沈宏俊 王春霞 孫 慶

（六盤水師范學(xué)院礦業(yè)工程系，貴州 六盤水553004）

0 引言

貴州眾多煤礦事故中，瓦斯事故是最主要事故之一，且事故災(zāi)害等級(jí)高。掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量大，是瓦斯最主要的積聚地，瓦斯事故的高發(fā)地帶。為此，本文將針對(duì)貴州六盤水礦區(qū)掘進(jìn)巷道實(shí)際情況，對(duì)該礦區(qū)掘進(jìn)工作面進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬分析，得出掘進(jìn)巷道瓦斯壓力和瓦斯運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一些結(jié)論，并為該地區(qū)掘進(jìn)巷道瓦斯運(yùn)動(dòng)規(guī)律奠定基礎(chǔ)。從而對(duì)掘進(jìn)工作面的瓦斯防治和治理起到指導(dǎo)作用。

日本Nakayama等人對(duì)掘進(jìn)工作面風(fēng)流分布進(jìn)行了模擬研究[1-2]。南非、美國(guó)、英國(guó)、西班等國(guó)家的一些學(xué)者也對(duì)掘進(jìn)工作面的風(fēng)流分布和瓦斯分布進(jìn)行了模擬研究[3-6]。河南理工大學(xué)的高建良、劉金金等用RNGk-ε雙方程湍流模型對(duì)掘進(jìn)巷道壓入式通風(fēng)進(jìn)行了仿真模擬，對(duì)k值和ε值采用三種不同的算法，并得出了與試驗(yàn)較為相符合的k值和ε值計(jì)算公式[7]。安徽理工大學(xué)的胡祖祥、王百順通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型研究了掘進(jìn)巷道某一點(diǎn)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)[8]。本文將針對(duì)六盤水地區(qū)煤礦的實(shí)際掘進(jìn)巷道尺寸進(jìn)行流場(chǎng)分布規(guī)律的分析研究，研究掘進(jìn)工作面的風(fēng)筒出口風(fēng)速對(duì)掘進(jìn)工作面的渦流中心、渦流大小及掘進(jìn)工作面正壓分布進(jìn)行研究。得出風(fēng)筒出口風(fēng)速不同時(shí)的掘進(jìn)工作面的渦流中心及渦流大小、掘進(jìn)工作面正壓分布一些分布規(guī)律和結(jié)論。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 假設(shè)條件

（1）掘進(jìn)工作面風(fēng)筒出口氣流可視為不可壓縮氣體，不考慮耗散熱，壁面條件假定絕熱，通風(fēng)條件為20℃；

（2）流體湍流黏性具有各向同性，湍流的黏滯系數(shù)μt可作為標(biāo)量處理；

（3）流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)，滿足Boussinesq假設(shè)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)于掘進(jìn)工作面的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，由以上假設(shè)條件，可得以下控制方程（1）~（4）

質(zhì)量守恒方程（MassConservationEquation）為

式中：ρ為密度，t為時(shí)間，u，v，w 為 x，y，z方向上的速度分量。

動(dòng)量守恒方程 （MomentumConservationEquation）， 也稱Narier—Stokes方程，即

式中：u，v，w 為速度矢量在 x，y，z方向的分量，p為流體微元體上的壓力。

2 幾何模型的建立

本文根據(jù)六盤水米籮礦井的實(shí)際掘進(jìn)巷道尺寸，建立了與實(shí)際情況相符合的模擬模型，提高模擬結(jié)果的真實(shí)度。巷道為圓拱形巷道，風(fēng)筒出口的位置為掘進(jìn)巷道的中部拱頂，如圖1所示。

模型一：模擬巷道長(zhǎng)15m，寬4.6，高3.5的圓拱形掘進(jìn)斷面，風(fēng)筒直徑為0.5m，出風(fēng)口平均速度為8m/s，風(fēng)筒距工作面距離為10m。風(fēng)筒布置在巷道的頂部，如圖1所示。

圖1 風(fēng)筒在頂部時(shí)的布置和巷道斷面布置圖

3 邊界條件

（1）入口條件：取風(fēng)筒出口為入口邊界，取風(fēng)筒入口平均風(fēng)速10m/s為入口速度，湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε計(jì)算方法有三種，不同的計(jì)算方法得出的湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε有較大的差距，然而對(duì)比后發(fā)現(xiàn)采用第三種方法得到的值更加符合和接近實(shí)際情況，在這里采用第三種計(jì)算方法[9]，k=0.05，，其中um為入口平均速度，d0為入口處的特征尺寸，取風(fēng)筒的水力直徑。

（2）出口條件：模擬的巷道出口選取為距風(fēng)筒位置5m處，此時(shí)的掘進(jìn)巷道出口對(duì)于掘進(jìn)工作面空氣流動(dòng)的研究基本上沒(méi)有影響，流場(chǎng)也趨于一種平穩(wěn)的狀態(tài)。出口條件采用完全的自由流動(dòng)。

4 模擬結(jié)果分析

我們使用Fluent仿真模擬軟件對(duì)上述三種情況進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬分析，截取Y=2.3時(shí)的截面作為流場(chǎng)分析面，得出不同的風(fēng)筒出口速度的流場(chǎng)流動(dòng)規(guī)律。圖2為6m/s時(shí)的流場(chǎng)分布圖，圖3為8m/s時(shí)的流場(chǎng)分布圖，圖4為10m/s時(shí)的流場(chǎng)分布圖。

圖2 風(fēng)筒出口速度為6m/s時(shí)的流場(chǎng)分布圖（Y=2.3）

圖3 風(fēng)筒出口速度為8m/s時(shí)的流場(chǎng)分布圖（Y=2.3）

圖4 風(fēng)筒出口速度為10m/s時(shí)的流場(chǎng)分布圖（Y=2.3）

從以上分析我們可以得出，風(fēng)筒不同的出口風(fēng)速，在出口處會(huì)形成卷吸，由于風(fēng)速的不同，卷吸的作用也不一樣，從而導(dǎo)致渦流中心位置離掘進(jìn)工作面的距離和渦流大小有一定的差距。從以上分析可以得出，風(fēng)筒出口速度為6m/s時(shí)，渦流中心距離掘進(jìn)工作面的距離為5m左右，形成的渦流大小為2m左右；風(fēng)筒出口速度為8m/s時(shí)，渦流中心距離掘進(jìn)工作面的距離為4m左右，形成的渦流大小為3m左右；風(fēng)筒出口速度為10m/s時(shí)，渦流中心距離掘進(jìn)工作面的距離為3m左右，形成的渦流大小為4m左右。

此外我們還對(duì)掘進(jìn)巷道的中軸面Y=2.3時(shí)的截面進(jìn)行壓力場(chǎng)分析，基于Fluent，我們分別截取了風(fēng)筒出口速度為6m/s、8m/s、10m/s時(shí)Y=2.3 截面的壓力分布云圖，如圖 5（u=6m/s）、圖 6（u=8m/s）、圖 7（u=10m/s）所示。

圖5 風(fēng)筒出口速度為6m/s時(shí)的壓力分布云圖（Y=2.3）

圖6 風(fēng)筒出口速度為8m/s時(shí)的壓力分布云圖（Y=2.3）

圖7 風(fēng)筒出口速度為10m/s時(shí)的壓力分布云圖（Y=2.3）

由以上壓力分布云圖中可以看出，風(fēng)筒出口速度為6m/s時(shí)，正壓分布范圍最大，且由于渦流造成的負(fù)壓空洞最??；當(dāng)風(fēng)筒出口速度為8m/s時(shí)，正壓分布范圍最小，負(fù)壓空洞最大。

5 結(jié)論

風(fēng)筒出口處風(fēng)流會(huì)有卷吸作用，形成渦流中心，風(fēng)筒出口速度越大渦流中心距離掘進(jìn)工作面的距離越近，渦流直徑越大。壓力分布情況分析得出，風(fēng)筒出口速度較小時(shí)，正壓分布范圍大，負(fù)壓空洞較小，通風(fēng)效率高，掘進(jìn)工作面通風(fēng)較為理想。

［1］NNKAYAMA S,UCHINO K,INOUE M.Analysis of ventilation air flow at heading face by computational fluid dynamics[J].Shigen To Sozai,1995,111(4)：22-25.

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［8］胡祖祥,王百順.掘進(jìn)巷道中某一點(diǎn)瓦斯?jié)舛鹊难芯縖J].山東煤炭科技,2005(5)：67-67,69.

［9］梁棟.通風(fēng)過(guò)程瓦斯運(yùn)移規(guī)律和數(shù)值模擬[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1992.