高温掘进巷道温度场影响因素分析研究

刘桂平

（中国平煤神马集团技术中心，河南省平顶山市，467000）

高温掘进巷道温度场影响因素分析研究

刘桂平

（中国平煤神马集团技术中心，河南省平顶山市，467000）

针对高温掘进巷道，通过数值模拟方法研究其温度场分布。建立数学模型，设定巷道壁面温度沿长度方向变化，得出降温前后巷道温度分布变化云图，与井下实测温度值进行比对。具体分析了风流温度、风量以及风筒位置对巷道温度场的影响。结果表明，降低巷道入风温度，巷道内温度明显降低，但会造成冷量分布不均，扩大巷道内部风流温差；增大风量可以扩大巷道内低温区域，但对巷道内温度的降低作用不大；调节风筒离工作面距离可以改善巷道内温度分布，降低巷道内风流温差。

矿井降温 掘进巷道 数值模拟 风流温度 风量 风筒位置 优化运行

矿井降温是高投入、高能耗的复杂系统工程。分析高温巷道温度场影响因素，进行降温优化等方面的研究具有重要意义。掘进巷道受围岩散热、机电设备散热等因素的影响，容易出现高温热害问题，相比于其他热源，围岩散热具有持续性和散热量大的特点。由于掘进巷道不断向前开拓，受通风影响，靠近工作面壁面温度接近原岩温度，远离工作面壁面温度有所降低。前人对掘进巷道热环境进行过相关模拟研究，但在建立模型时往往将巷道壁面温度设定为某一定值，与实际不符。

1　数值计算模型

1.1数学假设

掘进巷道采用压入式通风方式，对巷道内气流进行如下假设:

（1）气流视为不可压缩气体，忽略由流体黏性力做功所引起的耗散热，不计水分蒸发；

（2）流动的紊流黏性具有各向同性，紊流黏性系数为标量；

（3）流动为稳态紊流，满足Boussinesq假设；

（4）气流的各组分之间没有化学反应；

（5）气流在掘进巷道内的流动满足质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律。

质量守恒定律为单位时间内流体微元中质量的增加与同一时间间隔内流入该微元体的净质量相等。根据该定律，可以得出质量守恒方程:

式中:ρ——气体密度；

t——时间；

ui——坐标系中i方向上的速度；

xi——坐标系中i方向上的空间位置；

Sm——加入到连续相的质量或其他自定义源项。

在惯性坐标系中i方向上的动量守恒方程为:

式中:xj——坐标系中j方向上的空间位置；

uj——坐标系中j方向上的速度；

p——静压；

τij——应力张量；

gi——坐标系中i方向上的重力；

Fi——坐标系中i方向上的外部体积力。能量守恒方程为:

式中:T——温度；

u——速度矢量；

h——流体的传热系数；

Cp——比热容；

ST——其他体积热源。

1.2物理模型建立

根据某矿一掘进巷道实际尺寸，使用ANSYS14.5软件ICEM CFD模块建立几何模型，见图1。巷道断面为三心拱，拱高1.15 m，巷道宽3.45 m，巷道高3.12 m。掘进巷道长度可达数千米，距离工作面较远巷道热环境的研究意义不大，模型为靠近工作面巷道，长度20 m。风筒位于巷道右侧，风筒直径800 mm，风筒圆心离地面1.53 m，风筒出口离工作面10 m。

图1　几何模型

1.3初始条件

模拟计算使用ANSYS14.5软件中FLUENT模块。设定壁面岩石密度5111 kg/m3、比热728.19 J/kg·℃、导热系数3.93 W/m·℃。设置工作面壁面温度为45℃，其余壁面温度随z方向位置发生变化，z从10 m到20 m壁面温度从28℃到45℃线性增加，z从0 m到10 m壁面温度28℃。入口定义为速度入口，入口风速15 m/s，湍流强度2.91%，水力直径0.8 m。降温前入口风温28℃，降温后入口风温20℃。出口定义为压力出口。

2　数值模拟结果与分析

数值计算收敛后，可以获得巷道内任意位置的温度参数，选取有代表性的线、面将其结果导入TECPLOT软件进行后处理。

2.1数值模拟与实测值比较

为了降低其他因素对结果的影响，选择掘进机停止工作且无洒水等干扰因素时进行实测。测量选择巷道中间部位，具有代表性，测点坐标:x=1.725 m，y=1.53 m，z=｛0 m，1 m，……，20 m｝，共21个测点。将不同位置上21个点的温度实测值绘制成曲线，模拟值为对应位置上连续变化的曲线，如图2所示。

从图2可以看出，实测值和模拟值温度最高点均出现在巷道中间某处，而并非巷道内部或巷道最外侧，这种现象被称为回头热。这是因为风流回流过程中不断吸热，温度不断升高，而后由于巷道外侧壁面温度较低，风流温度停止升高并有所降低。

另外，实测值与模拟值略有不同，主要原因是受到热水放热、矿物氧化、湿交换以及工作面附近物体干扰气流流动等因素的影响。但巷道主要热源为围岩散热，且模拟值与实测值变化趋势基本相同，温度差在0.5℃以内，证明本文所使用模拟方法具有可信性。

图2　巷道中心实测与模拟温度值

2.2降温前后巷道温度分布

为了查看巷道温度分布，取z为19.9 m、15 m、10 m、5 m、0.1 m 5个截面，入口风温28℃（降温前）及20℃（降温后）对应温度分布如图3所示。

图3　降温前、后巷道温度分布图

从图3（a）可以看出，仅风筒出口处温度在28℃，整个巷道内大部分区域温度在30℃以上，工作面风筒对侧温度较高，达到33℃，风流最低处与最高处温差5℃。采取制冷降温措施降低送风温度，如图3（b），巷道大部分区域温度降低到26℃以下，但仍有高温区域，风筒对侧温度明显高于风筒一侧，冷量分布不均匀，最低处温度20℃，最高处温度27℃，温差7℃。

为进一步观察巷道内温度分布，取y=1.53 m，x=0.45 m、1.725 m 3个截面，降温前、后温度分布如图4所示。

图4　降温前、后巷道截面温度分布图

图4中，y=1.53 m截面温度分布代表风筒横向截面，可以直观地看出风流从风筒流出前后在巷道内的温度变化，风流在风筒内流动温度有所上升，但不明显，而风流从风筒流出后温度不断上升。降温前入风温度28℃，工作面风温30℃左右；降温后入风温度20℃，工作面风温24℃左右。可以看出降温后巷道内风流温度明显降低，降温效果显著。

图4中，x=0.45 m截面代表风筒竖向截面，x=1.725 m截面代表巷道中间竖向截面。可以看出，降温前x=0.45 m截面风筒出口至工作面风流温度在29℃左右，而x=1.725 m截面温度已升高至30℃左右。降温后，x=0.45 m截面风筒出口至工作面温度在20～23℃，温度偏低且风速大，会使工人感觉偏冷；而x=1.725 m截面低温区域已明显减小，结合图3（b）可以看出，沿x方向继续远离风筒，温度继续上升，达到27℃。

3　影响因素研究

高温掘进巷道温度场受众多因素影响，其中易于改变并具有代表性的影响因素主要有入风温度、风量以及风筒位置等。为进一步降低巷道内风流温度，优化降温效果，并观察各影响因素对掘进巷道温度场的影响，笔者进行了以下3种影响因素的模拟:

（1）保持风量不变，降低入风温度；

（2）保持入风温度不变，增加风量，即增大风速；

（3）其他均保持不变，改变风筒出口离工作面距离。

3.1入风温度

为研究入风温度对巷道内部热环境的影响，将入风温度分别降低为18℃、16℃进行模拟计算。巷道y=1.53 m截面以及中间线｛x=1.725 m，y=1.53 m，z∈（0 m，20 m）｝更易于直观查看巷道温度变化。入风温度20℃、18℃、16℃三组工况对应y=1.53m截面温度如图5所示，三组工况对应中间线温度值如图6所示。

图5　y=1.53 m截面不同入风温度温度分布

图6　不同入风温度巷道中间温度值

由图5可以看出，随着入风温度的降低，巷道温度明显降低。由图6可以看出，入风温度越低风流温差越大，入风温度20℃时，巷道中间线温差1.7℃；入风温度16℃时，巷道中间线温差2.8℃。

降低入风温度是有效的降温手段，但会造成冷量分布不均匀，温差大。

3.2风量

为研究风量对巷道内部热环境的影响，保持风筒直径不变，将入风速度分别提高至17 m/s、20 m/s进行模拟计算。入风速度15 m/s、17 m/s、20 m/s三组工况对应y=1.53 m截面温度情况如图7所示，三组工况对应中间线｛x=1.725 m，y=1.53 m，z∈（0 m，20 m）｝温度值如图8所示。

图7　y=1.53 m截面不同入风速度温度分布

图8　不同入风速度巷道中间温度值

由图7可以看出，入风速度提高，巷道低温区域增加。由图8可以看出，入风速度提高为20 m/s，巷道内风流温度降低幅度小于0.5℃，增大风量对巷道热环境具有积极影响，但要获得理想的效果需要极大的增加风量，在实际降温工程中难以具备这样的条件。

3.3风筒位置

为研究风筒位置对巷道内部热环境的影响，将风筒出口距工作面的距离分别改为8 m、12 m进行模拟计算。风筒出口距离工作面10 m、8 m、12 m三组工况对应y=1.53 m截面温度如图9所示，三组工况对应中间线｛x=1.725 m，y=1.53 m，z∈（0 m，20 m）｝温度值如图10所示。

图9　y=1.53 m截面不同风筒出口距离工作面温度分布

图10　不同风筒出口距离工作面巷道中间温度值

由图9可以看出，风筒出口距离工作面缩短为8 m时，巷道低温区域减少，工作面温度降低0.3℃；风筒出口距离工作面增加为12 m时，巷道低温区域增大，工作面温度增加0.4℃。由图10可以看出，风筒出口距离工作面越近，工作面温度越低，相反出口处温度越高。

风筒出口距离工作面12 m时巷道温差最小，风筒出口距离工作面8 m时巷道温差最大，说明在一定范围内适当改变风筒位置可以优化巷道温度分布。在实际降温工程中可以通过寻找合适的风筒位置以优化巷道风流温度场。

4　结论

（1）掘进巷道采用压入式通风方式时，巷道内温度分布受风流影响较大，内部风流存在两个高温区域:工作面风筒对侧，该区域风速小，风流扰动小，风温较高；巷道风流回流区，巷道内部壁面温度较高，风流在流动过程中从内部吸取一定热量，并在回流过程中不断吸热，巷道风流回流区风温较高。

（2）采用制冷降温措施降低入风温度是解决巷道内部高温热害的有效措施。降低巷道入风温度后，巷道内部风流温度均有所降低，受压入式通风降温方式的限制，巷道内部冷量分布不均匀，风流温差大。

（3）入风温度、风量以及风筒位置均对巷道内部温度场产生一定影响。随着入风温度的降低，巷道内部温度不断降低，温差不断加大；随着巷道风量的增加，巷道内部低温区域不断扩大，温度降低不明显；适当的风筒位置可以改善巷道内冷量分布，降低巷道内风流温差。

（4）为进一步研究巷道内热环境，可考虑湿交换、掘进机散热以及工作面附近物体的影响等因素。对掘进巷道热环境优化的研究应致力于改进降温方式，使得冷量均匀分布。

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（责任编辑 张艳华）

Analysis study of influence factor of temperature field of excavation roadway with high temperature

Liu Guiping
（The Technology Center of China Pingmei Shenma Group，Pingdingshan，Henan 467000，China）

The temperature field distribution of excavation roadway with high temperature was studied by the numerical simulation method.The cloud charts of temperature distribution of roadway coal pillar along the excavation way before and after temperature cooling were obtained by establishing the mathematical models，and then the calculation temperature distribution was compared with the field measured temperature distribution，the effect of airflow temperature，air quantity，air duct location on temperature field of roadway was analyzed.The results show that lowering the roadway entrance air temperature，resulting in a significant drop of temperature in the roadway，but with an uneven distribution of cold air and the expanded temperature variations of the internal airflow in the roadway；increasing the airflow quantity can expand the low temperature regions，but can't lower the temperature in the roadway；regulating the distance of air duct from the working face can improve the temperature distribution and reduce the airflow temperature difference in the roadway.

mine cooling，excavation roadway，numerical simulation，airflow temperature，airflow quantity，air duct location，optimized operation

TD727.2

A

刘桂平（1960-），男，河南人，高级工程师，长期从事煤矿井下矿井降温技术研究与应用工作，主持完成国内首次热电低温乙二醇制冷降温系统实施与推广工作。