矿井巷道内的通风数值模拟

关 龙

(武汉工业学院土木工程与建筑学院，湖北武汉430023)

随着矿山机械化程度和矿井生产能力的提高、设备尺寸变大、运行速度提高，开采深度增加，通风路线增长，使得井下温度提高，粉尘及气体有害物不易驱除，由此，通风系统稳定性在矿井生产中显得格外重要。

地下矿山通道由一个复杂的系统构成，主要有矿井巷道、通风构建物、通风动力装置及为地下采矿服务的其他装备设施，整个矿井除通风与地表连接的通风口，人员、设备出入口外，其他部分基本与大气隔绝。当矿井通风时，由于井巷对空气的束缚作用及空气与井壁面、提升运输设备表面产生摩擦作用，产生一股诱导风流，使得井下空气流通出现异常，影响了矿井巷道的通风稳定性。同时，在我国矿山通风安全要求井下工人作业地点的空气温度不得大于28℃［1］。为保证矿山安全正常生产，及时的通风降温更是必要的。

1 研究现状

矿井巷道内的气体流动分布状态的好坏直接影响到风网阻力，尤其局部的涡流大小会直接影响到瓦斯的排放效果：传统的技术是只能通过通风系统的瓦斯检测来实现控制，对于出现通风不良的原因及位置难以得到确认：CFD流动技术的发展，使得复杂流动系统的模拟成为可能［2］。

在数值模拟中，一般矿井采掘巷道设定为局部压入式通风，它是在巷道内的受限附着射流。由于空间受限及风流的连续，采掘巷道通风分为贴壁射流、冲击射流、回流三区［2］。局部通风，其任务是将新鲜的风流引到工作面，排除工作面的炮烟、矿尘等污浊空气，保证作业人员在良好的环境下作业。局部通风方法有总风压通风、引射器通风、扩散通风和局扇通风，其中局扇通风是目前矿井最常采用的一种通风方法。按照局扇的工作方法，局扇通风可分为压人式通风、抽出式通风和混合式通风［3］。巷道内的气体流动的模拟求解，采用标准方程，对壁面的处理采用标准壁面函数。

现有的数值模拟对井下巷道内的通风流模拟较多，量化的研究风速与温度传递，特别是风速对于不同区间的作用较少。

2 矿井巷道的数值模型

2.1 物理模型

采掘巷道压入通风的通风口一般布置在巷道侧壁，通风口的位置在巷道的中部，故建立图1所示的三维几何模型，巷道断面尺寸为2.5×3 m，通风口距迎头为10 m，风口直径为300 mm。

图1 矿井巷道物理模型

2.2 数学模型

矿井内通风的空气流动为紊流流动状态，风流的压缩性表现在其密度随时间、压力、位置的变化而变化，为方便模拟，一般情况下，将矿井巷道内的风流设为不可压缩性流体。标准的紊流模型方程在工程计算中，应用的最为广泛，它是积分到壁面的不可压缩紊流的两方程涡黏性模式。为简化问题，作出以下假设。

(1)矿井巷道内空气流动为三维稳态流动，流体的紊流黏性具有各项同性。

(2)巷道内的气体为不可压缩气体，符合Boussinesq假设，流体密度变化仅对浮力产生影响。

(3)可忽略由流体黏性力做功所引起的耗散热。

(4)忽略巷道围岩的热辐射，壁面条件为无滑移边界条件且壁面以绝热处理。

(5)假设壁面的风量不可渗透，在壁面出扩散通量为0。

方程如下：

连续方程

运动方程

能量方程

紊流动能方程(k方程)

紊流动能耗散率方程(ε方程)

其中G为紊流动能产生项：

式中，μt紊流黏性系数，

ρ为空气密度，kg/m3;p为时均压力，pa，T为空气温度，K;pr为充分紊流时的普朗特系数;q为热流密度，w/m3;Cp为空气定压比热，kJ/kg·K;k为紊流动能，m2/s2;ε为紊流动能耗散率m2/s3;μ为层流动力粘性系数，pa·s;μt为紊流动力粘性系数，pa·s;c1，c2，cμ，σt，σk，σε为经验系数。分别取值为 1.44，1.92，0.09，0.9，1.0，1.3。

2.3 边界条件

该物理模型，以压入式风口出口为入口边界，以风口的另一端的巷道断面为出口边界;入口边界类型设为速度入口(velocity-inlet)，出口边界类型设为压力出口(pressure-outlet)。

3 网格划分和数值计算

采用图1所示的物理模型，取Y坐标自巷道底部向上，x坐标自通风口向工作面，利用Fluent前处理器 GAMBIT对所建立的模型进行网格划分［4］。选择k-ε紊流方程，应用有限差分法和网格离散控制方程组，采用simple算法求解离散控制方程。压力场对流项采用一阶迎风差分格式［5］。

4 数值模拟结果及分析

采用两种工作状况对矿井巷道进行数值模拟，并从不同情况下的数值模拟结果中选取了Z=1.25，X=0.5，5，9.5的速度场和温度场进行分析。

(1)风速为1.5 m/s，4.5 m/s时，Z=1.25 送风温度为300 k(约25℃)，巷道内温度场的模拟结果见图2和图3。

图2 速度为1.5 m/s时温度场

图3 速度为4.5m/s时温度场

图2为速度为1.5 m/s时，巷道内Z=1.25温度场(上)，壁面温度场(下)。

图3速度为4.5 m/s时，巷道内Z=1.25温度场(上)，壁面温度场(下)。

(2)风速为1.5 m/s，4.5 m/s时，Z=1.25 送风温度为300 k(约25℃)，巷道内速度场的模拟结果见图4。

图4 不同风速的巷道内速度场对比图

图4为巷道内Z=1.25处，速度为1.5 m/s时速度场(上)，速度为4.5 m/s速度场(下)。

(3)风速分别为1.5 m/s，4.5 m/s时，在巷道内不同位置 X=0.5，5，9.5，送风温度为300 k(约25℃)，巷道内温度场、速度场的模拟结果见图5和图6。

图5 温度场不同截面对比图

图5速度为1.5 m/s时，巷道内 X=0.5，5，9.5温度场(上从左至右)，速度为4.5 m/s时，巷道内X=0.5，5，9.5 温度场(下从左至右)。

图6 速度场不同截面对比图

图6为速度为1.5 m/s时，巷道内X=0.5，5，9.5速度场(上从左至右)，速度为4.5 m/s时，巷道内 X=0.5，5，9.5速度场(下从左至右)。

对比图2和图3，可以看出，当速度为1.5 m/s时，巷道内温度还是保持在较高的温度值上，后部有所减弱，但并不能较好的起到减低温度的作用。相比较当温度达到4.5 m/s时，巷道内和壁面温度普遍较低，风流能较好的与后部温度进行热交换。

对比图4，图5，图6，风流从风口流出的开始阶段，速度较大，在模拟的矿井巷道的前中部形成紊流，后部由于空间的限制，射流的气体与返回的气体形成涡旋，当速度达到4.5 m/s时，回流气体能够较好的降低后部的温度，且通风效率明显比1.5 m/s要好，后者在通风过程中，由于受到岩壁的摩擦阻力，风速在中部减弱，不能较好的将后部的热量带走。在气流射流区，气温低于这个平面的其他部分，越靠近巷道岩壁气温越高，这是因为从风筒射出的是低温气流，随着射流的发展，气流与巷道内的空气和巷道岩壁发生热交换，气流吸热温度升高，在靠近岩壁的位置热交换发生的最为激烈，气温升高的也越大

从图5中可知，经过通风降温后巷道内各个方向上的温度梯度，水平方向上温度不断增加，这是由于气流自风筒射出后不断与巷道内空气和围岩进行剧烈的热交换，吸收热量，热量从周围空气和围岩的岩壁上传递给气流造成温度增加。竖直方向上因气流在巷道内与围岩发生热交换，气流受热膨胀产生重力差，使得巷道内的气流上升并在巷道顶部聚集，故巷道内气温在竖直方向由下到上升高。

5 结论

矿井巷道的通风对与矿业工作人员非常重要，而高温热害问题现已成为困扰矿井进行深部开采的一个重要障碍，特别是在矿井深部的某些巷道、掘进面等，热害问题尤为突出。

本文对矿井巷道的通风，在不同风速上的效果做了数值模拟，针对矿井通风问题，得出了以下结论：

(1)矿井巷道的通风，压入式通风降温的速度场和温度场有着密切的关系，对比图2、图3、图4可知风速是影响巷道内温度场分布的一个主要因素。

(2)在风速为1m/s和4.5m/s的情况下，都能起到降温通风的目的，相比较后者的降温效果更好。

(3)矿井巷道的通风在前期为射流阶段，中期为紊流，后期为涡旋阶段。

［1］ 山西矿业学院，矿山通风与安全［M］.北京：煤炭工业出版社，1959.

［2］ 王英敏.矿井通风与防尘［M］.北京：冶金工业出版社，1993：192-193.

［3］ 王海桥.掘进工作面射流通风流场研究［J］.煤炭学报，1999(5)：498-501.

［4］ 王海桥，施式亮，刘荣华，等.独头巷道附壁射流通风流场数值模拟研究［J］.煤炭学报，2004，29(4)：425-428.

［5］ 王瑞金，张凯，王刚.FLUENT技术基础与应用实例［M］.北京：清华大学出版社，2007：50-55.