高温煤矿掘进巷道微气候的数值计算

冯宗伟，张 昌



高温煤矿掘进巷道微气候的数值计算

冯宗伟，张 昌*

(武汉纺织大学 环境工程学院，湖北 武汉 430073)

基于计算流体动力学原理，针对矿井掘进巷道的高温情况，选择射流风口至掘进断面15m的范围作为本文研究局部微环境对象，建立在时间和空间上的描述矿井掘进巷道湍流流动和温度分布的微分方程。对矿井微环境的空气流动及其热力过程进行数值模拟，得出不同送风速度和送风温度下的掘进巷道微环境的流速场和温度场变化情况。数值分析的结果可以用于确定矿井局部降温设备的送风速度、送风温度、制冷量和风机的驱动功率。

湍流模型；温度场；控制方程；流速场；矿井降温

矿井掘进巷道的空气温度随着煤矿资源向地下深部的开采而增高，目前我国有大量深部开采的矿井遭受热害影响。矿井热害造成的高温作业环境严重影响工人的身体健康，工人气喘、乏力，精力分散，思维和判断力下降，劳动效率下降，作业事故上升[1]。因此，必须采取措施降低温度改善工作环境。但是，矿井掘进巷道长空间大，温度高，负荷大，对整条巷道进行降温，不经济而且浪费能源。为节约资源一般采用移动式装置在掘进巷道工位营造一个微气候进行局部降温，例如，使用膨胀减焓自力式局部降温装置[2]。所以，对高温煤矿掘进巷道中工位微气候研究是非常必要的，具有工程应用价值。本文对矿井掘进巷道微气候的风流流场和温度分布进行数值计算。通过改变设计参数，得出井下掘进巷道微气候的风速场、温度场的变化规律，进而选择最优矿井降温空调送风参数，计算确定适当大小的微气候区域范围。

1 矿井掘进巷道计算空间数学模型

1.1 物理模型

图1 模型工作面断面形状

1.2 计算空间的控制微分方程

雷诺时均动量方程：

湍流动能方程：

湍流动能耗散率方程：

能量方程:

1.3 边界条件

进口湍流动能和湍流动能耗散率使用文献上的经验关联式[4,5]。

（2）出口边界条件。出口各变量假定在垂直出口边界方向梯度上为零，即局部单向化:

（3）固体壁面边界条件。矿井掘进巷道和工作面都是固体壁面，其边界条件按固壁定律处理，所有固壁处的节点均采用无滑移条件，对于靠近壁面的第一个网格节点使用标准壁函数方法。

壁面处网格节点速度：

湍流参数满足：

2 掘进巷道微气候流场分布的数值计算

2.1 计算结果

图2 不同送风速度、送风温度下掘进断面温度

图3 不同送风速度、送风温度下空调制冷设备制冷量变化曲线

根据模拟结果计算出每组送风状态下的空调机组需要提供的制冷量如图3所示。制冷量的计算公式为：

从图4可以看出，同一送风速度时，随着送风温度的升高设备制冷量逐渐下降；同一送风温度时，随着送风速度的增大设备的制冷量逐渐升高。

为了在掘进巷道创造一个微气候区域，射流的送风速度必须得到来自风机的动力保障。因此，本文根据送风参数还需考虑保持射流空气的风机驱动功率。风机所需的理论最小驱动功率为：

送风速度对应于风机的驱动力成3次方变化，因此，送风速度增加，风机所需的驱动功率就会大大增加。分别将不同的送风速度代入上式中，得出不同送风速度下风机所需的最小功率，如图4所示。

图4 不同送风速度下风机所需最小驱动功率

2.2 掘进巷道微气候分析

图5 速度分布云图

图6 温度分布云图

3 结论

对掘进巷道选择局部降温空调方式，在井下建立一个微环境来改善工作条件，可以减少制冷设备的供冷量。只对巷道工位很小的局部范围进行微气候控制，相比对整个巷道降温[6]，其制冷量只是整个巷道降温所需制冷量的很小一部分，具有很好的节能降温效果。

[1] 孙艳玲，桂祥友．矿井热害及其治理[J]．辽宁工程技术大学学报，2003，(8):35-37．

[2] 王雪，张昌．用于煤矿井下的空气膨胀减焓降温系统的研究[J]．武汉纺织大学学报，2012，25(6):87-91．

[3] 王伟，李红阳，王长彬．基于FLUENT模拟的掘进工作面风流温度预测[J]．煤炭安全，2010，(06):4-5．

[4] 高建良，张生华．压入式局部通风工作面风流分布数值模拟研究[J]．中国安全科学学报，2004，14(1):93-96．

[5] Shinsuke Nakayama，Kenichi Uchino，Masahiro Inoue．Dimensional flow measurement at heading face and application of CFD[J]. The Mining and Materials Processing Institute of Japan，1996，112(9):638-644．

[6] 邵敬民，丁峰，贺军豪．矿井局部降温系统的研究与应用[J]．中州煤炭，2012，197(5):24-25．

Numerical Calculation of the Micro Climate in High Temperature Coal Mine Laneway

FENG Zong-wei, ZHANG Chang

(School of Environmental Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Based on the principle of computational fluid dynamics, aiming at high temperature conditions of the mine roadway, we select the range of jet air inlet to excavated section 15m as the research object of local micro environment and built the differential equation that describe roadway turbulent flow and temperature distribution in time and space.Being in progress numerical simulation of air flow and thermal process on the micro environment, we obtain the change of velocity field and temperature field with different air speed and air temperature in tunneling micro environment.The results of numerical analysis can be used to determine the mine’s local cooling equipment’s air velocity, air temperature, cooling capacity and the fan’s driving power.

Turbulence Model; Temperature Field; Equations; Velocity Field; Mine Cooling

张昌（1956-），男，教授，研究方向：建筑环境与空调制冷.

TD724

A

2095－414X(2014)03－0082－05