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通风及机械制冷条件下高家堡煤矿3407掘进巷道降温研究

2024-12-13 70 上传者：管理员

摘要：选取高家堡煤矿3407掘进工作面为研究对象，基于Fluent数值模拟，构建掘进巷道几何模型，进行网格独立性测试和现场模型验证，研究了通风条件和机械制冷条件对掘进巷道热环境降温的影响。数值模拟结果表明，通风条件下随着进风速度的增加，掘进巷道风流的温度逐渐降低；机械制冷条件下，空冷器可以降低送风温度，使掘进工作面温度大幅度降低，送风距离越小掘进巷道冷却性能越好，送风距离设置为15 m时温度约为27℃。本研究致力于为工程掘进巷道温度预测提供参考。

关键词：
掘进巷道
数值模拟
机械制冷条件
热环境
通风条件
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近年来，随着矿井日益综合机械化，井下设备释放到空气中的热量显著增加，加之地热影响，深部巷道出现了高温高湿的现象。煤矿井下的高温问题会严重影响井下作业人员的身心健康，制约企业经济效益的发展[1-4]。当掘进工作面采用局部通风机通风且通风距离较长时，工作面内很难形成循环风流，使热害问题变得更为严重[5-6]。目前，部分研究者针对掘进工作面的温度场和风流场等开展了相关数值模拟研究。辛嵩等[7]通过建立轨道巷机掘工作面1∶1物理模型，分析了掘进工作面冷却的影响因素。孙勇等[8]对通风过程中的风流、巷道围岩和机械设备散热的热湿交换进行模拟，发现增大供风量可以降低巷道温度。程力等[9]对掘进巷道速度场分布规律进行分析，得到了风源在有、无制冷条件下巷道热环境分布规律。董孝通等[10]采用正交试验与控制变量的方法，对掘进巷道热环境的影响因素进行了探讨与分析。

综上，关于不同通风条件对掘进巷道热环境影响已开展了相关研究，而机械制冷条件下掘进巷道热环境的降温问题仍需进一步深入研究。为此，基于Fluent数值模拟软件，通过现场实测与模拟结合验证模型的可靠性，探究了通风及机械制冷条件对掘进巷道热环境降温的影响，为进一步改善巷道热环境提供参考价值。

1、通风模型建立及参数选择

1.1 模型建立

高家堡煤矿位于陕西彬长矿区西北部，平均地温梯度为3.18 ℃/100 m, 井田东区以一级热害为主，西区以二级热害为主，地温极值为46 ℃。高家堡煤矿正在进行1 744 m深掘进，许多掘进巷道面临高温威胁。主采4号煤层，底板标高为+22.04～+298.00 m, 煤层埋深581.50～1 195.70 m。选定的研究对象为3407掘进工作面，根据巷道的施工设计图可以得出巷道工况参数见表1。在模拟中构建巷道模型时不考虑排水沟的构建，且由于轨道断面相比较工作面可以忽略。巷道建模截面尺寸如图1所示。

表1 巷道几何模型参数

图1 巷道建模截面尺寸示意

1.2 边界条件

根据3407掘进巷道的现场通风条件，主要热源是巷道围岩散热和铲运机的内燃机散热。从巷道围岩内部传来的热通量将随着通风时间的延长而减少，而原岩温度可视为常数，因此温度边界条件适用于原始围岩的壁面。表2列出了所建立的流场求解模型及参数设置。采用二阶迎风格式近似控制体表面的对流项，压力-速度耦合方法采用耦合算法。当除了能量之外的所有方程的比例残差达到10-3,能量比例残差达到10-6时，假设获得收敛。

表2 模拟参数的设置

1.3 网格划分

在网格划分时，考虑实际风流在掘进头区域内的流动，采用六面体网格进行高精度处理。网格划分如图2所示。

图2 网格划分模型

1.4 网格独立性测试

Ansys Meshing采用非结构网格对计算域进行离散生成了低、中、高3种质量的网格单元，网格数量分别为975 813、2 136 655和3 200 782,随后，利用Ansys Fluent对风流流场进行了模拟。结果显示，中等质量网格与高等质量网格得到的风流数据相比，偏差约为3.4%,然而，当网格质量较低时得到的数据与高等质量网格得到的风流数据相比偏差高达15.1%,如图3所示，表明低质量的网格划分模拟结果欠佳。考虑到仿真效率等因素的影响，物理模型选择中等质量的网格划分。

图3 不同网格质量下的风流模拟数据比较

中等质量网格中四面体网格(Tet 4)、六面体网格(Hex 8)和棱柱(Wed 6)网格的单元数分别为1 725 170、405 000和6 485,其中最小网格质量和最大网格质量分别为0.075 3和0.951,平均网格质量为0.788 32,网格无负值，网格质量良好，可用于数值模拟，网格质量分布如图4所示。中等质量网格的统计数据显示，最大偏斜率低于0.89,平均值为0.24,最小正交质量高于0.1,平均值为0.78,网格质量良好。

图4 网格质量分布

2、模型模拟与实测验证

2.1 测点布置

采用日本图技GL840多通道数据记录仪、TES-1361C温湿度计、分体式风速风量计、YHJ-200J矿用本安型激光测距仪等仪器对掘进巷道尺寸参数、通风参数随通风距离增加的变化进行测量与记录。

为了在实际掘进巷道中验证来自围岩和柴油设备的热负荷，本次实测分别测量了巷道的尺寸参数、通风参数以及生产期间巷道内风流干球温度随时间的变化，并进行了数据记录。巷道参数及测点布置如图5所示，掘进巷道测点布置如图6所示。

图5 巷道参数及测点布置

图6 掘进巷道测点布置示意

2.2 现场验证

图7显示出测点A水平线上各测点现场实测结果与数值模拟结果，可以看出二者虽不完全相同，但具有相同的变化趋势。由于现场环境和风流流动的复杂性，现场实测结果与数值模拟结果不完全一致，但总的来说，现场实测结果与数值模拟结果在误差允许范围内基本保持一致，因此，所建立模型可用于后续的模拟研究。

图7 掘进工作面实测与模拟结果对比

3、模拟结果及分析

3.1 通风条件下掘进巷道降温数值模拟

3.1.1 送风速度变化对掘进巷道热环境影响

假定风筒送风温度为24 ℃,风筒出口距掘进头距离为6 m。分别模拟风筒送风速度为4 m/s、6 m/s、8 m/s和10 m/s时，掘进工作面附近的速度场和温度场分布，结果如图8所示。

由图8可知，在掘进工作面附近，风流的结构较为复杂。

①根据浮升力和诱导力大小的不同，掘进工作面压入式通风的射流会出现偏移现象。射流出口的风速越大，贴附效应产生的向上作用力越大，射流在巷道顶部区域上的风速会有所增大。②随着供风速度在一定范围内的逐渐增加，空气在巷道流动的气流流型不会产生较大变化，但同一区域的风流速度会有所增大；若继续加大供风速度，则气流流型会发生改变，主流区与回流区之间的断层变得明显。

不同供风量情况下的掘进巷道风流温度分布如图9所示。

图8 风流速度场随送风速度变化分布云图

图9 风流温度场随送风速度变化分布云图

由图9可知：①随着风流向顶板、底板和侧壁方向的不断扩张流动，风流温度也逐渐升高；风量增大，射流的贴附温度区域越长，温度也会越低。②当进风速度增大时，气流的动量增大，气流所带来的冷量也增大，巷道内的温度也就越低。随着进风速度的增加，掘进巷道风流的温度随着风速的增加而逐渐降低。

3.1.2 送风温度变化对掘进巷道热环境影响

假定风筒送风温度为24 ℃,风筒出口距掘进头距离为6 m, 风筒送风速度为6 m/s时，模拟掘进工作面附近的速度场和温度场分布，结果如图10所示。掘进工作面压入式通风属于受限附壁射流通风，随着气流的卷吸作用，从风筒出口射出的射流截面逐步扩大，当达到一定程度时，射流的部分空气开始析出。

不同进风速度情况下的掘进巷道风流温度分布如图11所示。由图可知：①在风流从风筒出口射出到掘进工作面过程中，由于巷道壁面原始岩温较高、掘进设备散热大等特点，风流与其进行激烈的热湿交换，沿着风流的流动方向，风流的温度逐步增加；在掘进巷道同一断面的风流中，气流浮升力会使热气流不断上升，从而导致巷道断面的温度逐步降低(自上而下)。②随着进风温度的降低，巷道温度也得到有效的降低，当进风温度为24 ℃时，巷道内的风流温度均超过28 ℃,局部掘进工作面风温高达33 ℃。

图10v=6 m/s时风流速度场随送风速度变化分布云图

图11 风流温度场随送风速度变化分布云图

3.2 机械制冷条件下掘进巷道降温数值模拟

3.2.1 制冷温度对掘进巷道热环境影响

空冷器可以较大程度降低送风温度，使得进入掘进工作面的风流温度更低，具备更多的冷量与掘进工作面的热源进行热湿交换，从而更大幅度降低掘进工作面的温度。风流温度场随送风温度的变化分布如图12所示，当送风温度为20 ℃,风筒到作业区域距离为10 m的情况下，由图12(a)可以看出，冷量由风筒送出，冷量很快发生扩散，掘进工作面可实现大部分为302 K(28.85 ℃)以下，部分区域稳定在304.4 K(31.25 ℃)。随着送风温度继续降低至18 ℃,由图12(b)可以看出，冷量由风筒送出，由于冷量过多，短距离无法有效扩散，因此，中心区域出现一条低温区域，但掘进工作面整体温度仍可保持302 K(28.85 ℃)以下。

3.2.2 不同送风距离对掘进巷道热环境影响

不同风筒距离工作面距离L条件下掘进巷道内风流流线分布如图13所示。可以看出，长抽短压式通风条件下巷道内风流的运移状况要比单一压入式通风条件下更加复杂。当L=10 m、15 m时，明显风流的速度要高于其他条件下的风流速度，考虑到独头巷道的除尘效果，工作区域内的风流速度不宜过大。

图12 风流温度场随送风温度的变化分布云图

图13 不同送风距离L条件下巷道内风流速度变化云图

不同送风距离L条件下巷道内风流温度变化云图如图14所示。可以看出，巷道后端的温度分布没有明显差异，而巷道工作区域的温度分布存在明显差异。最后，冷风的扩散面积最大。

图14 不同送风距离L条件下巷道内风流温度变化云图

4、结论

(1)在一定范围内，随着供风速度的增加，同一区域的风流速度也随之增大。随着进风速度的增加，掘进巷道风流的温度逐渐降低。

(2)随着进风温度的降低，巷道温度也逐渐降低。当进风温度为24 ℃时，巷道内的风流温度均超过28 ℃,局部掘进工作面风温高达33 ℃。

(3)空冷器可降低送风温度，使掘进工作面温度大幅度降低，送风距离越小掘进巷道冷却性能更好，送风距离设置为15 m时温度约为27 ℃。

参考文献:

[1]徐宇,李孜军,贾敏涛,等.深部矿井热害治理协同地热能开采构想及方法分析[J].中国有色金属学报,2022,32(5):1515-1527.