巷道障礙物對風(fēng)速監(jiān)測位置的影響研究

張京兆， 熊帥， 范京道，2， 閆振國， 黃玉鑫， 張亞爽

（1. 西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2. 陜西延長石油（集團）有限責(zé)任公司 ，陜西 西安 710075）

0 引言

近年來，隨著礦井智能化的普及、礦井通風(fēng)技術(shù)的飛速發(fā)展[1]，礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)覆蓋面逐漸擴大，而該系統(tǒng)的建立與穩(wěn)定運行對通風(fēng)參數(shù)的精確度提出了更高的要求。高精度風(fēng)速傳感器在滿足智能化系統(tǒng)對各項參數(shù)高準(zhǔn)確度要求的前提下，一定程度上消除了井下測風(fēng)人員的安全隱患，逐漸取代了傳統(tǒng)的井下測風(fēng)工具，成為大部分礦井測風(fēng)工作的首選。井下巷道通風(fēng)工作復(fù)雜且影響因素多變，尤其體現(xiàn)在異常風(fēng)流對通風(fēng)系統(tǒng)的影響上，其原因之一是巷道中堆放設(shè)備、雜物等，造成巷道風(fēng)流局部紊亂，使附近風(fēng)速測點所得數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，不利于巷道通風(fēng)環(huán)境的維持與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的解算。在測風(fēng)巷道中，風(fēng)速傳感器在不同的空間位置所測得的風(fēng)速值也不盡相同，因此精準(zhǔn)感知巷道通風(fēng)參數(shù)，對異常風(fēng)流巷道的測風(fēng)儀器的合理空間位置進行研究，確保智能化通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)信息的科學(xué)性與可靠性是至關(guān)重要的。

目前許多學(xué)者在井下巷道測風(fēng)領(lǐng)域展開了研究。劉劍等[2]對通風(fēng)參數(shù)在湍流脈動作用下的變化進行了研究，得到可實現(xiàn)精準(zhǔn)測風(fēng)的理論支撐。李雪冰等[3]通過理論與實驗研究得出巷道斷面任意點風(fēng)速與巷道斷面平均風(fēng)速的關(guān)系，采用提高數(shù)據(jù)采集頻率的方法，滿足風(fēng)速時均化要求。丁翠等[4]通過模擬與實驗結(jié)合的方式對三心拱截面巷道進行研究，提出“關(guān)鍵環(huán)”概念，明確了“關(guān)鍵環(huán)”分布的關(guān)鍵影響因素。楊宇等[5]對拱形巷道斷面中特征線上的風(fēng)流分布進行研究，巷道中沒有障礙物時，風(fēng)速分布呈現(xiàn)左右基本對稱、上下差別較大的狀況。潘競濤等[6]對風(fēng)速傳感器的測量數(shù)據(jù)采用最小二乘法進行關(guān)系擬合與分析，將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成平均風(fēng)速并應(yīng)用于實際生產(chǎn)。李亞俊等[7]對圓形巷道斷面風(fēng)流分布規(guī)律進行研究，得出可通過曲線擬合對巷道斷面任一點風(fēng)速值計算的結(jié)論。宋瑩等[8]通過實驗與模擬相結(jié)合的方法，得出巷道斷面平均風(fēng)速分布規(guī)律及多種截面風(fēng)流的分布特征。張浪[9]通過現(xiàn)場實測與模擬，得出井下測風(fēng)站人員與傳感器的最優(yōu)位置。張士嶺[10]對風(fēng)速變化規(guī)律進行研究，提出了巷道斷面平均風(fēng)速所在位置及測量方法。鹿廣利等[11]通過對不同條件下的巷道進行模擬與分析，得出不同轉(zhuǎn)彎角度下傳感器最優(yōu)布設(shè)位置。張京兆等[12]研究了入口形式對巷道定點測風(fēng)位置的影響，得出巷道不同入口形式的合理測風(fēng)定點位置，其中矩形巷道風(fēng)流平衡時，合理測風(fēng)高度變化區(qū)間為2.59～2.79 m。李虎民等[13]通過現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，確定了巷道相對粗糙度對定點測風(fēng)位置的影響大小。盛典[14]通過數(shù)值模擬與分析，得出全斷面風(fēng)門能夠有效對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)與控制的結(jié)論。葛啟發(fā)等[15]通過數(shù)值模擬與分析，對進路式采場通風(fēng)參數(shù)進行了優(yōu)化，為降低局部通風(fēng)機能耗提供了理論指導(dǎo)。郭對明等[16]對深部掘進巷道進行相關(guān)研究，改善了井下高溫環(huán)境。王春龍等[17]通過數(shù)值模擬分析，對礦井通風(fēng)降溫參數(shù)優(yōu)化進行了分析研究，為礦井深部通風(fēng)降溫參數(shù)設(shè)置提供了參考。上述學(xué)者采用數(shù)值模擬軟件與理論分析結(jié)合實驗驗證的方法研究了井下巷道風(fēng)流運移規(guī)律、優(yōu)化了礦井通風(fēng)相關(guān)參數(shù)，但未涉及巷道中存在不同形狀的障礙物時風(fēng)流運移規(guī)律的探索。

本文以中國華電集團有限公司小紀(jì)汗煤礦11218回風(fēng)巷為例，對井下巷道中障礙物不同位置與不同尺寸對風(fēng)速的影響展開研究，利用Fluent數(shù)值模擬軟件模擬井下巷道中不同障礙物的大小和障礙物放置位置對風(fēng)速的影響，并找到受障礙物放置位置影響最小的監(jiān)測位置。

1 模型建立與模擬參數(shù)設(shè)置

1.1 模型建立

在不考慮巷道壁面發(fā)生局部形變的情況下，采用小紀(jì)汗煤礦矩形截面11218回風(fēng)巷的測量尺寸與風(fēng)速測量平均值進行模擬計算，其數(shù)據(jù)見表1。

表1 11218回風(fēng)巷截面參數(shù)信息Table 1 11218 return air roadway parameter information

ANSYS Fluent軟件可用于模擬各種復(fù)雜流場，湍流模型具有研究范圍廣、精度高的顯著特征，適用于研究礦山井下風(fēng)流場[18-19]。本文建立6種障礙物模型，其長、寬、高分別用l，b，h表示，障礙物信息見表2。設(shè)障礙物與兩幫之間的較近距離（以下簡稱間距）L=0，0.5，1 m；粗糙度常數(shù)為0.8。

表2 障礙物信息Table 2 Obstacle information

以表1、表2數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用Design Modeler軟件建立不同參數(shù)的障礙物模型，分別對應(yīng)6種障礙物模型，建立了6組巷道模型，將每組巷道模型分為3個子模型（L=0，0.5，1 m），共計18個巷道子模型。L=0.5 m時的各模型關(guān)鍵部位如圖1所示。

圖1 模型關(guān)鍵部位Fig. 1 Key parts of the model

以x軸為巷道走向，y軸為巷道寬度，z軸為高度，當(dāng)L=0.5 m時，巷道模型的俯視圖如圖2所示。根據(jù)障礙物模型與間距L，對11218回風(fēng)巷距上游端口10 m處放置障礙物的情況進行分類。由于該巷道截面具有對稱結(jié)構(gòu)特點，可由巷道一側(cè)的結(jié)果推導(dǎo)出另一側(cè)的相關(guān)結(jié)論。

圖2 L=0.5 m時巷道模型的俯視圖Fig. 2 Top view plan of the roadway model at L=0.5 m

1.2 模擬參數(shù)設(shè)置

采用ANSYS Fluent軟件建立18個巷道子模型，巷道子模型較為規(guī)整，采用cartesianMesh方法進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元平均尺寸為0.2 m，最大、最小尺寸分別為0.25，0.1 m，經(jīng)網(wǎng)格劃分的獨立性考核確定其合理性；以L=0.5 m時模型2為例，該模型劃分共計約116萬個節(jié)點、100萬個網(wǎng)格單元，平均單元質(zhì)量為0.998。其局部網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 L=0.5 m時模型2局部網(wǎng)格劃分Fig. 3 Model 2 local grid division at L = 0.5 m

井下巷道風(fēng)流類型多為湍流[20-21]，在巷道放置障礙物后將導(dǎo)致風(fēng)流更加紊亂，但風(fēng)流依舊為湍流類型。本文采用只考慮動量傳輸，不涉及能量交換的Standardk-ε湍流模型作為流體運動模型，采用雙方程湍流模型壓力耦合的半隱式方法（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations，SIMPLE）對流體運動進行仿真，收斂標(biāo)準(zhǔn)除連續(xù)性方程為1×10-4外，其他均為1×10-7。以空氣為模擬風(fēng)流，密度取實測平均密度1.07 kg/m3，通過插值法結(jié)合溫度數(shù)據(jù)確定巷道空氣黏性系數(shù)為1.818 5×10-5kg/（m·s），使得模擬結(jié)果更符合11218回風(fēng)巷的實際通風(fēng)狀況。

邊界條件設(shè)置：進風(fēng)口采用固定速度進風(fēng)（2m/s），出風(fēng)口采用自由出流；表面粗糙度常數(shù)為0.5，其他巷道壁面粗糙度常數(shù)取0.7，障礙物粗糙度常數(shù)取0.8，壁面類型均為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，其余設(shè)置及參數(shù)采用軟件系統(tǒng)的推薦值或默認(rèn)值。

2 障礙物對巷道合理風(fēng)速分布區(qū)間的定量分析

為研究障礙物在不同條件下對11218回風(fēng)巷風(fēng)流場的影響，選取障礙物種類、間距大小、入口風(fēng)速3個變量結(jié)合控制變量法展開相關(guān)分析，所有巷道的模型尺寸、環(huán)境條件、網(wǎng)格劃分所采用的方法、求解器參數(shù)設(shè)置等均保持一致。數(shù)據(jù)取自巷道斷面寬度中心位置（y=2.77 m）、高度為2.7 m的所有計算單元，每0.2 m設(shè)置1個分析節(jié)點，進風(fēng)口處風(fēng)流場云圖及分析節(jié)點如圖4所示。

圖4 進風(fēng)口風(fēng)流場云圖及分析節(jié)點Fig. 4 Inlet airflow field cloud diagram and analysis node

煤礦企業(yè)規(guī)定人工測風(fēng)誤差不大于5%，為滿足井下測風(fēng)工作精度需求，指導(dǎo)礦井智能測風(fēng)工作的開展，本文以3%為風(fēng)速傳感器測風(fēng)精度標(biāo)準(zhǔn)，開展以下分析工作。當(dāng)進風(fēng)口風(fēng)速為2 m/s時，傳感器測風(fēng)誤差為1.94～2.06 m/s，稱測風(fēng)精度內(nèi)的風(fēng)速數(shù)值為合理風(fēng)速，風(fēng)速在測風(fēng)精度內(nèi)的風(fēng)流為合理風(fēng)流，合理風(fēng)流處即為風(fēng)速傳感器最優(yōu)布設(shè)區(qū)域。由文獻[12]可知，矩形巷道斷面在無障礙物且風(fēng)流充分發(fā)展條件下，當(dāng)x＞115 m時，在2.59 m＜z＜2.79 m位置布設(shè)風(fēng)速傳感器較為合理。因此本文在x=120m截面的中垂線z=2.7m處布設(shè)風(fēng)速傳感器；取障礙物迎風(fēng)側(cè)前1 m、障礙物迎風(fēng)側(cè)、障礙物背風(fēng)側(cè)、障礙物背風(fēng)側(cè)后1 m、風(fēng)速傳感器截面（x=120m）為定量分析內(nèi)容，根據(jù)x坐標(biāo)升序方式分別命名截面，為截面1—截面5。

2.1 L=0時障礙物對巷道風(fēng)流場的影響

當(dāng)L=0時，取各個模型所對應(yīng)的風(fēng)流場云圖做對比，結(jié)果如圖5所示。可看出截面1、截面3、截面4的風(fēng)流場云圖中，合理風(fēng)流所呈現(xiàn)形狀大致為弧狀，且與各自對應(yīng)的障礙物矩形不符。在截面1中，合理風(fēng)流分布面積隨著障礙物寬度減小而減小。

圖5 L=0時所有模型的5種截面位置所對應(yīng)的風(fēng)流場云圖Fig. 5 Cloud plot of wind fields corresponding to the five crosssectional positions of all models at L =0 m

結(jié)合圖4與圖5中的截面5可看出，頂板位置中垂線的合理風(fēng)流分布于2.59～2.78 m處。

2.2 L=0.5 m時障礙物對巷道風(fēng)流場的影響

當(dāng)L=0.5m 時，取各個模型所對應(yīng)的風(fēng)流場云圖做對比，結(jié)果如圖6所示。可看出截面1中合理風(fēng)流分布面積隨障礙物體積減小而減小，截面3中當(dāng)寬度b=0.5 m時，模型5、模型6可體現(xiàn)障礙物大致形狀。結(jié)合圖4與圖6中的截面5可知，頂板位置中垂線的合理風(fēng)流分布在2.59～2.80 m處，其中模型1、模型2風(fēng)流發(fā)展較為緩慢，尚未形成圓角矩形的形狀。

圖6 L=0.5 m時所有模型的5種截面位置所對應(yīng)的風(fēng)流場云圖Fig. 6 Cloud plot of wind fields corresponding to the five crosssectional positions of all models at L =0.5 m

2.3 L=1 m時障礙物對巷道風(fēng)流場的影響

當(dāng)L=1m 時，取各個模型所對應(yīng)的風(fēng)流場云圖做對比，結(jié)果如圖7所示?？煽闯鲭S著障礙物寬度減小，截面1中合理風(fēng)流橫向變化不明顯；截面3中，寬度b=0.5 m時，模型5、模型6可體現(xiàn)障礙物大致形狀。結(jié)合圖4與圖7中的截面5可知，頂板位置中垂線的合理風(fēng)流分布于2.61～2.78 m處。

圖7 L=1 m時所有模型的5種截面位置所對應(yīng)的風(fēng)流場云圖Fig. 7 Cloud plot of wind fields corresponding to the five crosssectional positions of all models at L=1 m

結(jié)合圖4-圖7可知，在3種間距中，各模型于斷面直角處存在微小部分的合理風(fēng)速區(qū)域，其面積在L=0.5m時最大，L=1m時次之，L=0時最小，隨著間距L的增加，截面1中合理風(fēng)流分布區(qū)域逐漸增加；模型3、模型4的風(fēng)流場云圖中，合理風(fēng)流橫向分布較廣，L=1m時較為明顯。截面1、截面3、截面4的風(fēng)流場云圖中，合理風(fēng)流于橫向擴散較快；在放置障礙物的矩形巷道中，合理風(fēng)流在圖4中均勻分布，截面1—4的直角處微量分布，截面5為圓角矩形分布，故合理風(fēng)流隨x坐標(biāo)增加呈均勻分布→直角處微量分布→空心圓角矩形分布的規(guī)律。兩幫附近風(fēng)流發(fā)展不對稱，障礙物體積越大，風(fēng)流發(fā)展至平衡所需時間越長；巷道放置障礙物一側(cè)的合理風(fēng)流分布區(qū)域更廣，即傳感器最優(yōu)布設(shè)區(qū)域更大；結(jié)合表2，對比模型1、模型2和模型5、模型6可知，障礙物寬度越大，此現(xiàn)象越明顯。

3 L不同對風(fēng)流運移規(guī)律的影響分析

以同種障礙物、不同間距為模擬條件的計算結(jié)果分析11218回風(fēng)巷風(fēng)流發(fā)展情況，取巷道斷面所有計算節(jié)點風(fēng)速數(shù)據(jù)，各個模型對比數(shù)據(jù)如圖8所示?？煽闯鲭S著x的增加，各模型平均風(fēng)速大小均呈增大-減小-增大-平衡的狀態(tài)。

圖8 不同模型平均風(fēng)速對比Fig. 8 Comparison of the average wind speed of different models

為方便對比各模型數(shù)據(jù)差異，降低分析研究的復(fù)雜程度，現(xiàn)以風(fēng)速變化為依據(jù)，將風(fēng)流發(fā)展分為4個階段。

在x為0～10 m時，各模型風(fēng)速呈上升狀態(tài)，x接近10 m區(qū)域時，風(fēng)速急劇增加至最大值，這是由于風(fēng)流發(fā)展受到阻礙，即此時風(fēng)流與障礙物相接觸，致使通風(fēng)面積急劇減少，各模型風(fēng)速在x接近10 m時急劇上升，將此區(qū)間命名為第1階段；當(dāng)x＞10 m后，風(fēng)速降低幅度逐漸減小，在x為60～90 m內(nèi)各模型風(fēng)速先后降低至谷值，這是由于風(fēng)流經(jīng)過障礙物后通風(fēng)面積突然增大，在障礙物后面形成渦流區(qū)域，進而使風(fēng)速急劇降低，隨后風(fēng)速降幅逐漸減小，將此區(qū)間命名為第2階段；風(fēng)速在降低至最小值后緩慢增加，各模型風(fēng)流在x為180～220 m內(nèi)先后發(fā)展至平衡，將風(fēng)速在此增加的區(qū)間命名為第3階段；風(fēng)流發(fā)展平衡時x坐標(biāo)至巷道出風(fēng)口區(qū)間命名為第4階段。

在第1階段，模型1，L=0時風(fēng)速峰值已超過2.225m/s；模型3與模型5、模型4與模型6峰值均接近，且模型3與模型5、模型4與模型6所對應(yīng)的障礙物體積相同。由此可見，障礙物體積相同，風(fēng)速峰值大致相同。

在第2階段，風(fēng)速到達谷值時x坐標(biāo)與障礙物長度呈負(fù)相關(guān)；在模型1中，L=0.5m時風(fēng)速谷值最大，模型4中，L=0時風(fēng)速谷值最小。

在第3階段，L不同時，模型1、模型2風(fēng)速差別較大；模型3、模型4風(fēng)速大致相同；障礙物高度h=1m時，L=0時風(fēng)速最大，L=1m時次之，L=0.5m時最小。

在第4階段，障礙物長度與風(fēng)流穩(wěn)定位置呈負(fù)相關(guān)；風(fēng)流發(fā)展平衡時，模型1、模型2的風(fēng)速數(shù)值差最大，模型5、模型6次之，模型3、模型4的風(fēng)流變化幅度最小，當(dāng)h=0.5 m時，風(fēng)速集中于2.05m/s。結(jié)合表2可知障礙物豎放或增加寬度對風(fēng)流影響較大。

4 不同模型對風(fēng)流運移規(guī)律的影響分析

采用相同的數(shù)據(jù)采集方式及階段式分析方法，對同間距L條件下，不同模型對風(fēng)流運移規(guī)律的影響進行研究。其對比結(jié)果如圖9所示。

圖9 同間距風(fēng)速對比Fig. 9 Wind speed comparison at the same distance

在第1階段，各模型在風(fēng)流經(jīng)過障礙物時，在L=0時風(fēng)速波動較大，其他間距風(fēng)速波動大致相同。

在第2階段，各模型風(fēng)速降低幅度大致相同，L=0.5m時，模型3—模型6相對模型1、模型2提前20m降低至風(fēng)速谷值；模型1、模型2風(fēng)速谷值遠(yuǎn)大于其他模型，風(fēng)速谷值降序為模型1、模型2、模型5、模型6、模型3、模型4；障礙物長度相同時，風(fēng)速谷值與障礙物高度、寬度呈正相關(guān)，障礙物高度與寬度相同時，風(fēng)速谷值與障礙物長度呈負(fù)相關(guān)。

在第3階段，模型1、模型2風(fēng)速相對其他模型增幅較小，在L=0.5m時最為明顯，即障礙物體積與本階段風(fēng)速增幅呈負(fù)相關(guān)。

在第4階段，風(fēng)流發(fā)展平衡，模型2風(fēng)速最接近初始風(fēng)速；L=0，1m時風(fēng)速集中于2.05m/s；L=0.5m時，風(fēng)速不集中，但風(fēng)速相對最小，接近于初始風(fēng)速；因此風(fēng)流發(fā)展穩(wěn)定時，L=0.5m時風(fēng)速可靠性最高，L=1m時次之，L=0時可靠性相對最低。

5 風(fēng)流運移規(guī)律的風(fēng)速普適性分析

煤礦安全規(guī)程規(guī)定，采區(qū)進回風(fēng)巷風(fēng)速應(yīng)處于0.25～6 m/s，本文以1 m/s為最低風(fēng)速，1 m/s為速度增量，5 m/s為最高風(fēng)速，進行相關(guān)研究與分析。由于L=0.5m時風(fēng)速可靠性最高，所以在L=0.5m時，不同風(fēng)速條件下，展開風(fēng)流運移規(guī)律的風(fēng)速普適性研究是具有代表性的。采用相同的數(shù)據(jù)采集方式，定義初始風(fēng)速為v1，巷道平均模擬風(fēng)速為v2，風(fēng)速變化率φ=(v2-v1)/v1，其對比結(jié)果如圖10所示。

圖10 同模型風(fēng)速變化率對比Fig. 10 Comparison of wind speed change rate with the same model

上述多種條件下，風(fēng)速變化率均處于上升-下降-再上升-平衡的4個階段，故采用階段式分析方法，其分析結(jié)果如下。

在第Ⅰ階段，風(fēng)速變化率增幅與初始風(fēng)速大小呈正相關(guān)，隨著初始風(fēng)速增大，風(fēng)速變化率波動幅度逐漸減低；風(fēng)速變化率峰值與障礙物參數(shù)呈正相關(guān)，其中寬度（b）影響最大，高度（h）影響次之，長度（l）影響最小。

在第Ⅱ階段，風(fēng)速變化率谷值與初始風(fēng)速呈正相關(guān)，初始風(fēng)速越小，風(fēng)速變化率波動幅度越明顯。風(fēng)速變化率谷值大小與障礙物長度（l）呈負(fù)相關(guān)，與障礙物其他參數(shù)關(guān)聯(lián)不明顯。

在第Ⅲ階段，模型1、模型2風(fēng)速變化率相對其他模型增幅較為平緩；除1m/s的風(fēng)速變化率曲線外，其他曲線于巷道走向長度90～120 m內(nèi)相繼交于一點，障礙物寬度（b）與高度（h）越大，該交點坐標(biāo)值越大；在曲線相交前，初始風(fēng)速越大，則風(fēng)速變化率越大，在曲線相交后，風(fēng)速越小，則風(fēng)速變化率越大。

在第Ⅳ階段，風(fēng)流發(fā)展平衡時，風(fēng)流變化率均小于3%；模型1、模型2風(fēng)速變化率較其他模型小，其中模型2風(fēng)速變化率最小，即該模型最接近初始風(fēng)速。

6 結(jié)論

1） 在放置障礙物的矩形巷道中，在x=120m，2.59 m＜z＜2.79 m處布設(shè)傳感器條件下，截面5中傳感器最優(yōu)布設(shè)區(qū)域在該截面中垂線高度2.59～2.80 m處，兩幫附近風(fēng)流發(fā)展不對稱，放置障礙物側(cè)合理風(fēng)流分布區(qū)域更廣，障礙物寬度越大，該現(xiàn)象越明顯；最優(yōu)布設(shè)傳感器區(qū)域隨x坐標(biāo)增加呈均勻分布-截面直角處微量分布-空心圓角矩形分布的規(guī)律。

2） 障礙物體積相同時，風(fēng)速峰值大致相同；風(fēng)速谷值與障礙物高度、寬度呈正相關(guān)，障礙物高度與寬度相同時，風(fēng)速谷值與障礙物長度呈負(fù)相關(guān)。h=0.5m時風(fēng)速變化幅度小，平衡時風(fēng)速集中于2.05m/s。

3） 在多種風(fēng)速模擬條件下，第Ⅳ階段中，模型2的風(fēng)流變化率仍為各個模型的最小值，與單一風(fēng)速結(jié)論形成對應(yīng)。故在6類障礙物模型中，模型2對應(yīng)的障礙物在L=0.5m時對回風(fēng)巷風(fēng)流運移規(guī)律影響較小的結(jié)論具有風(fēng)速普適性，在此類條件下可確保在巷道中存在障礙物時，控制其對風(fēng)速監(jiān)測的影響最小。