深部金属矿采场通风降温的数值模拟研究★

戴旻旻

（山东大学热科学与工程研究中心，山东 济南 250061）

近年来，随着人类社会对矿产需求的不断增加，地表和近地表的矿产资源被开发殆尽，人们不得不将目光转向更深地底的矿产资源。目前国内许多矿山已经逐渐转向深部采场开采，但随着矿山开采深度的增加，地压增大、岩温增高、矿山的提升、排水、支护、通风等方面的困难也随之增大，面临的技术难题将不断增加，其中最为突出的问题就是井下热环境的恶化[1-2]，井下热环境的恶化会严重影响矿山生产的效率和人员安全[3-5]。采场通风降温是消除井下热害的重要途径，提高采场通风降温效率对降低冷却系统能耗、提高矿山经济性、保障人员安全有重要意义[6]。

王海桥等[7]使用CFD 软件建立了独头采场三维模型，得出了独头巷道有限空间受限贴附射流通风流场分区、射流起始段、射流贴附过程和流速变化等流场特征。高建良等[8]用三维k-ε 紊流模型模拟了压入式局部通风掘进工作面风流与巷道围岩的热交换过程以及巷道壁面水分和风流之间的热湿交换，得出掘进工作面风流温度和湿度的分布关系。龙腾腾等[9]通过对同一掘进巷道模型在压入式和抽出式两种通风方式下速度场和温度场进行分析计算，证明压入式通风能更好满足人体热舒适要求。昝军等[10]基于独头巷道受限贴附射流特征参数，计算分析风筒出口直径与流场的关系、风筒出口风速与射流轴心速度变化的关系。王海宁等[11]建立了空气幕风流理论模型，认为空气幕在矿井通风中可以与风门、风窗起到相同的效果。Miao 等[12]通过对采用机械法降温后煤矿工作面通风冷却成本进行分析，建立了风量与通风冷却成本的关系。Sasmito 等[13]计算研究了影响矿井隧道热管理的各种因素，评价了原始岩体温度、通风空气流量和通风空气温度的影响，发现通风空气温度对整个隧道的温度分布影响最大，其次是原始岩体温度和通风空气流量。Tariq 等[14]研究了风管出风口距工作面距离以及出风风速对采场内流场和温度场。

本文以深部金属矿独头采场为研究对象，建立了采场通风降温数值模型，并与通风降温实验数据进行对比，以验证模型的有效性。

1 金属矿深部采场数值模型

1.1 数值模型建立

金属矿深部采场多呈现拱形截面，如图1 所示，宽度约6.0 m，高度约4.5 m，长度可达数百米。为简化数值模型，采用1∶4 缩小的尺寸构建几何模型，如下页图2 所示，模型截面宽度1.5 m（X 方向），高度1.125 m（Y 方向），长度3 m（Z 方向）。冷风由直径为0.13 m 的风管送到采场工作面附近，在冷却完采场后，热风在风压作用下从采场出口流出，实现采场通风与降温的目的。

图1 金属矿深部采场横截面示意图

图2 金属矿采场通风降温物理模型

1.2 控制方程

本文采用fluent 软件对采场通风降温模型进行模拟计算，在采场的热交换中，考虑了壁面热量的散发及通风空气的冷却作用，采用质量、动量和能量控制方程。

质量守恒方程：

式中：ρ 为密度；t 为时间；u、v、w 分别为x、y、z 方向的速度矢量。

动量守恒方程：

式中：μ 为流体动力黏度；P 为表面力矢量；g 为作用于单位体积流体的体积力；f 为作用于单体积流体反方向的阻力。

能量守恒方程：

式中：Cp是比热容；t 为时间；p 为压力；T 为温度；k是流体导热系数；Sr为黏性耗散项。

通过对比各种湍流模型的模拟结果，湍流方程选用k-ε 湍流模型如下：

式中：Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能；Gb为由浮力产生的湍流动能；YM为由于在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动；Sk、Rε为需要定义的源项；μt为湍动黏度。

湍动黏度计算公式为：

式中：Cμ为常数。

1.3 边界条件和求解方法

由于数值模型为实际采场的几何缩小模型，因此边界条件也需满足相似条件。管道入口使用速度入口边界条件，根据流动相似准则，速度入口边界为实际采场的1/4。

采场壁面采用标准壁面函数，采场壁面均设置为恒定壁温，结合工程实际设为45 ℃。采场出口设置为压力出口，管道出口为内部面类型边界条件。选用SIMPLEC 算法求解，动量方程、湍动能、湍动能耗散率和能量方程均采用二阶迎风离散格式。

1.4 网格独立性验证

为保证数值模型的有效性，需要进行网格独立性验证。以坐标值（0.75，0.5，1.5）处空气温度为标准，分别选取16 万、38 万、96 万、168 万、233 万数量的网格进行验证。

图5 给出了在相同边界条件下，坐标值（0.75，0.5，1.5）处空气温度随网格数量的变化，在网格数大于96 万网格后，温度几乎不变，误差小于1%，为保证准确度和计算速度，选取网格数量为96万的数值模型进行计算。

图5 网格独立性验证

2 采场通风降温数值模型的实验验证

2.1 实验模型简介

为进一步验证数值模型的有效性，图6 给出了搭建的采场通风降温实验台，采场实验模型与数值模型的几何尺寸一致。冷空气从风管通入到采场实验箱中，壁面保温层由电热丝和石棉构成，可维持壁面恒定温度，采场内的温度测点如下页图7 所示，由2 个位于采场实验箱内部的2 个空气测点和9 个位于采场实验箱壁面的壁面测点组成。

图6 采场实验箱

图7 采场实验箱温度测点图

设置采场实验箱的壁面恒定温度为45 ℃，分别进行如下页表1 所示的8 组不同参数冷风通风情况下的采场实验箱降温实验，并通过数据采集系统记录稳定工况的温度测点数据。

表1 采场实验箱通风降温实验工况

2.2 实验验证

采用与实验相同的入口风温和入口风速边界条件进行数值计算，求解得到采场内的温度分布和流场分布，图7 给出了1 号空气测点温度和2 号空气测点温度的实验值与模拟值对比。从图中可以看出，1 号测点和2 号测点的数值模拟结果与实验的误差都低于5%，可以认为数值模拟结果可信，数值模型准确。

图7 空气测点对比结果

3 参数变化下采场通风降温的模拟结果

为了研究风速对采场内部通风降温效果的影响，在相同入口风温条件下，将进口风速分别设置为7.15 m/s、9.15 m/s、11.15 m/s、13.15 m/s、15.15 m/s、17.15 m/s、19.15 m/s、21.15 m/s。图8 和图9 为不同风速下采场达到稳态时温度场与速度场云图。由图8、图9 中可知，随着风管入口风速的增加，采场实验箱内的平均空气温度缓慢降低，从30.1 ℃降低到28.3 ℃，出口区域的低温区逐渐增加；同时，速度场变化逐渐剧烈，高风速区域逐渐增多。

图8 不同通风速度下的温度场分布云图

图9 不同通风速度下的速度场分布云图

为了研究风温对采场内部降温效果的影响，在相同入口风速条件下将进口风温分别设置为12 ℃、14 ℃、16 ℃、18 ℃、20 ℃、22 ℃、24 ℃、26 ℃。图10和图11 为不同通风风温下采场内的温度场与速度场分布云图。由图10、图11 可知，随着风管入口风温的增加，采场实验箱内的平均空气温度快速升高，从24.4 ℃升高到31.5 ℃；由于入口风速保持不变，因此速度场基本没有变化。

图10 不同通风温度下的温度场云图变化

图11 不同通风温度下的速度场云图变化

对比图8 与图10 中可以看出，风温和风速变化对于采场实验箱的温度场变化影响程度不同，将采场中壁面和空气的对流换热量定义为采场散热负荷，引入采场散热负荷来评价风温和风速对通风降温效果的影响程度，采场散热负荷越大，表明从采场中移除的热量越多。图12 给出了不同通风参数下的采场散热负荷变化。随着通风风速的增加，散热负荷从1 975 W 升高到5 114 W，而实验箱内的平均空气温度仅仅降低了1.8 ℃。随着风温的降低，散热负荷从2 451 W 升高到4 030 W，实验箱内的平均空气温度降低了7.1 ℃。由此可见，通过降低风温对采场进行降温比提高风速更具经济性。

图12 通风参数变化时散热负荷的变化

4 结论

采场通风降温能有效改善金属矿深部矿井热环境，通过改变参数条件下的采场通风降温数值模拟，得到了不同风速和风温下采场内的温度场和速度场分布云图。结果表明，随着采场风速增加，采场实验箱内的平均空气温度缓慢降低，高风速区域增加；随着通风温度增加，实验箱内的平均空气温度快速升高。通过对比分析不同风温和风速条件下的采场散热负荷变化，表明降低风温对采场降温更具有经济性。