掘進(jìn)巷道不同高寬比對(duì)風(fēng)流傳熱影響的研究

馬 超，王海寧 ，解 彬

(1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西 贛州市 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 贛州市 341000)

掘進(jìn)巷道不同高寬比對(duì)風(fēng)流傳熱影響的研究

馬 超1,2，王海寧1，解 彬1,2

(1.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西 贛州市 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 贛州市 341000)

掘進(jìn)巷道在地下礦山開采過(guò)程中尤為常見，由于掘進(jìn)過(guò)程中無(wú)法及時(shí)形成完整的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，致使掘進(jìn)巷道及工作面熱害較為嚴(yán)重。盡管礦山掘進(jìn)面熱害治理的研究很多，但有關(guān)不同高寬比的掘進(jìn)巷道與通風(fēng)降溫關(guān)系的研究較少。在通風(fēng)條件相同下，運(yùn)用Fluent數(shù)值軟件模擬分析，通過(guò)改變掘進(jìn)巷道的高寬比來(lái)研究其溫度場(chǎng)分布的不同。結(jié)果表明，在溫度為35℃的高溫掘進(jìn)面巷道中，采用壓入式通風(fēng)方式，入口風(fēng)溫為22℃可滿足通風(fēng)降溫的要求；在相同送風(fēng)量情況下，掘進(jìn)面巷道的高寬比越大，通風(fēng)降溫效果越好，但同一斷面上縱向溫差也越大；通過(guò)改進(jìn)掘進(jìn)巷道高寬比可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)降溫最優(yōu)化，從而為巷道設(shè)計(jì)者提供了新的理論依據(jù)。

掘進(jìn)巷道;高寬比;通風(fēng)降溫;數(shù)值模擬

0 引 言

井下高溫?zé)岷?wèn)題是一直以來(lái)困擾礦山深部開采的一個(gè)重要技術(shù)難題，井下高溫地點(diǎn)主要集中在獨(dú)頭掘進(jìn)面，由于該類作業(yè)面施工中無(wú)法及時(shí)形成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致常常因熱量無(wú)法及時(shí)排除出現(xiàn)高溫問(wèn)題。隨著開采深度的增加，熱害問(wèn)題更加明顯，而這些掘進(jìn)面大都通風(fēng)效果較差，熱害程度較其他作業(yè)面更為嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)外對(duì)此展開了一系列的降溫技術(shù)研究[1￣4]，得出的改善措施較多，歸納起來(lái)主要有兩大類：一類是通風(fēng)降溫措施；另一類是人工制冷冷卻風(fēng)流的措施[5]?？紤]到降溫成本及工程實(shí)施難易程度，目前機(jī)械通風(fēng)降溫在礦山使用較為普遍。通過(guò)改變送風(fēng)風(fēng)筒的風(fēng)溫、風(fēng)速?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)掘進(jìn)作業(yè)面的降溫目的。然而關(guān)于巷道形狀對(duì)風(fēng)流傳熱影響的研究卻鮮見于文。

礦山通風(fēng)安全研究常采用理論研究，模擬分析，實(shí)際應(yīng)用等方式。模擬分析因其用時(shí)少，成本低，模擬結(jié)果與實(shí)際吻合度高等特點(diǎn)，被科研工作者廣泛應(yīng)用于礦山降溫、通風(fēng)防塵、風(fēng)流特征等模擬中[6￣11]。近年來(lái)，隨著計(jì)算流體力學(xué)理論不斷的發(fā)展，有許多較為成熟的商業(yè)軟件相繼被開發(fā)使用，如Fluent、CFX、starCD等[6￣8]。本文基于巷道風(fēng)流流動(dòng)特性、空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)理論，運(yùn)用Fluent建模前處理軟件Gambit建立高溫掘進(jìn)面的物理模型和數(shù)學(xué)模型，利用Fluent軟件研究在此相關(guān)模型下機(jī)械通風(fēng)溫度場(chǎng)在不同高寬比下的分布情況，從而為井下生產(chǎn)施工提供一些理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型及相關(guān)參數(shù)

1.1 物理模型

為了便于分析，將掘進(jìn)巷道簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體進(jìn)行模擬分析，參考《金屬非金屬礦山設(shè)計(jì)規(guī)程》，固定掘進(jìn)面面積為12 m2。通風(fēng)方式選擇壓入式通風(fēng)：風(fēng)筒直徑0.6 m，模型入口邊界為風(fēng)筒出口，風(fēng)筒出風(fēng)口距離掘進(jìn)迎頭5 m，距離地面1 m，風(fēng)筒布置在巷道左側(cè)。通風(fēng)模型見圖1(以高寬比1∶1為例)。本文將固定斷面積12 m2，根據(jù)高寬比r分別為2∶3，3∶4，1∶1，4∶3和3∶2五種情況，參考面積(s)=長(zhǎng)(a)×寬(b)，建立相應(yīng)的模型。

風(fēng)流在礦井內(nèi)的流動(dòng)復(fù)雜多變，大多數(shù)為高雷諾數(shù)的紊流流動(dòng)狀態(tài)，掘進(jìn)面是礦井內(nèi)風(fēng)流經(jīng)過(guò)的一部分，其風(fēng)流也滿足該紊流形態(tài)。在確定主控制方程之前，需要根據(jù)實(shí)際情況，并作出以下假設(shè)：風(fēng)流為不可壓縮流動(dòng)；流動(dòng)的湍流粘性具有各向性，湍流粘性系數(shù)作為標(biāo)量處理；假設(shè)壁面光滑性好，不漏風(fēng)；流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流，滿足Boussinesq 假設(shè)；基于以上假設(shè)，采用以下數(shù)學(xué)模型[12￣14]：

圖1 掘進(jìn)作業(yè)面通風(fēng)降溫模擬

長(zhǎng)期以來(lái)，廣西與東盟國(guó)家貿(mào)易往來(lái)密切，發(fā)展形勢(shì)良好。廣西—東盟跨境人民幣結(jié)算迅猛發(fā)展，年結(jié)算量逐年增長(zhǎng)，比2016年試點(diǎn)初期結(jié)算量已翻幾番。目前跨境人民幣結(jié)算已覆蓋東盟十國(guó)，為跨境人民幣結(jié)算后續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此，如何借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家或發(fā)達(dá)地區(qū)的成熟經(jīng)驗(yàn)促進(jìn)廣西—東盟跨境人民幣結(jié)算及貿(mào)易發(fā)展，是值得深思的問(wèn)題。

式中，k為湍流的動(dòng)能，m2/s2；ε為湍流動(dòng)能耗散率，m2/s3；t為時(shí)間，s；v為層流粘度系數(shù)，Pa·s；p為修正時(shí)均壓力，Pa；ρ為空氣的密度，kg/m3；vt為湍流粘度系數(shù)，Pa·s；cp是比熱容，J/(kg·K)；ui為速度分量，m/s；xi為坐標(biāo)分量，m；Fi為質(zhì)量力，m/s2；sT是流體內(nèi)熱源和機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱量多余的部分能量；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)。

1.3 網(wǎng)格劃分

根據(jù)巷道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分可以很好的處理問(wèn)題，通過(guò)Gambit軟件對(duì)物理模型進(jìn)行整體連續(xù)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格主要以四面體和六面體為主。五個(gè)物理模型中，計(jì)算區(qū)域最少劃分網(wǎng)格為276482個(gè)，網(wǎng)格最多為290132個(gè)。最小網(wǎng)格體積為1.217519×10-4m3，最大網(wǎng)格體積為3.716988×10-3m3，網(wǎng)格體積小于0.1 m3的數(shù)量占總數(shù)的85%，網(wǎng)格的大小能夠滿足計(jì)算精度的要求。

1.4 求解器的設(shè)定

根據(jù)建立的高溫掘進(jìn)巷道物理和數(shù)學(xué)模型，確定數(shù)值模擬所需要的各項(xiàng)參數(shù)(見表1)。其中采場(chǎng)和掘進(jìn)面的入風(fēng)口采用速度入口，入口風(fēng)速按截面風(fēng)速不低于0.25 m/s進(jìn)行等量換算；出口采用自由出流，采場(chǎng)和掘進(jìn)巷壁面邊界條件設(shè)為壁面，溫度設(shè)置以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)井下巖性參照巖石熱物理性質(zhì)確定。

表1 模擬參數(shù)設(shè)置

1.5 邊界條件的設(shè)定

設(shè)定風(fēng)筒的出口為模型的入口邊界，以巷道的自由斷面處為模型的出口邊界，巷道及風(fēng)筒的其他面設(shè)定為壁面。依據(jù)建立的模型，參考某礦山實(shí)際情況，設(shè)置主要的邊界條件。

(2) 出口邊界條件：出口的類型為Outflow，沒(méi)有相對(duì)壓力，k和ε為自由滑動(dòng)。

(3) 壁面的剪切條件設(shè)為無(wú)滑移，粗糙程度為0.05 m，粗糙度系數(shù)為0.5，壁面溫度為308 K。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 迭代計(jì)算

掘進(jìn)作業(yè)面流場(chǎng)可以看成是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的風(fēng)流流動(dòng)和換熱過(guò)程，采用能量方程求解流體與巖壁的熱量交換，操作環(huán)境在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不計(jì)重力加速度。計(jì)算過(guò)程中的迭代步數(shù)設(shè)置為300步，以高寬比為1∶1的巷道為例，計(jì)算迭代運(yùn)行在240步之后，各個(gè)變量滿足收斂條件，曲線趨于平穩(wěn)(見圖2)。

由圖3巷道內(nèi)部平均溫度監(jiān)測(cè)曲線可知，計(jì)算迭代運(yùn)行前25步，這個(gè)過(guò)程溫度曲線急劇下跌，反映出冷熱風(fēng)流進(jìn)行了強(qiáng)烈的交換，隨后風(fēng)溫一路攀升，迭代至75步，曲線的斜率逐漸降低，該狀態(tài)一直保持到250步左右，巷道內(nèi)部溫度趨于平穩(wěn)。

圖2 殘差監(jiān)測(cè)曲線

圖3 巷道內(nèi)部平均溫度監(jiān)測(cè)曲線

2.2 溫度模擬結(jié)果分析

掘進(jìn)面采取壓入式通風(fēng)方式，5種情況下風(fēng)筒出口風(fēng)速、風(fēng)溫均相同，根據(jù)圖1簡(jiǎn)化的物理模型和參照表1設(shè)定的模擬參數(shù)及邊界條件，利用Fluent軟件對(duì)高溫礦井掘進(jìn)面巷道在不同高寬比下的通風(fēng)降溫效果進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)5種情況下溫度場(chǎng)的三維云圖進(jìn)行對(duì)比分析(見圖4)。

圖4 不同高寬比下數(shù)值模擬溫度分布云圖剖面

由圖4可知，巷道壁面溫度較高，由于風(fēng)流與巷道壁面進(jìn)行熱交換，風(fēng)從風(fēng)筒出口流出到掘進(jìn)迎頭的過(guò)程中，沿著風(fēng)流的方向溫度逐漸升高，回風(fēng)風(fēng)流的溫度隨著回風(fēng)方向也呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)；掘進(jìn)巷道同一斷面風(fēng)流中，風(fēng)筒口(出風(fēng)口)的溫度最低，且在其附近溫度上升較快，變化幅度較大?？拷锏莱隹诘臏囟茸罡撸隹诟浇鼫囟茸兓容^小，幾乎為零；從5種不同狀態(tài)下的剖面圖對(duì)比結(jié)果來(lái)看，高寬比為2∶3時(shí)，巷道內(nèi)部最大溫差為5.867℃，高寬比為3∶2時(shí)，巷道內(nèi)部最大溫差為5.133℃。由此可以看出巷道內(nèi)部溫差隨著高寬比的增大而減??；對(duì)比中還發(fā)現(xiàn)，在巷道內(nèi)部同一位置處，掘進(jìn)作業(yè)面高寬比越大溫度相對(duì)更低，且低溫區(qū)域更廣，降溫效果更顯著。

由圖4還可以發(fā)現(xiàn)，盡管不同掘進(jìn)巷道高寬比不同，但機(jī)械通風(fēng)降溫效果都很明顯，掘進(jìn)迎頭處的溫度在25℃～26℃左右，在距離掘進(jìn)面5 m內(nèi)的區(qū)域溫度都在27℃以下，基本滿足安全規(guī)程作業(yè)要求。為了更全面地掌握不同高寬比下的降溫效果，利用后處理軟件Tecplot得到不同高寬比下距離掘進(jìn)面出口25，26，27，28，29 m的溫度分布剖面圖(見圖5)。

圖5 距掘進(jìn)面出口不同距離的溫度分布圖

從圖5可知，在距離巷道出口25 m處(即風(fēng)筒出口)的平均溫度基本上都在27℃左右，風(fēng)流吹向掘進(jìn)迎頭的過(guò)程中，風(fēng)筒截面方向上的溫度逐漸降低，同時(shí)巷道中的溫度也逐漸下降，到達(dá)掘進(jìn)面附近溫度基本保持在26℃以下。說(shuō)明風(fēng)筒中相對(duì)較冷的風(fēng)和巷道中的熱風(fēng)之間進(jìn)行了熱交換，從而起到了較好的通風(fēng)降溫效果；對(duì)掘進(jìn)面巷道不同高寬比的溫度云圖進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在圖5(a)中，巷道高寬比為2∶3時(shí)巷道橫截面的縱向溫差很小，靠近掘進(jìn)面附近幾乎為零。而在圖5(e)中，巷道高寬比為3∶2時(shí)巷道橫截面的縱向溫差有時(shí)相差1℃，這在一定程度上會(huì)影響人體舒適度。

3 結(jié) 論

掘進(jìn)作業(yè)面是礦山開采過(guò)程中最常見的作業(yè)面，高溫?zé)岷?wèn)題已經(jīng)成為一大技術(shù)難題，目前常采取機(jī)械通風(fēng)作業(yè)方式降溫。為獲得更高效、節(jié)能的通風(fēng)方案，本文通過(guò)Fluent軟件對(duì)掘進(jìn)面不同高寬比下通風(fēng)降溫效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，找到了溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，并得到以下結(jié)論：

(1) 壓入式通風(fēng)條件下，風(fēng)從風(fēng)筒出口流出到掘進(jìn)迎頭的過(guò)程中，沿著風(fēng)流的方向溫度逐漸升高，回風(fēng)風(fēng)流的溫度隨著回風(fēng)方向也呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。風(fēng)筒附近溫度變化較大，冷熱氣流交換較為頻繁。

(2) 掘進(jìn)面巷道的不同高寬比會(huì)影響溫度場(chǎng)的分布。隨著掘進(jìn)面巷道高寬比的增加，降溫作用區(qū)域和溫度下降程度均有所增加；然而大的高寬比也會(huì)造成縱向溫差越大，這在一定程度上會(huì)影響人體的舒適程度。

(3) 本文通過(guò)定量地分析巷道高寬比對(duì)溫度分布的影響，給巷道設(shè)計(jì)工作者提供參考。這將提醒相關(guān)設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)施工巷道時(shí)，不僅要考慮巷道高寬比對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，同時(shí)也應(yīng)考慮巷道高寬比對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響。

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