高溫掘進(jìn)巷道溫度場(chǎng)影響因素分析研究

劉桂平

（中國(guó)平煤神馬集團(tuán)技術(shù)中心，河南省平頂山市，467000）

高溫掘進(jìn)巷道溫度場(chǎng)影響因素分析研究

劉桂平

（中國(guó)平煤神馬集團(tuán)技術(shù)中心，河南省平頂山市，467000）

針對(duì)高溫掘進(jìn)巷道，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究其溫度場(chǎng)分布。建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)定巷道壁面溫度沿長(zhǎng)度方向變化，得出降溫前后巷道溫度分布變化云圖，與井下實(shí)測(cè)溫度值進(jìn)行比對(duì)。具體分析了風(fēng)流溫度、風(fēng)量以及風(fēng)筒位置對(duì)巷道溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，降低巷道入風(fēng)溫度，巷道內(nèi)溫度明顯降低，但會(huì)造成冷量分布不均，擴(kuò)大巷道內(nèi)部風(fēng)流溫差；增大風(fēng)量可以擴(kuò)大巷道內(nèi)低溫區(qū)域，但對(duì)巷道內(nèi)溫度的降低作用不大；調(diào)節(jié)風(fēng)筒離工作面距離可以改善巷道內(nèi)溫度分布，降低巷道內(nèi)風(fēng)流溫差。

礦井降溫 掘進(jìn)巷道 數(shù)值模擬 風(fēng)流溫度 風(fēng)量 風(fēng)筒位置 優(yōu)化運(yùn)行

礦井降溫是高投入、高能耗的復(fù)雜系統(tǒng)工程。分析高溫巷道溫度場(chǎng)影響因素，進(jìn)行降溫優(yōu)化等方面的研究具有重要意義。掘進(jìn)巷道受圍巖散熱、機(jī)電設(shè)備散熱等因素的影響，容易出現(xiàn)高溫?zé)岷?wèn)題，相比于其他熱源，圍巖散熱具有持續(xù)性和散熱量大的特點(diǎn)。由于掘進(jìn)巷道不斷向前開(kāi)拓，受通風(fēng)影響，靠近工作面壁面溫度接近原巖溫度，遠(yuǎn)離工作面壁面溫度有所降低。前人對(duì)掘進(jìn)巷道熱環(huán)境進(jìn)行過(guò)相關(guān)模擬研究，但在建立模型時(shí)往往將巷道壁面溫度設(shè)定為某一定值，與實(shí)際不符。

1　數(shù)值計(jì)算模型

1.1數(shù)學(xué)假設(shè)

掘進(jìn)巷道采用壓入式通風(fēng)方式，對(duì)巷道內(nèi)氣流進(jìn)行如下假設(shè):

（1）氣流視為不可壓縮氣體，忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱，不計(jì)水分蒸發(fā)；

（2）流動(dòng)的紊流黏性具有各向同性，紊流黏性系數(shù)為標(biāo)量；

（3）流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流，滿足Boussinesq假設(shè)；

（4）氣流的各組分之間沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)；

（5）氣流在掘進(jìn)巷道內(nèi)的流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律以及能量守恒定律。

質(zhì)量守恒定律為單位時(shí)間內(nèi)流體微元中質(zhì)量的增加與同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量相等。根據(jù)該定律，可以得出質(zhì)量守恒方程:

式中:ρ——?dú)怏w密度；

t——時(shí)間；

ui——坐標(biāo)系中i方向上的速度；

xi——坐標(biāo)系中i方向上的空間位置；

Sm——加入到連續(xù)相的質(zhì)量或其他自定義源項(xiàng)。

在慣性坐標(biāo)系中i方向上的動(dòng)量守恒方程為:

式中:xj——坐標(biāo)系中j方向上的空間位置；

uj——坐標(biāo)系中j方向上的速度；

p——靜壓；

τij——應(yīng)力張量；

gi——坐標(biāo)系中i方向上的重力；

Fi——坐標(biāo)系中i方向上的外部體積力。能量守恒方程為:

式中:T——溫度；

u——速度矢量；

h——流體的傳熱系數(shù)；

Cp——比熱容；

ST——其他體積熱源。

1.2物理模型建立

根據(jù)某礦一掘進(jìn)巷道實(shí)際尺寸，使用ANSYS14.5軟件ICEM CFD模塊建立幾何模型，見(jiàn)圖1。巷道斷面為三心拱，拱高1.15 m，巷道寬3.45 m，巷道高3.12 m。掘進(jìn)巷道長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)千米，距離工作面較遠(yuǎn)巷道熱環(huán)境的研究意義不大，模型為靠近工作面巷道，長(zhǎng)度20 m。風(fēng)筒位于巷道右側(cè)，風(fēng)筒直徑800 mm，風(fēng)筒圓心離地面1.53 m，風(fēng)筒出口離工作面10 m。

圖1　幾何模型

1.3初始條件

模擬計(jì)算使用ANSYS14.5軟件中FLUENT模塊。設(shè)定壁面巖石密度5111 kg/m3、比熱728.19 J/kg·℃、導(dǎo)熱系數(shù)3.93 W/m·℃。設(shè)置工作面壁面溫度為45℃，其余壁面溫度隨z方向位置發(fā)生變化，z從10 m到20 m壁面溫度從28℃到45℃線性增加，z從0 m到10 m壁面溫度28℃。入口定義為速度入口，入口風(fēng)速15 m/s，湍流強(qiáng)度2.91%，水力直徑0.8 m。降溫前入口風(fēng)溫28℃，降溫后入口風(fēng)溫20℃。出口定義為壓力出口。

2　數(shù)值模擬結(jié)果與分析

數(shù)值計(jì)算收斂后，可以獲得巷道內(nèi)任意位置的溫度參數(shù)，選取有代表性的線、面將其結(jié)果導(dǎo)入TECPLOT軟件進(jìn)行后處理。

2.1數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)值比較

為了降低其他因素對(duì)結(jié)果的影響，選擇掘進(jìn)機(jī)停止工作且無(wú)灑水等干擾因素時(shí)進(jìn)行實(shí)測(cè)。測(cè)量選擇巷道中間部位，具有代表性，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo):x=1.725 m，y=1.53 m，z=｛0 m，1 m，……，20 m｝，共21個(gè)測(cè)點(diǎn)。將不同位置上21個(gè)點(diǎn)的溫度實(shí)測(cè)值繪制成曲線，模擬值為對(duì)應(yīng)位置上連續(xù)變化的曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，實(shí)測(cè)值和模擬值溫度最高點(diǎn)均出現(xiàn)在巷道中間某處，而并非巷道內(nèi)部或巷道最外側(cè)，這種現(xiàn)象被稱為回頭熱。這是因?yàn)轱L(fēng)流回流過(guò)程中不斷吸熱，溫度不斷升高，而后由于巷道外側(cè)壁面溫度較低，風(fēng)流溫度停止升高并有所降低。

另外，實(shí)測(cè)值與模擬值略有不同，主要原因是受到熱水放熱、礦物氧化、濕交換以及工作面附近物體干擾氣流流動(dòng)等因素的影響。但巷道主要熱源為圍巖散熱，且模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本相同，溫度差在0.5℃以內(nèi)，證明本文所使用模擬方法具有可信性。

圖2　巷道中心實(shí)測(cè)與模擬溫度值

2.2降溫前后巷道溫度分布

為了查看巷道溫度分布，取z為19.9 m、15 m、10 m、5 m、0.1 m 5個(gè)截面，入口風(fēng)溫28℃（降溫前）及20℃（降溫后）對(duì)應(yīng)溫度分布如圖3所示。

圖3　降溫前、后巷道溫度分布圖

從圖3（a）可以看出，僅風(fēng)筒出口處溫度在28℃，整個(gè)巷道內(nèi)大部分區(qū)域溫度在30℃以上，工作面風(fēng)筒對(duì)側(cè)溫度較高，達(dá)到33℃，風(fēng)流最低處與最高處溫差5℃。采取制冷降溫措施降低送風(fēng)溫度，如圖3（b），巷道大部分區(qū)域溫度降低到26℃以下，但仍有高溫區(qū)域，風(fēng)筒對(duì)側(cè)溫度明顯高于風(fēng)筒一側(cè)，冷量分布不均勻，最低處溫度20℃，最高處溫度27℃，溫差7℃。

為進(jìn)一步觀察巷道內(nèi)溫度分布，取y=1.53 m，x=0.45 m、1.725 m 3個(gè)截面，降溫前、后溫度分布如圖4所示。

圖4　降溫前、后巷道截面溫度分布圖

圖4中，y=1.53 m截面溫度分布代表風(fēng)筒橫向截面，可以直觀地看出風(fēng)流從風(fēng)筒流出前后在巷道內(nèi)的溫度變化，風(fēng)流在風(fēng)筒內(nèi)流動(dòng)溫度有所上升，但不明顯，而風(fēng)流從風(fēng)筒流出后溫度不斷上升。降溫前入風(fēng)溫度28℃，工作面風(fēng)溫30℃左右；降溫后入風(fēng)溫度20℃，工作面風(fēng)溫24℃左右?？梢钥闯鼋禍睾笙锏纼?nèi)風(fēng)流溫度明顯降低，降溫效果顯著。

圖4中，x=0.45 m截面代表風(fēng)筒豎向截面，x=1.725 m截面代表巷道中間豎向截面。可以看出，降溫前x=0.45 m截面風(fēng)筒出口至工作面風(fēng)流溫度在29℃左右，而x=1.725 m截面溫度已升高至30℃左右。降溫后，x=0.45 m截面風(fēng)筒出口至工作面溫度在20～23℃，溫度偏低且風(fēng)速大，會(huì)使工人感覺(jué)偏冷；而x=1.725 m截面低溫區(qū)域已明顯減小，結(jié)合圖3（b）可以看出，沿x方向繼續(xù)遠(yuǎn)離風(fēng)筒，溫度繼續(xù)上升，達(dá)到27℃。

3　影響因素研究

高溫掘進(jìn)巷道溫度場(chǎng)受眾多因素影響，其中易于改變并具有代表性的影響因素主要有入風(fēng)溫度、風(fēng)量以及風(fēng)筒位置等。為進(jìn)一步降低巷道內(nèi)風(fēng)流溫度，優(yōu)化降溫效果，并觀察各影響因素對(duì)掘進(jìn)巷道溫度場(chǎng)的影響，筆者進(jìn)行了以下3種影響因素的模擬:

（1）保持風(fēng)量不變，降低入風(fēng)溫度；

（2）保持入風(fēng)溫度不變，增加風(fēng)量，即增大風(fēng)速；

（3）其他均保持不變，改變風(fēng)筒出口離工作面距離。

3.1入風(fēng)溫度

為研究入風(fēng)溫度對(duì)巷道內(nèi)部熱環(huán)境的影響，將入風(fēng)溫度分別降低為18℃、16℃進(jìn)行模擬計(jì)算。巷道y=1.53 m截面以及中間線｛x=1.725 m，y=1.53 m，z∈（0 m，20 m）｝更易于直觀查看巷道溫度變化。入風(fēng)溫度20℃、18℃、16℃三組工況對(duì)應(yīng)y=1.53m截面溫度如圖5所示，三組工況對(duì)應(yīng)中間線溫度值如圖6所示。

圖5　y=1.53 m截面不同入風(fēng)溫度溫度分布

圖6　不同入風(fēng)溫度巷道中間溫度值

由圖5可以看出，隨著入風(fēng)溫度的降低，巷道溫度明顯降低。由圖6可以看出，入風(fēng)溫度越低風(fēng)流溫差越大，入風(fēng)溫度20℃時(shí)，巷道中間線溫差1.7℃；入風(fēng)溫度16℃時(shí)，巷道中間線溫差2.8℃。

降低入風(fēng)溫度是有效的降溫手段，但會(huì)造成冷量分布不均勻，溫差大。

3.2風(fēng)量

為研究風(fēng)量對(duì)巷道內(nèi)部熱環(huán)境的影響，保持風(fēng)筒直徑不變，將入風(fēng)速度分別提高至17 m/s、20 m/s進(jìn)行模擬計(jì)算。入風(fēng)速度15 m/s、17 m/s、20 m/s三組工況對(duì)應(yīng)y=1.53 m截面溫度情況如圖7所示，三組工況對(duì)應(yīng)中間線｛x=1.725 m，y=1.53 m，z∈（0 m，20 m）｝溫度值如圖8所示。

圖7　y=1.53 m截面不同入風(fēng)速度溫度分布

圖8　不同入風(fēng)速度巷道中間溫度值

由圖7可以看出，入風(fēng)速度提高，巷道低溫區(qū)域增加。由圖8可以看出，入風(fēng)速度提高為20 m/s，巷道內(nèi)風(fēng)流溫度降低幅度小于0.5℃，增大風(fēng)量對(duì)巷道熱環(huán)境具有積極影響，但要獲得理想的效果需要極大的增加風(fēng)量，在實(shí)際降溫工程中難以具備這樣的條件。

3.3風(fēng)筒位置

為研究風(fēng)筒位置對(duì)巷道內(nèi)部熱環(huán)境的影響，將風(fēng)筒出口距工作面的距離分別改為8 m、12 m進(jìn)行模擬計(jì)算。風(fēng)筒出口距離工作面10 m、8 m、12 m三組工況對(duì)應(yīng)y=1.53 m截面溫度如圖9所示，三組工況對(duì)應(yīng)中間線｛x=1.725 m，y=1.53 m，z∈（0 m，20 m）｝溫度值如圖10所示。

圖9　y=1.53 m截面不同風(fēng)筒出口距離工作面溫度分布

圖10　不同風(fēng)筒出口距離工作面巷道中間溫度值

由圖9可以看出，風(fēng)筒出口距離工作面縮短為8 m時(shí)，巷道低溫區(qū)域減少，工作面溫度降低0.3℃；風(fēng)筒出口距離工作面增加為12 m時(shí)，巷道低溫區(qū)域增大，工作面溫度增加0.4℃。由圖10可以看出，風(fēng)筒出口距離工作面越近，工作面溫度越低，相反出口處溫度越高。

風(fēng)筒出口距離工作面12 m時(shí)巷道溫差最小，風(fēng)筒出口距離工作面8 m時(shí)巷道溫差最大，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)適當(dāng)改變風(fēng)筒位置可以優(yōu)化巷道溫度分布。在實(shí)際降溫工程中可以通過(guò)尋找合適的風(fēng)筒位置以優(yōu)化巷道風(fēng)流溫度場(chǎng)。

4　結(jié)論

（1）掘進(jìn)巷道采用壓入式通風(fēng)方式時(shí)，巷道內(nèi)溫度分布受風(fēng)流影響較大，內(nèi)部風(fēng)流存在兩個(gè)高溫區(qū)域:工作面風(fēng)筒對(duì)側(cè)，該區(qū)域風(fēng)速小，風(fēng)流擾動(dòng)小，風(fēng)溫較高；巷道風(fēng)流回流區(qū)，巷道內(nèi)部壁面溫度較高，風(fēng)流在流動(dòng)過(guò)程中從內(nèi)部吸取一定熱量，并在回流過(guò)程中不斷吸熱，巷道風(fēng)流回流區(qū)風(fēng)溫較高。

（2）采用制冷降溫措施降低入風(fēng)溫度是解決巷道內(nèi)部高溫?zé)岷Φ挠行Т胧?。降低巷道入風(fēng)溫度后，巷道內(nèi)部風(fēng)流溫度均有所降低，受壓入式通風(fēng)降溫方式的限制，巷道內(nèi)部冷量分布不均勻，風(fēng)流溫差大。

（3）入風(fēng)溫度、風(fēng)量以及風(fēng)筒位置均對(duì)巷道內(nèi)部溫度場(chǎng)產(chǎn)生一定影響。隨著入風(fēng)溫度的降低，巷道內(nèi)部溫度不斷降低，溫差不斷加大；隨著巷道風(fēng)量的增加，巷道內(nèi)部低溫區(qū)域不斷擴(kuò)大，溫度降低不明顯；適當(dāng)?shù)娘L(fēng)筒位置可以改善巷道內(nèi)冷量分布，降低巷道內(nèi)風(fēng)流溫差。

（4）為進(jìn)一步研究巷道內(nèi)熱環(huán)境，可考慮濕交換、掘進(jìn)機(jī)散熱以及工作面附近物體的影響等因素。對(duì)掘進(jìn)巷道熱環(huán)境優(yōu)化的研究應(yīng)致力于改進(jìn)降溫方式，使得冷量均勻分布。

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（責(zé)任編輯 張艷華）

Analysis study of influence factor of temperature field of excavation roadway with high temperature

Liu Guiping
（The Technology Center of China Pingmei Shenma Group，Pingdingshan，Henan 467000，China）

The temperature field distribution of excavation roadway with high temperature was studied by the numerical simulation method.The cloud charts of temperature distribution of roadway coal pillar along the excavation way before and after temperature cooling were obtained by establishing the mathematical models，and then the calculation temperature distribution was compared with the field measured temperature distribution，the effect of airflow temperature，air quantity，air duct location on temperature field of roadway was analyzed.The results show that lowering the roadway entrance air temperature，resulting in a significant drop of temperature in the roadway，but with an uneven distribution of cold air and the expanded temperature variations of the internal airflow in the roadway；increasing the airflow quantity can expand the low temperature regions，but can't lower the temperature in the roadway；regulating the distance of air duct from the working face can improve the temperature distribution and reduce the airflow temperature difference in the roadway.

mine cooling，excavation roadway，numerical simulation，airflow temperature，airflow quantity，air duct location，optimized operation

TD727.2

A

劉桂平（1960-），男，河南人，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事煤礦井下礦井降溫技術(shù)研究與應(yīng)用工作，主持完成國(guó)內(nèi)首次熱電低溫乙二醇制冷降溫系統(tǒng)實(shí)施與推廣工作。