南屯煤矿33下06 运顺掘进巷道热环境分布研究

丁汝青 张相超 孔凡伟

（兖矿能源集团股份有限公司南屯煤矿，山东 济宁 273500）

随着矿山开采技术与深部开采技术的日益成熟，专家学者们对掘进巷道的热环境问题进行了分析研究[1-3]，其中包括掘进巷道的温度场分布[4-6]、长距离掘进巷道分段降温式通风[7]、掘进巷道回头热[8-9]与辅助通风设施对掘进巷道热环境的影响等[10]。

33下06 运顺掘进巷道位于南屯煤矿三采三分区，井下环境复杂，对该巷道进行热环境分布探究实验，同时也为现场制定、完善通风措施提供参考依据。

1 掘进巷道温度场测定实验方案

1.1 测点布置

实验巷道现施工长度为475 m，选取距离掘进面90 m 的巷道长度进行研究。巷道断面为矩形，断面尺寸为5.1 m×3.35 m，左侧压入式通风，风筒采用Φ500 mm 的柔性风筒，风筒出口距掘进面10 m。在距离掘进面0.1 m、15 m、30 m、45 m、60 m、75 m、85 m断面处共布置7个测点断面，依次记为A、B、C、D、E、F、G 断面，每个测点断面布置5 个测点（图1），分别记录同一断面同一时间不同位置的温度数据，然后取各断面温度平均值进行分析。

图1 巷道断面测点分布示意图（mm）

1.2 实验步骤

进行现场通风降温实验前，首先需保证的是各个断面、各个测点的温度记录仪与计时器的时间同步，随后进行以下的实验步骤：

1）在未开启风机的情况下，沿巷道依次放置温度记录仪并读取多次断面测点温度值，取其平均温度值。

2）开启风机后运行1 h，多次采集测点温度数据并观察巷道内空气降温规律，直到巷道内温度值趋于稳定。

3）实验结束后关闭风机，回收温度记录仪，整理分析采集到的温度数据，并绘制相关曲线图。

1.3 现场实验结果分析

表1 为通风前后各断面的温度测定数据。由表中数据可以得出，在开启风机前，巷道内的温度普遍偏高，越靠近掘进面温度越高，温度最高处几乎与围岩温度（28 ℃）无差。开启风机1 h 后，巷道内热环境得到明显改善。

表1 通风前后各断面平均温度数据

将通风前后的数据整理后进行对比得到通风前后温度对比图图2。

图2 开启风机前后各断面温度对比图

经过1 h 的充分换热后，整个巷道内的温度有着明显降低的趋势，其温度分布特征主要为越靠近掘进面与风筒出口，降温效果越明显；随着距离掘进面距离的增加，风流的温度也就越来越高。在距离掘进面最远的G 断面，通风前后温度几乎没有变化，这是因为由于距离掘进面与风筒出口距离较远，风流到达该断面时已与巷道围岩进行了充分的热交换，风流温度已与巷道内平均温度无差，故降温效果不太明显。

2 掘进巷道通风降温数值模拟

2.1 数学物理模型的建立

为了模拟求解的简便，将实际问题进行简化处理并做出以下假设：

1）风流不可压缩，忽略流体黏性力做功。

2）忽略水蒸气蒸发与瓦斯因素。

3）巷道内新鲜风流温度不变。

4）将气体物理特性参数视为常数，流动为稳态紊流并满足自然对流布辛涅司克近似假设。

5）围岩均质且各向同性，围岩温度与风流温度充分进行热交换。

6）初始温度等于原岩温度。

根据巷道实际尺寸建立巷道模型，巷道长90 m，风筒长度为80 m，安装高度为2.5 m，左侧压入式通风。所建立的巷道模型如图3。

图3 巷道断面尺寸示意图

2.2 网格划分与边界条件的设定

将建立好的三维模型导入网格划分模块进行网格划分，平滑度设置为高，添加膨胀层，模型网格插入方法为自动，生成的网格平均偏斜度为0.211，网格质量优秀。

为了确保模拟结果的准确性，根据现场测定的边界条件，将风筒的出口设置为风流的入口边界，属性为速度入口，入风温度设置为16 ℃；将巷道的入口设置为模型的出口边界，类型为自由出口，壁面边界条件设置为无滑动边界条件，围岩温度为28 ℃。具体参数设置见表2。

表2 边界条件参数设置

2.3 巷道内温度场分布

经过数值模拟得出A～G7 个断面的温度分布图图4。由图4 可以得出断面的温度随着与掘进面距离的增大而逐渐增大，这是由于新鲜风流自风筒吹出到达掘进面，随后由掘进面流向巷道出口方向，在整个过程中风流不断与围岩和巷道内空气进行热交换，致使风流温度越来越高，降温效果越来越不明显。左上角温度偏高，是由于通风管道与巷道岩壁之间距离狭小，新鲜风流难以进入，空气流速慢，围岩与新鲜风流无法进行充分的热交换，导致左上角温度高于巷道内的平均温度。

图4 巷道断面温度分布图

图5 为X=0.27 m 处的纵断面温度分布图。从断面图可以看出，下侧空气温度明显低于上侧空气温度。这是因为受到巷道围岩温度与空气浮力的影响，上下侧风流距巷道围岩较近，与围岩不断地进行热交换所导致的。在该纵断面上可以大体看出，经过一段距离后，断面的温度分布较为均匀稳定，中间温度低，四周温度高。这是由于经过长距离的稳定换热，距离围岩较近的区域空气热交换趋于稳定，巷道中心风流的温度随着风流流向的方向而逐渐升高。

图5 X=0.27 m 纵断面温度示意图

3 数值模拟与实测数据对比

模拟温度与实测温度对比数据图如图6。每个断面的模拟温度都比实测温度偏低，其中一部分原因是现场掘进面处的实际围岩温度要略高于巷道出口处的围岩温度，而在模拟中，模拟的巷道围岩温度设置为固定值，因此会导致模拟温度与实测温度略显偏差。另一方面，巷道中部分位置存在顶板滴水的现象，同时机电设备的工作也伴随着放热现象，这也造成了温度采集的不稳定。

图6 现场温度与模拟温度对比图

4 结论

本文以南屯煤矿33下06 运顺掘进巷道为实验对象，利用Fluent 数值模拟软件对该掘进巷道的热环境进行了数值模拟，并将模拟结果与现场采集数据相对比，得出以下结论：

1）由实测数据得知，在未通风时，巷道内的空气温度特征表现为越靠近掘进面，温度越高，最高达到27.532 ℃。

2）在开启风机之后，巷道内的空气温度得到明显的改善。其中表现为越靠近掘进面与风筒出口，降温效果越好，最低温度为21.668 ℃，比通风前所测温度降低了5.864 ℃。

3）利用Fluent对实验巷道进行热环境数值模拟，能够准确得出巷道风流的温度场，最大温度误差为0.822 ℃，平均温度误差为0.415 ℃，数值模拟结果与实测结果相一致，目前的通风参数能够满足安全生产需要。

4）利用Fluent 对巷道进行数值模拟得知，受巷道围岩的热交换与空气浮力的影响，在巷道的同一断面处，下部温度低于上部温度；当巷道内温度趋于稳定时，中间温度低于四周温度，新鲜风流难以到达的区域温度较高，为现场制定、完善通风措施提供参考依据。