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第 42 卷增刊 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 42Supplement 2014 年4 月 Coal Science and TechnologyApr．2014 掘进巷道风流流场和温度场数值模拟 李勇1， 褚召祥2， 3， 姬建虎2， 3， 张习军2， 3 1. 中国矿业大学 北京资源与安全工程学院， 北京100083; 2． 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆400037; 3． 中国煤炭科工集团 重庆研究院有限公司， 重庆400037 摘要 针对长距离掘进巷道仿真模型中长度与高度、 宽度比例不协调的问题， 选取永川煤矿掘进工 作面及附近 50 m 巷道区域为研究对象， 采用 CFD 软件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， 结果表明 掘进工作面及巷道内风流速度整体上以风筒出口为界分为高速风流 区和低速风流区。高速区风流速度较大 5 ～10 m/s ， 流场结构复杂并且衰减明显; 低速区风流速度 较小 1 m/s 左右 ， 衰减变化不明显。掘进巷道及工作面温度受风筒出口风流温度影响较大， 容易产 生巷道里端冷、 外端热的风流“回头热” 现象。掘进工作面及巷道流场模拟结果与实际吻合程度较 高， 但温度场模拟结果与实际有一定的差距。 关键词 掘进工作面; 巷道; 速度; 温度; 数值模拟 中图分类号 TD714文献标志码 B 文章编号 0253 －2336 2014 S0 －0142 －04 Numerical Simulation of Airflow and Temperature Field in Excavating Ｒoadway LI Yong1， CHU Zhao- xiang2， 3， JI Jian- hu2， 3， ZHANG Xi- jun2， 3 1． School of Ｒesources ＆ Safety Engineering， China University of Mining and Technology Beijing ， Beijing100083， China; 2． National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting， Preventing and Emergency Controlling， Chongqing400037， China; 3． Chongqing Ｒesearch Institute， China Coal Technology ＆ Engineering Group， Chongqing400037， China 收稿日期 2013 －12 －19; 责任编辑 曾康生 作者简介 李勇 1990 ， 男， 山东微山人， 硕士研究生。Tel 13629792110， E － mail 190815201 qq. com 0引言 近年来， 我国煤矿开采逐渐向深部转移， 越来越 多的矿井面临着一大难题 高温热害 ［1 －5 ］。要对井 下采掘工作面的高温热害进行有效的控制和预防， 必须首先掌握采掘作业地点风流流场、 温度场的形 态， 也就是说必须弄清楚风流流场与温度场的分布 规律。这样才能够针对不同区域作业环境的热害程 度与通风风流情况提出有效的热害防治措施。显 然， 实地测定与调查可以获取这一资料。但是， 现实 情况的复杂性往往不允许进行实地的测定与调查。 而数值模拟分析作为现在的科学研究 3 大手段之 一， 可以很好的展现特定工作环境内的风流流场与 温度场状态， 一目了然， 有利于对高温热害进行有效 的预防和控制［6 ］。目前， 部分学者已经采用数值模 拟手段对高温矿井采掘工作面的风流流场和温度场 进行了模拟研究， 但大都存在着一个共同的问题， 即 由于考虑井下巷道 包括工作面 长度与高度、 宽度 的比例关系， 所以选取的物理模型一般范围较小， 以 掘进巷道及工作面为例， 大都局限于工作面附近区 域几米内的范围。比如， 文献［ 7］模拟的掘进工作 面范围为长 16 m， 宽和高均为 4 m; 文献［ 8］ 模拟的 掘进工作面范围为长 26 m， 宽为 4 m 二维 ; 文献 ［ 9］ 模拟的掘进工作面范围为长 10 m， 宽和高均为 3 m。一般情况下， 长距离掘进巷道的长度都在数百 米以上， 与断面尺寸相比比例很不协调。因此， 折中 考虑这一因素， 选取永川煤矿掘进工作面及附近 50 m 区域为研究对象， 模拟分析巷道内风流流场及降 温前后温度场的分布及变化， 结合现场实测数据进 行分析， 为降温措施的实施和优化提供参考依据。 1基本原理 矿井井下风流的流动是一种非常复杂的流体力 学问题， 但是仍需要遵循 3 个基本守恒定律 即质量 守恒定律、 动量守恒定律与能量守恒定律。在流体 力学中具体体现为连续性方程、 动量方程 N － S 方 241 DOI10.13199/ki.cst.2014.s1.046 李勇等 掘进巷道风流流场和温度场数值模拟2014 年增刊 程 和能量方程。尽管这些方程中因变量各不相 同， 均可反映了单位时间单位体积内物理量的守恒 性质。其通用形式如下  ρφ /t div ρuφ div Γgrad φ S 1 式中 ρ 为气体密度; φ 为通变量， 可以代表速度矢 量在 X、 Y、 Z 方向上的分量 u、 v、 w， 温度 t 等求解变 量; Γ 为广义扩散系数; S 为广义源项。 另外一个方面， 井下风流绝大部分处于湍流状 态。因此， 在模拟实际过程中就必须选取相应的湍 流计算模型， 并进行简化处理。目前工程上主要用 于模拟分析湍流模型有单方程模型、 标准 k － ε 模 型、 修正 k － ε 模型、 Ｒeynolds 应力模型及大涡模拟 等 ［10 ］。笔者选取的是双方程模型 标准 k － ε 模 型 。 2几何模型建立及网格划分 为了研究矿井高温掘进工作面降温前后风流流 场与温度场分布规律， 以永川煤矿采取降温措施的 延深工程主南配风巷掘进工作面为原型进行仿真分 析。为了使巷道长度与断面尺寸比例协调并且为日 后长距离掘进巷道模拟分析打基础， 因此， 选取掘进 工作面及附近 50 m 区域， 建立三维几何仿真模型， 巷道具体尺寸如图 1 所示。 图 1模拟巷道尺寸 该模拟巷道配风量为 240 m3/min， 配备直径 600 mm 的风筒， 风筒出风口至掘进工作面距离为 5 m。模拟区域采用非结构化四面体作为基本控制 体， 共划分网格 391 958 个。 3边界条件设定 在模拟计算过程中设置边界条件如下 ①入口 边界 速度进口， 根据工作面风量 240 m3/min 和风 筒直径 600 mm 可以确定风速 14 m/s ， 并给定不 同风流温度初始值 采取降温措施后温度为 28 ℃ 和未采取降温措施时温度为 34 ℃ 。另外， 根据风 流初始参数计算湍流参数 巷道风流雷诺数 Ｒe 较 大， 按湍流处理 ， 主要包括湍动能 k 和湍动耗散率 ε; ②出口边界为压力出口， 使用压力出口边界条 件， 出口表压力为 0; ③掘进工作面围岩为固定壁 面 ， 用于限定流体模拟区域， 设置壁面热力参数， 壁面温度设置为313 K 40 ℃围岩原始岩温及放炮、 机电设备等综合影响 ， 计算对流换热系数约为 20 W/ m2℃ ， 其余为默认值; ④巷道围岩为固定壁 面， 用于限定流体模拟区域， 设置壁面热力参数， 壁 面温度设置为 310 K 围岩原始岩温 37 ℃ ， 计算对 流换热系数约为 15 W/ m2℃ ， 其余为默认值。 选用标准 k － ε 双方程湍流模型， SIMPLE 算法 计算。为了更好的得到收敛结果， 将能量方程改为 二阶离散， 并降低能量松弛因子， 具体计算过程通过 CFD 模拟软件 Fluent 实现。 4数值模拟及结果分析 4. 1风流流场模拟分析 掘进巷道及工作面风流流场基本不受风流温度 影响， 降温前后风流流场变化不大。因此， 选取降温 后 即工作面风筒出口风流温度为 28 ℃ 掘进工作 面风流流场模拟结果进行分析， 得到了掘进工作面 附近 50 m 范围内速度矢量分布如图 2 所示。 图 2模拟区域风流速度矢量 沿巷道长度方向选取若干个断面， 即可以分析 巷道沿长度方向上自掘进工作面至风筒出口、 甚至 局部通风机处相当长一段距离内风流流场的变化。 由于选取的模型只有 50 m， 因此在 X 方向选取了 7 个断面， 如图 3 所示。 图 3X 10、 20、 30、 40、 45、 47、 49 m 时巷道断面速度分布云图 掘进工作面风流速度可以分为 2 个大的区域， 以风筒出口为界 X 45 m ， 风筒出口至掘进工作 面为风流高速区， 风筒出口至回流方向为风流低速 341 2014 年增刊煤 炭 科 学 技 术 第 42 卷 区。在高速区 X 45、 47、 49 m ， 风流最高速度可 以达到 14 m/s 风筒出口处风速 ， 靠近围岩壁附近 区域风速较巷道中部区域风速大， 但整体速度基本 都大于 1. 0 m/s。在低速区 X 10、 20、 30 m ， 巷道 内风速分布趋势基本相同， 巷道中部区域较围岩壁 附近风速大， 但整体速度基本都在 1. 0 m/s 以下 多 数在 0. 5 m/s 左右， 对应风量 240 m3/min 左右 。 风流高速区基本对应掘进工作面射流的进风流区， 低速区基本对应射流的回风流区。 此外， 掘进巷道风流速度场分布受风筒影响也 较大。由于风筒位置较高， 风流速度衰减程度随距 离风筒位置的远近而不同， 离风筒位置越近， 风流初 始速度越大， 衰减程度越明显。 4. 2风流温度场模拟分析 针对该掘进工作面分别进行降温措施前 风筒 出口风流温度 28 ℃ 后 风筒出口风流温度 34 ℃ 的温度场模拟， 得到了巷道整体温度分布如图 4 所 示。 图 4降温前后掘进工作面附近区域整体温度对比 同样， 沿巷道长度方向 X 方向选取 7 个断面， 可以分析沿长度方向上降温前后掘进巷道及工作面 温度分布和变化趋势， 如图 5 所示。 X 10、 20、 30、 40、 45、 47、 49 m 图 5降温前后沿 X 方向不同断面温度分布 取 Z 1. 4 m， Y 2 m， X∈ 0， 50 直线为 line － 1 巷道中心线 ; Z 0. 7 m， Y 2 m， X∈ 0， 50 直 线为 line －2 靠近风筒侧 ; Z 2. 1 m， Y 2 m， X∈ 0， 50 直线为 line －3， 可以得到降温前后风流温度 沿直线分布， 如图 6 所示。 未采取降温措施前 风筒出风口风流温度 34 ℃ 巷道整体温度较高， 风筒出口至掘进工作面区 域风速较大， 排热效果较好。温度略低， 但仍然在 图 6降温前后温度沿直线分布 34 ℃ 之上。随着污风的排出， 热交换的不断加剧， 风流温度不断升高。在 X 方向上 即掘进方向 风 流出现 “回头热” 现象。在 Z 方向上 巷道宽度方 向 ， 风流沿直线温度变化较小， 在 1 ℃ 之内波动， 可以判断， 同一断面内， 不同位置风流温度变化很 小， 在 1 ℃甚至更小的范围 0. 5 ℃ 内波动。 采取降温措施后 风筒出风口风流温度 28 ℃ ， 按照模型中所设置的边界条件 风量、 风温 ， 掘进工作面大部分区域都能够将温度控制在 28 ℃ 之内。巷道整体温度较低， 掘进工作面附近大部分 区域温度在28 ℃附近。随着污风的排出， 热交换的 不断加剧， 风流温度不断升高， 在 50 m 范围内但仍 能控制在 29 ℃。在 Z 方向上 巷道宽度方向 ， 风 流沿直线温度变化较小， 在 29 ℃ 附近， 1 ℃ 之内波 动。从各个巷道断面的温度分布可以看出， 由于围 岩原始温度较高， 在其附近存在较强的对流换热， 导 致围岩壁附近的温度较高， 巷道中部区域温度相对 较低， 但是这种差别不是很大。 4. 3模拟结果分析 总体分析， 掘进工作面风流速度以风筒出口为 界整体上分为 2 个部分 高速风流区和低速风流区。 由于工作面风筒截面积较小， 所以风筒出口风流速 度较高， 导致高速风流区速度普遍较大， 并且衰减明 显; 而低速风流区由于通风断面的扩大， 其值一般都 在 1 m/s 以下， 衰减变化不明显。在巷道掘进工作 面风筒出口至掘进工作面附近， 这一区域风流速度 较大 5 ～ 10 m/s ， 并且遇到掘进工作面的阻碍作 用， 容易产生涡流， 风流流场结构复杂。 在模型设置参数下采取降温措施后温度基本能 够控制在 28 ～ 29 ℃ 降温前为 34 ～ 35 ℃ 。工作 面环境温度和风筒出口风流温度有较大的关系。由 于围岩原始岩温较高、 风筒位置因素等， 导致风筒所 441 李勇等 掘进巷道风流流场和温度场数值模拟2014 年增刊 在附近区域以及进风流区温度较低， 其他靠近围岩 壁处以及部分回流区温度稍高， 风流在沿巷道排出 过程中温度不断升高。 5模拟结果与实测结果的误差分析 为了验证模拟结果的准确性， 以选取的永川煤 矿延深工程主南煤巷为研究对象， 在采取降温措施 后实地测量掘进工作面附近区域的风流速度与温度 分布， 将测量结果与模拟仿真结果进行比较， 以确定 结果的准确性。 5. 1测试方案确定 掘进工作面风流流场是典型的受限空间附壁射 流流场， 存在着射流区， 涡流区以及回流区［9 ］， 布置 相关测点测定速度、 温度等参数可以对掘进工作面 风流速度场、 温度场的分布有一个更深层次的把握。 因此， 首先选取若干断面， 在每个断面上参考爆破炮 眼布置测点， 测点布置如图 7 所示。 1中心点; 25辅助点; 610周边点 图 7测点布置 5. 2数据记录与分析 现场实地测量过程中遇到很多困难， 导致数据 难以准确测定或者根本就无法获得， 如掘进工作面 由于放炮、 扒矸以及人员工作来回走动的影响可能 导致断面非常小， 与仿真模型差距较大。由于数据 的不足， 这里选取距掘进工作面 30 m 处的 S6断面 此断面较规整， 影响相对较小 所测数据 表 1 为 例进行分析。 1 速度分析。总体分析， S6断面风速模拟结果 与实测结果在总体分布趋势上是一致的 图 8 ， 巷 道中部速度较大， 靠近围岩壁附近风速较小。模拟 结果风速最大值达到 0. 8 m/s， 实测结果最大值仅 0. 6 m/s， 差距较大。在 7 测点由于模型设置没有空 隙， 作为障碍物其附近风速为 0， 实测值为 0. 273 m/s。 在现场实测过程中发现， 此处巷道断面略大， 支护不规则对此有较大影响。 表 1掘进巷道风流热力参数测定结果 测点 类型 测点 风速/ ms －1 干温/℃ 降温前降温后 湿温/℃ 降温前降温后 中心点10. 59734. 027. 932. 523. 1 辅助点 2 3 4 5 0. 540 0. 525 0. 530 0. 545 34. 5 34. 8 35. 2 35. 0 28. 0 28. 1 28. 2 28. 0 32. 6 32. 8 32. 4 32. 5 23. 2 22. 8 23. 0 22. 9 周边点 6 7 8 9 10 0. 278 0. 273 0. 264 0. 283 0. 283 34. 3 35. 0 35. 6 35. 5 35. 6 28. 0 28. 2 28. 4 27. 8 28. 2 32. 2 33. 0 32. 8 32. 5 32. 8 23. 3 23. 0 23. 2 23. 3 23. 9 注 巷道平均风速 0. 53 m/s; 风量 254 m3/min。 图 8S6断面风速模拟与实测数据比较 2 温度分析。Fluent 模拟结果对温度的显示仅 精确到 1℃， 因此在 1 ～5 测点、 10 测点处温度模拟 结果均处在 28 ～29 ℃， 这里取中间值 28. 5 ℃。靠 近围岩壁附近由于围岩原始温度较高， 模拟结果显 示近似等于围岩原始温度， 但实测表明， 这一区域与 围岩温度并没有太大关系。模拟结果与实测结果差 距较大 图 9 。因此， 需要改进数值计算模型， 考虑 近壁面区域的有关参数， 使其与实际测定结果有更 好的吻合。 图 9降温后 S6断面温度模拟与实测数据比较 6结论 1 掘进工作面及巷道内风流速度整体上以风 筒出口为界分为两个部分 高速风流区和低速风流 区。风筒出口至掘进工作面为高速风流区， 这一区 域风流速度较大 5 ～ 10 m/s ， 风流流场结构复杂 并且衰减明显。而低速风流区， 风速较小 1 m/s 左 右 ， 变化不明显。 下转第 148 页 541 2014 年增刊煤 炭 科 学 技 术 第 42 卷 钻孔后， 距排放孔 0. 65 m 的 2 号孔的瓦斯涌出量有 一定程度的增加， 由排放前的 0. 42 L/min 上升到 0. 84 L/min， 平均增加了 2 倍左右， 而 1 号孔的瓦斯 涌出量虽然有所增加， 但增加的幅度很小， 只有一次 超过 10， 由此可以认为， 潘三矿 B11煤层 91 mm 排放钻孔的有效影响半径大于 0. 65 m， 而小于 0. 85 m， 为了安全， 暂取潘三矿 B11煤层 91 mm 排放钻孔 的有效排放半径为 0. 65 m。③8 煤层， 当 12 00 开 始施工排放钻孔后， 距排放钻孔 0. 5 m 的 1 号孔的 瓦斯涌出量有一定程度的增加， 由 0. 2 L/min 上升 到 0. 4 L/min， 增加了 2 倍， 而 2、 3 号流量孔的瓦斯 涌出量几乎没有变化， 本次测定表明， 潘三矿 8 煤层 91 mm 排放钻孔的有效排放半径大于 0. 5 m， 小于 0. 6 m， 为了安全， 取 0. 5 m。 4结论 1 掘进工作面前方煤体由于受采掘活动影响， 在4 ～5 m 内的煤层透气性增加， 钻孔瓦斯涌出初速 度及钻孔排放半径增大， 钻孔瓦斯涌出初速度极值 点一般情况下出现在孔深 3. 5 ～6. 5 m 内; 当孔深大 于该范围时， 钻孔瓦斯涌出初速度基本稳定， 可视为 原始煤体区煤层瓦斯钻孔的自然排放。因此， 煤巷 掘进采用超前排放瓦斯钻孔时， 对低透气性煤层应 采取措施扩大超前卸压影响范围， 提高瓦斯排放效 果， 提高煤巷掘进速度。 2 实测淮南潘三矿 C13煤层 91 mm 排放钻孔 的有效影响半径 0. 7 ～0. 9 m， 排放钻孔设计时钻孔 间距不应大于 1. 5 m; 潘三矿 8 煤层 91 mm 排放钻 孔的有效影响半径 0. 5 m， 排放钻孔设计时钻孔间 距不应大于 1. 0 m; 潘三矿 B11煤层 91 mm 排放钻 孔的有效影响半径 0. 65 m， 排放钻孔设计时钻孔间 距不应大于 1. 3 m。 3 潘三矿 C13煤层钻孔瓦斯流量衰减系数 0. 185 d －1， 对直径为 91 mm 的排放钻孔， 其极限排 放瓦斯时间只有 16 d; B11煤层钻孔瓦斯流量衰减系 数 0. 213 d －1， 对直径为 91 mm 的排放钻孔， 其极限 排放瓦斯时间只有 14 d; 8 煤层钻孔瓦斯流量衰减 系数0. 192 d －1， 其极限排放瓦斯时间只有15 d。其 后再延长排放时间意义不大。 参考文献 ［ 1］徐三民． 确定瓦斯有效抽放半径的方法探讨［J］． 煤炭工程师， 1996 3 43 －45． ［ 2］卢平， 李平， 周德永， 等． 石门揭煤防突抽放瓦斯钻孔合理 布置参数的研究［J］． 煤炭学报， 2002， 27 3 242 －248． ［ 3］国家安全生产监督管理总局． 防治煤与瓦斯突出规定［M］． 北 京 煤炭工业出版社， 2009． ［ 4］齐黎明， 陈学习， 程五一， 等． 新型煤层瓦斯含量准确测定方法 研究［J］． 采矿与安全工程学报， 2010， 27 1 111 －115． ［ 5］于不凡． 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册［M］． 北京 煤炭 工业出版社， 2005 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 223 －224． 上接第 145 页 2 掘进巷道及工作面温度受风筒出口风流温 度影响较大。不论是否采取降温措施， 均会产生巷 道里端冷、 外端热的风流“回头热” 现象， 只不过程 度不同。 3 现场实测结果表明， 掘进工作面及巷道流场 模拟结果与实际吻合程度较高， 但温度场模拟结果 与实际却有一定的差距存在。一方面是受数学模型 本身的误差导致， 另外一个方面是由于某些特殊地 点由于现场施工条件的差异较大导致测量结果不准 确所致。但是， 巷道主体的大部分区域数值模拟结 果与现场实测结果误差在 1 ℃以内。 参考文献 ［ 1］褚召祥， 张习军， 姬建虎， 等． 我国煤矿高温热害及防治技术研 究现状［C］/ / 第三届全国煤矿机械安全装备技术发展高层论 坛暨新产品经验交流会论文集． 徐州 中国矿业大学出版社， 2012 261 －265． ［ 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］黄华良． 永川煤矿高温热害防治技术研究与实践［J］． 煤炭科 学技术， 2012， 40 5 42 －45． ［ 4］吴建亭， 陈星明， 夏紧． 移动制冷机在深井降温中的研究与 应用［J］． 煤炭科学技术， 2010， 38 10 86 －88． ［ 5］何满潮， 徐敏． HEMS 深井降温系统研发及热害控制对策 ［J］． 岩石力学与工程学报， 2008， 27 7 1353 －1361． ［ 6］褚召祥． 矿井降温系统优选决策与集中式冷水降温技术工艺 研究［D］． 山东科技大学， 2011 37 －59． ［ 7］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． ［ 8］孙勇， 王伟． 基于 Fluent 的掘进工作面通风热环境数值模 拟［J］． 煤炭科学技术， 2012， 40 7 31 －34． ［ 9］王海桥， 施式亮， 刘荣华， 等． 独头巷道附壁射流通风流场数值 模拟研究［J］． 煤炭学报， 2004， 29 4 425 －428． ［ 10］王福军． 计算流体动力学分析CFD 软件原理与应用［M］． 北京 清华大学出版社， 2004 7 －13． ［ 11］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． 841