氣流組織對掘進(jìn)巷道隔熱分流排熱降溫效果的影響研究

繆一明

（上海理工大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，上海200093）

0 引言

隨著礦井開采深度的增加，地溫不斷升高，高溫礦井的熱害越來越嚴(yán)重，解決高溫礦井的熱害問題迫在眉睫?？v觀國內(nèi)外的礦井降溫技術(shù)，總體上可分為非人工降溫和人工制冷降溫［1－4］。其中非人工降溫主要有通風(fēng)降溫［5－7］、控制熱源法降溫、充填采礦法降溫及預(yù)冷進(jìn)風(fēng)風(fēng)流［8］。人工降溫法主要有人工制冷水降溫技術(shù)、人工制冰降溫技術(shù)［9］和空氣壓縮式制冷技術(shù)。但是人工制冷降溫效率低，耗能大。后來，張習(xí)軍等［10］提出機(jī)械制冷降溫技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)的降溫方法進(jìn)行綜合降溫。何滿潮等［11］提出利用礦井涌水作為冷源的HEMS深井降溫技術(shù)。在能源緊缺的當(dāng)今社會(huì)，發(fā)展非人工降溫方法非常重要?；诖?，鄒聲華等［12］針對以井巷圍巖放熱為主的高溫礦井，提出了一種非人工降溫技術(shù)——掘進(jìn)工作面隔熱分流排熱降溫技術(shù)。本文擬對此進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

掘進(jìn)工作面隔熱分流排熱降溫技術(shù)主要在離巷道周壁一定距離設(shè)置一道由導(dǎo)熱系數(shù)小于0.05 W／m·K的絕熱材料制作的密閉性較好的隔熱板，將壓入式局扇送進(jìn)的風(fēng)流一分為二。隔熱板以內(nèi)的空間為主流道，其中的風(fēng)流為主導(dǎo)風(fēng)流，它決定巷道的溫濕環(huán)境；隔熱板與巷道圍巖組成的環(huán)狀通道是副流道，其中的風(fēng)流為排熱風(fēng)流，主要排放掘進(jìn)工作面的部分有害氣塵和熱濕以及巷道圍巖的散熱散濕。為了組織好工作面的氣流和提高副流道的排放能力，位于工作面隔熱板端頭連接有可調(diào)節(jié)角度的導(dǎo)流板。此隔熱板在巷道周邊也形成了一種多組分、非勻質(zhì)的復(fù)合傳熱結(jié)構(gòu)（巷道圍巖、隔熱板及其之間的空氣層），它增大了巷道周壁的傳熱熱阻，減少了巷道圍巖向巷道空間的導(dǎo)熱量；還隔斷了巷道圍巖周圍空氣與巷道空間空氣的對流傳熱和濕交換，阻止了巷道圍巖與巷道中的人體、設(shè)備、設(shè)施之間的輻射傳熱等。相比其他降溫方法，該法構(gòu)造簡單，維護(hù)方便，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，降溫效果明顯。

其物理模型如圖1所示。

圖1 巷道隔熱分流物理模型

1 氣流組織數(shù)值模擬

在掘進(jìn)工作面隔熱分流排熱降溫技術(shù)中，影響降溫效果的因素很多。本文采用Fluent軟件，基于特定模型，主要對送風(fēng)速度、隔熱板與巷道圍巖壁的距離及導(dǎo)流板的角度等對巷道的降溫效果進(jìn)行了模擬分析。

1.1 數(shù)學(xué)模型

掘進(jìn)巷道中風(fēng)流流動(dòng)的物理?xiàng)l件較為復(fù)雜，影響因素較多，為方便研究，作如下假設(shè)：

（1）巷道內(nèi)風(fēng)流為不可壓縮流體，忽略由流體黏性力做功引起的耗散熱；

（2）不計(jì)水蒸氣蒸發(fā)和瓦斯解吸，將固體和氣體的物理特性參數(shù)視為常數(shù)；

（3）流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流，流體的紊流黏性具有各向同性，紊流黏性系數(shù)νt作為標(biāo)量處理；

（4）壁面密閉好，不漏風(fēng)，且氣流的各組分之間沒有化學(xué)反應(yīng)；

（5）只考慮由圍巖散熱引起的巷道內(nèi)空氣溫度升高，不考慮掘進(jìn)設(shè)備及其他熱源的影響。

氣流在掘進(jìn)巷道的流動(dòng)遵守質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。傳熱湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε雙方程模型，其控制方程組包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、k方程、ε方程。這些方程可表示為如下通用形式［13］：

式中，u、v、w 為速度分量；φ為通用變量，可以代表u、v、w、T 等求解變量；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為通用方程的源項(xiàng)。

1.2 幾何模型

巷道為直墻半圓拱形，在離巷道周壁一定距離設(shè)置一道密閉性較好的隔熱板，為了模擬方便，對模型進(jìn)行了一定簡化，并基于Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。巷道斷面寬度為3 m，高為2.8 m（墻高 1.3 m、拱高 1.5 m），長為 25 m。隔熱 板 長16.5 m，端頭離掘進(jìn)工作面3.5 m。風(fēng)筒直徑為0.3 m，送風(fēng)口距離工作面6 m。隔熱板與巷道周壁間距分別設(shè)為0.2 m、0.25 m、0.3 m，送風(fēng)速度在1～5 m／s范圍內(nèi)改變。導(dǎo)流板的尺寸為0.6 m×2 m、角度分別設(shè)為15°、30°、45°、60°、75°。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在下游風(fēng)流的隔熱板端頭處，該處離掘進(jìn)工作面20 m，離出口5 m，其三維簡化模型如圖2所示。

1.3 數(shù)值模擬參數(shù)及邊界條件的設(shè)置

圖2 巷道三維簡化模型

采用Fluent軟件對掘進(jìn)巷道風(fēng)流溫度進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，計(jì)算模型設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)k－ε雙方程模型；材料屬性參數(shù)設(shè)定中空氣的密度設(shè)為1.225 kg／m3、黏性系數(shù)為1.79×10－5Pa·s；操作條件參數(shù)中操作壓力設(shè)置為1.01×105Pa；以風(fēng)筒送風(fēng)口為速度入口邊界，送風(fēng)溫度T＝293 K，根據(jù)該巷道模型的尺寸大小，選取5 m／s范圍內(nèi)的速度進(jìn)行了研究。以巷道自由斷面為壓力出口邊界，邊界條件為p＝pout，沒有相對壓力。圍巖等壁面設(shè)定為無滑移、恒壁溫邊界條件，巷道圍巖溫度為313 K，掘進(jìn)工作面設(shè)定為314 K，巷道底板為299 K。隔熱板與主流道、副流道交界面為流固耦合傳熱邊界，選定耦合（coupled）條件，墻體厚度為0.01 m，導(dǎo)熱系數(shù)為0.047 W／m·K。求解器參數(shù)中壓力速度耦合方式設(shè)置為SI MPLE，壓力離散方式設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)格式，離散格式設(shè)置為一階迎風(fēng)格式。

水力直徑按下面公式計(jì)算：

式中，A為風(fēng)流斷面面積（m2）；S為流體與固體接觸周長（m）。

湍流強(qiáng)度計(jì)算公式［13］：

式中，u′為湍流脈動(dòng)速度（m／s）；u為平均速度（m／s）；ReH為按水力直徑D計(jì)算的雷諾數(shù)，Re＝，其中ν為空氣運(yùn)動(dòng)學(xué)HH黏度，為14.8×10－6m2／s。

2 掘進(jìn)巷道氣流組織對巷道降溫效果影響的數(shù)值模擬分析

2.1 送風(fēng)速度對巷道降溫效果的影響

根據(jù)模型的尺寸及風(fēng)筒離掘進(jìn)工作面的距離，取風(fēng)筒的送風(fēng)速度為1～5 m／s。并取定隔熱板與巷道圍巖壁的距離為0.25 m，導(dǎo)流板的角度為45°。模擬得到主流道風(fēng)流溫度分布線圖（圖3）。

圖3 不同送風(fēng)速度下主流道風(fēng)流溫度分布線圖

從圖中可以看出，隨著送風(fēng)風(fēng)流和掘進(jìn)巷道內(nèi)工作面及高溫圍巖附近的空氣不斷進(jìn)行換熱，主流道風(fēng)流溫度從掘進(jìn)工作面到巷道自由斷面基本成遞增趨勢。當(dāng)送風(fēng)速度為1 m／s時(shí)，工作面附近空氣溫度接近25℃，主流道溫度最高達(dá)到29.7℃；增加速度至2 m／s時(shí)，工作面附近溫度下降了約1℃，主流區(qū)最高溫度下降了2.2℃；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到3 m／s時(shí)，主流區(qū)最高溫度下降了1.2℃；再繼續(xù)增加風(fēng)速，降溫的幅度減少。因而，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)綜合降溫能力和經(jīng)濟(jì)因素，選擇合適的送風(fēng)速度。

2.2 隔熱板與巷道圍巖壁的距離對巷道降溫效果的影響

取送風(fēng)速度為3 m／s，導(dǎo)流板角度為45°，改變隔熱板與巷道圍巖壁的距離，分別設(shè)為0.2 m、0.25 m、0.3 m。模擬后得到其主流道溫度分布線圖（圖4）。

圖4 隔熱板與巷道圍巖壁不同距離下主流道風(fēng)流溫度分布線圖

從圖中可以看出，當(dāng)隔熱板與巷道圍巖壁的距離為0.2 m時(shí)，主流道溫度和掘進(jìn)工作面附近溫度是最低的。隨著隔熱板與巷道圍巖壁距離的增加，主流道的分風(fēng)量減少，主流道溫度和掘進(jìn)工作面附近溫度都增加。當(dāng)B＝0.25 m時(shí)，掘進(jìn)工作面附近溫度增加了1℃，主流道溫度最高增加達(dá)3℃。而當(dāng)B＝0.3 m時(shí)，掘進(jìn)工作面附近溫度增加了0.5℃，主流道溫度最高增加了1.6℃。因而，在滿足施工安裝要求的情況下，應(yīng)盡量減少隔熱板與巷道圍巖壁的距離。但在隔熱板出口處，B＝0.3 m時(shí)的溫度要低于B＝0.25 m時(shí)的溫度，且都在沒有隔熱板保護(hù)的區(qū)域發(fā)生了較大的溫度波動(dòng)。這主要是由于B＝0.25 m、0.3 m時(shí)，副流道的分風(fēng)量增加，在導(dǎo)流板的沖擊作用下，產(chǎn)生高速氣流，使來自副流道的一部分未與高溫圍巖充分換熱的氣流在隔熱板末端處與主流道的風(fēng)流進(jìn)行了換熱，從而使該處的溫度有所下降。

2.3 導(dǎo)流板角度對巷道降溫效果的影響

當(dāng)送風(fēng)速度為3 m／s，隔熱板與巷道圍巖壁的距離為0.2 m時(shí)，改變導(dǎo)流板的角度，分別設(shè)為15°、30°、45°、60°、75°，其主流道溫度分布線圖如圖5所示。

在掘進(jìn)巷道中，送風(fēng)風(fēng)流和掘進(jìn)工作面處的風(fēng)流進(jìn)行了強(qiáng)烈的換熱，撞擊工作面產(chǎn)生一次回風(fēng)風(fēng)流。而一次回風(fēng)風(fēng)流在導(dǎo)流板的沖擊作用下，又產(chǎn)生二次回流，其中一部分風(fēng)重新進(jìn)入巷道端頭區(qū)域，使該處溫度進(jìn)一步降低，另一部分通過副流道與高溫圍巖進(jìn)行換熱，還有一部分和未與導(dǎo)流板發(fā)生撞擊的風(fēng)流混合進(jìn)入主流道，維持主流道的溫濕度環(huán)境。當(dāng)a＝15°時(shí)，在導(dǎo)流板的作用下，主流道分風(fēng)量小且風(fēng)速較小，從而使主流道溫度分布不均勻且有較大的波動(dòng)。隨著導(dǎo)流板角度的增加，主流道溫度分布有所改善，溫度分布較均勻。但當(dāng)導(dǎo)流板角度大于45°時(shí)，溫度分布又出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，在掘進(jìn)工作面處溫度也有所升高，其中a＝60°時(shí)效果最差。

圖5 導(dǎo)流板不同角度下主流道風(fēng)流溫度分布線圖

2.4 掘進(jìn)巷道內(nèi)風(fēng)流溫度及速度分布規(guī)律

圖6 和圖7分別為送風(fēng)速度為3 m／s，隔熱板與巷道圍巖壁的距離為0.2 m及導(dǎo)流板角度為45°時(shí)溫度和速度分布的等值線圖。從圖6可以看出，送風(fēng)風(fēng)流與掘進(jìn)工作面進(jìn)行了強(qiáng)烈的熱交換，使掘進(jìn)工作面附近溫度在23℃以下?；仫L(fēng)風(fēng)流在隔熱板的作用下，一分為二。主流道和副流道內(nèi)的溫度沿風(fēng)流流動(dòng)方向均不斷升高，且副流道回風(fēng)風(fēng)流溫度高于主流道風(fēng)流溫度，副流道風(fēng)流溫度增加梯度高于主流道風(fēng)流溫度增加梯度。由于導(dǎo)流板的遮擋作用，在導(dǎo)流板的背流區(qū)產(chǎn)生了風(fēng)流渦漩區(qū)，該處的溫度相對于周圍的空氣偏高?？傮w上來看，隔熱板的隔熱降溫作用取得了較好的效果。從圖7可以看出，巷道內(nèi)的風(fēng)速除了在送風(fēng)風(fēng)口處有較大的速度梯度外，其他區(qū)域速度較低，且分布比較均勻。

圖6 掘進(jìn)巷道內(nèi)風(fēng)流溫度分布等值線圖

圖7 掘進(jìn)巷道內(nèi)風(fēng)流速度分布等值線圖

3 結(jié)論

（1）掘進(jìn)巷道中設(shè)置的隔熱板，減少了巷道圍巖向巷道空間的導(dǎo)熱量，并隔斷了巷道圍巖周圍空氣與巷道空間空氣的熱濕交換和巷道圍巖與巷道中的人體、設(shè)備、設(shè)施之間的輻射傳熱等，取得了較好的隔熱降溫效果。

（2）本文采用FLUENT軟件，主要模擬了送風(fēng)速度的大小、隔熱板與巷道圍巖壁的距離及導(dǎo)流板的角度對巷道降溫效果的影響。結(jié)果表明：隨著送風(fēng)速度增加，巷道內(nèi)的溫度逐漸降低，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，繼續(xù)增加風(fēng)速，降溫效果不明顯。因而，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)綜合降溫能力和經(jīng)濟(jì)因素，選擇合適的送風(fēng)速度；隔熱板與巷道圍巖壁的距離會(huì)影響巷道的氣流組織，進(jìn)而影響降溫效果，在滿足施工安裝要求的前提下，應(yīng)盡量減少隔熱板與巷道圍巖壁的距離；隨著導(dǎo)流板角度的增加，氣流組織效果先變好再變差，其中在導(dǎo)流板角度為30°～45°之間時(shí)取得的效果最好。

（3）除了以上分析的因素外，風(fēng)管及隔熱板端頭離掘進(jìn)工作面的距離、隔熱板的長度及隔熱板的材料等都會(huì)對巷道的氣流組織產(chǎn)生影響。本文只是對特定的一個(gè)模型進(jìn)行了定性分析，有一定的局限性。因此，對于具體設(shè)計(jì)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮各因素的綜合影響，從而得到最佳的隔熱板分流降溫的設(shè)計(jì)方案。

［1］瓦斯通風(fēng)防滅火安全研究所.礦井降溫技術(shù)的50年歷程［J］.煤礦安全，2003（S1）：28～32

［2］劉何清，吳超，王衛(wèi)軍，等.礦井降溫技術(shù)研究評述［J］.金屬礦山，2005（6）：43～46

［3］劉曉鑫，胡漢華.我國深部礦井熱害治理設(shè)想和展望［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2011（1）：84～87

［4］文永勝.礦井通風(fēng)技術(shù)的新發(fā)展［J］.世界有色金屬，2008（12）：32～34

［5］樊滿華.深井開采通風(fēng)技術(shù)［J］.黃金科學(xué)技術(shù)，2001（6）：36～42

［6］Su S，Chen H，Teakle P，et al.Characteristics of coal mine ventilation air flows［J］.Jour nal of Enviro n mental Management，2008，86（1）：44～62

［7］Parra M T，Villafr uela J M，Castr o F.Nu merical and experimental anal ysis of diff erent ventilation systems in deep mines［J］.Building and Envir o nment，2006，41（2）：87～93

［8］黃穎華，沈斐敏.高溫礦井降溫技術(shù)研究動(dòng)態(tài)［J］.安全技術(shù)，2006（21）：30～31

［9］Sheer T J，Butter worth m D，Ramsden R.Ice as a coolant for deep mines［A］.Proceedings of the 7thInter national Mine Ventilation Congress［C］，2001

［10］張習(xí)軍，王長元，姬建虎.礦井熱害治理技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀［J］.煤礦安全，2009（3）：33～37

［11］何滿潮，徐敏.HEMS深井降溫系統(tǒng)研發(fā)及熱害控制對策［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008（7）：1 353～1 361

［12］鄒聲華，張登春，寧齊元，等.掘進(jìn)巷道隔熱分流排熱降溫系統(tǒng)：中國，ZL201220361251.9［P］.2012－07－25

［13］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004