烏蘭木倫礦輔運(yùn)上山霧氣成因分析及解決措施研究*

方 明

(神華神東煤炭集團(tuán) 烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017205)

0 引言

煤炭資源占我國能源消耗總量的60%[1]。近年來，我國煤炭產(chǎn)量穩(wěn)步增長，2019年我國日均產(chǎn)煤達(dá)到10.26 Mt[2]。我國95%左右的煤炭是采用地下開采的方式生產(chǎn)的[3]，隨著采掘機(jī)械化程度的提高，井下巷道內(nèi)粉塵污染問題越來越嚴(yán)重[4]。噴霧除塵技術(shù)操作簡單、經(jīng)濟(jì)高效，在煤礦井下除塵中得到了較廣泛的應(yīng)用[5]。但噴灑水霧后導(dǎo)致巷道內(nèi)濕度增大可能會產(chǎn)生霧氣[6]。巷道內(nèi)霧氣彌漫影響井下工作人員的視野和心情，導(dǎo)致工作效率下降。嚴(yán)重的霧氣導(dǎo)致巷道內(nèi)能見度降低，使行人和貨物運(yùn)輸都受到嚴(yán)重干擾，是礦井生產(chǎn)的重大事故隱患[7]。為保證礦井中安全生產(chǎn)和正常的工作環(huán)境，必須對巷道霧氣產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，并提出有效的治理措施。

國內(nèi)外學(xué)者目前對于煤礦井下巷道起霧現(xiàn)象進(jìn)行了部分研究：孫保民[8]對澄合王村礦夏季井下霧氣嚴(yán)重的問題提供了理論分析；李增華等[9]通過在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)對井下局部起霧的原因進(jìn)行了分析；吳吉南等[10]分析了巷道大霧的形成機(jī)理，計(jì)算了水溝流水對大霧的作用量；楊傳樂等[6]對高莊煤礦上山霧氣成因進(jìn)行了調(diào)研，提出了簡單的應(yīng)對措施；祁學(xué)謙等[7]結(jié)合酸刺溝煤礦起霧的案例對產(chǎn)生霧氣的影響因素進(jìn)行了討論。以上研究依據(jù)現(xiàn)場氣候參數(shù)分析霧氣成因，但對提出的應(yīng)對措施效果未進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。對于其他地下工程中產(chǎn)生霧氣的現(xiàn)象，許多學(xué)者也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，劉希臣[11]研究水電站地下風(fēng)洞中的霧氣時(shí)，對風(fēng)流與圍巖的熱交換建立了數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了求解驗(yàn)證；宋福元等[12]對地下海水坑道霧氣成因的物理機(jī)制進(jìn)行了研究，并借助熱濕處理設(shè)備消除霧氣；惠浩勃[13]對地下交通洞通風(fēng)的效果進(jìn)行了測量，并設(shè)計(jì)了1種新型風(fēng)道；薛永慶等[14]利用Fluent軟件對引水隧洞斜井洞內(nèi)霧氣的分布規(guī)律進(jìn)行了研究。這些成果對研究和消除煤礦井下霧氣都提供了相應(yīng)的指導(dǎo)。

煤礦井下巷道霧氣對于安全生產(chǎn)、運(yùn)輸有重大影響，同時(shí)加快設(shè)備腐蝕老化，縮短設(shè)備使用壽命。因此,本文以烏蘭木倫煤礦為研究對象，研究進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度和濕度、巷道巖壁溫度和濕度及風(fēng)流方向等對巷道氣候參數(shù)的影響，分析得到巷道霧氣成因，提出相應(yīng)的解決措施并在現(xiàn)場驗(yàn)證。

1 礦井概況

烏蘭木倫煤礦生產(chǎn)能力5.10 Mt/a。采用平硐、斜井兩水平綜合開拓方式。目前主采煤層為1-2煤層和3-1煤層。井田內(nèi)地層產(chǎn)狀平緩，煤層傾角1°～3°。其中1-2煤層標(biāo)高為1 161 m，3-1煤層標(biāo)高為1 105 m，2煤層通過輔運(yùn)上山連接。該巷道作為運(yùn)輸和行人巷道，全長650 m，標(biāo)高差55 m。

烏蘭木倫礦通風(fēng)系統(tǒng)示意如圖1所示，礦井主要進(jìn)風(fēng)井2個(gè)，分別為輔運(yùn)平硐和1-2煤進(jìn)風(fēng)立井，回風(fēng)井1個(gè)。礦井總進(jìn)風(fēng)量為12 981 m3/min，其中輔運(yùn)平硐進(jìn)風(fēng)量為7 255 m3/min，1-2煤進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)量為3 831 m3/min。輔運(yùn)平硐風(fēng)流經(jīng)過3-1煤北翼輔運(yùn)大巷，向3-1煤各區(qū)域供風(fēng)，部分風(fēng)流通過1-2煤輔運(yùn)上山，流經(jīng)1-2煤輔運(yùn)大巷，與1-2煤進(jìn)風(fēng)立井風(fēng)流匯合，向1-2煤各區(qū)域供風(fēng)。

圖1 烏蘭木倫礦通風(fēng)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of ventilation system of Wulan Mulun mine

根據(jù)集團(tuán)公司相關(guān)規(guī)定，各巷道和工作面等地點(diǎn)安設(shè)水幕，每班灑水2次，井下空氣常年濕潤，相對濕度較大。夏季煤礦正常生產(chǎn)時(shí)，1-2煤輔運(yùn)上山有霧氣析出，且隨著上山的高度增加霧氣越大，在上山的末端霧氣最嚴(yán)重，并延伸至1-2煤輔運(yùn)大巷，在1-2煤進(jìn)風(fēng)立井井底霧氣完全消失。其余3個(gè)季節(jié)，1-2煤輔運(yùn)上山及1-2煤輔運(yùn)大巷內(nèi)幾乎無霧氣產(chǎn)生。

1-2煤輔運(yùn)上山是運(yùn)輸、行人比較頻繁的主要生產(chǎn)巷道，1-2煤輔運(yùn)上山和輔運(yùn)大巷中的霧氣嚴(yán)重，增加工人的不適感、加快設(shè)備的老化速度，因此，有必要查清霧氣產(chǎn)生原因，并確定治理措施。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 幾何模型

由于礦井的整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，模擬整個(gè)礦井通風(fēng)氣候參數(shù)對計(jì)算機(jī)要求較高，難以計(jì)算，因此，本文通過實(shí)測1-2煤輔運(yùn)上山風(fēng)流入口的空氣參數(shù)確定模擬初始參數(shù)，分析在此條件下1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)氣候參數(shù)變化及霧氣析出情況。采用SCDM建立1-2煤輔運(yùn)上山幾何模型，其長X，寬Y，高Z分別為650，5，3 m，起點(diǎn)終點(diǎn)高差為55 m。采用ANSYS Fluent Meshing對所建立的幾何模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格選用正六面體核心型(Poly-Hexcore)網(wǎng)格，該模型劃分體網(wǎng)格最小正交質(zhì)量等于0.5，最大縱橫比等于7，最大扭斜度小于0.3，網(wǎng)格質(zhì)量較高，有利于計(jì)算結(jié)果的快速收斂，其幾何模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 1-2煤輔運(yùn)上山幾何模型及網(wǎng)格劃分Fig.2 Geometric model and meshing diagram of 1-2 coal auxiliary transportation uphill

2.2 初始條件及邊界條件的設(shè)定

Fluent求解器可以求解各種流體流動的控制方程，而流體的實(shí)際流動問題是復(fù)雜的，初始條件和邊界條件的不同就是造成這種現(xiàn)象的主要原因。本文中進(jìn)口邊界設(shè)置為速度入口(velocity inlet)，出口邊界設(shè)置為自由流出(out-flow)。巷道壁面邊界設(shè)置為無滑移壁面(wall)，考慮到巷道圍巖支護(hù)等，定義壁面粗糙度為0.2 m。根據(jù)烏蘭木倫煤礦的精查地質(zhì)報(bào)告，該礦區(qū)的恒溫帶深度為20 m，恒溫帶溫度為+5.6 ℃，地溫梯度為2.8 ℃/hm，地溫率35.7 m/℃。根據(jù)地溫預(yù)測工作面溫度計(jì)算如式(1)所示：

tvr=t0+(z-z0)/g

(1)

式中：tvr為工作面溫度，℃；t0為初始溫度，℃；z為工作面深度，m；z0為初始高度，m；g為重力加速度，g/m2。

可計(jì)算出-200 m平均地溫為17.0 ℃。根據(jù)對-200 m北翼輔運(yùn)大巷延伸段掘進(jìn)工作面測溫孔的實(shí)際測定，原巖溫度為15.8～18.0 ℃，與計(jì)算值基本相符，本文在模擬中將巷道壁面溫度設(shè)置為18 ℃。由于夏季和冬季礦井外部氣候相差極大，因此，本文分別針對夏季和冬季工況條件下的井下氣候參數(shù)進(jìn)行模擬分析。在解算方程中使用能量方程、reliablek-ε模型、PI輻射模型、組分輸運(yùn)模型。初始條件及邊界條件設(shè)定后，采用基于壓力穩(wěn)定基、穩(wěn)態(tài)模型以及SIMPLE算法進(jìn)行求解。

3 模擬結(jié)果

3.1 冬季工況井下氣候參數(shù)影響分析

烏蘭木倫礦所在地冬季地面溫度在-27～-2 ℃之間，空氣相對濕度在28%～73%之間；實(shí)測得到1-2煤輔運(yùn)上山入口處冬季風(fēng)流溫度為9～15 ℃，風(fēng)流相對濕度為37%～81%。因此，本文選取8，10，12，14，16 ℃ 5種風(fēng)流溫度及45%，55%，65%，75%，85%5種風(fēng)流的相對濕度。

3.1.1 進(jìn)風(fēng)溫度對巷道氣候參數(shù)影響

進(jìn)風(fēng)溫度等因素會影響巷道內(nèi)的空氣溫度和濕度，通過模擬得到巷道中線斷面(YZ斷面)上的溫度和濕度分布，分析在不同進(jìn)風(fēng)條件下1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)的氣候變化。圖3為在不同進(jìn)風(fēng)溫度條件下1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)的溫度分布，此時(shí)進(jìn)風(fēng)相對濕度為65%。

圖3 冬季工況進(jìn)風(fēng)溫度不同時(shí)溫度分布Fig.3 Temperature field distribution when inlet air temperature is different in winter

從圖3中可看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度高時(shí)，在風(fēng)流和巷道壁面進(jìn)行熱交換之后巷道同一斷面處風(fēng)流溫度也會更高，進(jìn)風(fēng)溫度與巷道內(nèi)的平均溫度呈正相關(guān)的關(guān)系。進(jìn)風(fēng)溫度的增加速率均呈降低趨勢，這是因?yàn)橄锏辣跍貫?8 ℃，熱量從巖壁到空氣的傳遞速率與空氣和巖壁間的溫差正相關(guān)，隨著溫差的減小，風(fēng)流溫度上升速度變慢，觀察溫度方差柱狀圖可發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度的逐漸升高，進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度與巷道壁面的溫差減小，溫度方差也隨之逐漸減小，與巷道壁面交換的熱量減少。

在進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的相對濕度相同時(shí)，溫度的變化會影響其吸濕能力，圖4為冬季工況進(jìn)風(fēng)溫度不同時(shí)1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)濕度場分布，此時(shí)進(jìn)風(fēng)相對濕度為65%。

圖4 冬季工況進(jìn)風(fēng)溫度不同時(shí)濕度場分布Fig.4 Humidity field distribution when the inlet air temperature is different in winter

圖4表明，冬季風(fēng)流進(jìn)入1-2煤輔運(yùn)上山后相對濕度均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。風(fēng)流進(jìn)入巷道后由于其含濕量較小，首先從巷道壁面吸收水汽，在巷道的前100 m范圍內(nèi)，風(fēng)流相對濕度快速增加；同時(shí)由于冷空氣進(jìn)入井下后溫度升高，風(fēng)流的吸濕能力增加，導(dǎo)致風(fēng)流在1-2煤輔運(yùn)上山200 m左右到出口處空氣的相對濕度逐漸減小。此外，隨著進(jìn)風(fēng)溫度的增加，巷道內(nèi)相對濕度的變化幅度減小。這是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)溫度較高時(shí)，風(fēng)流本身的吸濕能力強(qiáng)，風(fēng)流從巖壁中吸收相同水分后相對濕度變化小。當(dāng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度較低時(shí)，在巷道內(nèi)會短暫的出現(xiàn)風(fēng)流相對濕度大于100%的情況，此時(shí)會有水汽析出，產(chǎn)生霧氣。

上述研究結(jié)果表明：冬季工況下，風(fēng)流進(jìn)入1-2煤輔運(yùn)上山后溫度逐漸增加，且隨進(jìn)風(fēng)溫度的增加增幅減小；巷道內(nèi)風(fēng)流相對濕度先增加后減小，在進(jìn)風(fēng)溫度提高時(shí)，其變化幅度減小。

3.1.2 進(jìn)風(fēng)濕度對巷道氣候參數(shù)影響

在探討冬季工況進(jìn)風(fēng)相對濕度對井下氣候參數(shù)的影響時(shí)，若進(jìn)風(fēng)風(fēng)流相對濕度的變化引起井下溫度的變化，則空氣吸濕能力變化，從而間接影響井下風(fēng)流的相對濕度。因此，應(yīng)先得出冬季進(jìn)風(fēng)風(fēng)流相對濕度不同時(shí)1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)的溫度變化，其模擬結(jié)果如圖5所示，此時(shí)進(jìn)風(fēng)溫度為8 ℃。

圖5 冬季工況進(jìn)風(fēng)相對濕度不同時(shí)溫度場分布Fig.5 Temperature field distribution when relative humidity of inlet air is different in winter

從圖5可看出，在進(jìn)風(fēng)風(fēng)流相對濕度不同的條件下，1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)同一位置處溫差不超過0.2 ℃，說明進(jìn)風(fēng)風(fēng)流相對濕度的變化對巷道內(nèi)溫度場的影響較小，可忽略不計(jì)。

在進(jìn)風(fēng)溫度一定時(shí)，進(jìn)風(fēng)風(fēng)流中所含有的水分直接影響1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)空氣的相對濕度。圖6為冬季工況進(jìn)風(fēng)風(fēng)流相對濕度不同時(shí)，1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)的濕度場分布，此時(shí)進(jìn)風(fēng)溫度為8 ℃。

圖6 冬季工況進(jìn)風(fēng)相對濕度不同時(shí)濕度場分布Fig.6 Humidity field distribution when relative humidity of inlet air is different in winter

由模擬結(jié)果可知，進(jìn)風(fēng)溫度相同時(shí)，進(jìn)風(fēng)風(fēng)流相對濕度越大，空氣中所含水分越多，在風(fēng)流和巷道壁面進(jìn)行水汽交換后巷道同一斷面處風(fēng)流相對濕度也會越大；風(fēng)流進(jìn)入1-2煤輔運(yùn)上山后相對濕度均呈先快速增加后逐漸減小的趨勢。風(fēng)流進(jìn)入1-2煤輔運(yùn)上山后，由于風(fēng)流與巷道巖壁之間存在水汽濃度差，風(fēng)流快速吸收水分使得相對濕度快速增加。在進(jìn)風(fēng)相對濕度大于65%時(shí)，巷道內(nèi)100～300 m范圍內(nèi)有霧氣產(chǎn)生。此后，由于空氣溫度升高，風(fēng)流吸濕能力增加，巷道內(nèi)風(fēng)流的相對濕度減小，最終趨近于巷道巖壁相對濕度。

上述研究結(jié)果表明：冬季工況進(jìn)風(fēng)相對濕度的變化對巷道內(nèi)空氣溫度幾乎無影響；對巷道內(nèi)相對濕度的影響較大，進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的相對濕度越大，巷道內(nèi)空氣的相對濕度也越大。

3.2 夏季工況井下氣候參數(shù)分析

烏蘭木倫礦夏季地面溫度在15～39 ℃之間，空氣相對濕度在35%～96%之間；實(shí)測得到1-2煤輔運(yùn)上山入口處夏季風(fēng)流平均溫度在16～25 ℃之間，風(fēng)流相對濕度在58%～92%之間，因此，本文選取15，17，19，21，23 ℃ 5種風(fēng)流溫度以及55%，65%，75%，85%，95% 5種風(fēng)流的相對濕度。

由于巷道巖壁的熱容量較大，巷道壁面溫度變化較小，因此，在模擬中仍將壁面溫度設(shè)置為18 ℃。夏季由于井下絕對濕度升高，所以將壁面相對濕度設(shè)置為90%，保持其他影響因素不變，利用數(shù)值模擬得到井下夏季的氣候參數(shù)。通過計(jì)算不同YZ斷面上的平均溫度、平均相對濕度，得到在不同的進(jìn)風(fēng)條件下1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)溫度及相對濕度分布場。

3.2.1 進(jìn)風(fēng)溫度對巷道氣候參數(shù)影響

夏季工況下，首先探討進(jìn)風(fēng)溫度的變化對井下溫度的影響，圖7為不同進(jìn)風(fēng)溫度下1-2煤輔運(yùn)上山的溫度分布，此時(shí)進(jìn)風(fēng)相對濕度為75%。

圖7 夏季工況進(jìn)風(fēng)溫度不同時(shí)溫度場分布Fig.7 Temperature field distribution when the inlet air temperature is different in summer

從圖7中可看出，夏季工況下，進(jìn)風(fēng)溫度不同，在1-2煤輔運(yùn)上山的前400 m范圍內(nèi)溫差較大，進(jìn)風(fēng)溫度越高，巷道內(nèi)溫度越高；在400～650 m之間由于巷道內(nèi)空氣不斷與巖壁進(jìn)行熱交換，使得風(fēng)流溫度均趨近于巖壁溫度。圖7中溫度方差圖表明進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度和巖壁的溫差越大，巷道內(nèi)氣流溫度方差也越大；當(dāng)溫差相同時(shí)，巷道內(nèi)溫度的方差幾乎相同。

這些結(jié)果說明巷道內(nèi)巖石的傳熱是除了地下熱水等因素外巷道壁熱的主要來源。當(dāng)巷道壁熱與風(fēng)流溫度不同時(shí)，遵循熱力學(xué)定律，它將不可避免地發(fā)生熱交換，且均是從溫度高的物體向溫度低的物體傳遞熱量。巷道巖壁和風(fēng)流之間的溫差越大，傳遞的熱量越多；溫差相同時(shí)，風(fēng)流吸收的熱量和釋放的熱量幾乎相等。

進(jìn)風(fēng)溫度的高低影響風(fēng)流的吸濕能力，在相同相對濕度的情況下也影響著進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的含濕量。圖8為進(jìn)風(fēng)相對濕度為75%時(shí)，不同溫度下1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)空氣的相對濕度。

圖8 夏季工況進(jìn)風(fēng)溫度不同時(shí)濕度場分布Fig.8 Humidity field distribution when the inlet air temperature is different in summer

從圖8可發(fā)現(xiàn)，風(fēng)流進(jìn)入1-2煤輔運(yùn)上山后，相對濕度在巷道前200 m范圍內(nèi)快速增加，200～650 m間增幅減小，最終空氣的相對濕度都超過了100%，巷道內(nèi)彌漫霧氣。進(jìn)風(fēng)溫度越高，沿程相對濕度越高，析出的水分越多，霧氣越嚴(yán)重。

由于進(jìn)風(fēng)風(fēng)流與巷道巖壁之間的水汽濃度差，在1-2煤輔運(yùn)上山的前200 m范圍內(nèi)，風(fēng)流從巷道巖壁吸收水分，使得自身相對濕度增加。與此同時(shí)，風(fēng)流與巷道巖壁之間發(fā)生熱交換，溫度高于巷道巖溫的進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度下降，使得熱空氣的吸濕能力下降，有更多的水分析出；溫度低于巷道巖溫的進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度增加，巷道內(nèi)相對濕度的增加速率大大減緩。

通過對夏季工況進(jìn)風(fēng)溫度對井下溫度、濕度的影響分析發(fā)現(xiàn)，不同溫度的空氣進(jìn)入井下后其溫度均趨近于巷道巖溫；巷道內(nèi)相對濕度逐漸增加，且進(jìn)風(fēng)溫度越高，巷道內(nèi)相對濕度越高，最終都有霧氣產(chǎn)生。

3.2.2 進(jìn)風(fēng)濕度對巷道氣候參數(shù)影響

進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的相對濕度對井下空氣的溫度幾乎無影響，此處僅討論進(jìn)風(fēng)相對濕度的變化對于井下空氣相對濕度的影響。夏季不同進(jìn)風(fēng)相對濕度條件下1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)空氣相對濕度分布如圖9所示，此時(shí)進(jìn)風(fēng)溫度為19 ℃。

圖9 夏季工況進(jìn)風(fēng)相對濕度不同時(shí)濕度場分布Fig.9 Humidity field distribution when relative humidity of inlet air is different in summer

從圖9可看出，夏季溫度較高的風(fēng)流進(jìn)入井下巷道后相對濕度先增加后趨于穩(wěn)定，且最終相對濕度都超過了100%。具體地說，在1-2煤輔運(yùn)上山前200 m范圍內(nèi)，進(jìn)風(fēng)空氣從巷道巖壁中吸收水分，風(fēng)流相對濕度迅速增加，此后保持較高的相對濕度。進(jìn)風(fēng)風(fēng)流相對濕度越高，井下空氣相對濕度越高，在進(jìn)風(fēng)相對濕度達(dá)到95%時(shí)，巷道50 m處的空氣相對濕度就已經(jīng)超過了100%，巷道內(nèi)霧氣嚴(yán)重。

3.2.3 風(fēng)流量對巷道內(nèi)相對濕度的影響

從上述分析可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度較高、濕度較大時(shí)，1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)霧氣問題較為嚴(yán)重。風(fēng)流量的變化會改變風(fēng)流與巷道巖壁之間的水分交換程度，進(jìn)而影響巷道內(nèi)霧氣濃度。本文選取1，2，3，4，5 m/s 5種不同進(jìn)風(fēng)速度，對1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)濕度場進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖10所示，此處進(jìn)風(fēng)溫度為15 ℃、進(jìn)風(fēng)相對濕度為75%。

圖10 夏季工況進(jìn)風(fēng)速度不同時(shí)濕度場分布Fig.10 Humidity field distribution when velocity of inlet air is different in summer

圖10表明，進(jìn)風(fēng)速度不同時(shí)，1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)濕度變化趨勢相同，均呈現(xiàn)出先快速增加后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著風(fēng)速的增加，巷道內(nèi)相對濕度略有減小，風(fēng)速的變化對巷道內(nèi)濕度場的影響不大。這是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)風(fēng)流本身含濕量較大，在進(jìn)入巷道后的風(fēng)流從巷道巖壁快速吸收水分，風(fēng)流與巷道巖壁間水分交換充分，在進(jìn)入巷道200 m處風(fēng)流已達(dá)到或接近飽和，此時(shí)僅改變風(fēng)速對巷道內(nèi)霧氣的緩解作用較小。夏季工況下，巷道內(nèi)有不同程度的霧氣析出，威脅井下安全生產(chǎn)，應(yīng)采取有效措施及時(shí)消除霧氣。

4 巷道霧氣成因分析及解決措施

4.1 巷道霧氣成因分析

通過上述研究可以得出影響霧氣生成的主要因素包括：

1)霧氣的出現(xiàn)與進(jìn)風(fēng)溫度、濕度有關(guān)。由于烏蘭木倫煤礦緊挨烏蘭木倫河，礦井周圍空氣濕度較大，一般為45%～55%，較該地區(qū)空氣的平均相對濕度大8%～10%，此外該礦進(jìn)風(fēng)輔運(yùn)平硐圍巖含水量大、有淋水。風(fēng)流在入井過程中沿途吸收水分，到達(dá)井底時(shí)含濕量大大增加，其相對濕度可達(dá)60%以上。夏季風(fēng)流的溫度高于進(jìn)風(fēng)輔運(yùn)平硐和進(jìn)風(fēng)大巷，風(fēng)流流經(jīng)4 km的濕潤巷道到達(dá)1-2煤輔運(yùn)上山入口時(shí)風(fēng)流接近飽和狀態(tài)。風(fēng)流在1-2煤輔運(yùn)上山中仍然吸收水分、溫度下降，空氣呈過飽和狀態(tài)，不斷有水分析出，形成霧氣。冬季進(jìn)風(fēng)風(fēng)流相對濕度大，溫度較低時(shí)也會出現(xiàn)短暫的霧氣。

2)霧氣的出現(xiàn)與巷道巖壁的相對濕度有關(guān)。風(fēng)流進(jìn)入井下巷道后，由于風(fēng)流中的水汽與巷道巖壁中水汽存在濃度差，相對濕度發(fā)生變化。從整體而言，在進(jìn)風(fēng)風(fēng)流相對濕度相同的情況下，雨雪天巷道巖壁含濕量越大，則巷道巖壁向風(fēng)流中傳遞的水汽量越大，導(dǎo)致巷道內(nèi)風(fēng)流相對濕度越大。

3)霧氣的出現(xiàn)受巷道巖溫的影響。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道內(nèi)風(fēng)流溫度最終穩(wěn)定在巷道巖溫附近，而溫度能影響空氣的吸濕能力，進(jìn)而影響風(fēng)流的相對濕度。

4.2 解決措施

基于巷道氣候參數(shù)影響因素及霧氣成因分析，降低進(jìn)風(fēng)風(fēng)流濕度是解決巷道霧氣成因的主要措施。

巷道巖壁的相對濕度、溫度等因素的影響無法輕易改變，此時(shí)可考慮調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量分布，改變1-2煤輔運(yùn)上山的風(fēng)向，使上行風(fēng)改變?yōu)橄滦酗L(fēng),具體的調(diào)整措施：將3-1煤北翼輔運(yùn)大巷與3-1煤北翼回風(fēng)大巷頂頭段調(diào)節(jié)風(fēng)窗斷面減小，增加3-1煤通風(fēng)系統(tǒng)阻力；將1-2煤輔運(yùn)大巷與1-2煤膠運(yùn)大巷入口處風(fēng)門敞開，降低1-2煤通風(fēng)阻力；將1-2煤進(jìn)風(fēng)立井風(fēng)量由3 831 m3/min調(diào)節(jié)至6 855 m3/min；將輔運(yùn)平硐風(fēng)量由7 255 m3/min調(diào)節(jié)至4 266 m3/min；通過一系列調(diào)節(jié)，改變1-2煤輔運(yùn)上山風(fēng)流方向，上行風(fēng)改變?yōu)橄滦酗L(fēng)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[15]的計(jì)算方法，得到調(diào)整風(fēng)向后1-2煤輔運(yùn)上山巖壁溫度為18.5 ℃，相對濕度為72%；冬季巷道入口處溫度在7.9～13.6 ℃之間，相對濕度在32%～68%之間；夏季的入口處溫度在17.6～25.3 ℃范圍內(nèi)，風(fēng)流相對濕度在43%～82%之間。由于冬季在進(jìn)風(fēng)風(fēng)流相對濕度較大、溫度較低時(shí)，夏季在進(jìn)風(fēng)風(fēng)流相對濕度較大、進(jìn)風(fēng)溫度較高時(shí)，井下容易產(chǎn)生霧氣，所以在風(fēng)向調(diào)整后選取進(jìn)風(fēng)溫度、濕度分別為(8 ℃，70%)，(25 ℃，85%)的組合，模擬井下氣候參數(shù)。結(jié)果如圖11～12所示，其中(a)為冬季工況，(b)為夏季工況。

圖11 風(fēng)向調(diào)整后1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)的溫度場分布Fig.11 Temperature field distribution of 1-2 coal auxiliary transport uphill after wind direction adjustment

在風(fēng)向調(diào)整后，由于地面空氣到達(dá)1-2煤輔運(yùn)上山入口處的距離大大縮小，其溫度、濕度的變化隨之減小。風(fēng)流進(jìn)入1-2煤輔運(yùn)上山后，與巷道巖壁進(jìn)行熱量交換，最終溫度穩(wěn)定在壁溫附近；同時(shí)風(fēng)流吸收周圍環(huán)境中的水分，從圖12中看出，巷道內(nèi)風(fēng)流的相對濕度均低于92%，沒有水霧析出，井下霧氣問題得到有效治理。

圖12 風(fēng)向調(diào)整后1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)的濕度場分布Fig.12 Humidity field distribution in 1-2 coal auxiliary transport uphill after wind direction adjustment

5 結(jié)論

1)冬季工況下風(fēng)流進(jìn)入1-2煤輔運(yùn)上山后，沿巷道走向風(fēng)溫逐漸升高；夏季工況下，進(jìn)風(fēng)溫度較高時(shí)巷道內(nèi)溫度逐漸下降，進(jìn)風(fēng)溫度較低時(shí)巷道內(nèi)溫度逐漸升高，不同工況下巷道內(nèi)空氣溫度均逐漸趨近于巖壁溫度。冬季工況下隨進(jìn)風(fēng)溫度的升高巷道內(nèi)相對濕度變化幅度減??；夏季工況下進(jìn)風(fēng)溫度越高，巷道內(nèi)空氣的相對濕度也越高。冬季工況下風(fēng)流進(jìn)入1-2煤輔運(yùn)上山后相對濕度先增加后減小，夏季工況下相對濕度隨進(jìn)風(fēng)溫度的增加而增加。進(jìn)風(fēng)速度的變化對巷道內(nèi)濕度相對濕度也有影響，進(jìn)風(fēng)速度越大，巷道內(nèi)相對濕度越小。不同工況下，進(jìn)風(fēng)相對濕度的變化均對巷道內(nèi)空氣的溫度幾乎無影響，巷道內(nèi)相對濕度均隨進(jìn)風(fēng)相對濕度的增大而增大。

2)霧氣的出現(xiàn)主要與進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度、濕度、進(jìn)風(fēng)速度有關(guān)。風(fēng)流進(jìn)入1-2煤輔運(yùn)上山之前沿程吸收水分，溫度下降，吸濕能力下降，相對濕度增加。進(jìn)入1-2煤輔運(yùn)上山后巖壁濕度較大，風(fēng)流仍然吸收水分；空氣溫度趨近于巖壁溫度，吸濕能力變化，當(dāng)空氣過飽和時(shí)就會有水分析出，形成霧氣。

3)增加烏蘭木倫煤礦1-2煤進(jìn)風(fēng)立井風(fēng)量，調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，使1-2煤回風(fēng)上山風(fēng)流為下行風(fēng)，風(fēng)流從地面到達(dá)1-2煤輔運(yùn)上山的距離減小，夏季風(fēng)流從巷道巖壁吸收的水汽減少，溫度下降的較少，吸濕能力較大，可以徹底消除1-2煤輔運(yùn)上山內(nèi)的霧氣。