不同通风参数对掘进工作面降温的影响_辛嵩.pdf

第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 随着煤炭开采强度增加以及开采工艺的改进， 浅部资源日益减少，开采深部矿井资源已成为必然 选择。当矿井开采到一定深度，围岩温度达到几十 摄氏度，高温、高湿的作业环境严重影响着开采进 度[1]。我国 2016 年版 煤矿安全规程 规定 当掘进 工作面空气温度超过 26 ℃， 必须缩短超温地点作业 不同通风参数对掘进工作面降温的影响 辛嵩， 刘尚校， 张逍， 朱晓镇 （山东科技大学 安全与环境工程学院， 山东 青岛 266590） 摘要 为了明确压风筒距离及抽、 压风量配比对掘进工作面冷却的影响， 建立了赵楼煤矿 7302 轨道巷机掘工作面 1∶1 等比例物理模型，运用 AnsysCFD 软件对压风管出风口与掘进巷道迎头 端面之间的距离 Lf（分别设为 2.5、 5、 7.5、 10 m） 、 抽风量和压风量配比 B （B 分别设为 1、 1.5、 2） 条 件下的掘进工作面风流参数的影响进行数值模拟。 结果表明 当 Lf大于 5 m 时， 工作区域的风流 都能保持在 0.3 m/s 以上，随着 Lf的增加，掘进迎头附近的涡流场变化加剧，当 Lf5 m， B1.5 时， 巷道内工作区域平均温度 27 C， 长抽短压混合式通风系统可达到最佳的通风降温效果。将 数值模拟结果应用到赵楼煤矿 7302 掘进工作面通风系统优化后，对工作面内多个断面上的测 点进行风速、 风温测量， 实测风速与数值模拟结果平均相对误差 10.07， 实测风温与数值模拟 结果平均相对误差 1.60， 数值模拟结果较为准确。 关键词 掘进工作面； 抽压配风比； 降温； 数值模拟； 通风优化 中图分类号 TD727.5文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0112-06 Influence of Different Ventilation Parameters on Cooling of Driving Face XIN Song, LIU Shangxiao, ZHANG Xiao, ZHU Xiaozhen （College of Safety and Environmental Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China） Abstract In order to clarify the influence of the distance of the air pressure cylinder and the ratio of the pumping and air pressure on the cooling of the driving face, a 1∶1 proportional physical model of 7302 track along the tunnel face of Zhaolou Coal Mine was established, and the air duct was compressed using AnsysCFD software. AnsysCFD software was used to numerically simulate the influence of air flow parameters on tunneling working face under the conditions of distance Lf（set as 2.5, 5, 7.5, and 10 m respectively） , ventilation rate and pressure rate ratio B（set as 1, 1.5, and 2 respectively）between the air outlet of pressure pipe and the end face of heading face. The results show that when Lfis greater than 5 m, the wind flow in the working area can be maintained above 0.3 m/s. With the increase of Lf, the change of the vortex field near the tunneling head increases. When Lf5 m and B1.5, the average temperature of the roadway in the working area is 27 C, and the long-drainage and short-pressure mixed ventilation system can achieve the best cooling effect. After applying the numerical simulation results to the optimization of the ventilation system of Zhaolou Coal Mine 7302 driving face, the wind speed and wind temperature were measured at the measuring points on multiple cross sections in the face. The average relative error between the measured wind speed and the numerical simulation results was 10.07 . The average relative error between temperature and numerical simulation results is 1.60, and the numerical simulation results are more accurate. Key words heading face; pumping pressure ratio; temperature reduction; numerical simulation; ventilation optimization DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.017 辛嵩， 刘尚校， 张逍， 等.不同通风参数对掘进工作面降温的影响 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 112-117. XIN Song, LIU Shangxiao, ZHANG Xiao, et al. Influence of Different Ventilation Parameters on Cooling of Driving Face［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 112-117.移动扫码阅读 112 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 人员的工作时间， 当掘进工作面的空气温度超过 30 ℃必须停止作业[2]。独头巷道由于缺少回风巷， 往往 是矿井热害最为严重的地方，如何有效改善采掘工 作面的热环境状况，成为众多学者重点研究的方 向。目前，国内外学者已经在数值模拟方面对掘进 工作面的风流场、 温度场进行了研究。姬建虎[3]得出 掘进工作面射流冲击换热系数的关联式，并对不同 组合方式下换热情况进行了数值模拟， 李勇[4]对巷 道风流流场及降温前后温度场的分布及变化进行了 模拟分析。但很少有学者对掘进工作面不同通风参 数下进行较为全面的数值模拟，为此选取了赵楼煤 矿 7302 轨道巷掘进工作面 60 m 为研究对象，使用 ANSYS_FLUENT 数值模拟软件对掘进工作面不同 通风条件下的热环境进行数值模拟，并与现场实测 数据进行对比分析。 1数学模型 湍流模型是表征地下热环境流动特性的关键组 成部分。使用商用 CFD 程序 （Fluent） 求解质量守恒 方程 （连续方程） 、 动量方程 （Navier-Stokes 方程） 、 能 量守恒方程以及紊流模型方程。计算了巷道内的空 气流动和传热，将 SIMPLE 算法用于对流项的二阶 格式[5-6]。对比分析了几种常用的湍流模型选择了工 程中最常用的标准 K-Epsilon 模型，该模型考虑了 湍流动能 k 及其与湍流黏性耦合的耗散率 ε 2 个方 程，在预测巷道内的空气速度和温度场方面表现出 最佳效果。 连续性方程 鄣ρ 鄣t 荦 ρ ρρ U 0（1） 动量方程 鄣 鄣t ρ ρρ U 荦 ρU ρρ U -荦p荦 τ軉 ρρρg軆 （2） 式中 ρ 为流体密度， kg/m3； t 为时间， s； U 为流 体速度矢量， m/s； p 为静压， Pa；τ 軉为应力张量， N； ρg軆 为引力， N。 能量方程 鄣 鄣t ρ ρρ E 荦 U ρE ρρ ρ ρρ -荦 ∑jhjJjρρSh （3） 鄣 鄣t ρ ρρ k 荦 ρU ρρ k 荦 μ μt σk ρρ荦∑∑k Gk-ρε （4） 鄣 鄣t ρ ρρ ε 荦 ρU ρρ ε 荦 μ μt σε ρρ荦∑∑ε C1ε εGk k -C2ερε 2 k （5） 式中 E 为总能量， J； hj为 j 组分的生成焓； Jj为 j 组分的扩散通量， kg/m2 s； Sh为化学反应热和自 定义的任何其他体积热源， J； k 为湍流动能， J。ε 为 耗散率， ； μ 为流体的动态黏度， Pa s；Gk为由于 平均速度梯度产生的湍流动能； C1ε、 C2ε分别为模型 常数； σk、 σε分别为 k 方程和 ε 方程对应的湍流普 朗特数； μt为湍流黏度， Pa s。 2物理模拟的构建 1） 巷道几何模型。 根据赵楼煤矿 7302 轨道巷掘 进工作面现场测量的尺寸， 运用 Rhino6.0 建立了长 抽短压式通风系统下的掘进巷道简化后的几何模 型， 几何模型由掘进机、 巷道、 压入式风筒、 抽出式 风筒 4 部分组成。巷道为梯形，净高 4 m，上净宽 4.8 m， 下净宽 5.2 m， 选用 准0.8 m 的风筒， 掘进机尺 寸为 11 m3.5 m1.8 m。 2） 边界条件命名与网格划分。运用 CFD－ICEM 对赵楼煤矿 7302 掘进工作面几何模型进行边界命 名和网格划分，将压入式风筒入风口设定为入口边 界，巷道的末端断面以及抽出式风筒的出风口设定 为出口边界。3Dinflation 提供了靠近墙边界的高质 量网格生成功能， 以解决物理特性的变化。为了得到 更精确的模拟结果，对受风流扰动和热量交换影响 的较为强烈的风筒、掘进机附近区域进行了网格加 密， 共得到 2 033 160 个网格， 网格平均质量 0.88。 3）边界条件具体参数设定。根据对赵楼煤矿 7302 掘进工作面现场的实测数据分析， 然后对边界 条件相关参数进行了设定。假设风流为低速不可压 缩流体， 密度符合近似假设， 可忽略由流体的黏性力 做功所引起的耗散热。围岩壁面温度均匀分布， 且 热物性参数为常数。假设巷道壁面粗糙度均匀， 所 有壁面施加无滑移边界条件，假设壁面温度均匀分 布，巷道围岩壁面及迎头壁温按照实测数据取平均 值。计算湍流模型为 Realizablek-epsilon 模型， 开启 能量方程， 采用 SIMPLE 算法， 待迭代平衡后， 运用 CFD-Post 对结果进行分析 [7-8]。具体边界条件设定 为 ①入口温度 23 ℃； ②入口风量 300 m3/min； ③ 抽出风管出口风速 －15 m/s；④巷道出口自由回 流； ⑤围岩壁面温度 35 ℃； ⑥掘进迎头温度 39 ℃； ⑦掘进机壁面温度 50 ℃。 3模拟结果 研究为了量化压入风管位置对赵楼煤矿 7302 掘进工作面长抽短压式通风降温效果的影响，结合 113 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 2不同 Lf条件下巷道内风流速度 y0 平面上的变化情况 Fig.2Changes of the air velocity in the tunnel on the y0 plane under different Lfconditions 矿井实际情况， 固定变量压风筒距离迎头距离为 20 m，通过改变压风管出风口与掘进巷道迎头端面之 间的距离 Lf（Lf分别设为 2.5、 5、 7.5、 10 m） ， 对巷道 内的风流速度、温度进行数值模拟，得到压风管不 同布置方式下， 巷道内的风流速度、 温度分布规律， 通过比较可以确定压风管的合理位置。 为明确抽压风量配比对赵楼煤矿 7302 轨道巷 掘进工作面通风降温效果的影响，结合矿井实际情 况， 将压入风量 Q 设为 300 m3/min， 通过改变抽压风 量配比 B （B 分别设为 1、 1.5、 2）分析 7302 掘进工 作面通风系统在不同抽压风量配比情况下的通风降 温效果， 从而得到通风效果最佳的抽压风量配比。 3.1压风管出风口位置对风流速度的影响 不同 Lf条件下掘进巷道内风流流线分布如图 1。由图 1 可以看出， 长抽短压式通风条件下巷道内 风流的运移状况要比单一压入式通风条件下更加复 杂。设定距离迎头前 30 m 区域为工作区域，当 Lf 2.5 m 时，工作区域的局部区域的风流速度都保持 在 0.3 m/s 以下，风流经自由扩张后快速进入到作 业区域，由于受到掘进机的阻挡作用，反向回风不 畅导致作业区域的回流速度过低，不符合煤矿安全 规程对空气的供给量规定的最小风速。当 Lf10 m 时，由于掘进机的阻挡作用，限制了射流边界层的 发展扩散，这部分风流由于掘进机的阻挡作用形成 了回流，从而保证了大部分区域的风速在 0.3 m/s 以上。由于压风口、 吸风口处的卷吸作用， 在距离掘 进迎头 20 m 以内的区域内，形成了多个不规则涡 流风流场， 当 Lf7.5、 10 m 时， 明显风流的速度要高 于其他条件下的风流速度，考虑到独头巷道的除尘 效果， 工作区域内的风流速度不宜过大[9-10]。 图 1不同 Lf条件下掘进巷道内风流流线分布 Fig.1Distribution of wind flow lines in tunneling under different Lfconditions 3.2压风管出风口位置对风流温度的影响 不同的 Lf值下， 巷道后端的温度分布没有明显 的差异。可以认为，巷道后端的风流主要是由回流 组成的，风流与机械设备和围岩之间发生了相同的 热传递，且大部分回流通过抽出风管排出巷道， 只 有少部分污风回流到巷道后端。相反，巷道工作区 域的温度分布存在明显差异。不同 Lf条件下巷道内 风流速度在 y0 平面上的变化情况如图 2。从图 2 可以看出， 较小的 Lf在作业区域具有更好的冷却性 能， 然而， Lf过小时则会起到相反的效果， 因为 Lf过 小时，由于掘进机的阻碍作用，新鲜冷风流反向回 风不畅导致作业区域的部分区域温度较高， 而 Lf设 置为 5 m 时， 工作区域的平均温度最低， 冷风的扩 散面积最大。 综上所述， 当 Lf设置为 5 m 时， 工作区域的大 部分风速符合指标， 温度约为 27 C， 对矿工来说较 为舒适。因此， 在后续分析中应采用 Lf5 m 进行研 究。在优化通风降温系统时，应注意风管位置对通 风降温性能的影响。 3.3抽压风量配比对风流速度的影响 不同 Lf值条件下巷道内风流温度在 y0 平面 上的变化情况如图 3。不同 B 值条件下巷道内风流 114 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 6不同 B 值条件下巷道内各断面上风流温度的变化情况 Fig.6B changes of airflow temperature on each section in the tunnel under different conditions 图 5不同 B 值条件下巷道内风流温度在 y0 平面上的 变化情况 Fig.5B change of airflow temperature in the tunnel on the y0 plane under different conditions 图 4不同 B 值条件下巷道内风流速度在 y0 平面上的 变化情况 Fig.4B variation of the air velocity in the tunnel on the y0 plane under different conditions 图 3不同 Lf值条件下巷道内风流温度在 y0 平面上的 变化情况 Fig.3The change of the airflow temperature in the tunnel on the y0 plane under different Lfconditions 速度在 y0 平面上的变化情况如图 4。 3 种不同抽压风量配比下，作业区域的风流速 度变化不大， 相反， 在巷道后端风流速度产生了明显 变化， 当抽出风量等于压入风量 （即 B1） 时， 巷道后 端压抽重叠段风流平均速度低于 0.2 m/s， 当抽出风 量大于压入风量 （即 B1.5 及 B2） 时， 整个巷道中 的风速基本满足相关规定，绝大部分区域大于 0.3 m/s， 然而当 B2 时抽风口附近得风流较紊乱， 整个 巷道的风速较大， 使得部分污风扩散至整个巷道， 对 通风效果起到反作用， 且会加大通风能耗。 3.4抽压风流配比对风流温度的影响 当抽出风量大于压入风量时，可对巷道内的高 温环境产生有利影响，因此混合通风可以通过适当 提高抽出风量来改善巷道内的高温环境。然而， 过 高的抽出风量并不能有效改善巷道内的热环境， 不 同 B 值条件下巷道内风流温度在 y0 平面上的变 化情况如图 5，不同 B 值条件下巷道内各断面上风 流温度的变化情况如图 6。 当 B2 时， 压入风管与抽出风管正负压作用下 的涡流区内的风流紊乱，使得大部分高温风流扩散 到巷道后端，在距离掘进迎头 10 m 处的断面平均 温度 27.8 ℃， 巷道内平均温度较高， 对降温过程产 生负面影响。 当 B1 时， 抽出风管对来自工作区域的污风捕 获能力较小，未能被抽风口控制的风流逃逸至抽风 口后端使巷道内平均温度增高， 压、 抽风流没有达到 较好的配合作用， 不利于通风降温。 当 B1.5 时， 抽压风流配合合理， 距离掘进迎头 115 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 7巷道断面测点布置图 Fig.7Arrangement of measuring points of tunnel cross section 1、 5、 10 m 处断面的平均温度分别为 26.4、 27.0、 27.3 ℃时达到了较好的通风降温效果。 4 数值模拟与实测验证 为了全面掌握巷道中的风流参数以及验证数值 模拟的有效性，根据断面与掘进迎头的选取了 8 个 断面， 分别距离迎头 1、 5、 10、 15、 20、 25、 30、 60 m， 每 个巷道断面设置了 4 个测量点，巷道断面测点布置 图如图 7。 待风机开启 5 min 左右， 风流场稳定后， 使用风 速计测量巷道内的风流速度，采用用干式温度计、 红外线测温仪测量巷道内空气温度。 各测点风流速度大小、方向及风流温度大小实 测数据与数值模拟对比见表 1， 表 2。 测点断面 距离迎头 距离/m 测点 A 风流速度 / （m s-1） 测点 A 风速相对 误差/ 测点 B 风流速度 / （m s-1） 测点 B 风速相对 误差/ 测点 C 风流速度 / （m s-1） 测点 C 风速相对 误差/ 测点 D 风流速度 / （m s-1） 测点 D 风速相对 误差/实测值数值模拟值实测值数值模拟值实测值 数值模拟值实测值 数值模拟值 11.561.522.560.560.583.572.642.868.330.410.3417.07 51.821.782.201.421.441.410.610.584.920.210.1719.05 101.671.828.981.171.245.980.430.3811.630.230.2013.04 200.710.7911.270.770.8611.690.500.4314.000.460.508.70 300.190.2215.790.410.422.440.320.3818.750.370.4213.51 450.160.156.250.280.2510.710.380.4210.520.180.2011.11 600.160.1412.500.120.1416.670.210.199.520.240.2112.50 表 1现场实测风流速度、 方向与数值模拟对比 Table 2Field measured wind speed, direction and numerical simulation comparison 测点断面 距离迎头 距离/m 测点 A 风流温度 /℃ 测点 A 风温相对 误差/ 测点 B 风流温度 /℃ 测点 B 风温相对 误差/ 测点 C 风流温度 /℃ 测点 C 风温相对 误差/ 测点 D 风流温度 /℃ 测点 D 风温相对 误差/实测值 数值模拟值实测值数值模拟值实测值 数值模拟值实测值数值模拟值 126.125.61.9226.226.71.9126.126.30.7726.426.81.52 526.326.01.1427.327.01.1026.926.61.1226.927.21.12 1027.326.52.9327.126.81.1126.927.21.1227.326.72.20 2028.528.21.0528.628.31.0527.927.51.4328.328.01.06 3028.129.75.6927.928.62.5128.127.32.8528.428.91.76 4529.229.51.0329.829.60.0728.729.32.1032.031.22.50 6030.530.20.9830.632.14.9030.931.72.5931.131.61.61 表 2现场实测风流速度与数值模拟对比 Table 2Comparison of field measured wind speed and numerical simulation 5结论 1） 通过改变压风管出风口与掘进巷道迎头端面 之间的距离 Lf（分别设为 2.5、 5、 7.5、 10 m） ， 对巷道 内的风流速度、温度进行数值模拟，结果显示当 Lf 设置不同值时， 工作区域形成的涡流场大小不一， 对 通风降温系统影响较大。 2） 将压入风量设为 Q300 m3/min， 通过改变抽 压风量配比 B （B 分别设为 1、 1.5、 2） 分析掘进工作 面通风系统在不同抽压风量配比工况下的通风降温 116 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 2018, 63 （4） 813-826. ［12］ 刘剑， 郭欣， 邓立军， 等.基于风量特征的矿井通风系 统阻变型单故障源诊断 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （1） 143-149. ［13］ 刘剑， 尹昌胜， 黄德， 等．矿井通风阻变型故障复合特 征无监督机器学习模型 ［J］ ．煤炭学报， 2020， 45 （9） 3157－3165． ［14］ Huang De, Liu Jian, Deng Lijun. 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