王云龍

(山西義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 晉中 032000)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確有效地監(jiān)控巷道風(fēng)量是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要因素[1]。現(xiàn)階段礦井通風(fēng)的主要監(jiān)測(cè)方式為懸掛風(fēng)速傳感器和人工檢測(cè)。其中風(fēng)速在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不間斷地對(duì)巷道風(fēng)速監(jiān)測(cè),能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況,并采取相應(yīng)的措施。研究確定風(fēng)速傳感器的懸掛位置,有助于準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)風(fēng)速,提高檢測(cè)結(jié)果的科學(xué)性。但目前的研究大都采用理論計(jì)算[2-9]、軟件模擬[4]和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[10]的方法,針對(duì)無(wú)其他設(shè)施布置的巷道進(jìn)行研究,并總結(jié)出不同巷道的風(fēng)速分布規(guī)律。但在實(shí)際情況下,巷道中總是不可避免地需要布置一些設(shè)施,例如抽采管路、排水管路、皮帶輸送機(jī)等,這些物體都會(huì)對(duì)巷道內(nèi)平均風(fēng)速的分布產(chǎn)生影響。因此,使用Fluent軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行模擬,根據(jù)模擬結(jié)果,確定現(xiàn)場(chǎng)平均風(fēng)速的分布情況,有針對(duì)性地安裝風(fēng)速傳感器,最大程度保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的真實(shí)性,從而為井下風(fēng)量調(diào)控提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 基本情況

2013年,山西義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司(以下稱“公司”)經(jīng)鑒定為高瓦斯礦井,隨后建立了地面固定瓦斯抽采系統(tǒng)。在下組煤西翼回風(fēng)大巷及下組煤回采工作面回風(fēng)順槽布置抽采管路，在適合的位置設(shè)置測(cè)風(fēng)站并配置風(fēng)速傳感器。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)發(fā)現(xiàn),巷道中無(wú)大直徑管路的情況下,風(fēng)速傳感器讀數(shù)與人工實(shí)測(cè)值相差不大,在允許范圍內(nèi)；而在布置有大直徑管路的巷道中,普遍出現(xiàn)風(fēng)速傳感器讀數(shù)偏高的情況。

選擇下組煤西翼回風(fēng)大巷(以下稱“巷道1”)和100510回風(fēng)順槽(以下稱“巷道2”)為例進(jìn)行研究。其中巷道1為錨噴支護(hù)方式,巷道內(nèi)右下部鋪設(shè)有兩趟Φ600 mm×8 mm環(huán)氧樹(shù)脂鋼管,現(xiàn)場(chǎng)人工實(shí)測(cè)平均風(fēng)速為3.5 m/s;巷道2為錨網(wǎng)支護(hù)方式,左上部吊掛有兩趟Φ320 mm×4 mm環(huán)氧樹(shù)脂鋼管,現(xiàn)場(chǎng)人工實(shí)測(cè)平均風(fēng)速為2.2 m/s。具體尺寸見(jiàn)圖1所示。

(a) 巷道1

(b) 巷道2

1.2 風(fēng)速傳感器布置

公司選用GFW15風(fēng)速傳感器,外形尺寸為252 mm×126 mm×51 mm,如圖2所示,基本誤差±0.3 m/s。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究,現(xiàn)公司井下風(fēng)速傳感器一般懸掛在巷道的中上部,將固定桿固定在錨桿上,下部傳感頭組件距頂板在250～400 mm之間,使傳感頭組件口正對(duì)風(fēng)流風(fēng)向。

圖2 傳感器外形圖

1.3 巷道風(fēng)速差異

在實(shí)際運(yùn)行中,發(fā)現(xiàn)巷道1和巷道2處風(fēng)速傳感器顯示值與人工實(shí)測(cè)值有較大誤差,已超過(guò)儀器允許的基本誤差范圍。為此,組織人員在巷道1和巷道2中進(jìn)行風(fēng)速核定。具體步驟為:將JFY-2礦井通風(fēng)參數(shù)檢測(cè)儀懸掛在巷道風(fēng)速傳感器附近,進(jìn)行風(fēng)速對(duì)比;測(cè)風(fēng)員使用CFJ25型機(jī)械式風(fēng)表和JFY-2礦井通風(fēng)參數(shù)檢測(cè)儀進(jìn)行巷道平均風(fēng)速測(cè)定。測(cè)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。其中,相對(duì)誤差為電子測(cè)風(fēng)儀與機(jī)械式風(fēng)表實(shí)測(cè)值的誤差,用于檢驗(yàn)機(jī)械風(fēng)表的準(zhǔn)確性;絕對(duì)誤差為機(jī)械風(fēng)表實(shí)測(cè)值與風(fēng)速傳感器的差值,用于檢驗(yàn)風(fēng)速傳感器的準(zhǔn)確性。由表中數(shù)據(jù)可知,相對(duì)誤差均小于5%,可以保證機(jī)械風(fēng)表檢測(cè)的準(zhǔn)確性。同時(shí),風(fēng)速傳感器數(shù)值與電子測(cè)風(fēng)儀數(shù)值誤差在規(guī)定范圍內(nèi),基本排除風(fēng)速傳感器故障。綜上所述可知,風(fēng)速傳感器數(shù)值普遍高于實(shí)際平均風(fēng)速值,已超過(guò)誤差允許范圍。一旦出現(xiàn)風(fēng)速低于規(guī)定值等的微風(fēng)情況,無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn),造成一定的安全隱患。

表1 現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速檢驗(yàn)測(cè)定統(tǒng)計(jì)表

2 Fluent模擬

2.1 巷道模型及參數(shù)設(shè)定

依靠Fluent軟件,對(duì)巷道1和巷道2的風(fēng)速進(jìn)行參數(shù)建模。已知巷道1、巷道2均為矩形。巷道的寬分別為5.5 m、4.2 m,巷高均為2.8 m,巷道長(zhǎng)度均取200 m,在巷道內(nèi)各布置有2根抽采管路。巷道建模和網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

(a) 巷道1

假定風(fēng)流與巷道壁面無(wú)熱交換,即假定壁面絕熱。巷道中無(wú)外部質(zhì)量源輸入,風(fēng)流視為不可壓縮流體,空氣密度為常數(shù),大氣壓為1.013 25×105Pa,巷道沿途內(nèi)壁粗糙程度相同,抽采管路外壁光滑,風(fēng)流不經(jīng)過(guò)抽采管路內(nèi)部。選用realizablek-ε湍流模型方程,速度采用絕對(duì)速度,用Simplec算法求解流速和壓力耦合,壓力場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)離散方式[1]。

巷道1和巷道2模型各包括1個(gè)風(fēng)流入口、1個(gè)風(fēng)流出口和2根管路,其余面為壁面,風(fēng)流入口作為模型邊界入口,巷道出口作為模型邊界出口,巷道壁面為固定邊界。風(fēng)流入口類型為velocity-inlet,根據(jù)有關(guān)規(guī)定及礦井實(shí)際情況,巷道1風(fēng)速在3.5 m/s左右,巷道2風(fēng)速在2.3 m/s左右。故巷道1風(fēng)速取3.0 m/s和4.0 m/s,巷道2風(fēng)速取2.0 m/s和2.5 m/s。風(fēng)流以指定風(fēng)速均勻地分布在巷道入口橫截面上,垂直于巷壁的壓力梯度為零。出口設(shè)置為pressure-outlet。壁面采用無(wú)滑移邊界條件。在巷道100 m處橫截面上設(shè)置觀察面。

2.2 模擬結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)Fluent軟件運(yùn)行模擬后,得到巷道1、巷道2在100 m處橫截面上的風(fēng)速分布圖,如圖4所示。

(a) 巷道1風(fēng)速3.0 m/s模擬圖

根據(jù)模擬結(jié)果可知,巷道1和巷道2在各自兩種不同風(fēng)速模擬情況下,巷道內(nèi)風(fēng)速分布規(guī)律基本不變,巷道1和巷道2內(nèi)風(fēng)速分布整體均呈現(xiàn)邊緣小、中心大的特征。但受巷道內(nèi)管路分布的影響,管路內(nèi)側(cè)風(fēng)速分布較低,均不足平均風(fēng)速的一半,向另一側(cè)擠壓風(fēng)流,造成橫截面上風(fēng)速等值線的中心向未布置管路側(cè)巷壁偏移。

根據(jù)圖4的模擬結(jié)果可知,對(duì)巷道橫截面中心軸線上的平均風(fēng)速位置距頂板距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表2所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),風(fēng)速對(duì)巷道內(nèi)平均風(fēng)速的分布影響很小。

表2 巷道橫截面中心軸線平均風(fēng)速位置距頂板距離統(tǒng)計(jì)表

相較于理論上巷道中無(wú)其他設(shè)施布置時(shí)的情況,根據(jù)王翰鋒[4]對(duì)巷道平均風(fēng)速位置的研究可知,矩形巷道在中心線上平均風(fēng)速距頂板距離一般等于巷高的11%～12%。本次模擬結(jié)果偏低,主要原因有以下兩方面:一方面是巷道中管路擠占了巷道空間,減少了巷道有效通風(fēng)斷面;另一方面,結(jié)合圖4可知,巷道中管路內(nèi)側(cè)區(qū)域風(fēng)速分布較低,進(jìn)一步增加了巷道其他空間內(nèi)的通行風(fēng)量,提高了風(fēng)速。二者共同作用,提高了巷道中軸線上平均風(fēng)速距頂板的分布位置。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 風(fēng)速傳感器重新布置及數(shù)值修正

根據(jù)模擬結(jié)果,在現(xiàn)有位置的基礎(chǔ)上,對(duì)巷道1和巷道2風(fēng)速傳感器進(jìn)行重新吊掛,減少風(fēng)速傳感器距頂板的距離,但由于風(fēng)速傳感器長(zhǎng)度為252 mm,大于巷道1和巷道2的平均風(fēng)速距離。對(duì)巷道1和巷道2風(fēng)速傳感器進(jìn)行重新吊掛,將風(fēng)速傳感器上部緊貼頂板固定牢靠,其他位置保持不變,位于巷道的中心位置上。由于巷道中心風(fēng)速較高,造成在距頂板252 mm處風(fēng)速大于平均風(fēng)速,對(duì)二者風(fēng)速監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行系數(shù)校正,使顯示結(jié)果為平均風(fēng)速值。

根據(jù)圖4的模擬結(jié)果,重新吊掛后巷道1和巷道2的風(fēng)速傳感器平均風(fēng)速的修正系數(shù)分別為0.936和0.923,見(jiàn)表3所示。

表3 巷道1和巷道2距頂板252 mm處風(fēng)速與平均風(fēng)速對(duì)比及修正系數(shù)

3.2 實(shí)測(cè)風(fēng)速對(duì)比

風(fēng)速傳感器安裝完成后,組織人員進(jìn)行平均風(fēng)速測(cè)量及對(duì)比,分3次進(jìn)行測(cè)量。人工測(cè)試采用網(wǎng)格測(cè)風(fēng)法和路線測(cè)風(fēng)法兩種方法進(jìn)行測(cè)試,具體網(wǎng)格劃分和線路路徑見(jiàn)圖5所示。

首先,結(jié)合Fluent模擬結(jié)果,進(jìn)行網(wǎng)格和路線設(shè)計(jì),由于巷道抽采管路內(nèi)側(cè)風(fēng)速較低,故以包含管路在內(nèi)的矩形斷面為一個(gè)網(wǎng)格,其他區(qū)域依次等分。網(wǎng)格法是在各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的中心處測(cè)試風(fēng)速,路線法是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沿著路線行走,最后計(jì)算風(fēng)速。其次,記錄現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速,人員按照預(yù)先方案進(jìn)行測(cè)試后,現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算出初步風(fēng)速。最后,需要對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,由于測(cè)試儀器的自身誤差及測(cè)試人員對(duì)風(fēng)流的影響,需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試初步風(fēng)速進(jìn)行修正,最后計(jì)算出實(shí)際風(fēng)速。

(a) 巷道1網(wǎng)格法示意圖

每次人工測(cè)試的同時(shí)記錄風(fēng)速傳感器讀數(shù),將測(cè)量數(shù)據(jù)匯總后進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表4所示。巷道1風(fēng)速傳感器現(xiàn)場(chǎng)顯示3.87 m/s,經(jīng)過(guò)修正后為3.62 m/s;巷道2風(fēng)速傳感器現(xiàn)場(chǎng)顯示3.87 m/s,經(jīng)過(guò)修正后為3.62 m/s。

通過(guò)3次測(cè)試后,網(wǎng)格法測(cè)得巷道1平均風(fēng)速3.56 m/s,巷道2平均風(fēng)速2.53 m/s;路線法測(cè)得巷道1平均風(fēng)速3.60 m/s,巷道2平均風(fēng)速2.56 m/s。綜合平均后:巷道1平均風(fēng)速為3.58 m/s,巷道2平均風(fēng)速為2.55 m/s。巷道1人工實(shí)測(cè)平均風(fēng)速與風(fēng)速傳感器讀數(shù)相對(duì)誤差為1.10%,巷道2人工實(shí)測(cè)平均風(fēng)速與風(fēng)速傳感器讀數(shù)相對(duì)誤差為1.18%,均在誤差允許范圍內(nèi)。說(shuō)明經(jīng)過(guò)重新安裝及修正后,風(fēng)速傳感器能較好地體現(xiàn)巷道中平均風(fēng)速值。

表4 現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速實(shí)測(cè)對(duì)比表

4 結(jié)論

1)在巷道支護(hù)形式、尺寸不變的情況下,巷道中軸線上的平均風(fēng)速距頂板距離隨風(fēng)速變化基本保持不變。

2)巷道橫截面上總體呈現(xiàn)中心大、邊緣小的特征。巷道內(nèi)一旦出現(xiàn)大尺寸管路,會(huì)對(duì)巷道內(nèi)平均風(fēng)速分布有影響。管路直徑越大,對(duì)巷道內(nèi)風(fēng)速影響也越大,且管路內(nèi)側(cè)風(fēng)速明顯減少,巷道內(nèi)其他區(qū)域風(fēng)速增大,巷道中心線上平均風(fēng)速距頂板距離減少。

3)矩形巷道1(高2.8 m,寬5.5 m)和巷道2(高2.8 m,寬4.2 m)中分別鋪設(shè)2趟DN600和2趟DN300管路,中線上平均風(fēng)速位置距頂板距離分別等于巷道的6.6%和8.0%;相較于矩形巷道內(nèi)無(wú)管路的平均風(fēng)速位置距頂板的距離一般等于巷道的11%～12%。平均風(fēng)速位置距頂板距離占巷道比例提高3.0%～5.4%。