掘进巷道不同高宽比对风流传热影响的研究

马 超，王海宁 ，解 彬

(1.江西理工大学 资源与环境工程学院， 江西 赣州市 341000；2.江西省矿业工程重点实验室， 江西 赣州市 341000)

掘进巷道不同高宽比对风流传热影响的研究

马 超1,2，王海宁1，解 彬1,2

(1.江西理工大学 资源与环境工程学院， 江西 赣州市 341000；2.江西省矿业工程重点实验室， 江西 赣州市 341000)

掘进巷道在地下矿山开采过程中尤为常见，由于掘进过程中无法及时形成完整的通风网络，致使掘进巷道及工作面热害较为严重。尽管矿山掘进面热害治理的研究很多，但有关不同高宽比的掘进巷道与通风降温关系的研究较少。在通风条件相同下，运用Fluent数值软件模拟分析，通过改变掘进巷道的高宽比来研究其温度场分布的不同。结果表明，在温度为35℃的高温掘进面巷道中，采用压入式通风方式，入口风温为22℃可满足通风降温的要求；在相同送风量情况下，掘进面巷道的高宽比越大，通风降温效果越好，但同一断面上纵向温差也越大；通过改进掘进巷道高宽比可实现通风降温最优化，从而为巷道设计者提供了新的理论依据。

掘进巷道;高宽比;通风降温;数值模拟

0 引 言

井下高温热害问题是一直以来困扰矿山深部开采的一个重要技术难题，井下高温地点主要集中在独头掘进面，由于该类作业面施工中无法及时形成通风网络，导致常常因热量无法及时排除出现高温问题。随着开采深度的增加，热害问题更加明显，而这些掘进面大都通风效果较差，热害程度较其他作业面更为严重。国内外对此展开了一系列的降温技术研究[1￣4]，得出的改善措施较多，归纳起来主要有两大类：一类是通风降温措施；另一类是人工制冷冷却风流的措施[5]。考虑到降温成本及工程实施难易程度，目前机械通风降温在矿山使用较为普遍。通过改变送风风筒的风温、风速从而实现掘进作业面的降温目的。然而关于巷道形状对风流传热影响的研究却鲜见于文。

矿山通风安全研究常采用理论研究，模拟分析，实际应用等方式。模拟分析因其用时少，成本低，模拟结果与实际吻合度高等特点，被科研工作者广泛应用于矿山降温、通风防尘、风流特征等模拟中[6￣11]。近年来，随着计算流体力学理论不断的发展，有许多较为成熟的商业软件相继被开发使用，如Fluent、CFX、starCD等[6￣8]。本文基于巷道风流流动特性、空气动力学、热力学、流体力学和计算流体动力学等基础理论，运用Fluent建模前处理软件Gambit建立高温掘进面的物理模型和数学模型，利用Fluent软件研究在此相关模型下机械通风温度场在不同高宽比下的分布情况，从而为井下生产施工提供一些理论依据。

1 数值模型及相关参数

1.1 物理模型

为了便于分析，将掘进巷道简化为长方体进行模拟分析，参考《金属非金属矿山设计规程》，固定掘进面面积为12 m2。通风方式选择压入式通风：风筒直径0.6 m，模型入口边界为风筒出口，风筒出风口距离掘进迎头5 m，距离地面1 m，风筒布置在巷道左侧。通风模型见图1(以高宽比1∶1为例)。本文将固定断面积12 m2，根据高宽比r分别为2∶3，3∶4，1∶1，4∶3和3∶2五种情况，参考面积(s)=长(a)×宽(b)，建立相应的模型。

风流在矿井内的流动复杂多变，大多数为高雷诺数的紊流流动状态，掘进面是矿井内风流经过的一部分，其风流也满足该紊流形态。在确定主控制方程之前，需要根据实际情况，并作出以下假设：风流为不可压缩流动；流动的湍流粘性具有各向性，湍流粘性系数作为标量处理；假设壁面光滑性好，不漏风；流动为稳态湍流，满足Boussinesq 假设；基于以上假设，采用以下数学模型[12￣14]：

图1 掘进作业面通风降温模拟

长期以来，广西与东盟国家贸易往来密切，发展形势良好。广西—东盟跨境人民币结算迅猛发展，年结算量逐年增长，比2016年试点初期结算量已翻几番。目前跨境人民币结算已覆盖东盟十国，为跨境人民币结算后续发展打下坚实基础。因此，如何借鉴发达国家或发达地区的成熟经验促进广西—东盟跨境人民币结算及贸易发展，是值得深思的问题。

式中，k为湍流的动能，m2/s2；ε为湍流动能耗散率，m2/s3；t为时间，s；v为层流粘度系数，Pa·s；p为修正时均压力，Pa；ρ为空气的密度，kg/m3；vt为湍流粘度系数，Pa·s；cp是比热容，J/(kg·K)；ui为速度分量，m/s；xi为坐标分量，m；Fi为质量力，m/s2；sT是流体内热源和机械能转换成热量多余的部分能量；Gk为平均速度梯度引起的湍动能产生项。

1.3 网格划分

根据巷道的结构特点，采用非结构化网格划分可以很好的处理问题，通过Gambit软件对物理模型进行整体连续网格划分，网格主要以四面体和六面体为主。五个物理模型中，计算区域最少划分网格为276482个，网格最多为290132个。最小网格体积为1.217519×10-4m3，最大网格体积为3.716988×10-3m3，网格体积小于0.1 m3的数量占总数的85%，网格的大小能够满足计算精度的要求。

1.4 求解器的设定

根据建立的高温掘进巷道物理和数学模型，确定数值模拟所需要的各项参数(见表1)。其中采场和掘进面的入风口采用速度入口，入口风速按截面风速不低于0.25 m/s进行等量换算；出口采用自由出流，采场和掘进巷壁面边界条件设为壁面，温度设置以现场实测数据为准，导热系数根据井下岩性参照岩石热物理性质确定。

表1 模拟参数设置

1.5 边界条件的设定

设定风筒的出口为模型的入口边界，以巷道的自由断面处为模型的出口边界，巷道及风筒的其他面设定为壁面。依据建立的模型，参考某矿山实际情况，设置主要的边界条件。

(2) 出口边界条件：出口的类型为Outflow，没有相对压力，k和ε为自由滑动。

(3) 壁面的剪切条件设为无滑移，粗糙程度为0.05 m，粗糙度系数为0.5，壁面温度为308 K。

2 模拟结果及分析

2.1 迭代计算

掘进作业面流场可以看成是一个稳态的风流流动和换热过程，采用能量方程求解流体与岩壁的热量交换，操作环境在一个标准大气压下，不计重力加速度。计算过程中的迭代步数设置为300步，以高宽比为1∶1的巷道为例，计算迭代运行在240步之后，各个变量满足收敛条件，曲线趋于平稳(见图2)。

由图3巷道内部平均温度监测曲线可知，计算迭代运行前25步，这个过程温度曲线急剧下跌，反映出冷热风流进行了强烈的交换，随后风温一路攀升，迭代至75步，曲线的斜率逐渐降低，该状态一直保持到250步左右，巷道内部温度趋于平稳。

图2 残差监测曲线

图3 巷道内部平均温度监测曲线

2.2 温度模拟结果分析

掘进面采取压入式通风方式，5种情况下风筒出口风速、风温均相同，根据图1简化的物理模型和参照表1设定的模拟参数及边界条件，利用Fluent软件对高温矿井掘进面巷道在不同高宽比下的通风降温效果进行数值模拟，对5种情况下温度场的三维云图进行对比分析(见图4)。

图4 不同高宽比下数值模拟温度分布云图剖面

由图4可知，巷道壁面温度较高，由于风流与巷道壁面进行热交换，风从风筒出口流出到掘进迎头的过程中，沿着风流的方向温度逐渐升高，回风风流的温度随着回风方向也呈现逐渐升高的趋势；掘进巷道同一断面风流中，风筒口(出风口)的温度最低，且在其附近温度上升较快，变化幅度较大。靠近巷道出口的温度最高，出口附近温度变化幅度较小，几乎为零；从5种不同状态下的剖面图对比结果来看，高宽比为2∶3时，巷道内部最大温差为5.867℃，高宽比为3∶2时，巷道内部最大温差为5.133℃。由此可以看出巷道内部温差随着高宽比的增大而减小；对比中还发现，在巷道内部同一位置处，掘进作业面高宽比越大温度相对更低，且低温区域更广，降温效果更显著。

由图4还可以发现，尽管不同掘进巷道高宽比不同，但机械通风降温效果都很明显，掘进迎头处的温度在25℃～26℃左右，在距离掘进面5 m内的区域温度都在27℃以下，基本满足安全规程作业要求。为了更全面地掌握不同高宽比下的降温效果，利用后处理软件Tecplot得到不同高宽比下距离掘进面出口25，26，27，28，29 m的温度分布剖面图(见图5)。

图5 距掘进面出口不同距离的温度分布图

从图5可知，在距离巷道出口25 m处(即风筒出口)的平均温度基本上都在27℃左右，风流吹向掘进迎头的过程中，风筒截面方向上的温度逐渐降低，同时巷道中的温度也逐渐下降，到达掘进面附近温度基本保持在26℃以下。说明风筒中相对较冷的风和巷道中的热风之间进行了热交换，从而起到了较好的通风降温效果；对掘进面巷道不同高宽比的温度云图进行对比发现，在图5(a)中，巷道高宽比为2∶3时巷道横截面的纵向温差很小，靠近掘进面附近几乎为零。而在图5(e)中，巷道高宽比为3∶2时巷道横截面的纵向温差有时相差1℃，这在一定程度上会影响人体舒适度。

3 结 论

掘进作业面是矿山开采过程中最常见的作业面，高温热害问题已经成为一大技术难题，目前常采取机械通风作业方式降温。为获得更高效、节能的通风方案，本文通过Fluent软件对掘进面不同高宽比下通风降温效果进行了数值模拟分析，找到了温度场的分布规律，并得到以下结论：

(1) 压入式通风条件下，风从风筒出口流出到掘进迎头的过程中，沿着风流的方向温度逐渐升高，回风风流的温度随着回风方向也呈现逐渐升高的趋势。风筒附近温度变化较大，冷热气流交换较为频繁。

(2) 掘进面巷道的不同高宽比会影响温度场的分布。随着掘进面巷道高宽比的增加，降温作用区域和温度下降程度均有所增加；然而大的高宽比也会造成纵向温差越大，这在一定程度上会影响人体的舒适程度。

(3) 本文通过定量地分析巷道高宽比对温度分布的影响，给巷道设计工作者提供参考。这将提醒相关设计人员，设计施工巷道时，不仅要考虑巷道高宽比对围岩稳定性的影响，同时也应考虑巷道高宽比对温度场分布的影响。

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