司俊鴻，孫金華，李 林，胡 偉，李沂蔓，李 潭

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，安徽 合肥 230026；2.華北科技學(xué)院 應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院，河北 廊坊 065201)

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是礦井安全生產(chǎn)的重要前提和保障[1]。礦車作為井下常用運(yùn)輸設(shè)備，其與井下巷道構(gòu)成的巷道-礦車系統(tǒng)是影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流擾動的主要因素之一。受礦車運(yùn)行狀態(tài)、行駛位置影響，巷道-礦車系統(tǒng)的等效風(fēng)阻動態(tài)變化，使得礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)各分支風(fēng)量重新分配[2]，對于井下角聯(lián)巷道極易出現(xiàn)微風(fēng)、無風(fēng)現(xiàn)象[3]。當(dāng)巷道風(fēng)量不滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的井下巷道風(fēng)速、用風(fēng)地點需風(fēng)量要求時，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。

車輛運(yùn)行與通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)系研究起源于隧道通行車輛引起的空氣動力學(xué)問題，大量研究成果集中在地鐵隧道領(lǐng)域，通過分析高速列車在隧道中運(yùn)行產(chǎn)生的活塞效應(yīng)，研究活塞風(fēng)形成機(jī)理?；趧泳W(wǎng)格法和動量源項法的計算機(jī)數(shù)值模擬[4]以及現(xiàn)場實測[5-7]方法確定單向行車[8]、車輛交錯[9]時活塞風(fēng)對隧道風(fēng)阻系數(shù)的影響[10]。

煤礦井下礦車運(yùn)行對通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流擾動的研究主要集中在礦車參數(shù)對活塞風(fēng)效應(yīng)的影響。王文才等[11]基于計算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法，研究了單一巷道中活塞風(fēng)效應(yīng)影響因素以及活塞風(fēng)對通風(fēng)系統(tǒng)的影響；王從陸等[12]研究了礦車運(yùn)行時活塞風(fēng)速度場、空氣流場和壓力分布情況，得出了礦車附近區(qū)域風(fēng)速變化較大；鄔長福等[13]采用控制變量法研究了礦車速度、巷道風(fēng)速和阻塞比對井巷活塞風(fēng)效應(yīng)的影響；謝中朋[14]建立了通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型，研究了礦車運(yùn)行狀態(tài)對通風(fēng)系統(tǒng)的影響，得出了通風(fēng)困難時期活塞風(fēng)對通風(fēng)系統(tǒng)的影響嚴(yán)重；張宏杰等[15]研究了車輛行駛與巷道通風(fēng)阻力的關(guān)系，推導(dǎo)了車輛運(yùn)行巷道百米阻力經(jīng)驗公式；李義杰[16]通過Fluent軟件研究了礦車運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行長度對巷道通風(fēng)阻力以及風(fēng)阻的影響；彭云等[17]研究了礦車狀態(tài)與活塞風(fēng)效應(yīng)的關(guān)系，得出了礦車尾部和底部活塞風(fēng)效應(yīng)較強(qiáng)，空載時對通風(fēng)阻力的影響較大。

隨著監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的提升，獲取有效的通風(fēng)系統(tǒng)基本參數(shù)，研究風(fēng)流擾動的基本特征規(guī)律，確定巷道-礦車系統(tǒng)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的擾動風(fēng)阻，提出保障礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，是礦井智能化通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展面臨的瓶頸[18-19]。

本文基于巷道風(fēng)流擾動原理，提出巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)流擾動模式以及表征巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)流擾動特征的關(guān)鍵參數(shù)，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，采用實驗方法研究巷道-礦車系統(tǒng)的風(fēng)流擾動特征規(guī)律，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的智能化調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)流擾動模式

巷道空間為半封閉式受限空間，礦車可視為空間正面阻力物。當(dāng)?shù)V車在巷道中行駛時，占據(jù)巷道部分空間，導(dǎo)致巷道斷面發(fā)生動態(tài)改變，起到調(diào)節(jié)風(fēng)窗增阻作用。礦車運(yùn)行時，巷內(nèi)風(fēng)流受限于礦車車身、巷道兩幫以及頂?shù)装?，機(jī)械能與風(fēng)流場耦合，發(fā)生能量交換，風(fēng)流流速以及礦車前后壓差發(fā)生改變，導(dǎo)致巷內(nèi)風(fēng)流紊亂，巷道-礦車系統(tǒng)的等效風(fēng)阻發(fā)生變化，其變化量與礦車的物理參數(shù)以及運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。

當(dāng)?shù)V車運(yùn)行方向與巷道風(fēng)流方向一致，即順風(fēng)行駛，且礦車行駛速度大于巷道風(fēng)速時，礦車的機(jī)械能對風(fēng)流場作正功，增加了風(fēng)流能量，對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了增壓調(diào)節(jié)，有利于礦井通風(fēng)；當(dāng)?shù)V車順風(fēng)行駛，但行駛速度小于巷道風(fēng)速，或礦車行駛方向與巷道風(fēng)流方向相反，即逆風(fēng)行駛時，均會導(dǎo)致巷道內(nèi)風(fēng)量減少，甚至出現(xiàn)局部反風(fēng)，同時增加巷道風(fēng)阻，即對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了增阻調(diào)節(jié)。由此可見，礦車運(yùn)行對原通風(fēng)狀態(tài)造成擾動，從正擾動和負(fù)擾動2方面影響通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)流擾動影響因素

巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)流擾動與礦車運(yùn)行狀態(tài)、礦車位置、礦車在巷道內(nèi)的阻塞比、阻力損失、巷道風(fēng)阻等因素密切相關(guān)，其中巷道風(fēng)阻、巷道斷面積、巷道長度、礦車長度、礦車橫截面積是固定物理常數(shù)，巷道風(fēng)速、巷道阻力損失、礦車行駛速度、行駛時間、運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)可通過監(jiān)控系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，提出擾動風(fēng)阻、阻塞比、礦車位置3個參數(shù)表征巷道-礦車系統(tǒng)的風(fēng)流擾動特征。巷道-礦車風(fēng)流擾動影響因素如圖1所示。

圖1 巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)流擾動影響因素Fig.1 Influencing factors for airflow disturbance of roadway-harvester system

1)礦車位置

礦車運(yùn)行位置與礦車運(yùn)行狀態(tài)、巷道長度、礦車長度、礦車行駛速度、行駛時間等因素有關(guān)，礦車與某條巷道的相對位置主要包括以下5種情況：礦車未駛?cè)氪讼锏?、礦車部分車體駛?cè)胂锏馈⒌V車全部車體在此巷道、礦車部分車體駛出巷道、礦車全部車體在此巷道運(yùn)行。礦車運(yùn)行位置能夠引起巷道斷面變化，對通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量、風(fēng)壓分配以及局部阻力造成影響。

2)阻塞比

阻塞比是礦車橫截面積與巷道斷面積比值，用于描述有效通風(fēng)斷面。阻塞比值影響空間正面阻力物在風(fēng)流垂直方向上的投影大小，投影越大巷內(nèi)風(fēng)流越容易受壓，擴(kuò)大擾動范圍。

3)巷道擾動風(fēng)阻

巷道擾動風(fēng)阻指礦車所在分支風(fēng)阻的變化量，與巷道風(fēng)速、風(fēng)阻、阻力損失、礦車相對位置和阻塞比有關(guān)。當(dāng)?shù)V車在巷道內(nèi)行駛時，巷內(nèi)風(fēng)流流速大小和方向遇礦車發(fā)生瞬時改變，風(fēng)流分子與礦車猛烈撞擊并產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致巷內(nèi)礦車附近空氣分子運(yùn)動加快，流體間能量流失。風(fēng)流沿巷道流動過程中，流體與流體、流體與巷道壁面之間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生摩擦阻力。因此，阻力損失是礦車的正面阻力和摩擦阻力。

3 巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)流擾動數(shù)學(xué)建模

井下風(fēng)流流動滿足氣體流動非恒定流伯努利方程。礦車在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的位置示意如圖2所示，根據(jù)礦車運(yùn)行位置A，1，2，3，4，B，建立巷道AB擾動風(fēng)阻ΔRAB的計算模型。

圖2 礦車位置示意Fig.2 Schematic diagram for positions of harvester

礦車位于位置1時，未駛?cè)胂锏繟B，沒有對巷道風(fēng)流造成擾動，故巷道擾動風(fēng)阻ΔRAB=0。巷道風(fēng)阻計算如式(1)所示：

(1)

礦車位于位置2時，部分車體駛?cè)胂锏繟B。以巷道為參照系，礦車在巷道內(nèi)行駛滿足連續(xù)性方程如式(2)所示：

v0·S0=vs·(S-S0)+v·S

(2)

式中：v0為礦車行駛速度，m/s；S0為礦車橫截面面積，m2；vs為礦車截面和巷道斷面所構(gòu)成空間的氣流速度，m/s；v為巷道AB的風(fēng)速，m/s，風(fēng)流方向由A到B。

礦車在巷道內(nèi)的阻塞比α計算如式(3)所示：

(3)

由式(2)和式(3)聯(lián)合求解得到氣流速度，如式(4)所示：

(4)

以礦車的迎頭為截面，礦車頭部斷面1與巷道起點斷面A之間以及與巷道末點斷面B的氣流非恒定流伯努利方程如式(5)所示：

(5)

式中：P1，PA，PB分別為1,A,B點處空氣靜壓，Pa；g為重力加速度，一般取9.8 m/s2；hA,h1，hB分別為位置A，1，B點的標(biāo)高，m；x為礦車進(jìn)入巷道AB部分的長度(A點為零點)，m。設(shè)l0為礦車長度，當(dāng)?shù)V車位于位置2時，x≤l0。

令T=PA-PB+ρg(hA-hB)，表示AB2點的靜壓差和位壓差之和，求解式(5)得式(6)：

(6)

令Ki=(ξi+λix/ds)/(1-α)2，i=1,2,3,4。其中，ξi，λi分別為礦車截面和巷道斷面剩余空間的局部和沿程阻力系數(shù)；ds為該區(qū)域空間的當(dāng)量直徑，m。

結(jié)合風(fēng)阻計算公式，得出礦車運(yùn)行時巷道擾動風(fēng)阻ΔRAB計算式(7)：

(7)

式中：RA1，R1B分別表示位置A點到1點和1點到B點的風(fēng)阻，kg/m7。

礦車位于位置3時，礦車全部車體在某條巷道運(yùn)行。當(dāng)l0≤l時，礦車未占滿巷道。如圖2所示，位置3處將巷道分成3段。設(shè)礦車一端斷面2與斷面A的距離為z，則斷面3與斷面B的距離為l-l0-z，礦車運(yùn)行時巷道擾動風(fēng)阻如式(8)所示：

(8)

式中：RA2，R23，R3B分別表示位置A點到2點，2點到3點，3點到B點的風(fēng)阻，kg/m7。

礦車位于位置4時，部分車體駛出某條巷道。以斷面4為切面，可將巷道分為有車和無車兩部分，設(shè)y為礦車未駛出巷道AB部分的長度(B點為零點)，m，y≤l0。非恒定流伯努利方程如式(9)所示：

(9)

式中：P4為位置4點的空氣靜壓，Pa；h4為位置4點的標(biāo)高，m。

聯(lián)合式(4)和式(9)，可得式(10)：

(10)

礦車運(yùn)行時巷道擾動風(fēng)阻如式(11)所示：

(11)

此外，當(dāng)?shù)V車車體長度大于巷道AB的長度時，l0>l，此時巷道風(fēng)流流動屬于定常流動，受礦車運(yùn)行擾動后，巷道擾動風(fēng)阻如式(12)所示：

(12)

Ki按Абрамовец公式簡化計算，如式(13)所示：

(13)

式中：x為礦車在巷道中的長度，m。

聯(lián)合式(6)和式(10)，得出巷道-礦車系統(tǒng)的風(fēng)速v。由于α，hA，hB，l，l0固定，ρ為常數(shù)，因此，只需測定v0，v′，t，PA，PB，即可計算巷道擾動風(fēng)阻。

4 巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)流擾動實驗研究

4.1 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

為減少風(fēng)門、罐籠、井筒等其他擾動對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響[20]，采用礦井通風(fēng)仿真監(jiān)控實驗系統(tǒng)研究礦車運(yùn)行過程中風(fēng)流的變化。實驗系統(tǒng)由模擬巷道、風(fēng)速傳感器、壓力傳感器、變頻風(fēng)機(jī)及控制系統(tǒng)組成，電機(jī)最大頻率為50 Hz，風(fēng)速、壓力等傳感器通過實現(xiàn)相應(yīng)功能的變送器與數(shù)顯顯示器連接，可實時監(jiān)測并獲取巷道風(fēng)量、風(fēng)壓參數(shù)，如圖3所示。

圖3 實驗系統(tǒng)Fig.3 Experimental system

實驗巷道選取易于礦車通行的井底大巷段，巷道長度為4.5 m，巷道斷面為矩形，長度為0.3 m，寬度為0.3 m。礦車采用矩形模塊替代，礦車以速度0.25 m/s逆風(fēng)行駛。傾斜壓差計測量巷道兩端的壓差變化，校正系數(shù)為0.2，測點布置方案如圖4所示。

圖4 測點布置示意Fig.4 Schematic diagram for layout of measurement points

4.2 數(shù)學(xué)模型驗證

采用模擬巷道實測數(shù)據(jù)對礦車擾動數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗證分析。水平巷道勢能為0，兩端壓差計讀數(shù)為15 mmH2O。α=0.36，v0=0.25 m/s，ρ=1.2 kg/m3，λ=0.04，ξ=0.33，d=0.34 m。當(dāng)?shù)V車運(yùn)行至位置2處時，x=0.05 m；位置4處y=0.05 m；當(dāng)?shù)V車運(yùn)行至位置3處時，x=l0=0.1 m。根據(jù)式(6)、式(8)和式(11)分別計算出礦車在巷道不同位置時的擾動風(fēng)阻值，對比結(jié)果見表1。

表1 擾動風(fēng)阻計算值與實測值誤差分析Table 1 Error analysis between calculated values and measured values of disturbance wind resistance

由表1可知，數(shù)學(xué)模型求解結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本匹配，位置3點的誤差最大，為6.84%。

4.3 巷道風(fēng)速與擾動風(fēng)阻的關(guān)系

利用變頻風(fēng)機(jī)研究電機(jī)頻率分別為15，20，25，30，35，40 Hz時，巷道風(fēng)速與巷道-礦車系統(tǒng)擾動風(fēng)阻的關(guān)系。礦車長度為0.1 m，寬度為0.18 m，高度為0.18 m，巷道阻塞系數(shù)為0.36，不同電機(jī)頻率與巷道風(fēng)速的關(guān)系如圖5所示。

圖5 電機(jī)頻率與巷道風(fēng)速關(guān)系Fig.5 Relationship between motor frequency and roadway wind speed

由圖5可知，隨著電機(jī)頻率的增加，巷道風(fēng)速呈線性遞增關(guān)系。通過對礦車在巷道不同位置運(yùn)行時巷道兩端壓差計讀數(shù)測量，得出不同巷道風(fēng)速下礦車運(yùn)行至不同位置時巷道壓差計讀數(shù)，如圖6所示。

圖6 不同電機(jī)頻率下礦車位置與巷道壓差關(guān)系Fig.6 Relationship between harvester position and roadway pressure difference under different motor frequencies

由圖6可知，隨著電機(jī)頻率由15 Hz增加到40 Hz，礦車由B點向A點運(yùn)行過程中，當(dāng)?shù)V車運(yùn)行至斷面B處時，巷道的壓差由8 mmH2O增加到42 mmH2O，增長率為425%；當(dāng)?shù)V車運(yùn)行至斷面A處時，巷道的壓差由6 mm H2O增加到21 mmH2O，增長率為250%；當(dāng)?shù)V車在巷道中間(斷面1，2，3)運(yùn)行時，壓差由7～8 mmH2O增加到41～43 mmH2O，增長率為438%～486%。當(dāng)電機(jī)頻率較大時，礦車對巷道-礦車系統(tǒng)壓差的影響較大，對巷道風(fēng)流造成的擾動較強(qiáng)。因此，礦車逆風(fēng)運(yùn)行時，駛出巷道時刻對巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)流擾動的影響大于駛?cè)霑r刻。

根據(jù)阻力定律計算得出礦車運(yùn)行至巷道不同位置時，巷道風(fēng)阻隨風(fēng)速的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 不同風(fēng)速下礦車位置與巷道風(fēng)阻關(guān)系Fig.7 Relationship between harvester position and roadway wind resistance under different wind speeds

由圖7可知，隨著巷道風(fēng)速由2.88 m/s增加到9.75 m/s，礦車由B點到A點運(yùn)行過程中，當(dāng)?shù)V車運(yùn)行至B點時，巷道-礦車系統(tǒng)的風(fēng)阻由233.20 kg/m7降低至106.99 kg/m7；運(yùn)行至A點時，巷道-礦車系統(tǒng)的風(fēng)阻由174.90 kg/m7降低至53.50 kg/m7。當(dāng)巷道風(fēng)速較小時，礦車對巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)阻的影響較大。隨著礦井通風(fēng)系統(tǒng)供風(fēng)量的增大，巷道-礦車系統(tǒng)的風(fēng)阻逐漸減小。

當(dāng)?shù)V車駛?cè)隑點時巷道風(fēng)阻變化較小，礦車在巷道中運(yùn)行過程中(由斷面B處向斷面A處)，巷道風(fēng)阻變化也較小，當(dāng)駛出A點時，巷道風(fēng)阻變化較大。因此，巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)阻的波動主要發(fā)生在礦車駛出巷道時刻，尤其在小風(fēng)速巷道逆風(fēng)運(yùn)行時。

4.4 阻塞比與擾動風(fēng)阻的關(guān)系

當(dāng)電機(jī)頻率為25 Hz，礦車長度為0.1 m，礦車截面(寬×高)分別為0.09 m×0.05 m，0.09 m×0.09 m，0.18 m×0.09 m，0.18 m×0.15 m，0.18 m×0.18 m時，礦車行駛至巷道斷面2處的壓差測定結(jié)果見表2。

由表2可知，阻塞比由0增加到0.36時，巷道-礦車系統(tǒng)的壓力差由2.5 mmH2O增加到15 mmH2O，巷道風(fēng)速由3.31 m/s降低到3.07 m/s，巷道-礦車系統(tǒng)的風(fēng)阻由55.21 kg/m7增加到385.11 kg/m7。繪制出阻塞比與巷道風(fēng)阻的關(guān)系，如圖8所示。

表2 阻塞比與巷道壓差關(guān)系Table 2 Relationship between blocking ratio and roadway pressure difference

由圖8可知，巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)阻隨著礦車截面的增大而增大，即礦車在小斷面巷道中運(yùn)行時對通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動大于大斷面巷道。礦車在巷道內(nèi)的阻塞比與巷道風(fēng)阻基本呈現(xiàn)線性遞增關(guān)系。因此，井下礦車運(yùn)輸設(shè)計應(yīng)優(yōu)先選擇大斷面、大風(fēng)速巷道。

圖8 阻塞比與巷道風(fēng)阻的關(guān)系Fig.8 Relationship between blocking ratio and roadway wind resistance

5 結(jié)論

1)提出巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)流擾動模式，建立巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)流擾動影響因素體系，得出表征巷道-礦車系統(tǒng)的風(fēng)流擾動特征參數(shù)，包括巷道擾動風(fēng)阻、阻塞比和礦車位置。

2)推導(dǎo)巷道-礦車系統(tǒng)的等效擾動風(fēng)阻計算模型，利用礦井通風(fēng)仿真監(jiān)控實驗系統(tǒng)進(jìn)行模型驗證，數(shù)學(xué)模型求解結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的最大誤差為6.84%。

3)實驗研究巷道風(fēng)速、阻塞比與巷道-礦車系統(tǒng)擾動風(fēng)阻的關(guān)系。當(dāng)?shù)V車逆風(fēng)運(yùn)行時，巷道-礦車系統(tǒng)風(fēng)阻的波動主要發(fā)生在礦車駛出巷道時刻。小風(fēng)速、小斷面巷道行駛的礦車對巷道-礦車系統(tǒng)的擾動風(fēng)阻影響大于大風(fēng)速、大斷面巷道。