掘进工作面换热模拟研究.pdf

DOI 10． 13347/j． cnki． mkaq． 2015． 03． 066 掘进工作面换热模拟研究 姬建虎1， 2 1． 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037; 2． 中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037 摘要 根据掘进工作面通风和换热特点， 以掘进工作面冲击射流换热系数的影响因素关联式为 基础， 采用 ANSYS 软件， 对特定巷道 中煤科工集团重庆研究院粉尘通风防灭火试验巷道， D 已 确定 不同风流雷诺数 Ｒe、 风筒直径 d、 风筒出口距迎头断面的距离 H 以及边界围岩处于恒壁温 条件下等 840 种组合情况进行了模拟。得出了掘进工作面冲击射流换热系数影响因素关联式的 具体形式， 其相关系数 Ｒ2为 0． 937， 可为矿井降温中围岩热源散热量的计算提供理论基础。 关键词 矿井热害; 掘进工作面; 换热系数; 数值模拟; 回归分析 中图分类号 TD727 ． 2文献标志码 A文章编号 1003 －496X 2015 03 －0229 －05 Simulation Study on Heat Transfer of Heading Face JI Jianhu1， 2 1． National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting，Preventing and Emergency Controlling，Chongqing 400037， China; 2． China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Ｒesearch Institute，Chongqing 400037，China AbstractAccording to the ventilation and heat transfer characteristics of heading face，based on the influence factors correlation for heat transfer coefficient of impinging jet in heading face． The ANSYS software is used to simulate 840 combinations for the specific road- way the roadway for ventilation and fire prevention test of China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Ｒesearch Institu- te， D has been determined ， the combinations includes different Ｒeynolds number Ｒe， air duct diameter d， the distance H between the air duct outlet and head － on， the surrounding rock under the constant temperature condition． The specific is obtained that the influ- ence factors correlations for heat transfer coefficient of impinging jet in heading face， the correlation coefficients Ｒ2is 0． 937，which can provide the theoretical basis for calculating the heat dissipating capacity of the surrounding rock in mine cooling． Key wordsmine heat harm;heading face;heat transfer coefficient;numerical simulation;regression analysis 基金项目 “十二五” 国家科技支撑计划资助项目 2012BAK04B02 ; 中国煤炭科工集团创新基金重点资助项目 2011ZD001 ; 重庆市科 技人才培养计划项目 cstc2013kjrc － qnrc0119 随着浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭， 地下 开采的深度越来越大 ［1 ］， 矿井进入深部开采后， 普 遍面临着高温热害的问题［2 －3 ］。为解决矿井高温热 害问题， 首先需要计算井下各种热源 如围岩散热、 机电设备散热、 空气压缩热、 氧化散热等 的散热 量， 根据散热量进而确定主要需冷地点 采掘工作 面 所需降温冷负荷， 才能为矿井降温系统及方案 的选择提供决策依据 ［4 ］， 热害矿井的主要热源中围 岩散热计算最为复杂 ［5 ］， 其关键在于围岩和风流之 间的换热系数难以确定， 尤其是掘进工作面围岩和 风流的换热系数。掘进面的通风方式主要压入式、 抽出式和压抽混合式， 其中压入式通风属于末端封 闭有限空间的贴壁射流 ［6 ］， 国内外相关学者对此进 行了研究， 高建良 ［7 －8 ］通过实测数据分析了掘进巷 道围岩的温度分布和变化; G．Danko［9 ］则利用 CLIMSIM、 MULTIFLUX 软件对矿井巷道壁面的传 热、 传质现象进行了数值模拟， 并对结果进行了对比 分析; Malcolm［10 ］通过传热学理论分析给出了风流 和围岩之间对流换热系数计算式; I． S． Lowndes［11 ］ 等对风流与围岩之间对流换热系数及换热特性进行 了模拟实验; 王海桥 ［12 ］对掘进工作面流场进行了研 究; 张艳丽 ［13 ］对掘进工作面的换热系数计算方法进 行了研究。 上述可以看出国内外学者对掘进工作面通风换 热进行了研究， 但没有给出适用于掘进工作面的换 热系数关联式， 因此有必要进一步研究。主要针对 掘进工作面压入式通风条件下风流对掘进面换热特 性进行研究， 并得出平均换热系数的关联式的具体 形式。 922 第 46 卷第 3 期 2015 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol． 46No． 3 Mar． 2015 1掘进工作面换热特性 1． 1换热特点 根据掘进工作面压入式通风方式的特点， 如图 1， 可将风流和掘进工作面的换热看作风流和掘进面 迎头、 围岩之间的换热， 这里将采迎头和围岩看作一 个整体， 通过模拟得出该情况下的换热系数具体关 联式。 图 1掘进工作面流场示意图 1． 2换热系数关联式 掘进工作面风流和围岩之间的换热主要为对流 换热， 对换热系数 h 有影响的主要因素有流体流速 u、 流体密度 ρ、 流体动力黏度 η、 流体的导热系数 λ、 比定压热容 Cp、 巷道断面特征直径 D、 风筒直径 d、 风筒出口距掘进工作面迎头的距离 H， 即 h f u， d， λ， η， ρ， Cp， H， D 。上述共有 9 个物理量， 由 4 个基本量的量纲 分别为时间 T、 长度 L、 质量 M、 温 度 Θ 组成， 根据 π 定律， 可以组成 5 个无量纲量， 分 别如下 ［14 ］ π1 hd λ Nu 努塞尔数 π2 ρdu/η Ｒe 雷诺数 π3 ηc p λ Pr 普朗特数 π4 H d π5 D d 因为 Pr为空气的普朗特常数， 且矿井风流皆为 空气这一种流体， 因此上式可整理为［14 ］ Nu f D d ， Ｒe， H d 1 2模拟参数 要进一步确定式 1 具体的函数关系式需采用 数值模拟、 实验研究等方法， 根据我国煤矿实际情 况， 确定不同的 Ｒe、 H/d 和 D/d， 然后再进行掘进工 作面换热特性的研究。 2． 1D/d 的确定 为确定 D/d 的取值范围， 首先确定巷道断面特 征直径 D 为 3． 36 m［14 ］， 由常用矿用风筒直径 d 分 别为 0． 4、 0． 5、 0． 6、 0． 7、 0． 8、 1、 1． 2 m 7 种 ［15 ］， D/d 对应的数值见表 1。 表 1不同 d 时对应 D/d d/m0．40．50． 60． 70．811．2 D/d8．46．725．604． 84．203．362．8 2． 2Ｒe 的确定 我国高温热害矿井一般掘进工作面的通风量不 超过 800 m3/min， 结合实际情况， 在模拟中分别对 100、 150、 200、 250、 300、 350、 400、 450、 500、 600、 700、 800 m3/min 12 种情况进行模拟。根据 12 种不同的 风量， 7 种不同的风筒对应的 Ｒe 数和风速见表 2。 表 2不同情况下对应的 Ｒe 数和风速 Ｒe 风速 / ms －1 d 0． 4 d 0．5 d 0． 6 d 0． 7 d 0．8d 1d 1．2 235 8438．857．085．905．064． 433．542． 95 353 76413．2810．628．857． 596．645． 314．43 471 68617．7014．1611．8010．118． 857．085． 90 589 20722．1117．6914．7412．6311．068．847． 37 707 12926．5421．2317．6915．1613．2710．618．85 825 05030．9624．7720．6417．6915．4812．3810． 32 942 97135．3928．3123．5920．2217．6914．1511． 80 1 06039．8131． 8526．5422．7519．9115．9213．27 893 1 17844．2435． 3929．4925．2822．1217．6914．75 814 1 414 8553．0842．4635．3930．3326．5421．2317． 69 1 65061．9249． 5441．2835．3930．9624．7720．64 233 1 88570．7756． 6247．1840．4435．3928．3123．59 980 2． 3H/d 的确定 掘进工作面压入式通风系统中， 风筒出口至掘 进工作面迎头之间的距离一般不超过 10 m， 模拟主 要考虑距离分别为 1、 2、 3 ～10 m 等 10 种情况， 风筒 直径为 7 种情况， H/d 对应的数值见表 3。 根据上述情况， 风筒出口至掘进工作面迎头之 间的距离一般不超过 10 m， 模拟主要考虑距离分别 为 1、 2、 3 ～ 10 m 等 10 种情况， 风筒直径为 7 种情 032 第 46 卷第 3 期 2015 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol． 46No． 3 Mar． 2015 况， H/Ｒe 有 12 种情况， 上述合计共有 840 种情况需 模拟。 表 3不同 H 和 d 时对应 H/d H /m H/d d 0．4 d 0．5 d 0．6d 0． 7d 0． 8d 1d 1． 2 12．502． 001． 671．431．251．000． 83 25．004． 003． 332．862．502．001． 67 37．506． 005． 004．293．753．002． 50 410． 008． 006． 675．715．004．003． 33 512． 5010．008． 337．146．255．004． 17 615． 0012．0010．008． 577．506．005． 00 717． 5014．0011．6710．008． 757． 005．83 820． 0016．0013．3311．4310．008． 006．67 922． 5018．0015．0012．8611．259． 007．50 1025． 0020．0016．6714．2912．5010．008．33 3模拟模型 模拟模型的大小与实物模型按 1∶ 1进行， 实物 模型为中煤科工集团重庆研究院粉尘通风防灭火试 验巷道。模拟同时结合了掘进面压入式通风的实际 情况。 模拟采用 ANSYS 中 Fluent 软件， 以 D/d 5． 6、 Ｒe 353 749、 H/d 1． 67 时三维模型作为例子， 压 力速度耦合采用 SIMPLE 算法， 湍流模型为 Ｒealiza- ble k － ε 模型， 风筒进口风温度 26 ℃， 掘进面迎头 和围岩侧帮为恒壁温40 ℃的边界条件， 风筒为绝热 条件， 模拟物理模型如图 2。 图 2模拟物理模型示意图 模型网格划分采用软件中自动化分法， 即 Mesh Automatic Patch Coning/Sweeping ， 该 方法可对边界层识别， 并对网格进行膨胀细化， 其网 格为四面体， 统计显示网格质量 Mesh Metrics 的单 元畸变度 Skewness 平均值为 0． 219， 小于 0． 25， 属 于 “Excellent” 范围， 另外在网格的边界层进行了网 格加密处理， 对纵向、 横向剖面图观察， 如图 3。 为了进行网格无关性分析， 以 D/d 5． 6、 Ｒe 353 749、 H/d 3． 33 时为例， 结合表 1 ～ 表 3 中相关 图 3网格划分 数据， 建立了 4 种不同的网格， 边界条件与图 2 一 致， 以风流出口的平均值作为监测值， 并以网格最大 数的计算结果为基准得出相对误差， 结果见表 4。 由表 4 可知， 网格数为 461 061、 292 896 时所得结果 已非常接近， 综合考虑， 选用 292 896 为计算网格。 表 4网格无关性结果 网格 总数 出口温度 /℃ 相对误差 / 461 06127．873 8－ 292 89627．679 70．7 164 99027．541 41．2 108 66727．208 32．4 为检验模拟结果的准确性， 结合表 1 ～ 表 3 数 据， 以 D/d 5． 6、 H/d 3． 33、 Ｒe 353 749、 471 686 及 589 207 为例和实验数据进行了对比分析， 如图 4， 模拟和实验结果接近， 最大误差不超过 10， 因 此认为计算结果是可靠的。 图 4计算结果检验 4结果分析 4． 1模拟结果分析 1 Nu 与 Ｒe 关系。经数据分析， 不同 D/d 条件 下， Nu 与 Ｒe 关系具有相同的变化趋势， 限于篇幅， 取 D/d 5． 6 时的 Nu － Ｒe 图以说明关系， 如图 5。 可以看出 Nu 随着 Ｒe 的增大而增大， 且随 H/d 的增 加而减小。Ｒe 增加， 则风速风量加大， 换热加强， 故 132 第 46 卷第 3 期 2015 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol． 46No． 3 Mar． 2015 Nu 变大; H/d 增加， 风流出口距掘进面距离相对变 大， 风流发散， 换热减弱， 故 Nu 变小。 图 5 Nu 与 Ｒe 的关系 2 Nu 与 H/d 关系。限于篇幅， 取 D/d 5． 6 时 的 Nu － H/d 图以说明关系， 如图 6。可以看出 Nu 随着 H/d 的增大而减小， 且随 Ｒe 的增加而增加。 H/d 增加， 风流出口掘进面距离相对变远， 未形成有 效冲击射流， 换热作用减弱。同等条件下， Ｒe 越大， 则风速风量加大， 换热作用越强， 故 Nu 变大。 图 6 Nu 与 H/d 的关系 3 相同 Ｒe 时 Nu 与 H/d 关系。数据分析结果 表明， 不同 Ｒe 条件下， Nu － H/d 图具有相同的趋 势， 在此仅取 Ｒe 为235 452 时的 Nu － H/d 关系图予 以说明， 如图7。可以看出 Nu 随着 H/d 的增大而减 小， 而随 D/d 的增加而减小。D/d 增加， 在 D 不变 的条件下， 风筒直径变小， 风筒射出的风流对掘进面 迎头的冲击面较小， 故得出的平均 Nu 数较小。总 体来说， D/d 对 Nu 影响不大， 随着 H/d 的增加， 对 Nu 影响更小， 当 H/d ＞10 时， D/d 的影响可忽略。 4． 2回归分析 在实验和模拟结果分析中， 对 Nu 的影响关系 进行了分析， 实验和模拟结果具有较高的吻合度。 为实践应用， 拟合出具体的函数关系式则更为方便。 在对流传热的研究中， 以已定准则的幂函数形式整 理实验数据的实用方法取得了很大的成功［16 ］， 则式 1 可整理为如式 2 图 7 Nu 与 H/d 的关系 Nu MＲea H d bD d c 2 式中 M、 a、 b、 c 为待定系数。 式 2 2 边取对数， 得 lgNu lgM algＲe blg H d clg D d 3 对模拟数据， 采用 SPSS 软件进行回归分析得出 待定系数， 整理后得出具体函数关系如式 4 所示。 Nu 0． 297 9Ｒe0． 795 H d －0． 510D d －0． 910 4 其回归判定系数 Ｒ2为 0． 937。 实验及模拟验证范围 235 843≤Ｒe≤1 885 980， 0． 83≤H/d≤25， 2． 8 ≤D/d≤8． 4。 5结论 1 掘进工作面 Nu 的主要影响因素是 Ｒe、 H/d、 和 D/d， 结合工程实践中常见参数， 采用 ANSYS 数 值模拟的方法对影响关系进行了研究。 2 根据 ANSYS 数值模拟结果， 对数据进行了回 归分析， 得出了煤矿掘进面压入式通风条件下换热 关系式， 如式 4 ， 判定系数 Ｒ2为 0． 937。 3 对煤矿掘进压入式通风情况进行了研究， 下 一步应结合抽出式、 混合式通风及相关参数之间的 具体关系式， 并扩大巷道断面特征直径 D 的模拟和 实验范围， 得出普遍适应的关系式， 文章中涉及的结 论模拟研究验证范围为 235 843≤Ｒe≤1 885 980， 0． 83≤H/d≤25， 2． 8≤D/d≤8． 4。 参考文献 ［ 1］ 谢和平， 周宏伟， 薛东杰， 等． 煤炭深部开采与极限开 采深度的研究与思考［J］ ． 煤炭学报， 2012 4 535 － 542． ［ 2］ 何国家， 阮国强， 杨壮． 赵楼煤矿高温热害防治研究与 实践［ J］ ． 煤炭学报， 2011， 36 1 101 －104． ［ 3］ He Manchao． Application of HEMS cooling technology in 232 第 46 卷第 3 期 2015 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol． 46No． 3 Mar． 2015 deep mine heat hazard control ［J］ ． Mining Science and Technology， 2009， 19 3 269 －275． ［ 4］ 苗素军， 辛嵩， 彭蓬， 等． 矿井降温系统优选决策理论 研究与应用［ J］ ． 煤炭学报， 2010， 35 4 613 －618． ［ 5］ 姬建虎． 热害矿井围岩散热研究［ C］/ /第五届全国煤 矿工业生产一线青年技术创新文集． 北京 煤炭工业 出版社， 2010 544． ［ 6］ 张国枢， 谭允祯， 陈开岩， 等． 通风安全学［M］ ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2000 111， 118 －120． ［ 7］ 高建良， 何权富， 张学博． 矿井巷道对流换热系数的现 场测定［ J］ ． 中国安全科学学报， 2010， 20 2 100． ［ 8］高建良， 魏平儒． 掘进巷道风流热环境的数值模拟 ［ J］ ． 煤炭学报， 2006， 31 2 201 －205． ［ 9］ G． Danko，D． Bahrami． Application of MULTIFLUX for air，heat and moisture flow simulations［C］/ /Wallace ed ． 12th U． S． /North American Mine Ventilation Sym- posium 2008． NevadaNevada University Press，2008 267 －274． ［ 10］ Malcolm J． McPherson． Subsurface ventilation and envi- ronmental engineering ［M］ ． New York Chapman ＆ Hall， 1993 15． ［ 11］ I． S． Lowndes，A． J． Crossley，Z． Y． Yang． The venti- lation and climate modelling of rapid development tunnel drivages［ J］ ． Tunnelling and Underground Space Tech- nology， 2004 19 139 －150． ［ 12］ 王海桥． 掘进工作面射流通风流场研究［J］ ． 煤炭学 报， 1999， 24 5 498 －501． ［ 13］ 张艳利． 局部通风掘进工作面换热系数计算方法研 究［ D］ ． 焦作 河南理工大学， 2010 7 －9． ［ 14］ 姬建虎， 廖强， 胡千庭， 等． 掘进工作面冲击射流换热 特性［ J］ ． 煤炭学报， 2013， 38 4 554 －559． ［ 15］ MT164 －2007 煤矿用涂覆布正压风筒［ S］ ． ［ 16］ 王海桥． 掘进工作面射流通风流场研究［J］ ． 煤炭学 报， 1999， 24 5 498 －501． 作者简介 姬建虎 1978 － ， 男， 山西晋城人， 副研究 员， 博士， 主要从事矿井降温、 热动和能源综合利用的研究。 收稿日期 2014 －11 －10; 责任编辑 王福厚 檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹 上接第 228 页 1 预测预报是依据。通过人工检测、 安全监 测、 束管监测、 人工采样及红外线测温等多种检测手 段， 实现自然发火的早期预测预报， 为后续防灭火措 施的开展提供科学依据。 2 系统稳定是基础。加强通风系统管理， 确保 工作面在初采初放、 正常回采及收尾回撤期间通风 系统稳定可靠。 3 快收快闭是关键。强化生产组织管理， 保证 工作面安全快速回收， 将重点回收工程控制在安全 防灭火周期以内。 4 多措并举是保障。根据预测预报结果有针 对性的， 科学合理的采取灌浆、 注胶、 注 液 氮、 堵 漏等多种综合防灭火措施， 达到横纵立体、 全面覆盖 的防灭火效果。 参考文献 ［ 1］ 尤文顺． 神华高产高效矿井防灭火关键技术研究及应 用［ J］ ． 神华科技， 2009 4 ． ［ 2］ 王淼坤． 大采高特厚易燃煤层综放开采防灭火关键技 术实践［ J］ ． 煤矿现代化， 2014 4 ． ［ 3］ 王东， 刘文永． 高瓦斯大采高工作面采空区煤自燃防 治技术研究［ J］ ． 陕西煤炭， 2014 5 ． ［ 4］ 娄金福． 高瓦斯易自燃厚煤层大采高综采工艺试验研 究［ J］ ． 煤炭科学技术， 2014 5 ． ［ 5］ 邓军， 王凯， 翟小伟， 等． 大倾角大采高综采工作面火 灾治理与防复燃技术［ J］ ． 煤矿安全， 2014 1 ． ［ 6］ 邓军， 刘文永， 王金平， 等． 大采高综采工作面撤架期 间采空区浮煤自燃防治技术研究［J］ ． 矿业安全与环 保， 2011 3 ． 作者简介 尤文顺 1964 － ， 黑龙江鸡西人， 高级工程 师， 研究生学历， 从事煤矿开采及 “一通三防” 方面的研究管 理工作。 收稿日期 2014 －11 －10; 责任编辑 王福厚 332 第 46 卷第 3 期 2015 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol． 46No． 3 Mar． 2015