基于Fluent的掘進(jìn)巷道熱環(huán)境數(shù)值模擬及分布規(guī)律研究*

程力 陳科旭 邱樹永 陳宜華

（1.山東黃金集團(tuán)有限公司 深井開采實驗室，山東 煙臺 261400；2.山東省深海深地金屬礦智能開采重點實驗室，山東 煙臺 261400；3.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

由于金屬礦山開采及工作面深度的逐年增深，井下熱環(huán)境受地?zé)岷推渌挠绊懀豢杀苊獾漠a(chǎn)生高溫?zé)岷栴}［1-3］。為了保證礦山安全生產(chǎn)，《礦山安全規(guī)程》（GB 16423—2020）明確要求和規(guī)定井下工人連續(xù)工作場所的濕球溫度不高于27℃，通風(fēng)及降溫不能滿足要求時，應(yīng)該采用制冷降溫或其他防護(hù)措施，濕球溫度超過30℃時，應(yīng)停止作業(yè)［4］。

當(dāng)前礦井熱害主要影響因素為空氣壓縮產(chǎn)熱、機械設(shè)備產(chǎn)熱并散熱、圍巖散熱、地下熱水散熱［5-7］。礦井熱害較嚴(yán)重的地點主要在長距離獨頭掘進(jìn)巷道、采礦工作面、機電與維修硐室［8-10］。有關(guān)學(xué)者對獨頭掘進(jìn)巷道熱環(huán)境實施了豐富的研究，得到一些關(guān)于巷道通風(fēng)降溫效果與影響因素、礦井開采巷道內(nèi)部流場與溫度場的分布及變化規(guī)律［11-13］。以往學(xué)者在研究過程中往往局限于常規(guī)通風(fēng)降溫條件下巷道熱環(huán)境研究［14-16］，沒有考慮風(fēng)源在有制冷條件下巷道熱環(huán)境的分布規(guī)律。

為此，選擇三山島金礦西山礦區(qū)-960 m中段一掘進(jìn)巷道的實際工程為研究對象，運用ANSYS軟件對有無制冷狀況下掘進(jìn)巷道的溫度場分布進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬，研究礦井下掘進(jìn)面巷道熱環(huán)境分布變化規(guī)律。

1 數(shù)值計算模型

1.1 Fluent數(shù)學(xué)求解的基本方程

對于壓入式通風(fēng)的礦井掘進(jìn)巷道，并采用理想氣流，即為不可壓縮氣體、紊流黏性為各向同性且為穩(wěn)態(tài)紊流，氣流組分之間不會發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，同時氣流在礦井掘進(jìn)巷道內(nèi)的流動滿足三大守恒定律。

第一守恒定律：單位時間內(nèi)流體微元中質(zhì)量的增加和同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量相等。根據(jù)該定律質(zhì)量守恒方程可表示為：

第二守恒定律：在慣性（非加速）坐標(biāo)系下i方向上的動量守恒方程可表示為：

第三守恒定律：Fluent所解的能量守恒方程可表示為：

式中，各類參數(shù)的具體含義可見參考文獻(xiàn)［16］。

1.2 三維幾何模型的建立

為方便分析，將巷道簡化為長方體，利用Fulent軟件，按照三山島金礦西山礦區(qū)-960 m中段一掘進(jìn)巷道建立三維幾何模型，具體尺寸為13 m×1.2 m×1.5 m，模型如圖1。風(fēng)管直徑為280 mm，風(fēng)筒圓心坐標(biāo)為（1.01，0.74），風(fēng)管出口離作業(yè)面的距離按計算需求進(jìn)行設(shè)置。

之后，根據(jù)建立的三維幾何模型的實際長度和所求的與實際相關(guān)數(shù)據(jù)收集的擬合實際精確度要求，進(jìn)行相關(guān)網(wǎng)格劃分，通過ANSYS軟件中Workbench的Mesh工具先初略劃分模型網(wǎng)格，并進(jìn)行修改，使基礎(chǔ)網(wǎng)格滿足數(shù)值模擬的擬合需求，再進(jìn)行下面的操作。

1.3 邊界條件及計算方法的確定

建立的巷道模型先進(jìn)行網(wǎng)格劃分后并輸入到ANASY Fluent中，確定開始條件與邊界條件，設(shè)定求解條件，按照模擬分析要求設(shè)定各工況。

1）初始條件。初始條件是數(shù)值模擬的基本應(yīng)用條件，與現(xiàn)實基本條件相符合的初始條件才能保證模擬的準(zhǔn)確度。定義模型壁面材料為大理巖，風(fēng)筒材料為PVC管材，材料物性參數(shù)如表1。

表1 材料屬性參數(shù)

2）邊界條件與求解條件設(shè)定。以風(fēng)管排風(fēng)出口處為模型的進(jìn)口邊界線，以礦井掘進(jìn)巷道入口處為模型的出口邊界，入口定義為速度入口，出口定義為壓力出口。為使得礦井巷道平均風(fēng)速符合并滿足《金屬非金屬礦山地下礦山技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，入口風(fēng)速設(shè)定為5 m/s。并根據(jù)考慮因素設(shè)置2種情況：

①無制冷降溫環(huán)境下，風(fēng)溫入風(fēng)溫度301 K（28℃）為時風(fēng)流溫度。

②入口風(fēng)溫291 K（18℃）為采用制冷降溫后的風(fēng)流溫度。

用這2種典型的礦井調(diào)節(jié)初期溫度進(jìn)行數(shù)值模擬實驗，更好符合現(xiàn)場實際情況。在數(shù)值模擬的設(shè)計和選擇計算對應(yīng)的方程中：選用隱式離散三維穩(wěn)態(tài)求解器，速度采取絕對速度，標(biāo)準(zhǔn)k-紊流模型。湍流強度3.6%，水力直徑0.28 m。

3）模擬工況參數(shù)設(shè)定。因考慮到實際情況中壁面溫度的變化情況，設(shè)置相應(yīng)的壁面溫度：距離工作面0~6 m為40℃，距離工作面6~12 m溫度逐漸降低至28℃，距離作業(yè)面12~13 m保持28℃，礦井掘進(jìn)巷道的巖壁面溫度變化情況如圖2所示。風(fēng)筒距離工作面距離分別設(shè)定為3 m、4 m、5 m及6 m，因此可分8個工況，各工況的參數(shù)如表2所示。

表2 模擬參數(shù)

2 熱環(huán)境模擬結(jié)果分析

2.1 速度分布

為了觀察巷道內(nèi)風(fēng)流的變化，在工況1-1、工況2-1、工況3-1及工況4-1條件下，截取風(fēng)管橫向截面（y=0.74 m）及縱向切面（x=1.01 m），查看速度分布如圖3—圖4。

從圖3—圖4中可以看出，壓入式送風(fēng)筒安放在巷道一側(cè)，風(fēng)從風(fēng)筒噴射出后形成貼附射流區(qū)域；由于礦井巷道空間的局限性約束和氣流持續(xù)不斷的特點，氣流在撞擊作業(yè)面造成沖擊射流域后，氣流的方向發(fā)生改變，造成了與射流域相反流動，即回流區(qū)；在射流域和回流域互相作用下，兩者之間形成渦流域。

因此獨頭掘進(jìn)礦道內(nèi)風(fēng)流可分為射流域、回流域和渦流域，這與前人的研究成果一致［17-18］。通過比較各工況速度云圖可知，不同的風(fēng)筒出口位置導(dǎo)致巷道內(nèi)風(fēng)流速度分布變化較大。工況1-1風(fēng)流對工作面擾動最大，工況4-1風(fēng)流對工作面擾動最小，而射流區(qū)和回流區(qū)范圍最大。

2.2 巷道中心線溫度分布

研究礦井掘進(jìn)巷道中央線溫度變化及分布，考慮對不同工況條件下進(jìn)行模擬，對應(yīng)的巷道中心線坐標(biāo)為（x=0.6 m，y=0.74 m，z∈（0 m，13 m）），溫度曲線如圖5—圖6所示。

從圖5可看出，當(dāng)入風(fēng)溫度為28℃（沒有制冷）時，風(fēng)流向外流動的過程中，巷道中心線溫度呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，風(fēng)流溫度在巷道中某一截面達(dá)到最大，該現(xiàn)象被稱為“回頭熱”。隨著風(fēng)筒入口位置發(fā)生變化，“回頭熱”位置也發(fā)生變化。當(dāng)風(fēng)筒出口距作業(yè)面為3 m（工況1-1），最高攝氏度點距離工作的作業(yè)面為4 m，溫度為32.97℃，當(dāng)風(fēng)管出口與作業(yè)面距離增加至6 m（工況4-1），最高溫度點距離工作面7 m，溫度為31.58℃?？梢姡L(fēng)管出口距作業(yè)面越近，“回頭熱”距離工作面越近；風(fēng)管出口距作業(yè)面越遠(yuǎn)，“回頭熱”距離作業(yè)面越遠(yuǎn)。這是因為越接近作業(yè)面，巖壁溫度越高，風(fēng)管出口距離作業(yè)面越近，風(fēng)流從礦井掘進(jìn)巷道內(nèi)部吸熱量大，使風(fēng)的溫度增大，“回頭熱”的氣溫升高，風(fēng)流吸熱區(qū)域小，“回頭熱”距離工作面距離越近。

從圖6可看出，當(dāng)入風(fēng)溫度為18℃（有制冷）時，風(fēng)流向外流動的過程中，巷道中心線溫度呈現(xiàn)上升趨勢。因為風(fēng)流溫度向外流動過程中始終低于巷道壁面溫度，風(fēng)流一直處于吸熱狀態(tài)，因此，各工況巷道均未出現(xiàn)“回頭熱”現(xiàn)象。

2.3 巷道溫度分布

1）風(fēng)源無預(yù)冷條件下巷道風(fēng)流溫度分布。風(fēng)源在沒有制冷作用時，入風(fēng)華攝氏301 K（28℃）為風(fēng)流的典型溫度。在工況1-1、2-1、3-1及4-1條件下，截取風(fēng)筒縱向截面（x=1.01 m），觀察礦井掘進(jìn)巷道內(nèi)熱分布狀況如圖7。同時截取礦井掘進(jìn)巷道內(nèi)z=12.9 m，z=9.7 m，z=6.5 m，z=3.3 m，z=0.1 m 5個位置的切面，查看礦道內(nèi)風(fēng)流熱環(huán)境分布如圖8所示。

通過比較圖7各工況溫度云圖可知，風(fēng)流自風(fēng)筒流出后，不斷向巖壁吸熱，風(fēng)流溫度不斷升高，并由于熱氣流上浮升力的影響，熱氣流不斷升高，使礦道切面的溫度從上而下漸漸降低，且各工況條件下巷道平均溫度均超過30℃。同時，風(fēng)管出口位置離作業(yè)面距離越近，對工作面降溫效果越好，但巷道外側(cè)環(huán)境越熱。反之，工作面制冷降溫效果越差，但礦井掘進(jìn)巷道整體環(huán)境的溫度較均勻。

由圖8看出，礦道中間縱向切面（z=6.5 m，z=3.3 m）風(fēng)溫度明顯升高，遠(yuǎn)離工作面的截面（z=12.9 m，z=9.7 m），由于巷道壁面溫度逐漸降低，因此巷道氣流溫度又逐漸降低。距離作業(yè)面最近的縱向切面（z=0.1 m），此外靠近巖層壁面處溫度較高之外，還受到氣流流動影響，工作面溫度均較低。

2）風(fēng)源有預(yù)冷條件下巷道溫度分布。風(fēng)源在有制冷條件時，風(fēng)筒入風(fēng)溫度291 K（18℃）為風(fēng)流的典型溫度。在工況1-2、工況2-2、工況3-2及工況4-2條件下，截取風(fēng)筒縱向截面（x=1.01 m），查看礦井掘進(jìn)巷道內(nèi)熱流場分布如圖9。同時截取礦井掘進(jìn)巷道z=12.9 m，z=9.7 m，z=6.5 m，z=3.3 m，z=0.1 m 5個位置的縱向切面，觀察礦井巷道內(nèi)熱流場分布如圖10所示。

通過比較圖9各工況溫度云圖可知，風(fēng)流從風(fēng)筒流出后，從巷道吸熱，氣流在巷道中不斷升溫，但風(fēng)源在有制冷條件作用下，風(fēng)溫始終低于壁面溫度，使整個巷道最高溫度不超過28℃。

由圖10可以得出，由于風(fēng)管出口風(fēng)流溫度較低，氣流從風(fēng)筒流出后風(fēng)流溫度不斷升高。各截面風(fēng)流平均溫度從23℃上升到28℃，溫升約5℃，溫度最高值出現(xiàn)在巷道出口處上隅角附近。

3 結(jié)論

通過對三山島金礦-960 m掘進(jìn)巷道的實地調(diào)查和相關(guān)數(shù)據(jù)的收集及整理，并應(yīng)用Fluent數(shù)值模擬軟件進(jìn)行理論分析得到以下結(jié)論：

1）獨頭掘進(jìn)巷道中，應(yīng)用局部壓入式通風(fēng)方式，風(fēng)從風(fēng)筒射出后將形成貼附射流域、回流域及渦流域。風(fēng)管距工作面越近，氣流對工作面擾動越大，反之，則風(fēng)流對工作面擾動越弱，射流域和回流域范圍越大。

2）風(fēng)源在無預(yù)冷條件下，各工況條件下巷道平均溫度均超過30℃，且出現(xiàn)“回頭熱”現(xiàn)象。風(fēng)管出風(fēng)口距采礦工作的作業(yè)面越近，產(chǎn)生的“回頭熱”距工作面越近，工作面制冷降溫效果越好，礦井掘進(jìn)巷道外側(cè)越熱；風(fēng)管出風(fēng)口距離工作面越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的“回頭熱”距離工作面越遠(yuǎn)，工作面降溫效果越差，但巷道整體溫度分布較均勻。

3）風(fēng)源在有預(yù)冷條件下，巷道均未出現(xiàn)“回頭熱”現(xiàn)象，各工況條件下巷道最高溫度不超過28℃。

4）巷道同一斷面內(nèi)，遠(yuǎn)離風(fēng)筒側(cè)風(fēng)流溫度高于近風(fēng)筒側(cè)，風(fēng)筒上側(cè)風(fēng)流溫度高于下側(cè)，各截面風(fēng)流的熱環(huán)境的最高值出現(xiàn)在巷道上隅角處。