丁汝青 張相超 孔凡偉
(兗礦能源集團(tuán)股份有限公司南屯煤礦,山東 濟(jì)寧 273500)
隨著礦山開采技術(shù)與深部開采技術(shù)的日益成熟,專家學(xué)者們對(duì)掘進(jìn)巷道的熱環(huán)境問題進(jìn)行了分析研究[1-3],其中包括掘進(jìn)巷道的溫度場(chǎng)分布[4-6]、長(zhǎng)距離掘進(jìn)巷道分段降溫式通風(fēng)[7]、掘進(jìn)巷道回頭熱[8-9]與輔助通風(fēng)設(shè)施對(duì)掘進(jìn)巷道熱環(huán)境的影響等[10]。
33下06 運(yùn)順掘進(jìn)巷道位于南屯煤礦三采三分區(qū),井下環(huán)境復(fù)雜,對(duì)該巷道進(jìn)行熱環(huán)境分布探究實(shí)驗(yàn),同時(shí)也為現(xiàn)場(chǎng)制定、完善通風(fēng)措施提供參考依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)巷道現(xiàn)施工長(zhǎng)度為475 m,選取距離掘進(jìn)面90 m 的巷道長(zhǎng)度進(jìn)行研究。巷道斷面為矩形,斷面尺寸為5.1 m×3.35 m,左側(cè)壓入式通風(fēng),風(fēng)筒采用Φ500 mm 的柔性風(fēng)筒,風(fēng)筒出口距掘進(jìn)面10 m。在距離掘進(jìn)面0.1 m、15 m、30 m、45 m、60 m、75 m、85 m斷面處共布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)斷面,依次記為A、B、C、D、E、F、G 斷面,每個(gè)測(cè)點(diǎn)斷面布置5 個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖1),分別記錄同一斷面同一時(shí)間不同位置的溫度數(shù)據(jù),然后取各斷面溫度平均值進(jìn)行分析。
圖1 巷道斷面測(cè)點(diǎn)分布示意圖(mm)
進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)降溫實(shí)驗(yàn)前,首先需保證的是各個(gè)斷面、各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度記錄儀與計(jì)時(shí)器的時(shí)間同步,隨后進(jìn)行以下的實(shí)驗(yàn)步驟:
1)在未開啟風(fēng)機(jī)的情況下,沿巷道依次放置溫度記錄儀并讀取多次斷面測(cè)點(diǎn)溫度值,取其平均溫度值。
2)開啟風(fēng)機(jī)后運(yùn)行1 h,多次采集測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)并觀察巷道內(nèi)空氣降溫規(guī)律,直到巷道內(nèi)溫度值趨于穩(wěn)定。
3)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉風(fēng)機(jī),回收溫度記錄儀,整理分析采集到的溫度數(shù)據(jù),并繪制相關(guān)曲線圖。
表1 為通風(fēng)前后各斷面的溫度測(cè)定數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可以得出,在開啟風(fēng)機(jī)前,巷道內(nèi)的溫度普遍偏高,越靠近掘進(jìn)面溫度越高,溫度最高處幾乎與圍巖溫度(28 ℃)無差。開啟風(fēng)機(jī)1 h 后,巷道內(nèi)熱環(huán)境得到明顯改善。
表1 通風(fēng)前后各斷面平均溫度數(shù)據(jù)
將通風(fēng)前后的數(shù)據(jù)整理后進(jìn)行對(duì)比得到通風(fēng)前后溫度對(duì)比圖圖2。
圖2 開啟風(fēng)機(jī)前后各斷面溫度對(duì)比圖
經(jīng)過1 h 的充分換熱后,整個(gè)巷道內(nèi)的溫度有著明顯降低的趨勢(shì),其溫度分布特征主要為越靠近掘進(jìn)面與風(fēng)筒出口,降溫效果越明顯;隨著距離掘進(jìn)面距離的增加,風(fēng)流的溫度也就越來越高。在距離掘進(jìn)面最遠(yuǎn)的G 斷面,通風(fēng)前后溫度幾乎沒有變化,這是因?yàn)橛捎诰嚯x掘進(jìn)面與風(fēng)筒出口距離較遠(yuǎn),風(fēng)流到達(dá)該斷面時(shí)已與巷道圍巖進(jìn)行了充分的熱交換,風(fēng)流溫度已與巷道內(nèi)平均溫度無差,故降溫效果不太明顯。
為了模擬求解的簡(jiǎn)便,將實(shí)際問題進(jìn)行簡(jiǎn)化處理并做出以下假設(shè):
1)風(fēng)流不可壓縮,忽略流體黏性力做功。
2)忽略水蒸氣蒸發(fā)與瓦斯因素。
3)巷道內(nèi)新鮮風(fēng)流溫度不變。
4)將氣體物理特性參數(shù)視為常數(shù),流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流并滿足自然對(duì)流布辛涅司克近似假設(shè)。
5)圍巖均質(zhì)且各向同性,圍巖溫度與風(fēng)流溫度充分進(jìn)行熱交換。
6)初始溫度等于原巖溫度。
根據(jù)巷道實(shí)際尺寸建立巷道模型,巷道長(zhǎng)90 m,風(fēng)筒長(zhǎng)度為80 m,安裝高度為2.5 m,左側(cè)壓入式通風(fēng)。所建立的巷道模型如圖3。
圖3 巷道斷面尺寸示意圖
將建立好的三維模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,平滑度設(shè)置為高,添加膨脹層,模型網(wǎng)格插入方法為自動(dòng),生成的網(wǎng)格平均偏斜度為0.211,網(wǎng)格質(zhì)量?jī)?yōu)秀。
為了確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的邊界條件,將風(fēng)筒的出口設(shè)置為風(fēng)流的入口邊界,屬性為速度入口,入風(fēng)溫度設(shè)置為16 ℃;將巷道的入口設(shè)置為模型的出口邊界,類型為自由出口,壁面邊界條件設(shè)置為無滑動(dòng)邊界條件,圍巖溫度為28 ℃。具體參數(shù)設(shè)置見表2。
表2 邊界條件參數(shù)設(shè)置
經(jīng)過數(shù)值模擬得出A~G7 個(gè)斷面的溫度分布圖圖4。由圖4 可以得出斷面的溫度隨著與掘進(jìn)面距離的增大而逐漸增大,這是由于新鮮風(fēng)流自風(fēng)筒吹出到達(dá)掘進(jìn)面,隨后由掘進(jìn)面流向巷道出口方向,在整個(gè)過程中風(fēng)流不斷與圍巖和巷道內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換,致使風(fēng)流溫度越來越高,降溫效果越來越不明顯。左上角溫度偏高,是由于通風(fēng)管道與巷道巖壁之間距離狹小,新鮮風(fēng)流難以進(jìn)入,空氣流速慢,圍巖與新鮮風(fēng)流無法進(jìn)行充分的熱交換,導(dǎo)致左上角溫度高于巷道內(nèi)的平均溫度。
圖4 巷道斷面溫度分布圖
圖5 為X=0.27 m 處的縱斷面溫度分布圖。從斷面圖可以看出,下側(cè)空氣溫度明顯低于上側(cè)空氣溫度。這是因?yàn)槭艿较锏绹鷰r溫度與空氣浮力的影響,上下側(cè)風(fēng)流距巷道圍巖較近,與圍巖不斷地進(jìn)行熱交換所導(dǎo)致的。在該縱斷面上可以大體看出,經(jīng)過一段距離后,斷面的溫度分布較為均勻穩(wěn)定,中間溫度低,四周溫度高。這是由于經(jīng)過長(zhǎng)距離的穩(wěn)定換熱,距離圍巖較近的區(qū)域空氣熱交換趨于穩(wěn)定,巷道中心風(fēng)流的溫度隨著風(fēng)流流向的方向而逐漸升高。
圖5 X=0.27 m 縱斷面溫度示意圖
模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比數(shù)據(jù)圖如圖6。每個(gè)斷面的模擬溫度都比實(shí)測(cè)溫度偏低,其中一部分原因是現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)面處的實(shí)際圍巖溫度要略高于巷道出口處的圍巖溫度,而在模擬中,模擬的巷道圍巖溫度設(shè)置為固定值,因此會(huì)導(dǎo)致模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度略顯偏差。另一方面,巷道中部分位置存在頂板滴水的現(xiàn)象,同時(shí)機(jī)電設(shè)備的工作也伴隨著放熱現(xiàn)象,這也造成了溫度采集的不穩(wěn)定。
圖6 現(xiàn)場(chǎng)溫度與模擬溫度對(duì)比圖
本文以南屯煤礦33下06 運(yùn)順掘進(jìn)巷道為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,利用Fluent 數(shù)值模擬軟件對(duì)該掘進(jìn)巷道的熱環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬,并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)相對(duì)比,得出以下結(jié)論:
1)由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得知,在未通風(fēng)時(shí),巷道內(nèi)的空氣溫度特征表現(xiàn)為越靠近掘進(jìn)面,溫度越高,最高達(dá)到27.532 ℃。
2)在開啟風(fēng)機(jī)之后,巷道內(nèi)的空氣溫度得到明顯的改善。其中表現(xiàn)為越靠近掘進(jìn)面與風(fēng)筒出口,降溫效果越好,最低溫度為21.668 ℃,比通風(fēng)前所測(cè)溫度降低了5.864 ℃。
3)利用Fluent對(duì)實(shí)驗(yàn)巷道進(jìn)行熱環(huán)境數(shù)值模擬,能夠準(zhǔn)確得出巷道風(fēng)流的溫度場(chǎng),最大溫度誤差為0.822 ℃,平均溫度誤差為0.415 ℃,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相一致,目前的通風(fēng)參數(shù)能夠滿足安全生產(chǎn)需要。
4)利用Fluent 對(duì)巷道進(jìn)行數(shù)值模擬得知,受巷道圍巖的熱交換與空氣浮力的影響,在巷道的同一斷面處,下部溫度低于上部溫度;當(dāng)巷道內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定時(shí),中間溫度低于四周溫度,新鮮風(fēng)流難以到達(dá)的區(qū)域溫度較高,為現(xiàn)場(chǎng)制定、完善通風(fēng)措施提供參考依據(jù)。