夏甸金礦深井通風(fēng)降溫試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究*

張成法,段澤宇,劉業(yè)嬌,崔夢(mèng)圓

(1.中國(guó)黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司礦業(yè)分公司,陜西 西安 710024;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭市 014010)

0 引言

隨著礦產(chǎn)資源的日益消耗,地層淺部的礦產(chǎn)資源將逐漸被開(kāi)采殆盡。隨著不斷向礦山深部開(kāi)采,井下地?zé)犸@著增加,深部巷道高溫現(xiàn)象凸顯[1-2]。阻礙深部礦床順利開(kāi)采的原因之一便是井下高溫?zé)岷?同時(shí)它也嚴(yán)重影響了礦工的身心健康和勞動(dòng)效率[3-4],甚至導(dǎo)致采掘作業(yè)無(wú)法正常進(jìn)行。隨著時(shí)間的發(fā)展,面臨這一問(wèn)題的礦井也會(huì)越來(lái)越多[5]。

許多學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究,岳許輝等[6]針對(duì)礦井熱環(huán)境,對(duì)掘進(jìn)工作面等進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),可通過(guò)控制熱源來(lái)使工作面降溫;胡靖[7]結(jié)合永川煤礦的實(shí)際情況,經(jīng)過(guò)分析后發(fā)現(xiàn),可采用回風(fēng)排熱的冷風(fēng)制冷系統(tǒng)對(duì)永川煤礦的熱害進(jìn)行治理;姬建虎等[8]通過(guò)自行研制集中降溫系統(tǒng)的方式來(lái)解決陽(yáng)城煤礦井下熱害問(wèn)題;嚴(yán)明慶[9]針對(duì)韋家溝煤礦設(shè)計(jì)了冷水機(jī)組的礦井降溫系統(tǒng),使掘進(jìn)工作面的溫度降低了7.4℃;辛嵩等[10]采用液氧氮混合降溫系統(tǒng)解決了趙樓煤礦的井巷降溫問(wèn)題?，F(xiàn)有研究大多數(shù)針對(duì)的是煤礦巷道通風(fēng)問(wèn)題,極少有針對(duì)金屬礦深井巷道通風(fēng)問(wèn)題的研究。因此,對(duì)夏甸金礦的深井巷道通風(fēng)問(wèn)題進(jìn)行深入研究有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文選取夏甸金礦-682 m 水平掘進(jìn)巷道進(jìn)行通風(fēng)降溫試驗(yàn),并根據(jù)實(shí)測(cè)的巷道參數(shù)使用Gambit軟件建立三維幾何物理模型,最后運(yùn)用Fluent數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,以此來(lái)研究夏甸金礦深部掘進(jìn)巷道在通風(fēng)過(guò)程中溫度與風(fēng)流速度的變化規(guī)律。

1 深井掘進(jìn)巷道通風(fēng)降溫試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案及測(cè)點(diǎn)布置

夏甸金礦主井地表標(biāo)高為+165 m,試驗(yàn)選中的測(cè)試巷道為-682 m 水平掘進(jìn)巷道,巷道長(zhǎng)度為100 m。通風(fēng)方式為壓入式通風(fēng),選用直徑為500 mm的柔性風(fēng)筒,風(fēng)筒出口距離掌子面10 m。局部通風(fēng)機(jī)選用DJK50 NO6.5 對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)。試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)測(cè)試斷面,斷面距離巷道入口的距離分別為20 m、50 m、65 m、80 m、90 m、95 m、99.5 m,依次記為G、F、E、D、C、B、A斷面,如圖1(a)所 示。為更好更全面地收集每個(gè)斷面的溫度變化,在每個(gè)斷面布置5個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖1(b)所示,最后取5個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度為該斷面的溫度,在每個(gè)巷道斷面的壁面噴漆,標(biāo)記測(cè)點(diǎn)位置。

圖1 斷面與測(cè)點(diǎn)布置

1.2 試驗(yàn)步驟

(1) 在未通風(fēng)情況下,分別測(cè)定每個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度。

(2) 打開(kāi)局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)(只開(kāi)一個(gè)電機(jī)),使用多參數(shù)記錄儀測(cè)定風(fēng)筒出口處溫度及風(fēng)速,通風(fēng)1 h后,記錄各測(cè)點(diǎn)溫度。

(3) 打開(kāi)兩個(gè)電機(jī),增大風(fēng)量。使用多參數(shù)記錄儀測(cè)定風(fēng)筒出口處溫度及風(fēng)速,通風(fēng)1 h后,記錄各測(cè)點(diǎn)溫度。

(4) 試驗(yàn)結(jié)束后,收回儀器并關(guān)停電機(jī)。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

斷面溫度為斷面上5個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度,其變化情況如圖2所示。

圖2 巷道斷面溫度變化

通風(fēng)前巷道口(x=20 m)溫度遠(yuǎn)低于巷道內(nèi)的溫度,是由于該試驗(yàn)巷道不是正在掘進(jìn)的巷道,而是已經(jīng)放置了一段時(shí)間,巷道口附近的巖壁已經(jīng)和運(yùn)輸大巷中的新鮮空氣進(jìn)行了一段時(shí)間的自然換熱,所以巷道口處(x=20 m)溫度相對(duì)較低(25.8℃),且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于掌子面的溫度,而沿著巷道向里,越靠近掌子面,溫度越高。

將各斷面到試驗(yàn)區(qū)域入口的距離設(shè)為x,風(fēng)筒出口位置位于C斷面(x=90 m)。巷道內(nèi)空氣的流動(dòng)方向?yàn)橛烧谱用嫦蛲饬鲃?dòng)。從圖2可以看出,當(dāng)開(kāi)一個(gè)電機(jī)進(jìn)行通風(fēng)時(shí),除巷道入口處(x=20 m)的溫度有所升高,其他測(cè)點(diǎn)的溫度都有不同程度的降低,而巷道入口處溫度升高的原因?yàn)殚_(kāi)啟風(fēng)機(jī)通風(fēng)后,新鮮的風(fēng)流與巷道壁面進(jìn)行熱量交換,污風(fēng)隨著風(fēng)流方向排出,致使巷口處溫度有所升高。降溫幅度在D斷面(x=80 m)處取得極大值,降溫后的溫度為26.2℃,除G斷面外,溫度沿D斷面(x=80 m)處兩側(cè)逐漸升高。總體來(lái)看,除巷道入口處的溫度略有上升,整個(gè)掘進(jìn)巷道的溫度都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),但溫度下降的最大值也僅為0.2℃,下降程度較小,難以達(dá)到相關(guān)安全生產(chǎn)需求。

當(dāng)開(kāi)啟兩個(gè)電機(jī)通風(fēng)時(shí),相較于開(kāi)啟一個(gè)通風(fēng)機(jī)通風(fēng),除巷道入口處(x=20 m)的溫度有所升高,其他斷面的溫度都大幅度降低,而巷道入口處溫度升高的原因與開(kāi)啟一個(gè)電機(jī)通風(fēng)時(shí)一樣。降溫幅度在A斷面(x=99.5 m)處取得最大值1.2℃,A斷面(x=99.5 m)降溫后的溫度為25.1℃。總體來(lái)看,通風(fēng)1 h后,巷道內(nèi)的風(fēng)流速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)都較為穩(wěn)定,溫度沿氣體流動(dòng)方向逐漸升高,溫度曲線近似線性。

2 深井掘進(jìn)巷道通風(fēng)數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型的理論基礎(chǔ)與主控方程的選擇

為了便于研究,本文提出了以下假定[11-12]:將通風(fēng)空氣看作是一種不可壓縮的介質(zhì),在不考慮由于液體黏度作用而產(chǎn)生的熱量消耗、水蒸氣的蒸發(fā)和瓦斯解吸的情況下,將空氣與固體的物性參數(shù)看作是一個(gè)常量;流體在湍流中的黏滯特性是等向同性的,其黏滯系數(shù)V按標(biāo)量法計(jì)算;流體為穩(wěn)定的湍流,并符合布辛尼斯克假說(shuō);氣體成分間無(wú)化學(xué)作用。

氣流在掘進(jìn)巷道的流動(dòng)遵守質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。盡管這些方程中變量各不相同,但均可反映單位時(shí)間和單位體積內(nèi)物理量的守恒性質(zhì)。其通用形式如下[13]:

式中,ρ為氣體密度,kg/m3;φ為通變量,代表速度v、溫度T、濃度C等;u為對(duì)流項(xiàng);Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為廣義源項(xiàng)。

井下風(fēng)流絕大部分處于湍流狀態(tài)。因此,在模擬實(shí)際過(guò)程中就必須選取相應(yīng)的湍流計(jì)算模型,并進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。本文采用考慮浮力作用的雙方程模型(標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型),流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流,且滿足Boussinesq假設(shè)。

2.2 物理模型的建立

根據(jù)夏甸金礦通風(fēng)降溫試驗(yàn)的巷道參數(shù),用Gambit軟件建立巷道的三維幾何模型,如圖3所示。

圖3 巷道三維幾何模型

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件的設(shè)定

對(duì)建立的巷道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,Elements選擇Tet/Hybird(混合網(wǎng)格),設(shè)定巷道體網(wǎng)格大小即Interval size為0.2,劃分網(wǎng)格總數(shù)為488 227,如圖4所示。

圖4 巷道模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)掘進(jìn)巷道的物理模型以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定值確定邊界條件。以風(fēng)筒出口處為模型的入口邊界,設(shè)置為速度入口,入口溫度為297.8 K(24.8℃),入口風(fēng)速為24 m/s。以掘進(jìn)巷道入口處為模型的出口邊界,設(shè)置為自由出口。

設(shè)置無(wú)滑動(dòng)邊界條件為壁面邊界條件,設(shè)置壁面溫度為300.3 K(27.3℃),設(shè)定壁面與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)為15 W/(m2·℃)。確定邊界條件后,運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬并分析模擬結(jié)果。

2.4 深井掘進(jìn)巷道內(nèi)風(fēng)流速度場(chǎng)規(guī)律研究

圖5為深井掘進(jìn)巷道的風(fēng)流速度場(chǎng)分布,掘進(jìn)巷道風(fēng)流速度場(chǎng)可以分為兩大區(qū)域,以風(fēng)筒出口(即C斷面)為界,風(fēng)筒出口至掌子面為風(fēng)流高速區(qū),風(fēng)筒出口至回流方向?yàn)轱L(fēng)流低速區(qū)。其中風(fēng)流高速區(qū)的風(fēng)流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,風(fēng)流比較紊亂,在掌子面處產(chǎn)生了渦流,如圖5(a)所示。風(fēng)速由掌子面向工作面后方迅速減小,距掌子面20 m 外,風(fēng)流比較穩(wěn)定,如圖5(b)所示。

圖5 風(fēng)流分布

2.5 深井掘進(jìn)巷道內(nèi)溫度場(chǎng)規(guī)律研究

圖6為A斷面至G斷面的溫度分布。由圖6可知,隨著各斷面與掌子面距離的增大,各斷面的溫度也隨之增大。風(fēng)流自風(fēng)筒口(C斷面)噴出后,先到達(dá)掌子面,之后再沿巷道流出,期間不斷與巖壁進(jìn)行熱交換,巖壁給風(fēng)流傳熱,風(fēng)流溫度升高,隨后風(fēng)流沿巷道流出,風(fēng)流沿巷道運(yùn)動(dòng)路程越長(zhǎng),巖壁給風(fēng)流傳熱也越多。由圖6可知,各斷面的中心溫度較低,而四周溫度相較于中心溫度較高,這是由于四周的風(fēng)流距巖壁更近,熱傳導(dǎo)更快。

圖6 斷面溫度分布

圖7(a)為D斷面(x=80 m)的溫度分布。由圖7(a)可知,D斷面(x=80 m)距離掌子面20 m處,比較靠近新鮮風(fēng)流,并且風(fēng)流比較穩(wěn)定。整個(gè)斷面溫度普遍偏低,比較接近入風(fēng)溫度。整體來(lái)看,上部溫度略高于下部溫度。

圖7 D 斷面與F 斷面溫度分布圖

圖7(b)為F斷面(x=50 m)的溫度分布圖。由圖7(b)可知,F斷面(x=50 m)距離掌子面50 m處,風(fēng)流也比較穩(wěn)定,風(fēng)流溫度高于D斷面。巷道周圍靠近巖壁的溫度較高,巷道中心的溫度較低。相比D斷面,F斷面的巖壁溫度對(duì)巷道溫度的影響要大一些。雖然兩個(gè)斷面的整體溫度都較低,但風(fēng)筒與巖壁接點(diǎn)處的溫度卻偏高,這是由于該接點(diǎn)處的空間相較于整個(gè)巷道來(lái)說(shuō)較為狹小、空氣流動(dòng)不通暢及氣流流動(dòng)速度慢,導(dǎo)致該位置的溫度偏高。

3 深井巷道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

定義通風(fēng)前后的風(fēng)溫溫差與通風(fēng)前風(fēng)溫的比值為降溫率λ[14],表1為開(kāi)兩個(gè)電機(jī)通風(fēng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)比。

表1 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比

由表1可知,除G斷面外,其他斷面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,溫差最大為0.39℃,降溫率之差最大為1.47個(gè)百分點(diǎn),模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠。而G斷面的數(shù)據(jù)不僅沒(méi)有降溫,反而升溫,這是由于G斷面在通風(fēng)試驗(yàn)前已經(jīng)與外部巷道進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的熱量交換,溫度遠(yuǎn)低于巷道內(nèi)的溫度。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)分析夏甸金礦深井通風(fēng)降溫試驗(yàn)的數(shù)據(jù)得出:開(kāi)一個(gè)電機(jī)通風(fēng)時(shí),風(fēng)量較小,降溫效果不明顯;開(kāi)兩個(gè)電機(jī)通風(fēng)時(shí),風(fēng)量增大,降溫效果相較于開(kāi)一個(gè)電機(jī)通風(fēng)時(shí)出現(xiàn)顯著提升。說(shuō)明風(fēng)量的大小會(huì)對(duì)降溫效果產(chǎn)生直接的影響,風(fēng)量越大,降溫效果越明顯。開(kāi)兩個(gè)電機(jī)通風(fēng)時(shí),沿著風(fēng)流的流動(dòng)方向,巷道溫度也逐漸升高,溫度分布曲線近似線性。

(2) 根據(jù)Fluent模擬結(jié)果可知,在對(duì)深井巷道進(jìn)行局部通風(fēng)后,在深井巷道內(nèi)會(huì)形成兩個(gè)區(qū)域,在距掌子面20 m 內(nèi)會(huì)形成一個(gè)風(fēng)流高速區(qū),風(fēng)流紊亂,并在掌子面形成渦流,而在距掌子面20 m 外會(huì)形成另外一個(gè)區(qū)域,風(fēng)流比較穩(wěn)定。由于巖壁不斷地與風(fēng)流進(jìn)行熱交換,對(duì)于整條通風(fēng)巷道的溫度會(huì)呈現(xiàn)出離掌子面越近溫度越低的規(guī)律,而對(duì)于巷道內(nèi)同一斷面的溫度,則會(huì)呈現(xiàn)出中間低四周高的規(guī)律。

(3) 通過(guò)對(duì)比分析深井巷道通風(fēng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與Fluent模擬結(jié)果可知,除G斷面外,其他斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果相比,最大溫差為0.39℃,降溫率之差最大為1.47個(gè)百分點(diǎn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果基本相同,驗(yàn)證了Fluent數(shù)值模擬方法的可靠性,該試驗(yàn)與模擬結(jié)果為夏甸金礦其他掘進(jìn)巷道的通風(fēng)降溫問(wèn)題提供了參考依據(jù)。