南屯煤礦33下06 運(yùn)順掘進(jìn)巷道熱環(huán)境分布研究

丁汝青 張相超 孔凡偉

（兗礦能源集團(tuán)股份有限公司南屯煤礦，山東 濟(jì)寧 273500）

隨著礦山開采技術(shù)與深部開采技術(shù)的日益成熟，專家學(xué)者們對掘進(jìn)巷道的熱環(huán)境問題進(jìn)行了分析研究[1-3]，其中包括掘進(jìn)巷道的溫度場分布[4-6]、長距離掘進(jìn)巷道分段降溫式通風(fēng)[7]、掘進(jìn)巷道回頭熱[8-9]與輔助通風(fēng)設(shè)施對掘進(jìn)巷道熱環(huán)境的影響等[10]。

33下06 運(yùn)順掘進(jìn)巷道位于南屯煤礦三采三分區(qū)，井下環(huán)境復(fù)雜，對該巷道進(jìn)行熱環(huán)境分布探究實驗，同時也為現(xiàn)場制定、完善通風(fēng)措施提供參考依據(jù)。

1 掘進(jìn)巷道溫度場測定實驗方案

1.1 測點(diǎn)布置

實驗巷道現(xiàn)施工長度為475 m，選取距離掘進(jìn)面90 m 的巷道長度進(jìn)行研究。巷道斷面為矩形，斷面尺寸為5.1 m×3.35 m，左側(cè)壓入式通風(fēng)，風(fēng)筒采用Φ500 mm 的柔性風(fēng)筒，風(fēng)筒出口距掘進(jìn)面10 m。在距離掘進(jìn)面0.1 m、15 m、30 m、45 m、60 m、75 m、85 m斷面處共布置7個測點(diǎn)斷面，依次記為A、B、C、D、E、F、G 斷面，每個測點(diǎn)斷面布置5 個測點(diǎn)（圖1），分別記錄同一斷面同一時間不同位置的溫度數(shù)據(jù)，然后取各斷面溫度平均值進(jìn)行分析。

圖1 巷道斷面測點(diǎn)分布示意圖（mm）

1.2 實驗步驟

進(jìn)行現(xiàn)場通風(fēng)降溫實驗前，首先需保證的是各個斷面、各個測點(diǎn)的溫度記錄儀與計時器的時間同步，隨后進(jìn)行以下的實驗步驟：

1）在未開啟風(fēng)機(jī)的情況下，沿巷道依次放置溫度記錄儀并讀取多次斷面測點(diǎn)溫度值，取其平均溫度值。

2）開啟風(fēng)機(jī)后運(yùn)行1 h，多次采集測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)并觀察巷道內(nèi)空氣降溫規(guī)律，直到巷道內(nèi)溫度值趨于穩(wěn)定。

3）實驗結(jié)束后關(guān)閉風(fēng)機(jī)，回收溫度記錄儀，整理分析采集到的溫度數(shù)據(jù)，并繪制相關(guān)曲線圖。

1.3 現(xiàn)場實驗結(jié)果分析

表1 為通風(fēng)前后各斷面的溫度測定數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可以得出，在開啟風(fēng)機(jī)前，巷道內(nèi)的溫度普遍偏高，越靠近掘進(jìn)面溫度越高，溫度最高處幾乎與圍巖溫度（28 ℃）無差。開啟風(fēng)機(jī)1 h 后，巷道內(nèi)熱環(huán)境得到明顯改善。

表1 通風(fēng)前后各斷面平均溫度數(shù)據(jù)

將通風(fēng)前后的數(shù)據(jù)整理后進(jìn)行對比得到通風(fēng)前后溫度對比圖圖2。

圖2 開啟風(fēng)機(jī)前后各斷面溫度對比圖

經(jīng)過1 h 的充分換熱后，整個巷道內(nèi)的溫度有著明顯降低的趨勢，其溫度分布特征主要為越靠近掘進(jìn)面與風(fēng)筒出口，降溫效果越明顯；隨著距離掘進(jìn)面距離的增加，風(fēng)流的溫度也就越來越高。在距離掘進(jìn)面最遠(yuǎn)的G 斷面，通風(fēng)前后溫度幾乎沒有變化，這是因為由于距離掘進(jìn)面與風(fēng)筒出口距離較遠(yuǎn)，風(fēng)流到達(dá)該斷面時已與巷道圍巖進(jìn)行了充分的熱交換，風(fēng)流溫度已與巷道內(nèi)平均溫度無差，故降溫效果不太明顯。

2 掘進(jìn)巷道通風(fēng)降溫數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)物理模型的建立

為了模擬求解的簡便，將實際問題進(jìn)行簡化處理并做出以下假設(shè)：

1）風(fēng)流不可壓縮，忽略流體黏性力做功。

2）忽略水蒸氣蒸發(fā)與瓦斯因素。

3）巷道內(nèi)新鮮風(fēng)流溫度不變。

4）將氣體物理特性參數(shù)視為常數(shù)，流動為穩(wěn)態(tài)紊流并滿足自然對流布辛涅司克近似假設(shè)。

5）圍巖均質(zhì)且各向同性，圍巖溫度與風(fēng)流溫度充分進(jìn)行熱交換。

6）初始溫度等于原巖溫度。

根據(jù)巷道實際尺寸建立巷道模型，巷道長90 m，風(fēng)筒長度為80 m，安裝高度為2.5 m，左側(cè)壓入式通風(fēng)。所建立的巷道模型如圖3。

圖3 巷道斷面尺寸示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件的設(shè)定

將建立好的三維模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，平滑度設(shè)置為高，添加膨脹層，模型網(wǎng)格插入方法為自動，生成的網(wǎng)格平均偏斜度為0.211，網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)秀。

為了確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)現(xiàn)場測定的邊界條件，將風(fēng)筒的出口設(shè)置為風(fēng)流的入口邊界，屬性為速度入口，入風(fēng)溫度設(shè)置為16 ℃；將巷道的入口設(shè)置為模型的出口邊界，類型為自由出口，壁面邊界條件設(shè)置為無滑動邊界條件，圍巖溫度為28 ℃。具體參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 邊界條件參數(shù)設(shè)置

2.3 巷道內(nèi)溫度場分布

經(jīng)過數(shù)值模擬得出A～G7 個斷面的溫度分布圖圖4。由圖4 可以得出斷面的溫度隨著與掘進(jìn)面距離的增大而逐漸增大，這是由于新鮮風(fēng)流自風(fēng)筒吹出到達(dá)掘進(jìn)面，隨后由掘進(jìn)面流向巷道出口方向，在整個過程中風(fēng)流不斷與圍巖和巷道內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換，致使風(fēng)流溫度越來越高，降溫效果越來越不明顯。左上角溫度偏高，是由于通風(fēng)管道與巷道巖壁之間距離狹小，新鮮風(fēng)流難以進(jìn)入，空氣流速慢，圍巖與新鮮風(fēng)流無法進(jìn)行充分的熱交換，導(dǎo)致左上角溫度高于巷道內(nèi)的平均溫度。

圖4 巷道斷面溫度分布圖

圖5 為X=0.27 m 處的縱斷面溫度分布圖。從斷面圖可以看出，下側(cè)空氣溫度明顯低于上側(cè)空氣溫度。這是因為受到巷道圍巖溫度與空氣浮力的影響，上下側(cè)風(fēng)流距巷道圍巖較近，與圍巖不斷地進(jìn)行熱交換所導(dǎo)致的。在該縱斷面上可以大體看出，經(jīng)過一段距離后，斷面的溫度分布較為均勻穩(wěn)定，中間溫度低，四周溫度高。這是由于經(jīng)過長距離的穩(wěn)定換熱，距離圍巖較近的區(qū)域空氣熱交換趨于穩(wěn)定，巷道中心風(fēng)流的溫度隨著風(fēng)流流向的方向而逐漸升高。

圖5 X=0.27 m 縱斷面溫度示意圖

3 數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)對比

模擬溫度與實測溫度對比數(shù)據(jù)圖如圖6。每個斷面的模擬溫度都比實測溫度偏低，其中一部分原因是現(xiàn)場掘進(jìn)面處的實際圍巖溫度要略高于巷道出口處的圍巖溫度，而在模擬中，模擬的巷道圍巖溫度設(shè)置為固定值，因此會導(dǎo)致模擬溫度與實測溫度略顯偏差。另一方面，巷道中部分位置存在頂板滴水的現(xiàn)象，同時機(jī)電設(shè)備的工作也伴隨著放熱現(xiàn)象，這也造成了溫度采集的不穩(wěn)定。

圖6 現(xiàn)場溫度與模擬溫度對比圖

4 結(jié)論

本文以南屯煤礦33下06 運(yùn)順掘進(jìn)巷道為實驗對象，利用Fluent 數(shù)值模擬軟件對該掘進(jìn)巷道的熱環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)相對比，得出以下結(jié)論：

1）由實測數(shù)據(jù)得知，在未通風(fēng)時，巷道內(nèi)的空氣溫度特征表現(xiàn)為越靠近掘進(jìn)面，溫度越高，最高達(dá)到27.532 ℃。

2）在開啟風(fēng)機(jī)之后，巷道內(nèi)的空氣溫度得到明顯的改善。其中表現(xiàn)為越靠近掘進(jìn)面與風(fēng)筒出口，降溫效果越好，最低溫度為21.668 ℃，比通風(fēng)前所測溫度降低了5.864 ℃。

3）利用Fluent對實驗巷道進(jìn)行熱環(huán)境數(shù)值模擬，能夠準(zhǔn)確得出巷道風(fēng)流的溫度場，最大溫度誤差為0.822 ℃，平均溫度誤差為0.415 ℃，數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果相一致，目前的通風(fēng)參數(shù)能夠滿足安全生產(chǎn)需要。

4）利用Fluent 對巷道進(jìn)行數(shù)值模擬得知，受巷道圍巖的熱交換與空氣浮力的影響，在巷道的同一斷面處，下部溫度低于上部溫度；當(dāng)巷道內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定時，中間溫度低于四周溫度，新鮮風(fēng)流難以到達(dá)的區(qū)域溫度較高，為現(xiàn)場制定、完善通風(fēng)措施提供參考依據(jù)。