(tǒng)運(yùn)行前后的固流傳熱過程和巷道溫度場分布進(jìn)行深入研究。

2 理論計(jì)算

描述近壁區(qū)流動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性其在近壁流動(dòng)時(shí)沿壁面法線方向可劃分為壁面區(qū)(近壁區(qū))和核心區(qū)，核心區(qū)的流體被認(rèn)為是完全湍流流動(dòng)，而流體在壁面區(qū)受到壁面流動(dòng)的影響大，往往雷諾數(shù)(Re)數(shù)較低，湍流發(fā)展并不充分，一般將壁面區(qū)劃分為3個(gè)子層，即粘性底層、過渡層、對(duì)數(shù)律層(或完全湍流層)，如圖4所示。粘性底層是一個(gè)緊貼固體壁面的極薄層，其中粘性力在動(dòng)量、熱量及質(zhì)量交換中起主導(dǎo)作用；過渡層處于粘性底層的外面，其中粘性力與湍流切應(yīng)力的作用相當(dāng)，流動(dòng)狀況比較復(fù)雜，且由于厚度極小，因而在工程計(jì)算中通常歸入外層的對(duì)數(shù)律層；最外層的對(duì)數(shù)律層，粘性力的影響不明顯，而湍流切應(yīng)力占主要地位，流動(dòng)處于充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，流速分布接近對(duì)數(shù)律。在實(shí)際計(jì)算中，為了數(shù)學(xué)上的簡便，常常忽略緩沖層，使用僅考慮粘性底層與湍流核心的兩層模型。

圖4 平面湍流邊界層結(jié)構(gòu)示意圖[13]

壁面區(qū)流動(dòng)湍流應(yīng)力作用小，計(jì)算求解時(shí)傳統(tǒng)的k-ε模型無法用于這個(gè)區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)，目前常用的解決途徑就是利用半經(jīng)驗(yàn)公式，即壁面函數(shù)，將壁面情況與湍流核心區(qū)內(nèi)的相應(yīng)物理量構(gòu)建聯(lián)系，這樣，不需要對(duì)壁面區(qū)內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行求解，就可直接得到與壁面相鄰控制體積的節(jié)點(diǎn)變量值，形成了現(xiàn)今普遍采用的壁面函數(shù)法。而另一種解決方法，是采用低Re數(shù)k-ε模型法。兩種方法與標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型和RNG k-ε模型等配合，成功地解決近壁區(qū)及低Re數(shù)情況下的流動(dòng)計(jì)算問題。

本文在數(shù)值模擬中，采用低Re數(shù)k-ε模型來求解近壁區(qū)受流體粘性影響明顯的區(qū)域，該方法要求在壁面區(qū)劃分比較致密的網(wǎng)格，從而使的高Re數(shù)k-ε模型的數(shù)值計(jì)算能從湍流核心區(qū)一直計(jì)算到壁面上。對(duì)于定長流動(dòng)和不考慮分離點(diǎn)位置時(shí)，平面湍流的邊界層方程組見式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

3 數(shù)值模擬分析

FLUENT是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)以及熱傳導(dǎo)等問題的常用CFD商業(yè)軟件，能夠?qū)ο锏罍囟葓龊腿斯そ禍叵到y(tǒng)介入下的熱環(huán)境進(jìn)行深入分析。

3.1 計(jì)算模型

在數(shù)值模擬的過程中，為簡化研究問題進(jìn)行了加設(shè)：巷道內(nèi)空氣為理想氣體，空氣性質(zhì)不隨溫度的變化而變化；由于湍流邊界層的引入，加設(shè)巷道內(nèi)空氣的湍流粘性為各向同性；對(duì)于計(jì)算區(qū)的工程圍巖體，視為宏觀上均質(zhì)、各向同性介質(zhì)；簡化空氣流動(dòng)，加設(shè)巷道內(nèi)空氣為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，且入口處風(fēng)流溫度和速度穩(wěn)定。

以徐州地區(qū)張雙樓礦7119工作面為例建立物理模型，調(diào)熱圈半徑是流固換熱中的重要參數(shù)，其主要受到通風(fēng)時(shí)間的影響，一般隨著通風(fēng)時(shí)間的增加而不斷增大，此外調(diào)熱半徑還與原巖溫度、巖石的熱物理性質(zhì)以及風(fēng)流溫度對(duì)巖體的影響等有關(guān)。通風(fēng)時(shí)間為一個(gè)月時(shí)，得出調(diào)熱圈半徑的估計(jì)值為10m，設(shè)為外延圍巖厚度。巷道內(nèi)的機(jī)械設(shè)備結(jié)合現(xiàn)場情況進(jìn)行了簡化，物理模型如圖5所示。

BC所示的工作面周圍巷道分布如下，A點(diǎn)為進(jìn)風(fēng)巷道入口，D點(diǎn)為回風(fēng)巷道出口。在工作面的短點(diǎn)拐角處，B點(diǎn)和C點(diǎn)位置，分別設(shè)置了控制點(diǎn)1和控制點(diǎn)2，在工作面溫度場模擬結(jié)果等值線圖中分別記錄工作面入口和出口處的最高溫度。

邊界條件的設(shè)定如下：①風(fēng)流入口邊界條件：空氣已經(jīng)進(jìn)行了不可壓縮性流體加設(shè)，設(shè)定恒定風(fēng)流進(jìn)口流速和溫度；②風(fēng)流出口邊界條件：由于出口風(fēng)流速度及溫度未知，給定出口為outflow；③采場圍巖固壁邊界條件—計(jì)算區(qū)域中的采場圍巖溫度為現(xiàn)場原巖溫度，內(nèi)壁為coupled耦合熱邊界，外壁給定壁面溫度，均為無滑移壁面。設(shè)巷道壁面表面粗糙，粗糙度高度設(shè)為0.0003m，粗糙度常數(shù)設(shè)為0.5。巷道圍巖為砂巖，給定砂巖熱物理性質(zhì)。

為了充分捕捉近壁區(qū)信息，在近壁區(qū)必須細(xì)化網(wǎng)格，把第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)布置在湍流充分發(fā)展區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)格層數(shù)取10層，離壁面最近的節(jié)點(diǎn)y+=30。用四邊形和三角形混合網(wǎng)格進(jìn)行二維剖分，并在固壁處劃分邊界層，對(duì)模型進(jìn)行離散化，同時(shí)對(duì)工作面進(jìn)出口拐點(diǎn)位置進(jìn)行了網(wǎng)格加密，表1對(duì)網(wǎng)格類型與數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，局部網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖5 物理模型(單位：m)

表1 網(wǎng)格類型及數(shù)量

傳熱方式網(wǎng)格類型及數(shù)量節(jié)點(diǎn)數(shù)巷道圍巖散熱及機(jī)械設(shè)備散熱邊界層180四邊形14665三角形4589088921

3.2 模型檢驗(yàn)

為了對(duì)張雙樓工作面進(jìn)行模擬研究，參數(shù)均采用了7119工作面實(shí)地測(cè)量的空氣和圍巖的物理參數(shù)，如表2所示。

圖6 工作面入口處網(wǎng)格

對(duì)于平板邊界層由工作面實(shí)測(cè)資料計(jì)算雷諾數(shù)，見式(6)。

(6)

當(dāng)雷諾數(shù)Re大于5×105時(shí)層流將轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳎?jì)算時(shí)取Rexty=5×105。

根據(jù)2012年7、8月對(duì)井下7119采掘工作面空氣溫度進(jìn)行測(cè)定，工作面回采期間使用下行通風(fēng)，表3為7119采掘工作面現(xiàn)場溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表2 模擬參數(shù)表

表3 7119采掘工作面現(xiàn)場實(shí)測(cè)參數(shù)表

工作面風(fēng)量換算為入口風(fēng)速，約為3m/s，設(shè)定入口溫度為16.9℃，利用所建立的模型進(jìn)行工作面熱害控制數(shù)值模擬，穩(wěn)態(tài)迭代計(jì)算溫度場結(jié)果如圖7所示，將模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度值與實(shí)測(cè)溫度值對(duì)比，對(duì)所建模型進(jìn)項(xiàng)檢驗(yàn)，如表4所示。

由上表可以看出，7119采掘工作面在正常通風(fēng)條件下，采掘工作面入口和出口處模擬溫度值與實(shí)測(cè)溫度值最大差值為2.7℃，最小差值為0.21℃，考慮到實(shí)地測(cè)量誤差、實(shí)際壁面粗糙程度模擬不充分以及其他因素影響的影響，模擬溫度結(jié)果低于實(shí)測(cè)溫度，在合理范圍內(nèi)。模型檢驗(yàn)結(jié)果表明，徐州張雙樓煤礦深井熱害控制工程降溫工作面溫度場分析模型的大小選取、單元類型選取及其離散化處理方法、邊界條件的確定等都較為準(zhǔn)確和合理，模型溫度場計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較一致，尤其是本模型對(duì)于工作面上隅角C點(diǎn)的模擬溫度與實(shí)際值差別不大，設(shè)計(jì)的模型可以用于模擬7119工作面降溫工作面的溫度場，從而對(duì)HEMS系統(tǒng)在現(xiàn)場熱害控制的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 工作面降溫模擬結(jié)果

3.3 工況模擬

結(jié)合現(xiàn)場HEMS系統(tǒng)的降溫模塊HEMS-II降溫能力，及7119工作面的實(shí)際情況，綜合現(xiàn)有現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)，選取了入口空氣溫度值為16℃、17℃和18℃。風(fēng)流進(jìn)口的速度分別設(shè)為0.1m/s、0.3m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s，分別用以模擬無風(fēng)狀態(tài)，1級(jí)風(fēng)到3級(jí)風(fēng)的工作狀態(tài)。設(shè)定工況下的工作面降溫?cái)?shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。數(shù)值模擬過程中對(duì)工作面風(fēng)流速度同樣進(jìn)行了關(guān)注，由模擬得到的風(fēng)流速度等值線圖可以得到工作面風(fēng)流速度，1～18模擬工況的工作面速度均小于8m/s，符合《煤礦安全規(guī)程》第101條規(guī)定。

表4 7119采掘工作面實(shí)測(cè)溫度值與模擬溫度值對(duì)比表

圖8 不同工況下工作面監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度模擬結(jié)果

4 降溫系統(tǒng)優(yōu)化

評(píng)價(jià)HEMS系統(tǒng)降溫模組工況時(shí)，首先對(duì)每組工況下工作面進(jìn)口(B點(diǎn))和出口上隅角(C點(diǎn))進(jìn)行評(píng)價(jià)并初步篩選，對(duì)各模擬工況工作面風(fēng)溫模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示，依照人體清醒狀態(tài)下最舒適的溫度為21～25℃，同時(shí)選取工作面溫度浮動(dòng)系數(shù)1.2以保證工作面上隅角C點(diǎn)溫度始終不低于30℃，可以選取合理的工況組合有六組：①供風(fēng)速度為3m/s，供風(fēng)溫度為16℃；②供風(fēng)速度為3m/s，供風(fēng)溫度為17℃；③供風(fēng)速度為4m/s，供風(fēng)溫度為16℃；④供風(fēng)速度為4m/s，供風(fēng)溫度為17℃；⑤供風(fēng)速度為4m/s，供風(fēng)溫度為18℃；⑥供風(fēng)速度為5m/s，供風(fēng)溫度為18℃。

圖9 關(guān)鍵點(diǎn)溫度隨入口風(fēng)速變化關(guān)系曲線

高風(fēng)速工況下，雖然出口C處溫度為23℃，符合要求，但入口B處溫度低于21℃，溫度過低時(shí)，造成溫差過大亦會(huì)對(duì)工人身體造成不適，且設(shè)置溫度過低，對(duì)于井下冷源和能源會(huì)造成過多浪費(fèi)。當(dāng)風(fēng)量增加時(shí)，會(huì)造成巷道工作面負(fù)壓呈二次方增加，同時(shí)風(fēng)機(jī)功耗隨之呈三次方增加。因此與提高供風(fēng)速度相比較，選擇略低的供風(fēng)溫度更經(jīng)濟(jì)。因此，HEMS-II降溫工作站機(jī)組的最佳降溫工況為：供風(fēng)溫度為17℃，供風(fēng)速度為3m/s。這時(shí)，降溫系統(tǒng)最節(jié)能。

5 結(jié) 論

本文以張雙樓礦井HEMS降溫系統(tǒng)為例，探討了深井巷道數(shù)值模擬細(xì)化計(jì)算方法，利用低Re數(shù)k-ε模型和邊界層理論構(gòu)建了工作面現(xiàn)場的巖石和空氣耦合傳熱模型進(jìn)行流固傳熱數(shù)值模擬。對(duì)構(gòu)建的模型利用了系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)，與現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論。

1)張雙樓礦區(qū)7119工作面降溫工作面的溫度測(cè)量結(jié)果同本文數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比表明，巖石和空氣耦合傳熱模型的建立、邊界條件的設(shè)定等能夠較為準(zhǔn)確的對(duì)工作面熱害控制效果進(jìn)行模擬。研究結(jié)果為類似條件巷道溫度場研究提供了思路。

2)利用工作面模型對(duì)HEMS降溫工作站現(xiàn)場工況進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，得到了不同工況下工作面溫度場分布，設(shè)計(jì)了現(xiàn)場熱害控制的組合工況。

3)從節(jié)能角度考慮，優(yōu)化了現(xiàn)場降溫工作站工況，最佳工況為供風(fēng)溫度為17℃，供風(fēng)速度為3m/s。

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Numerical simulation research on deep mine work face heat hazards control and cooling system optimizing

ZHU Guolong1，2，ZHOU Peng1，2，GONG Weili1，MENG Xianyu1，2

(1.State Key Laboratory of Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining & Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Institute of Mechanics and Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Heat hazards in China’s typical coal mines become more and more serious with the increase of mining depth. Recently, the high-temperature exchange machinary system (HEMS) by using coal mine inflow is employed in Xuzhou Mining Group deep coal mines. Field experiments show that this cooling system achieves obvious effect in heat hazard control, but the researches on mechanism and the optimizing of HEMS system are still needed. Based on the field experiment in Zhangshuanglou coal mine, the numerical simulation are performed with the rock-air coupled heat transmission model. The solid heat transfer and flow boundary layer theory are employed and then the model is examined by the field monitored data, which shows the model is reliable in working face cooling simulation. With the simulating results for different HEMS working conditions, the temperature field and velocity field at working face are obtained, and the system optimizing parameters are also provided with 17centigrade and 3 m/s outlet velocity. The model and simulating test methods may provide basis and ideas for similar ventilation and cooling systems optimization.

deep heat hazard；fluid-solid heat transfer；low Re k-ε model；boundary layer；high-temperate exchange machinary ststem (HEMS) optimizing

2016-03-02

國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目資助(編號(hào)：51134005)。

朱國龍(1988-)，男，漢，山東泰安人，博士研究生，主要從事巖土工程方面的研究工作巖土工程專業(yè)，E-mail：zhu.guolong@hotmail.com。

TD353

A

1004-4051(2016)12-0159-06