不規(guī)則巷道斷面風(fēng)速分布規(guī)律的模擬與試驗(yàn)研究

黃鑫勝

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

礦井通風(fēng)在煤礦安全生產(chǎn)中占有極其重要的地位，是礦井非常重要的輔助系統(tǒng)，是預(yù)防和治理各種災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的基本手段。在礦井生產(chǎn)活動(dòng)期間，風(fēng)速、風(fēng)量等通風(fēng)參數(shù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)是技術(shù)決策的基礎(chǔ)保障。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道風(fēng)速的精準(zhǔn)測(cè)量，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)巷道斷面風(fēng)速分布規(guī)律進(jìn)行研究。丁翠等[1-2]、宋瑩等[3]采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析方法，研究巷道斷面風(fēng)速分布特征；劉劍等[4-5]利用激光多普勒測(cè)速儀(Laser Doppler Anemometry，LDA)測(cè)試得到突擴(kuò)巷道流場(chǎng)斷面風(fēng)流分布特征；鹿廣利等[6]運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究巷道拐彎后風(fēng)流的變化規(guī)律，得出不同風(fēng)速下巷道內(nèi)風(fēng)流變化規(guī)律一致和巷道內(nèi)平均風(fēng)速點(diǎn)位置固定的結(jié)論；李雪冰等[7-8]對(duì)單點(diǎn)風(fēng)速與平均風(fēng)速的轉(zhuǎn)換機(jī)制進(jìn)行研究，提出巷道平均風(fēng)速單點(diǎn)測(cè)試方法。

井下巷道斷面形狀多為不規(guī)則，現(xiàn)有研究多是基于斷面形狀規(guī)則巷道建立數(shù)值模擬和試驗(yàn)?zāi)Ｐ停菀自斐刹荒艹浞址磻?yīng)井下實(shí)際巷道斷面風(fēng)速分布特征等問題。本文采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法對(duì)斷面形狀為半圓拱形的不規(guī)則巷道風(fēng)速分布規(guī)律進(jìn)行分析，探究不規(guī)則巷道斷面風(fēng)速分布特征，為準(zhǔn)確測(cè)量巷道斷面風(fēng)速提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 巷道幾何模型

采用Fluent 模擬軟件開展不規(guī)則巷道內(nèi)風(fēng)速分布規(guī)律的數(shù)值模擬分析，構(gòu)建2種斷面尺寸不同，斷面形狀為半圓拱的不規(guī)則巷道模型，支護(hù)方式為錨噴，不規(guī)則半圓拱1中垂線高2.7m，寬3m；不規(guī)則半圓拱2中垂線高3.9m，寬4.8m，巷道長(zhǎng)度均為50 m。巷道幾何模型，X，Y，Z軸分別指向巷道的寬、高、長(zhǎng)方向，如圖1。

1.2 計(jì)算假設(shè)及方程

煤礦井下巷道風(fēng)流可視為黏性不可壓縮流體，空氣密度為常數(shù)，假定風(fēng)流與巷道壁面無熱交換，巷道流場(chǎng)除入口邊界外無其他質(zhì)量源輸入，且無漏風(fēng)現(xiàn)象，巷道壁面粗糙程度相同。由此建立適用于湍流形式的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型方程進(jìn)行巷道風(fēng)流的湍流流動(dòng)及擴(kuò)散過程的計(jì)算。

1.3 模擬參數(shù)

巷道模型包括一個(gè)風(fēng)流入口和一個(gè)風(fēng)流出口，其余面為壁面，求解器選擇標(biāo)準(zhǔn)k-epision。風(fēng)流入口作為模型邊界入口，風(fēng)流出口作為模型邊界出口，巷道壁面為固定邊界。入口類型為Velocity-inlet，出口類型為Outflow，假定壁面為無滑移邊界條件，粗糙系數(shù)0.5，且絕熱。

模擬巷道選定為回風(fēng)巷和軌道巷，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》可知，主要進(jìn)、回風(fēng)巷允許風(fēng)速不超過8m/s，為保證模擬風(fēng)流與井下風(fēng)流實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)相似，保證風(fēng)流為紊流態(tài)，將入口速度設(shè)定為0.5、3、5m/s。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 斷面風(fēng)速分布規(guī)律分析

根據(jù)模擬方案得出在Z=25m處的斷面風(fēng)速分布等值線圖，如圖2、3。

由圖2和圖3可知，巷道斷面風(fēng)速等值線與巷道壁面平行，風(fēng)速分布曲線與巷道斷面形狀基本一致；靠近巷道壁面的風(fēng)速等值線較密，表明靠近壁面位置風(fēng)速梯度變化較大，靠近巷道中間位置的風(fēng)速等值線較稀疏，表明巷道中間位置的風(fēng)速梯度變化較??；靠近巷道壁區(qū)域風(fēng)速小，巷道中心區(qū)域風(fēng)速大，不同斷面尺寸和不同風(fēng)速值下這種變化規(guī)律基本保持不變，表明巷道斷面風(fēng)速分布規(guī)律與入口風(fēng)速大小無關(guān)。

(a)入口風(fēng)速0.5m/s

(a)入口風(fēng)速0.5m/s

2.2 斷面中垂線風(fēng)速分析

采用Origin軟件對(duì)模擬出的在Z=25m處的巷道斷面中垂線上風(fēng)速值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不規(guī)則半圓拱巷道斷面風(fēng)速值沿中垂線的分布，如圖4、5。模擬巷道平均風(fēng)速線到巷道壁面距離，見表1。

表1 不同巷道尺寸對(duì)應(yīng)平均風(fēng)速線位置

由圖4和圖5可知，同一斷面，沿X軸、Y軸方向，風(fēng)速先迅速增大，逐漸趨于平穩(wěn)，之后又迅速減小，表明靠近巷道壁面位置，風(fēng)速變化較大，靠近巷道中心位置，風(fēng)速變化較小且相對(duì)穩(wěn)定；同一斷面，不同入口風(fēng)速值下巷道風(fēng)速沿中垂線分布趨勢(shì)一致，表明同一斷面下風(fēng)速變化規(guī)律與入口風(fēng)速大小無關(guān)；不同斷面，同一入口風(fēng)速值下巷道風(fēng)速沿中垂線分布趨勢(shì)一致，表明同一類型巷道斷面風(fēng)速變化規(guī)律與巷道斷面尺寸無關(guān)。

(a)沿X軸方向風(fēng)速分布

(a)沿X軸方向風(fēng)速分布

由表1可知，不規(guī)則巷道斷面平均風(fēng)速線位置與巷道斷面尺寸有關(guān)，隨著巷道斷面高度或?qū)挾仍龃?，平均風(fēng)速線距巷道壁面距離增大，平均風(fēng)速線距巷道左右?guī)突蝽數(shù)装寰嚯x約為巷道寬度或高度的0.1倍。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

以朱集西煤礦東翼11煤回風(fēng)巷、-962水平軌道石門南為試驗(yàn)巷道，選擇50m內(nèi)斷面形狀幾乎無變化、堆積物較少、無岔口且無人員往來的巷道進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量。采用“6線式測(cè)風(fēng)方法”測(cè)量巷道內(nèi)平均風(fēng)速，如圖6。手持礦用機(jī)械式風(fēng)速表根據(jù)“6線式測(cè)風(fēng)方法”由A點(diǎn)均勻移動(dòng)到B點(diǎn)，測(cè)量時(shí)間為1min，測(cè)量5次取平均值作為巷道內(nèi)平均風(fēng)速值。

圖6 6線式測(cè)風(fēng)方法示意圖

定點(diǎn)測(cè)風(fēng)采用熱線式風(fēng)速儀STA2進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量范圍為0.1～25m/s，誤差±0.1m/s，如圖7。實(shí)測(cè)東翼11煤回風(fēng)巷測(cè)風(fēng)段巷道斷面中垂線高4m，寬4.6m，根據(jù)巷道斷面平均風(fēng)速線到巷道左右?guī)途嚯x為巷道寬的0.1倍，則測(cè)點(diǎn)布置在距左右?guī)?.46m處；根據(jù)巷道斷面平均風(fēng)速線到巷道頂?shù)装寰嚯x為巷道高的0.1倍，則測(cè)點(diǎn)布置在距頂、底板0.4m處。實(shí)測(cè)-962水平軌道石門南測(cè)風(fēng)段巷道斷面中垂線高5m，寬5.8m，根據(jù)巷道斷面平均風(fēng)速線到巷道左右?guī)途嚯x為巷道寬的0.1倍，則測(cè)點(diǎn)布置在距左右?guī)?.58m處；根據(jù)巷道斷面平均風(fēng)速線到巷道頂、底板距離為巷道高的0.1倍，則測(cè)點(diǎn)布置在距頂、底板0.5m處，測(cè)風(fēng)示意圖，如圖8。使用熱線式風(fēng)速儀按照定點(diǎn)測(cè)風(fēng)示意圖依次在測(cè)點(diǎn)位置測(cè)量，待儀表顯示風(fēng)速值相對(duì)穩(wěn)定后，記錄儀表讀數(shù)。

圖7 熱線式風(fēng)速儀STA2

圖8 定點(diǎn)測(cè)風(fēng)方法示意圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)“6線式測(cè)風(fēng)方法”，實(shí)測(cè)東翼11煤回風(fēng)巷測(cè)風(fēng)段平均風(fēng)速為5.96 m/s，-962水平軌道石門南測(cè)風(fēng)段平均風(fēng)速為6.45 m/s。通過定點(diǎn)測(cè)風(fēng)方法，測(cè)得東翼11煤回風(fēng)巷平均風(fēng)速，見表2；測(cè)得-962水平軌道石門南平均風(fēng)速，見表3。

表2 東翼11煤回風(fēng)巷平均風(fēng)速實(shí)測(cè)結(jié)果

表3 -962水平軌道石門南平均風(fēng)速實(shí)測(cè)結(jié)果

由表2和表3可知，巷道斷面平均風(fēng)速定點(diǎn)測(cè)量值與線路法測(cè)量值誤差均在5%以內(nèi)，表明巷道斷面平均風(fēng)速線距巷道左右?guī)突蝽數(shù)装宓木嚯x約為巷道斷面寬或高的0.1倍，通過定點(diǎn)測(cè)量能夠獲得巷道斷面平均風(fēng)速。

4 結(jié)論

(1)巷道斷面風(fēng)速分布曲線與巷道斷面形狀基本一致，靠近巷道壁面位置，風(fēng)速變化較大，靠近巷道中心位置，風(fēng)速變化較小且相對(duì)穩(wěn)定。

(2)同一斷面，不同入口風(fēng)速值下巷道風(fēng)速沿中垂線分布趨勢(shì)一致，即同一斷面下風(fēng)速變化規(guī)律與入口風(fēng)速大小無關(guān)；不同斷面，同一入口風(fēng)速值下巷道風(fēng)速沿中垂線分布趨勢(shì)一致，即同一類型巷道斷面風(fēng)速變化規(guī)律與巷道斷面尺寸無關(guān)。

(3)隨著巷道斷面高度或?qū)挾仍龃?，平均風(fēng)速線距巷道壁面距離增大，平均風(fēng)速線距巷道左右?guī)突蛘唔數(shù)装寰嚯x約為巷道寬度或者高度的0.1倍。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，巷道斷面平均風(fēng)速定點(diǎn)測(cè)量值與線路法測(cè)量值誤差均在5%以內(nèi)，采用定點(diǎn)測(cè)風(fēng)方法可以有效測(cè)出巷道斷面內(nèi)平均風(fēng)速。