劉桂平

（中國平煤神馬集團技術中心，河南省平頂山市，467000）

高溫掘進巷道溫度場影響因素分析研究

劉桂平

（中國平煤神馬集團技術中心，河南省平頂山市，467000）

針對高溫掘進巷道，通過數(shù)值模擬方法研究其溫度場分布。建立數(shù)學模型，設定巷道壁面溫度沿長度方向變化，得出降溫前后巷道溫度分布變化云圖，與井下實測溫度值進行比對。具體分析了風流溫度、風量以及風筒位置對巷道溫度場的影響。結果表明，降低巷道入風溫度，巷道內溫度明顯降低，但會造成冷量分布不均，擴大巷道內部風流溫差；增大風量可以擴大巷道內低溫區(qū)域，但對巷道內溫度的降低作用不大；調節(jié)風筒離工作面距離可以改善巷道內溫度分布，降低巷道內風流溫差。

礦井降溫 掘進巷道 數(shù)值模擬 風流溫度 風量 風筒位置 優(yōu)化運行

礦井降溫是高投入、高能耗的復雜系統(tǒng)工程。分析高溫巷道溫度場影響因素，進行降溫優(yōu)化等方面的研究具有重要意義。掘進巷道受圍巖散熱、機電設備散熱等因素的影響，容易出現(xiàn)高溫熱害問題，相比于其他熱源，圍巖散熱具有持續(xù)性和散熱量大的特點。由于掘進巷道不斷向前開拓，受通風影響，靠近工作面壁面溫度接近原巖溫度，遠離工作面壁面溫度有所降低。前人對掘進巷道熱環(huán)境進行過相關模擬研究，但在建立模型時往往將巷道壁面溫度設定為某一定值，與實際不符。

1　數(shù)值計算模型

1.1數(shù)學假設

掘進巷道采用壓入式通風方式，對巷道內氣流進行如下假設:

（1）氣流視為不可壓縮氣體，忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱，不計水分蒸發(fā)；

（2）流動的紊流黏性具有各向同性，紊流黏性系數(shù)為標量；

（3）流動為穩(wěn)態(tài)紊流，滿足Boussinesq假設；

（4）氣流的各組分之間沒有化學反應；

（5）氣流在掘進巷道內的流動滿足質量守恒定律、動量守恒定律以及能量守恒定律。

質量守恒定律為單位時間內流體微元中質量的增加與同一時間間隔內流入該微元體的凈質量相等。根據(jù)該定律，可以得出質量守恒方程:

式中:ρ——氣體密度；

t——時間；

ui——坐標系中i方向上的速度；

xi——坐標系中i方向上的空間位置；

Sm——加入到連續(xù)相的質量或其他自定義源項。

在慣性坐標系中i方向上的動量守恒方程為:

式中:xj——坐標系中j方向上的空間位置；

uj——坐標系中j方向上的速度；

p——靜壓；

τij——應力張量；

gi——坐標系中i方向上的重力；

Fi——坐標系中i方向上的外部體積力。能量守恒方程為:

式中:T——溫度；

u——速度矢量；

h——流體的傳熱系數(shù)；

Cp——比熱容；

ST——其他體積熱源。

1.2物理模型建立

根據(jù)某礦一掘進巷道實際尺寸，使用ANSYS14.5軟件ICEM CFD模塊建立幾何模型，見圖1。巷道斷面為三心拱，拱高1.15 m，巷道寬3.45 m，巷道高3.12 m。掘進巷道長度可達數(shù)千米，距離工作面較遠巷道熱環(huán)境的研究意義不大，模型為靠近工作面巷道，長度20 m。風筒位于巷道右側，風筒直徑800 mm，風筒圓心離地面1.53 m，風筒出口離工作面10 m。

圖1　幾何模型

1.3初始條件

模擬計算使用ANSYS14.5軟件中FLUENT模塊。設定壁面巖石密度5111 kg/m3、比熱728.19 J/kg·℃、導熱系數(shù)3.93 W/m·℃。設置工作面壁面溫度為45℃，其余壁面溫度隨z方向位置發(fā)生變化，z從10 m到20 m壁面溫度從28℃到45℃線性增加，z從0 m到10 m壁面溫度28℃。入口定義為速度入口，入口風速15 m/s，湍流強度2.91%，水力直徑0.8 m。降溫前入口風溫28℃，降溫后入口風溫20℃。出口定義為壓力出口。

2　數(shù)值模擬結果與分析

數(shù)值計算收斂后，可以獲得巷道內任意位置的溫度參數(shù)，選取有代表性的線、面將其結果導入TECPLOT軟件進行后處理。

2.1數(shù)值模擬與實測值比較

為了降低其他因素對結果的影響，選擇掘進機停止工作且無灑水等干擾因素時進行實測。測量選擇巷道中間部位，具有代表性，測點坐標:x=1.725 m，y=1.53 m，z=｛0 m，1 m，……，20 m｝，共21個測點。將不同位置上21個點的溫度實測值繪制成曲線，模擬值為對應位置上連續(xù)變化的曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，實測值和模擬值溫度最高點均出現(xiàn)在巷道中間某處，而并非巷道內部或巷道最外側，這種現(xiàn)象被稱為回頭熱。這是因為風流回流過程中不斷吸熱，溫度不斷升高，而后由于巷道外側壁面溫度較低，風流溫度停止升高并有所降低。

另外，實測值與模擬值略有不同，主要原因是受到熱水放熱、礦物氧化、濕交換以及工作面附近物體干擾氣流流動等因素的影響。但巷道主要熱源為圍巖散熱，且模擬值與實測值變化趨勢基本相同，溫度差在0.5℃以內，證明本文所使用模擬方法具有可信性。

圖2　巷道中心實測與模擬溫度值

2.2降溫前后巷道溫度分布

為了查看巷道溫度分布，取z為19.9 m、15 m、10 m、5 m、0.1 m 5個截面，入口風溫28℃（降溫前）及20℃（降溫后）對應溫度分布如圖3所示。

圖3　降溫前、后巷道溫度分布圖

從圖3（a）可以看出，僅風筒出口處溫度在28℃，整個巷道內大部分區(qū)域溫度在30℃以上，工作面風筒對側溫度較高，達到33℃，風流最低處與最高處溫差5℃。采取制冷降溫措施降低送風溫度，如圖3（b），巷道大部分區(qū)域溫度降低到26℃以下，但仍有高溫區(qū)域，風筒對側溫度明顯高于風筒一側，冷量分布不均勻，最低處溫度20℃，最高處溫度27℃，溫差7℃。

為進一步觀察巷道內溫度分布，取y=1.53 m，x=0.45 m、1.725 m 3個截面，降溫前、后溫度分布如圖4所示。

圖4　降溫前、后巷道截面溫度分布圖

圖4中，y=1.53 m截面溫度分布代表風筒橫向截面，可以直觀地看出風流從風筒流出前后在巷道內的溫度變化，風流在風筒內流動溫度有所上升，但不明顯，而風流從風筒流出后溫度不斷上升。降溫前入風溫度28℃，工作面風溫30℃左右；降溫后入風溫度20℃，工作面風溫24℃左右?？梢钥闯鼋禍睾笙锏纼蕊L流溫度明顯降低，降溫效果顯著。

圖4中，x=0.45 m截面代表風筒豎向截面，x=1.725 m截面代表巷道中間豎向截面。可以看出，降溫前x=0.45 m截面風筒出口至工作面風流溫度在29℃左右，而x=1.725 m截面溫度已升高至30℃左右。降溫后，x=0.45 m截面風筒出口至工作面溫度在20～23℃，溫度偏低且風速大，會使工人感覺偏冷；而x=1.725 m截面低溫區(qū)域已明顯減小，結合圖3（b）可以看出，沿x方向繼續(xù)遠離風筒，溫度繼續(xù)上升，達到27℃。

3　影響因素研究

高溫掘進巷道溫度場受眾多因素影響，其中易于改變并具有代表性的影響因素主要有入風溫度、風量以及風筒位置等。為進一步降低巷道內風流溫度，優(yōu)化降溫效果，并觀察各影響因素對掘進巷道溫度場的影響，筆者進行了以下3種影響因素的模擬:

（1）保持風量不變，降低入風溫度；

（2）保持入風溫度不變，增加風量，即增大風速；

（3）其他均保持不變，改變風筒出口離工作面距離。

3.1入風溫度

為研究入風溫度對巷道內部熱環(huán)境的影響，將入風溫度分別降低為18℃、16℃進行模擬計算。巷道y=1.53 m截面以及中間線｛x=1.725 m，y=1.53 m，z∈（0 m，20 m）｝更易于直觀查看巷道溫度變化。入風溫度20℃、18℃、16℃三組工況對應y=1.53m截面溫度如圖5所示，三組工況對應中間線溫度值如圖6所示。

圖5　y=1.53 m截面不同入風溫度溫度分布

圖6　不同入風溫度巷道中間溫度值

由圖5可以看出，隨著入風溫度的降低，巷道溫度明顯降低。由圖6可以看出，入風溫度越低風流溫差越大，入風溫度20℃時，巷道中間線溫差1.7℃；入風溫度16℃時，巷道中間線溫差2.8℃。

降低入風溫度是有效的降溫手段，但會造成冷量分布不均勻，溫差大。

3.2風量

為研究風量對巷道內部熱環(huán)境的影響，保持風筒直徑不變，將入風速度分別提高至17 m/s、20 m/s進行模擬計算。入風速度15 m/s、17 m/s、20 m/s三組工況對應y=1.53 m截面溫度情況如圖7所示，三組工況對應中間線｛x=1.725 m，y=1.53 m，z∈（0 m，20 m）｝溫度值如圖8所示。

圖7　y=1.53 m截面不同入風速度溫度分布

圖8　不同入風速度巷道中間溫度值

由圖7可以看出，入風速度提高，巷道低溫區(qū)域增加。由圖8可以看出，入風速度提高為20 m/s，巷道內風流溫度降低幅度小于0.5℃，增大風量對巷道熱環(huán)境具有積極影響，但要獲得理想的效果需要極大的增加風量，在實際降溫工程中難以具備這樣的條件。

3.3風筒位置

為研究風筒位置對巷道內部熱環(huán)境的影響，將風筒出口距工作面的距離分別改為8 m、12 m進行模擬計算。風筒出口距離工作面10 m、8 m、12 m三組工況對應y=1.53 m截面溫度如圖9所示，三組工況對應中間線｛x=1.725 m，y=1.53 m，z∈（0 m，20 m）｝溫度值如圖10所示。

圖9　y=1.53 m截面不同風筒出口距離工作面溫度分布

圖10　不同風筒出口距離工作面巷道中間溫度值

由圖9可以看出，風筒出口距離工作面縮短為8 m時，巷道低溫區(qū)域減少，工作面溫度降低0.3℃；風筒出口距離工作面增加為12 m時，巷道低溫區(qū)域增大，工作面溫度增加0.4℃。由圖10可以看出，風筒出口距離工作面越近，工作面溫度越低，相反出口處溫度越高。

風筒出口距離工作面12 m時巷道溫差最小，風筒出口距離工作面8 m時巷道溫差最大，說明在一定范圍內適當改變風筒位置可以優(yōu)化巷道溫度分布。在實際降溫工程中可以通過尋找合適的風筒位置以優(yōu)化巷道風流溫度場。

4　結論

（1）掘進巷道采用壓入式通風方式時，巷道內溫度分布受風流影響較大，內部風流存在兩個高溫區(qū)域:工作面風筒對側，該區(qū)域風速小，風流擾動小，風溫較高；巷道風流回流區(qū)，巷道內部壁面溫度較高，風流在流動過程中從內部吸取一定熱量，并在回流過程中不斷吸熱，巷道風流回流區(qū)風溫較高。

（2）采用制冷降溫措施降低入風溫度是解決巷道內部高溫熱害的有效措施。降低巷道入風溫度后，巷道內部風流溫度均有所降低，受壓入式通風降溫方式的限制，巷道內部冷量分布不均勻，風流溫差大。

（3）入風溫度、風量以及風筒位置均對巷道內部溫度場產生一定影響。隨著入風溫度的降低，巷道內部溫度不斷降低，溫差不斷加大；隨著巷道風量的增加，巷道內部低溫區(qū)域不斷擴大，溫度降低不明顯；適當?shù)娘L筒位置可以改善巷道內冷量分布，降低巷道內風流溫差。

（4）為進一步研究巷道內熱環(huán)境，可考慮濕交換、掘進機散熱以及工作面附近物體的影響等因素。對掘進巷道熱環(huán)境優(yōu)化的研究應致力于改進降溫方式，使得冷量均勻分布。

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（責任編輯 張艷華）

Analysis study of influence factor of temperature field of excavation roadway with high temperature

Liu Guiping
（The Technology Center of China Pingmei Shenma Group，Pingdingshan，Henan 467000，China）

The temperature field distribution of excavation roadway with high temperature was studied by the numerical simulation method.The cloud charts of temperature distribution of roadway coal pillar along the excavation way before and after temperature cooling were obtained by establishing the mathematical models，and then the calculation temperature distribution was compared with the field measured temperature distribution，the effect of airflow temperature，air quantity，air duct location on temperature field of roadway was analyzed.The results show that lowering the roadway entrance air temperature，resulting in a significant drop of temperature in the roadway，but with an uneven distribution of cold air and the expanded temperature variations of the internal airflow in the roadway；increasing the airflow quantity can expand the low temperature regions，but can't lower the temperature in the roadway；regulating the distance of air duct from the working face can improve the temperature distribution and reduce the airflow temperature difference in the roadway.

mine cooling，excavation roadway，numerical simulation，airflow temperature，airflow quantity，air duct location，optimized operation

TD727.2

A

劉桂平（1960-），男，河南人，高級工程師，長期從事煤礦井下礦井降溫技術研究與應用工作，主持完成國內首次熱電低溫乙二醇制冷降溫系統(tǒng)實施與推廣工作。