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基于 CFD 的采煤工作面通风降温的力学分析 李涛，高峰，杨玉贵，刘冠男 （中国矿业大学理学院力学与工程科学系,徐州，221008） Email lit108 摘要摘要为了深入了解高温矿井热害内在机理、局部气流与热量传递过程，设计合理的通风降 温措施，本文通过对综采面进行理论分析，建立力学模型，并使用 CFD 计算流体动力学软件 进行了数值模拟计算， 较准确的预测了井巷温度变化规律， 对实际工程实践设计与改进提供 了依据。 关键词关键词高温矿井，CFD，数值模拟 1 引言引言 随着开采深度的不断增大， 高温热害已成为影响煤炭安全、 高效生产的急待解决的又一 突出问题 [1]。据初步统计，目前国内受高温热害影响的煤矿有 130 多个，而且这个数字随着 采深的增加在迅速扩大，所以热害处理已成为一个不可回避的重要课题。 然而资料显示，有相当数量的煤矿非制冷降温措施不明显，其主要原因是通风系统设 计不尽合理、通风断面小、通风设施效率低下、通风压力偏大或通风困难；对于制冷降温措 施则出现设备利用率低，整体降温不明显、局部温差过大等问题。所以，如何进行合理的采 场和巷道布置、如何进行最优化的断面设计、如何评估通风效率及经济性的同时，保证降温 的最大化、如何进行制冷降温的布局，从而提高设备的利用率，这都需要从理论和技术上进 行分析，提出可靠的解决方案。 目前流体动力学理论和计算科学相结合 [2]，开拓了多物理场耦合分析技术新领域 （Multiphysics），使得我们可以将通风（空气动力学分析）、温度分布与局部降温（热分 析）和巷道结构（结构分析）纳入一个系统进行科学分析，揭示高温采区工作面（济宁 2 号矿井）设备、岩层、煤层、水、采空区以及空气之间的热耗散温度场和速度场分布机理， 开发高温矿井工作面局部环境控制的综合治理技术， 这对设计、 分析与评价与深部开采相适 应的矿井通风及降温技术方案、 工程措施以及实施效果具有极为重要的意义， 是未来深部资 源开采技术的一个重要的组成部分和发展方向，具有重要的科学意义和社会价值 [3]。 2.工程背景工程背景 兖矿集团济宁二号煤矿南翼第二水平布置的九采、十一采两个采区，其深度为-740m， 水平大巷距风井口 3500m，矿井最大通风流程达 12000m，目前采掘深度已到-820m。据采掘 过程的数据统计显示冬季，在-740m 水平的采煤工作面回风流温度为 29℃；夏季，采掘面 （如十一采边界巷掘进工作面）风流温度达 32℃，回风流温度超过 34℃。一般情况下， 在夏季，采煤工作面入风口温度 26℃，工作面温度达到 28～30℃，回风巷道为 30℃～31 ℃；掘进工作面局扇吸风口温度 26℃，迎头温度 27.5℃，巷道回风温度 29～32℃。 南翼二水平布置 2 个采煤工作面，其中 1 个综采放顶煤工作面，1 个综采面，另外有 6 个掘进工作面（4 个综掘，2 个普掘）。综采放顶煤回采工作面采用滚筒采煤机落煤，布 1 置设有前部和后部运输机，采煤高度 2.8m，放煤高度 1.75m，采放比为 10.63。两顺槽巷 道管 4m，高 3m，净断面积为 12m2，皮带运输机顺槽作为回风巷道，工作面电站布置在进风 轨道顺槽内，随工作面推向外整体挪移。综采放顶煤工作面产煤量大，放热量多，装机总容 量大，工作面的温度高达 30℃以上。工作面高温的形成是由于采煤机械设备、围岩壁、煤 层、地下水、采空区等热耗散的综合作用结果。通过对煤壁温度变化趋势分布、工作面温度 场分布进行数值模拟和试验研究， 通过对各种散热体的影响因素分析以及温度场分布规律的 研究，能够发现热耗散因素的综合作用特性，根据温度场分布规律，可对工作面采取更加有 效的降温措施。 3 控制方程控制方程 巷道内空气属多组分气体构成的粘性混合流体， 在不同的情况下可处于静止、 层流和紊流 运动状态，而且在围岩与风流之间进行着对流换热，所以我们假定巷道风流满足kε−湍流 模型，并在近壁采用壁面函数法 [4]。在此假设的基础上，在流动与传热问题求解中所需求 解主要变量的控制方程都可以表示成以下通用形式 divUdivgradS t φφ ρφ ρ φφ ∂ Γ ∂ 式中φ为通用变量，可以代表u，v，w，T等求解变量； φ Γ为广义扩散系数；Sφ为 广义源项。 上述微分方程具有很强的非线性特征，一般只能采用数值方法求解 [5]。在求解区域生成 网格后，利用有限体积法可将方程离散为下列形式 ppEEWWNNSSTT aaaaaaφφφφφφ BB ab φ 式中，a为离散方程的系数，φ为各网格节点的变量值，b为离散方程的源项下标P、 E、 W、N、S、T和B他别为各网格处的值，所有的动量方程、能量方程均可离散成上述形式。 根据质量守恒方程，离散后得到下列形式的压力修正方程 pWNS pEEWNSTTB a Pa Pa Pa Pa Pa Pa Pb ∗∗∗∗∗∗∗ B 式中，为压力修正方程的系数，aP∗为修正压力。 于是，用CFD方法模拟采煤工作面通风降温温度分布如下 [6] 1给所有变量赋值；2求解离散的动量方程； 3得到各坐标轴方向上的速度u，，和； v w 4用修正压力对步骤（2）中得到的速度进行修正； 5求解离散的能量方程3得到空气的焓或温度； 6判断是否收敛，如收敛，则结束；否则转步骤4； 2 4 井下围岩热交换与风流的热交换井下围岩热交换与风流的热交换 根据能量守恒原理，任一岩石中流出的热量应与风流的加热量相等 [7]，由以上计算可得 0 0 t PL UK z m cr tzgugut tttte ω λα − −− 其中 gu t为岩石原始温度；为风流在巷道起点时的干球温度； 0t t 0 , i Kf F Bα为通风 时间的影响系数；为傅立叶准数； c F i B为毕欧准数；mω为风量；为巷道长度。 z 5 综采工作面的数值模拟综采工作面的数值模拟 5.1 几何模型的建立与网格的划分5.1 几何模型的建立与网格的划分 我们取采煤机附近 40m 的空间作为计算域。工作面控顶距为 4.6m，采煤机（中间小矩 形）的尺寸为 8*1.4m。考虑到模型的几何形状比较规则，所以用结构化网格对其划分网格， 并在局部进行网格加密。 图 1 网格划分 5.2 边界条件与初始条件 5.2 边界条件与初始条件 为了计算井下围岩与风流间的传热， 我们假定 井巷是开凿在均质及各向同性的岩体里， 在井巷最初开凿时，岩温等于该处的初始岩温；经通风后，巷壁温度发生了变化，将趋于某 一稳定值上。 设工作面进风风速分别为 0.2m/s、0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、4.0m/s，所进风 的温度为 25，采用上行通风方式，采煤机为固定热源，围岩的初始温度为 32。 C o C o 5.3 数值模拟结果 5.3 数值模拟结果 5.3.1 平直巷道温度场分布规律 5.3.1 平直巷道温度场分布规律 图 2 平直巷道温度变化曲线 在平直巷道中，风量为恒定的情况下，只考虑围岩与风流之间的热交换，可以看出，巷 道中风流温度随距巷道端口距离增长呈负指数规律增大。 计算曲线与解析解基本吻合， 同时 对解析解代入上述边界条件与初始条件，得出入口与进口处的温差tΔ2.3，根据模拟结果 此时的2.4，二者相对误差为 4.35。 tΔ 3 5.3.2 增大风量对降温效果的影响 5.3.2 增大风量对降温效果的影响 a. v0.2m/s 时采场速度云图 d. v2 m/s 时采场速度云图 b. v0.2m/s 时采场压力云图 e. v2m/s 时采场压力云图 c. v0.2m/s 时采场温度云图 f. v2.0m/s 时采场温度云图 图 3 不同风速情况下采场温度、速度、压力云图 图 3 不同风速情况下采场温度、速度、压力云图 距入口处距离m 2 12 20 28 36 40 0.5m/s 25.15 25.31 26.05 26.52 26.71 27.12 1.0m/s 25.13 25.24 25.71 26.24 26.49 26.89 1.5m/s 25.13 25.20 25.59 26.06 26.31 26.71 2.0m/s 25.12 25.18 25.51 25.82 26.19 26.53 4.0m/s 25.12 25.17 25.47 25.76 26.02 26.24 表 1 距采空区 2.3m 处各点在不同速度下的温度状况 表 1 距采空区 2.3m 处各点在不同速度下的温度状况 4 图 3 给出了采场温度、速度、压力等值线分布图。可以看到，在近离送风口区，气流流 动相对较为缓和，速度变化较小，温度基本呈线性变化，增幅不是很明显，气流分布较为均 匀；然而由于采煤机固体界面作用，在其附近，风速变化大，构成风速变化剧烈区，风速由 煤壁和采煤机等固体壁面向外快速增大， 此处的温度由于风速的加大， 明显低于采煤机内侧； 同时在采煤机距入口出的压力明显大于其它各处。 表 1 给出了采场不同区域在不同风速下的温度变化。 从各点温度在不同风速下的分布规 律来看，加大工作面风量，提高风速，整个区域各点的温度呈下降趋势，同时比较图 3c、 d，可以看出工作面的温度场有明显变化；同时也可以得出当风速达到某一值时，风温不再 明显降低，例如距入口 2m 处在风速为 1.5m/s、2.0m/s、4.0m/s 时的温度值分别为 25.13、 25.12、25.12；距入口 12m 处在风速为 2.0 m/s、4.0 m/s 时的温度值分别为 25.18、25.17； 于是可以得出，在某一阀值下加大风量，可以有效的改善采场的气候，但是盲目增大风量并 不能持续降低采区温度场，仅靠增大通风风速进行降温具有相当的局限性。 5.3.3 其它因素对采场温度场的影响 5.3.3 其它因素对采场温度场的影响 图 4 v0. 2 时距采空区 2.3m 处各点的温度分布 图4给出了距采空区2.3米处各点的温度分布图， 由于计算域仅取采煤机附近40m距离， 因此在 016m 与 2440 这一范围，温度呈缓慢增加趋势，预测值和仿真结果基本吻合；当风 流到达采煤机前端时，温度急剧上升，之后保持一个相对比较稳定的温度值，由于拐角的存 在和采煤机的共同作用，在处，温度变化相对比较大，之后呈逐渐递增趋势。这说 明机械设备、断面的形状、大小对通风降温也有一定的影响。 24x 6 结论结论 1． 平直巷道中风流温度变化随巷道长度呈负指数增长，CFD 仿真分析结果与理论计算结果 一致。 2． 在一定的阀值下，加大风量可以有效改善矿井通风效果，但是超过某一限值，仅增大风 量对采区降温已没有明显影响。 3． 采场中由于机械设备的存在，风流的温度会受其影响而明显增加，同时在一些拐角处会 产生能量滞留，风压与风温异常升高，因此在降温工作中，必须合理地布置机械设备、 有效地优化巷道断面。 4． CFD 仿真技术能快速有效分析采区及巷道中风流的分布及温度的变化，这对于煤矿通风 降温方案的设计与优化具有重要的指导意义。 参考文献参考文献 [1]彭担任，程普军，回采工作面热害的防治，工业安全与防尘，1998.12,Peng Danren, Chen Pujun, Prevention and Control of Thermo-harm at Breakage Face, Industrial Safety and Dust Control ,December 1998 [2]王福军，计算流体动力学分析CFD 软件原理与应用。北京清华大学出版社，2004。 [3]贾进章，马恒，刘剑，矿井火灾时期温度分布数值模拟，辽宁辽宁工程技术大学学报， 5 2003，224JIA Jin-zhang, MA Heng, LIU Jian, Nuerical simulation for temperature distribution during mine fire 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