煤矿井下巷道全断面风速场分布规律

王 航

(陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西 神木 719316)

0 引言

矿井通风安全是煤矿安全的核心和基础，是煤矿生产的生命保障系统，但煤矿一般都存在通风监测准确性低、关键用风点风量管控效率低等问题。为了保证矿井通风安全的可靠性和有效性，提高矿井通风自动化、信息化和智能化的水平，适应新时代智能化矿山建设发展的需求，实现矿井通风的实时监测及风量最优调控方案决策。不同巷道断面的风速分布规律受巷道断面形状、巷道支护类型、巷道内布置设备影响，巷道风流脉动特性和巷道断面风速非均匀分布规律导致定点安设的风速传感器测试巷道的平均风速方法难以实现准确测定或适用性相对有限，无法解决任一巷道平均风速测试问题，可推广性相对不足，如何通过风速传感器等测风设备，构建具有大面积推广的巷道平均风速测试方法是目前需要解决的难题，研究并掌握矩形、拱形等不同巷道断面内风速分布规律，掌握高风速区域、中风速区域和低风速区域就成了所有基础数据采集的关键所在。

1 巷道全断面风速场数值模拟几何模型

陕煤集团神木张家峁矿业公司井下巷道测风站包括矩形和半圆拱2类巷道断面。为了掌握矩形巷道与半圆拱巷道断面内风速分布规律，利用GMBIT建模软件构建与实际巷道尺寸按比例的矩形巷道与半圆拱巷道风流场数值计算的几何模型，如图1所示。为了重点考虑巷道尺寸对巷道断面风速场的影响规律，建立了多种尺寸规格的矩形巷道与半圆拱巷道风流场数值计算的几何模型，具体尺寸参数见表1、表2。在建立几何模型的基础上，需要对几何模型进行计算单元划分，计算单元选择正六面体，将完整的巷道几何模型划分为N个正六面体计算单元，如图2所示。

图1 巷道模型示意Fig.1 Schematic diagram of roadway model

表1 半圆拱巷道模型

表2 矩形巷道模型

2 巷道全断面风速场数值模型

2.1 巷道风速场CFD计算模型的建立

井下巷道内空气流动过程满足质量守恒、动量守恒、能量守恒，可用N-S方程组求解，巷道风流场解算N-S控制方程组见式(1)，考虑巷道内风流状态为紊流，因此需要在上述广义N-S方程组基础上补充湍流模型方程组，由于巷道为受限空间且人员的存在使得巷道风流场边界条件相对不确定[1]，导致某些特定区域风流截面会发生不可预期变化，利用REGk-ε模型，可较好地描述风流高应变率及流线弯曲程度大的流动，那么广义N-S方程组与REGk-ε模型联立且在此基础上再加上边界条件，则可确定完整的可求得近似解的巷道风速场CFD计算模型。

图2 网格划分局部放大Fig.2 Local of meshing

(1)

式中，ρf为风流密度，kg·m-3；v为计算区域内某一位置y方向风速，m·s-1；u为计算区域内某一位置x方向风速，m·s-1；μ为空气动力黏度，取值为17.9×10-6Pa·s；w为计算区域内某一位置z方向风速，m·s-1；Su为x方向的动量源项，kg·m-2·s-1；P为气体压力，Pa；Sw为z方向的动量源项，kg·m-2·s-1；k为空气传热系数，取值为0.023 W·m-1·K-1；Sv为y方向的动量源项，kg·m-2·s-1；CP为空气比热容，取值为717 J·kg-1·K-1；T为气体温度，K；ST为黏性耗散项，J·m-3·s-1。

2.2 风硐风流场数值计算模型的建立

风硐内风流亦为紊流状态，那么风硐内风流场须在N-S方程组上加载湍流模型方程组，一般风硐结构复杂，几乎均为拱形断面，使得风硐内流场边界条件更加复杂，特别是风流断面发生剧变的区域[2-7]，同时，REGk-ε模型也可很好地处理高应变率及流线弯曲程度大的流动，同样适用于模拟风硐紊流风流问题，式(2)与式(3)为REGk-ε模型的控制方程。

(2)

(3)

式(1)、式(2)、式(3)联立即为风硐风流场数值计算模型的方程组，加上表3所列的边界条件，即构成了风硐风流场数值计算模型。

表3 计算模型边界条件

3 巷道全断面风速场数值模拟分析

3.1 巷道全断面风速场模型的数据准确性论证

利用CFD数值模拟方法研究巷道全断面风速场分布规律的前提条件是CFD数值模拟方法的巷道风流场数值模拟结果与实际巷道风流场实测结果一致[8-9]。目前，采用悬挂风速传感器实测巷道断面单点风速，通过对比巷道断面同一位置风速传感器实测值与数值模拟结果值，如果2个值之间相对误差很小，则可认为巷道断面风速场数值模拟结果与巷道断面实际风速场一致，论证了巷道全断面风速场模型的数据准确性。

3.2 风速传感器所在位置实测值与模拟值对比

井下各地点的测风站巷道内的紊流风流，任意位置处点风速是脉动风速与主风速之合，因此风速传感器数据具有明显的波动性[10-12]。通过对现场实验时间段内风速传感器数据值求平均值，从而获得风速传感器测试值，人员与风速传感器处于巷道同一断面但不同位置条件下风速传感器测试值。人员所在测风站位置处巷道断面风速分布模拟结果，首先提取该巷道断面内风速传感器(巷道中垂线距巷道顶板1 m位置处)点风速数据，点风速模拟结果数据见表4。通过表4中的风速传感器实际平均值与数值模拟值对比，可以得出数值模拟结果与实测结果相对误差在2.5%以内，同时可知巷道内无人员的时候风速传感器数据更加准确，说明了CFD数值模拟方法的风速场数值模拟结果能够真实反映煤矿井下巷道内风速分布情况。

表4 风速传感器所在位置实测值与模拟值对比

3.3 巷道全断面风速场数值模拟结果分析

图3为不同平均风速条件下序号1半圆拱巷道断面对称轴上风速分布，由图3可得靠近巷道顶板、底板、巷道帮的巷道断面位置风速明显小于巷道断面中部区域，巷道断面风速变化具有连续性，宽度为5 m、高度为5.5 m的半圆拱巷道在巷道断面宽度方向上风速非均匀区间长度达到2 m左右，风速非均匀区间长度随巷道平均风速增大而显示出明显的增大趋势。不同风速条件下巷道断面内风速的不均匀分布程度为准确测得巷道风量增加了难度。在掌握巷道断面风速场结构的基础上，有针对性地布置风速传感器进行测风，能够准确测试巷道平均风速，进而计算得到巷道风量。

图3 序号1半圆拱巷道断面对称轴上风速分布Fig.3 Wind speed distribution on symmetrical axis of semi-circular arch roadway section

4 结论

(1)采用CFD流体动力学数值模拟方法计算了矩形巷道、半圆拱巷道断面风速场分布规律，结合风速传感器监测数据验证了数值模拟结果的可靠性，在此基础上，模拟计算得到巷道断面内平均风速区域，揭示了巷道风量大小对于巷道断面平均风速分布区域影响可忽略，巷道尺寸大小是巷道断面平均风速分布区域的主要影响因素。

(2)为了提高巷道断面平均风速测定准确性，可在井下巷道全断面进行平均风速9点测风法测定，此法可通过测试8个平均风速分布区域内位置风速值计算巷道平均风速，利用巷道中心区域风速监测点进行测试数据的进一步校验，最终消除偏差较大数据。

(3)利用数值模拟方法对张家峁全矿井23个主要测风站巷道断面风速场进行研究，可确定巷道断面平均风速分布区域，对巷道断面内9个风速监测点具体位置进行计算，取得了最优数据。为了实现巷道全断面9点测风这一过程，矿井在实际作业中针对矩形巷道设计研发了龙门式全自动测风系统，针对拱形巷道设计研发了折叠式全自动测风系统，保证了风量测定的准确性。现阶段，张家峁全矿井23个主要测风站均安装了巷道全自动测风系统，通过对比同一时间段内人工测风数据和自动测风装置测试数据，2种测风方法的相对误差在5%以内，研究表明全自动测风系统的测风精度足以满足矿井风量测试精度要求，实现了矿井主要大巷风量的自动测定。