辛 嵩，劉尚校，張 逍，朱曉鎮(zhèn)

（山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島266590）

隨著煤炭開(kāi)采強(qiáng)度增加以及開(kāi)采工藝的改進(jìn)，淺部資源日益減少，開(kāi)采深部礦井資源已成為必然選擇。當(dāng)?shù)V井開(kāi)采到一定深度，圍巖溫度達(dá)到幾十?dāng)z氏度，高溫、高濕的作業(yè)環(huán)境嚴(yán)重影響著開(kāi)采進(jìn)度[1]。我國(guó)2016 年版《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：當(dāng)掘進(jìn)工作面空氣溫度超過(guò)26 ℃，必須縮短超溫地點(diǎn)作業(yè)人員的工作時(shí)間，當(dāng)掘進(jìn)工作面的空氣溫度超過(guò)30℃必須停止作業(yè)[2]。獨(dú)頭巷道由于缺少回風(fēng)巷，往往是礦井熱害最為嚴(yán)重的地方，如何有效改善采掘工作面的熱環(huán)境狀況，成為眾多學(xué)者重點(diǎn)研究的方向。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在數(shù)值模擬方面對(duì)掘進(jìn)工作面的風(fēng)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究。姬建虎[3]得出掘進(jìn)工作面射流沖擊換熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，并對(duì)不同組合方式下?lián)Q熱情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，李勇[4]對(duì)巷道風(fēng)流流場(chǎng)及降溫前后溫度場(chǎng)的分布及變化進(jìn)行了模擬分析。但很少有學(xué)者對(duì)掘進(jìn)工作面不同通風(fēng)參數(shù)下進(jìn)行較為全面的數(shù)值模擬，為此選取了趙樓煤礦7302 軌道巷掘進(jìn)工作面60 m 為研究對(duì)象，使用ANSYS_FLUENT 數(shù)值模擬軟件對(duì)掘進(jìn)工作面不同通風(fēng)條件下的熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 數(shù)學(xué)模型

湍流模型是表征地下熱環(huán)境流動(dòng)特性的關(guān)鍵組成部分。使用商用CFD 程序（Fluent）求解質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）、動(dòng)量方程（Navier-Stokes 方程）、能量守恒方程以及紊流模型方程。計(jì)算了巷道內(nèi)的空氣流動(dòng)和傳熱，將SIMPLE 算法用于對(duì)流項(xiàng)的二階格式[5-6]。對(duì)比分析了幾種常用的湍流模型選擇了工程中最常用的標(biāo)準(zhǔn)K-Epsilon 模型，該模型考慮了湍流動(dòng)能k 及其與湍流黏性耦合的耗散率ε 2 個(gè)方程，在預(yù)測(cè)巷道內(nèi)的空氣速度和溫度場(chǎng)方面表現(xiàn)出最佳效果。

連續(xù)性方程：

式中：E 為總能量，J；hj為j 組分的生成焓；Jj為j 組分的擴(kuò)散通量，kg/(m2·s)；Sh為化學(xué)反應(yīng)熱和自定義的任何其他體積熱源，J；k 為湍流動(dòng)能，J。ε 為耗散率，%；μ 為流體的動(dòng)態(tài)黏度，Pa·s；Gk為由于平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；C1ε、C2ε分別為模型常數(shù)；σk、σε分別為k 方程和ε 方程對(duì)應(yīng)的湍流普朗特?cái)?shù)；μt為湍流黏度，Pa·s。

2 物理模擬的構(gòu)建

1）巷道幾何模型。根據(jù)趙樓煤礦7302 軌道巷掘進(jìn)工作面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的尺寸，運(yùn)用Rhino6.0 建立了長(zhǎng)抽短壓式通風(fēng)系統(tǒng)下的掘進(jìn)巷道簡(jiǎn)化后的幾何模型，幾何模型由掘進(jìn)機(jī)、巷道、壓入式風(fēng)筒、抽出式風(fēng)筒4 部分組成。巷道為梯形，凈高4 m，上凈寬4.8 m，下凈寬5.2 m，選用φ0.8 m 的風(fēng)筒，掘進(jìn)機(jī)尺寸為11 m×3.5 m×1.8 m。

2）邊界條件命名與網(wǎng)格劃分。運(yùn)用CFD－ICEM對(duì)趙樓煤礦7302 掘進(jìn)工作面幾何模型進(jìn)行邊界命名和網(wǎng)格劃分，將壓入式風(fēng)筒入風(fēng)口設(shè)定為入口邊界，巷道的末端斷面以及抽出式風(fēng)筒的出風(fēng)口設(shè)定為出口邊界。3Dinflation 提供了靠近墻邊界的高質(zhì)量網(wǎng)格生成功能，以解決物理特性的變化。為了得到更精確的模擬結(jié)果，對(duì)受風(fēng)流擾動(dòng)和熱量交換影響的較為強(qiáng)烈的風(fēng)筒、掘進(jìn)機(jī)附近區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，共得到2 033 160 個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格平均質(zhì)量0.88。

3）邊界條件具體參數(shù)設(shè)定。根據(jù)對(duì)趙樓煤礦7302 掘進(jìn)工作面現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，然后對(duì)邊界條件相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定。假設(shè)風(fēng)流為低速不可壓縮流體，密度符合近似假設(shè)，可忽略由流體的黏性力做功所引起的耗散熱。圍巖壁面溫度均勻分布，且熱物性參數(shù)為常數(shù)。假設(shè)巷道壁面粗糙度均勻，所有壁面施加無(wú)滑移邊界條件，假設(shè)壁面溫度均勻分布，巷道圍巖壁面及迎頭壁溫按照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取平均值。計(jì)算湍流模型為Realizablek-epsilon 模型，開(kāi)啟能量方程，采用SIMPLE 算法，待迭代平衡后，運(yùn)用CFD-Post 對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析[7-8]。具體邊界條件設(shè)定為：①入口溫度：23 ℃；②入口風(fēng)量：300 m3/min；③抽出風(fēng)管出口風(fēng)速：－15 m/s；④巷道出口：自由回流；⑤圍巖壁面溫度：35 ℃；⑥掘進(jìn)迎頭溫度：39 ℃；⑦掘進(jìn)機(jī)壁面溫度：50 ℃。

3 模擬結(jié)果

研究為了量化壓入風(fēng)管位置對(duì)趙樓煤礦7302掘進(jìn)工作面長(zhǎng)抽短壓式通風(fēng)降溫效果的影響，結(jié)合礦井實(shí)際情況，固定變量壓風(fēng)筒距離迎頭距離為20 m，通過(guò)改變壓風(fēng)管出風(fēng)口與掘進(jìn)巷道迎頭端面之間的距離Lf（Lf分別設(shè)為2.5、5、7.5、10 m），對(duì)巷道內(nèi)的風(fēng)流速度、溫度進(jìn)行數(shù)值模擬，得到壓風(fēng)管不同布置方式下，巷道內(nèi)的風(fēng)流速度、溫度分布規(guī)律，通過(guò)比較可以確定壓風(fēng)管的合理位置。

為明確抽壓風(fēng)量配比對(duì)趙樓煤礦7302 軌道巷掘進(jìn)工作面通風(fēng)降溫效果的影響，結(jié)合礦井實(shí)際情況，將壓入風(fēng)量Q 設(shè)為300 m3/min，通過(guò)改變抽壓風(fēng)量配比B（B 分別設(shè)為1、1.5、2）分析7302 掘進(jìn)工作面通風(fēng)系統(tǒng)在不同抽壓風(fēng)量配比情況下的通風(fēng)降溫效果，從而得到通風(fēng)效果最佳的抽壓風(fēng)量配比。

3.1 壓風(fēng)管出風(fēng)口位置對(duì)風(fēng)流速度的影響

不同Lf條件下掘進(jìn)巷道內(nèi)風(fēng)流流線分布如圖1。由圖1 可以看出，長(zhǎng)抽短壓式通風(fēng)條件下巷道內(nèi)風(fēng)流的運(yùn)移狀況要比單一壓入式通風(fēng)條件下更加復(fù)雜。設(shè)定距離迎頭前30 m 區(qū)域?yàn)楣ぷ鲄^(qū)域，當(dāng)Lf=2.5 m 時(shí)，工作區(qū)域的局部區(qū)域的風(fēng)流速度都保持在0.3 m/s 以下，風(fēng)流經(jīng)自由擴(kuò)張后快速進(jìn)入到作業(yè)區(qū)域，由于受到掘進(jìn)機(jī)的阻擋作用，反向回風(fēng)不暢導(dǎo)致作業(yè)區(qū)域的回流速度過(guò)低，不符合煤礦安全規(guī)程對(duì)空氣的供給量規(guī)定的最小風(fēng)速。當(dāng)Lf=10 m時(shí)，由于掘進(jìn)機(jī)的阻擋作用，限制了射流邊界層的發(fā)展擴(kuò)散，這部分風(fēng)流由于掘進(jìn)機(jī)的阻擋作用形成了回流，從而保證了大部分區(qū)域的風(fēng)速在0.3 m/s以上。由于壓風(fēng)口、吸風(fēng)口處的卷吸作用，在距離掘進(jìn)迎頭20 m 以內(nèi)的區(qū)域內(nèi)，形成了多個(gè)不規(guī)則渦流風(fēng)流場(chǎng)，當(dāng)Lf=7.5、10 m 時(shí)，明顯風(fēng)流的速度要高于其他條件下的風(fēng)流速度，考慮到獨(dú)頭巷道的除塵效果，工作區(qū)域內(nèi)的風(fēng)流速度不宜過(guò)大[9-10]。

④應(yīng)將統(tǒng)籌城鄉(xiāng)水利基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)作為城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展一體化的重要環(huán)節(jié)。統(tǒng)籌考慮城鄉(xiāng)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和水利公共服務(wù)，同步納入政府公共財(cái)政預(yù)算支出項(xiàng)目；建立城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)一體化發(fā)展制度，并將加快農(nóng)村飲水安全建設(shè)和實(shí)施農(nóng)村水環(huán)境治理作為加快發(fā)展農(nóng)村公共事業(yè)的重要內(nèi)容。

圖1 不同Lf 條件下掘進(jìn)巷道內(nèi)風(fēng)流流線分布Fig.1 Distribution of wind flow lines in tunneling under different Lf conditions

3.2 壓風(fēng)管出風(fēng)口位置對(duì)風(fēng)流溫度的影響

不同的Lf值下，巷道后端的溫度分布沒(méi)有明顯的差異。可以認(rèn)為，巷道后端的風(fēng)流主要是由回流組成的，風(fēng)流與機(jī)械設(shè)備和圍巖之間發(fā)生了相同的熱傳遞，且大部分回流通過(guò)抽出風(fēng)管排出巷道，只有少部分污風(fēng)回流到巷道后端。相反，巷道工作區(qū)域的溫度分布存在明顯差異。不同Lf條件下巷道內(nèi)風(fēng)流速度在y=0 平面上的變化情況如圖2。從圖2可以看出，較小的Lf在作業(yè)區(qū)域具有更好的冷卻性能，然而，Lf過(guò)小時(shí)則會(huì)起到相反的效果，因?yàn)長(zhǎng)f過(guò)小時(shí)，由于掘進(jìn)機(jī)的阻礙作用，新鮮冷風(fēng)流反向回風(fēng)不暢導(dǎo)致作業(yè)區(qū)域的部分區(qū)域溫度較高，而Lf設(shè)置為5 m 時(shí)，工作區(qū)域的平均溫度最低，冷風(fēng)的擴(kuò)散面積最大。

綜上所述，當(dāng)Lf設(shè)置為5 m 時(shí)，工作區(qū)域的大部分風(fēng)速符合指標(biāo)，溫度約為27 °C，對(duì)礦工來(lái)說(shuō)較為舒適。因此，在后續(xù)分析中應(yīng)采用Lf=5 m 進(jìn)行研究。在優(yōu)化通風(fēng)降溫系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意風(fēng)管位置對(duì)通風(fēng)降溫性能的影響。

圖2 不同Lf 條件下巷道內(nèi)風(fēng)流速度y=0 平面上的變化情況Fig.2 Changes of the air velocity in the tunnel on the y=0 plane under different Lf conditions

3.3 抽壓風(fēng)量配比對(duì)風(fēng)流速度的影響

不同Lf值條件下巷道內(nèi)風(fēng)流溫度在y=0 平面上的變化情況如圖3。不同B 值條件下巷道內(nèi)風(fēng)流速度在y=0 平面上的變化情況如圖4。

圖3 不同Lf 值條件下巷道內(nèi)風(fēng)流溫度在y=0 平面上的變化情況Fig.3 The change of the airflow temperature in the tunnel on the y=0 plane under different Lf conditions

圖4 不同B 值條件下巷道內(nèi)風(fēng)流速度在y=0 平面上的變化情況Fig.4 B variation of the air velocity in the tunnel on the y=0 plane under different conditions

3 種不同抽壓風(fēng)量配比下，作業(yè)區(qū)域的風(fēng)流速度變化不大，相反，在巷道后端風(fēng)流速度產(chǎn)生了明顯變化，當(dāng)抽出風(fēng)量等于壓入風(fēng)量（即B=1）時(shí)，巷道后端壓抽重疊段風(fēng)流平均速度低于0.2 m/s，當(dāng)抽出風(fēng)量大于壓入風(fēng)量（即B=1.5 及B=2）時(shí)，整個(gè)巷道中的風(fēng)速基本滿足相關(guān)規(guī)定，絕大部分區(qū)域大于0.3 m/s，然而當(dāng)B=2 時(shí)抽風(fēng)口附近得風(fēng)流較紊亂，整個(gè)巷道的風(fēng)速較大，使得部分污風(fēng)擴(kuò)散至整個(gè)巷道，對(duì)通風(fēng)效果起到反作用，且會(huì)加大通風(fēng)能耗。

3.4 抽壓風(fēng)流配比對(duì)風(fēng)流溫度的影響

當(dāng)抽出風(fēng)量大于壓入風(fēng)量時(shí)，可對(duì)巷道內(nèi)的高溫環(huán)境產(chǎn)生有利影響，因此混合通風(fēng)可以通過(guò)適當(dāng)提高抽出風(fēng)量來(lái)改善巷道內(nèi)的高溫環(huán)境。然而，過(guò)高的抽出風(fēng)量并不能有效改善巷道內(nèi)的熱環(huán)境，不同B 值條件下巷道內(nèi)風(fēng)流溫度在y=0 平面上的變化情況如圖5，不同B 值條件下巷道內(nèi)各斷面上風(fēng)流溫度的變化情況如圖6。

圖5 不同B 值條件下巷道內(nèi)風(fēng)流溫度在y=0 平面上的變化情況Fig.5 B change of airflow temperature in the tunnel on the y=0 plane under different conditions

圖6 不同B 值條件下巷道內(nèi)各斷面上風(fēng)流溫度的變化情況Fig.6 B changes of airflow temperature on each section in the tunnel under different conditions

當(dāng)B=2 時(shí)，壓入風(fēng)管與抽出風(fēng)管正負(fù)壓作用下的渦流區(qū)內(nèi)的風(fēng)流紊亂，使得大部分高溫風(fēng)流擴(kuò)散到巷道后端，在距離掘進(jìn)迎頭10 m 處的斷面平均溫度27.8 ℃，巷道內(nèi)平均溫度較高，對(duì)降溫過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響。

當(dāng)B=1.5 時(shí)，抽壓風(fēng)流配合合理，距離掘進(jìn)迎頭1、5、10 m 處斷面的平均溫度分別為26.4、27.0、27.3℃時(shí)達(dá)到了較好的通風(fēng)降溫效果。

4 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)驗(yàn)證

為了全面掌握巷道中的風(fēng)流參數(shù)以及驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性，根據(jù)斷面與掘進(jìn)迎頭的選取了8 個(gè)斷面，分別距離迎頭1、5、10、15、20、25、30、60 m，每個(gè)巷道斷面設(shè)置了4 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，巷道斷面測(cè)點(diǎn)布置圖如圖7。

待風(fēng)機(jī)開(kāi)啟5 min 左右，風(fēng)流場(chǎng)穩(wěn)定后，使用風(fēng)速計(jì)測(cè)量巷道內(nèi)的風(fēng)流速度，采用用干式溫度計(jì)、紅外線測(cè)溫儀測(cè)量巷道內(nèi)空氣溫度。

各測(cè)點(diǎn)風(fēng)流速度大小、方向及風(fēng)流溫度大小實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比見(jiàn)表1，表2。

圖7 巷道斷面測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.7 Arrangement of measuring points of tunnel cross section

表1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)流速度、方向與數(shù)值模擬對(duì)比Table 2 Field measured wind speed, direction and numerical simulation comparison

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)流速度與數(shù)值模擬對(duì)比Table 2 Comparison of field measured wind speed and numerical simulation

5 結(jié) 論

1）通過(guò)改變壓風(fēng)管出風(fēng)口與掘進(jìn)巷道迎頭端面之間的距離Lf（分別設(shè)為2.5、5、7.5、10 m），對(duì)巷道內(nèi)的風(fēng)流速度、溫度進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示當(dāng)Lf設(shè)置不同值時(shí)，工作區(qū)域形成的渦流場(chǎng)大小不一，對(duì)通風(fēng)降溫系統(tǒng)影響較大。

2）將壓入風(fēng)量設(shè)為Q=300 m3/min，通過(guò)改變抽壓風(fēng)量配比B（B 分別設(shè)為1、1.5、2）分析掘進(jìn)工作面通風(fēng)系統(tǒng)在不同抽壓風(fēng)量配比工況下的通風(fēng)降溫效果，結(jié)果顯示當(dāng)壓入風(fēng)管距離掘進(jìn)迎頭5 m，抽壓風(fēng)量配比為1.5 時(shí)，工作區(qū)域平均溫度27 ℃，長(zhǎng)抽短壓式通風(fēng)系統(tǒng)可達(dá)到最佳的通風(fēng)降溫效果。

3）將數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)用到趙樓煤礦7302 軌道巷掘進(jìn)工作面通風(fēng)優(yōu)化中，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)風(fēng)速與數(shù)值模擬結(jié)果平均相對(duì)誤差10.07%，實(shí)測(cè)風(fēng)溫與數(shù)值模擬結(jié)果平均相對(duì)誤差1.60%，數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。