煤礦井下巷道全斷面風(fēng)速場(chǎng)分布規(guī)律

王 航

(陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719316)

0 引言

礦井通風(fēng)安全是煤礦安全的核心和基礎(chǔ)，是煤礦生產(chǎn)的生命保障系統(tǒng)，但煤礦一般都存在通風(fēng)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性低、關(guān)鍵用風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量管控效率低等問題。為了保證礦井通風(fēng)安全的可靠性和有效性，提高礦井通風(fēng)自動(dòng)化、信息化和智能化的水平，適應(yīng)新時(shí)代智能化礦山建設(shè)發(fā)展的需求，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及風(fēng)量最優(yōu)調(diào)控方案決策。不同巷道斷面的風(fēng)速分布規(guī)律受巷道斷面形狀、巷道支護(hù)類型、巷道內(nèi)布置設(shè)備影響，巷道風(fēng)流脈動(dòng)特性和巷道斷面風(fēng)速非均勻分布規(guī)律導(dǎo)致定點(diǎn)安設(shè)的風(fēng)速傳感器測(cè)試巷道的平均風(fēng)速方法難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)定或適用性相對(duì)有限，無法解決任一巷道平均風(fēng)速測(cè)試問題，可推廣性相對(duì)不足，如何通過風(fēng)速傳感器等測(cè)風(fēng)設(shè)備，構(gòu)建具有大面積推廣的巷道平均風(fēng)速測(cè)試方法是目前需要解決的難題，研究并掌握矩形、拱形等不同巷道斷面內(nèi)風(fēng)速分布規(guī)律，掌握高風(fēng)速區(qū)域、中風(fēng)速區(qū)域和低風(fēng)速區(qū)域就成了所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵所在。

1 巷道全斷面風(fēng)速場(chǎng)數(shù)值模擬幾何模型

陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)公司井下巷道測(cè)風(fēng)站包括矩形和半圓拱2類巷道斷面。為了掌握矩形巷道與半圓拱巷道斷面內(nèi)風(fēng)速分布規(guī)律，利用GMBIT建模軟件構(gòu)建與實(shí)際巷道尺寸按比例的矩形巷道與半圓拱巷道風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的幾何模型，如圖1所示。為了重點(diǎn)考慮巷道尺寸對(duì)巷道斷面風(fēng)速場(chǎng)的影響規(guī)律，建立了多種尺寸規(guī)格的矩形巷道與半圓拱巷道風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的幾何模型，具體尺寸參數(shù)見表1、表2。在建立幾何模型的基礎(chǔ)上，需要對(duì)幾何模型進(jìn)行計(jì)算單元?jiǎng)澐?，?jì)算單元選擇正六面體，將完整的巷道幾何模型劃分為N個(gè)正六面體計(jì)算單元，如圖2所示。

圖1 巷道模型示意Fig.1 Schematic diagram of roadway model

表1 半圓拱巷道模型

表2 矩形巷道模型

2 巷道全斷面風(fēng)速場(chǎng)數(shù)值模型

2.1 巷道風(fēng)速場(chǎng)CFD計(jì)算模型的建立

井下巷道內(nèi)空氣流動(dòng)過程滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒，可用N-S方程組求解，巷道風(fēng)流場(chǎng)解算N-S控制方程組見式(1)，考慮巷道內(nèi)風(fēng)流狀態(tài)為紊流，因此需要在上述廣義N-S方程組基礎(chǔ)上補(bǔ)充湍流模型方程組，由于巷道為受限空間且人員的存在使得巷道風(fēng)流場(chǎng)邊界條件相對(duì)不確定[1]，導(dǎo)致某些特定區(qū)域風(fēng)流截面會(huì)發(fā)生不可預(yù)期變化，利用REGk-ε模型，可較好地描述風(fēng)流高應(yīng)變率及流線彎曲程度大的流動(dòng)，那么廣義N-S方程組與REGk-ε模型聯(lián)立且在此基礎(chǔ)上再加上邊界條件，則可確定完整的可求得近似解的巷道風(fēng)速場(chǎng)CFD計(jì)算模型。

圖2 網(wǎng)格劃分局部放大Fig.2 Local of meshing

(1)

式中，ρf為風(fēng)流密度，kg·m-3；v為計(jì)算區(qū)域內(nèi)某一位置y方向風(fēng)速，m·s-1；u為計(jì)算區(qū)域內(nèi)某一位置x方向風(fēng)速，m·s-1；μ為空氣動(dòng)力黏度，取值為17.9×10-6Pa·s；w為計(jì)算區(qū)域內(nèi)某一位置z方向風(fēng)速，m·s-1；Su為x方向的動(dòng)量源項(xiàng)，kg·m-2·s-1；P為氣體壓力，Pa；Sw為z方向的動(dòng)量源項(xiàng)，kg·m-2·s-1；k為空氣傳熱系數(shù)，取值為0.023 W·m-1·K-1；Sv為y方向的動(dòng)量源項(xiàng)，kg·m-2·s-1；CP為空氣比熱容，取值為717 J·kg-1·K-1；T為氣體溫度，K；ST為黏性耗散項(xiàng)，J·m-3·s-1。

2.2 風(fēng)硐風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型的建立

風(fēng)硐內(nèi)風(fēng)流亦為紊流狀態(tài)，那么風(fēng)硐內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)須在N-S方程組上加載湍流模型方程組，一般風(fēng)硐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾乎均為拱形斷面，使得風(fēng)硐內(nèi)流場(chǎng)邊界條件更加復(fù)雜，特別是風(fēng)流斷面發(fā)生劇變的區(qū)域[2-7]，同時(shí)，REGk-ε模型也可很好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度大的流動(dòng)，同樣適用于模擬風(fēng)硐紊流風(fēng)流問題，式(2)與式(3)為REGk-ε模型的控制方程。

(2)

(3)

式(1)、式(2)、式(3)聯(lián)立即為風(fēng)硐風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型的方程組，加上表3所列的邊界條件，即構(gòu)成了風(fēng)硐風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型。

表3 計(jì)算模型邊界條件

3 巷道全斷面風(fēng)速場(chǎng)數(shù)值模擬分析

3.1 巷道全斷面風(fēng)速場(chǎng)模型的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性論證

利用CFD數(shù)值模擬方法研究巷道全斷面風(fēng)速場(chǎng)分布規(guī)律的前提條件是CFD數(shù)值模擬方法的巷道風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際巷道風(fēng)流場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果一致[8-9]。目前，采用懸掛風(fēng)速傳感器實(shí)測(cè)巷道斷面單點(diǎn)風(fēng)速，通過對(duì)比巷道斷面同一位置風(fēng)速傳感器實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果值，如果2個(gè)值之間相對(duì)誤差很小，則可認(rèn)為巷道斷面風(fēng)速場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與巷道斷面實(shí)際風(fēng)速場(chǎng)一致，論證了巷道全斷面風(fēng)速場(chǎng)模型的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

3.2 風(fēng)速傳感器所在位置實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

井下各地點(diǎn)的測(cè)風(fēng)站巷道內(nèi)的紊流風(fēng)流，任意位置處點(diǎn)風(fēng)速是脈動(dòng)風(fēng)速與主風(fēng)速之合，因此風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)具有明顯的波動(dòng)性[10-12]。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)值求平均值，從而獲得風(fēng)速傳感器測(cè)試值，人員與風(fēng)速傳感器處于巷道同一斷面但不同位置條件下風(fēng)速傳感器測(cè)試值。人員所在測(cè)風(fēng)站位置處巷道斷面風(fēng)速分布模擬結(jié)果，首先提取該巷道斷面內(nèi)風(fēng)速傳感器(巷道中垂線距巷道頂板1 m位置處)點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù)，點(diǎn)風(fēng)速模擬結(jié)果數(shù)據(jù)見表4。通過表4中的風(fēng)速傳感器實(shí)際平均值與數(shù)值模擬值對(duì)比，可以得出數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差在2.5%以內(nèi)，同時(shí)可知巷道內(nèi)無人員的時(shí)候風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，說明了CFD數(shù)值模擬方法的風(fēng)速場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果能夠真實(shí)反映煤礦井下巷道內(nèi)風(fēng)速分布情況。

表4 風(fēng)速傳感器所在位置實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

3.3 巷道全斷面風(fēng)速場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3為不同平均風(fēng)速條件下序號(hào)1半圓拱巷道斷面對(duì)稱軸上風(fēng)速分布，由圖3可得靠近巷道頂板、底板、巷道幫的巷道斷面位置風(fēng)速明顯小于巷道斷面中部區(qū)域，巷道斷面風(fēng)速變化具有連續(xù)性，寬度為5 m、高度為5.5 m的半圓拱巷道在巷道斷面寬度方向上風(fēng)速非均勻區(qū)間長度達(dá)到2 m左右，風(fēng)速非均勻區(qū)間長度隨巷道平均風(fēng)速增大而顯示出明顯的增大趨勢(shì)。不同風(fēng)速條件下巷道斷面內(nèi)風(fēng)速的不均勻分布程度為準(zhǔn)確測(cè)得巷道風(fēng)量增加了難度。在掌握巷道斷面風(fēng)速場(chǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地布置風(fēng)速傳感器進(jìn)行測(cè)風(fēng)，能夠準(zhǔn)確測(cè)試巷道平均風(fēng)速，進(jìn)而計(jì)算得到巷道風(fēng)量。

圖3 序號(hào)1半圓拱巷道斷面對(duì)稱軸上風(fēng)速分布Fig.3 Wind speed distribution on symmetrical axis of semi-circular arch roadway section

4 結(jié)論

(1)采用CFD流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法計(jì)算了矩形巷道、半圓拱巷道斷面風(fēng)速場(chǎng)分布規(guī)律，結(jié)合風(fēng)速傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，在此基礎(chǔ)上，模擬計(jì)算得到巷道斷面內(nèi)平均風(fēng)速區(qū)域，揭示了巷道風(fēng)量大小對(duì)于巷道斷面平均風(fēng)速分布區(qū)域影響可忽略，巷道尺寸大小是巷道斷面平均風(fēng)速分布區(qū)域的主要影響因素。

(2)為了提高巷道斷面平均風(fēng)速測(cè)定準(zhǔn)確性，可在井下巷道全斷面進(jìn)行平均風(fēng)速9點(diǎn)測(cè)風(fēng)法測(cè)定，此法可通過測(cè)試8個(gè)平均風(fēng)速分布區(qū)域內(nèi)位置風(fēng)速值計(jì)算巷道平均風(fēng)速，利用巷道中心區(qū)域風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的進(jìn)一步校驗(yàn)，最終消除偏差較大數(shù)據(jù)。

(3)利用數(shù)值模擬方法對(duì)張家峁全礦井23個(gè)主要測(cè)風(fēng)站巷道斷面風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行研究，可確定巷道斷面平均風(fēng)速分布區(qū)域，對(duì)巷道斷面內(nèi)9個(gè)風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體位置進(jìn)行計(jì)算，取得了最優(yōu)數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)巷道全斷面9點(diǎn)測(cè)風(fēng)這一過程，礦井在實(shí)際作業(yè)中針對(duì)矩形巷道設(shè)計(jì)研發(fā)了龍門式全自動(dòng)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，針對(duì)拱形巷道設(shè)計(jì)研發(fā)了折疊式全自動(dòng)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，保證了風(fēng)量測(cè)定的準(zhǔn)確性。現(xiàn)階段，張家峁全礦井23個(gè)主要測(cè)風(fēng)站均安裝了巷道全自動(dòng)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，通過對(duì)比同一時(shí)間段內(nèi)人工測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和自動(dòng)測(cè)風(fēng)裝置測(cè)試數(shù)據(jù)，2種測(cè)風(fēng)方法的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，研究表明全自動(dòng)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的測(cè)風(fēng)精度足以滿足礦井風(fēng)量測(cè)試精度要求，實(shí)現(xiàn)了礦井主要大巷風(fēng)量的自動(dòng)測(cè)定。