矿井巷道断面风速分布规律研究

余方超 刘雅倩 黄涛

（1.潞安集团王庄煤业公司，山西 长治 046103； 2.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083）

合理可靠的通风系统是井下安全生产的保证，研究巷道断面的平均风速分布规律[1-3]能够为风速传感器位置确定及风量准确测量[4]提供理论指导。本文针对王庄矿井下矩形、梯形、三心拱巷道，采用现场实测和数值模拟相结合的方法，研究了井下巷道平均风速分布规律，对于风速传感器布置具有较强的实践指导意义。

1 风速测量方案及风速分布规律研究

1.1 现场实测方案

王庄矿位于山西省长治市郊区故县，地处黄土高原，井田面积79.6806km2，开采深度由+880 m至+350m。王庄矿属于高瓦斯矿井，瓦斯相对涌出量为5.44m3/t，煤层属不易自燃煤层，通风方式为混合式通风。

为研究井下巷道风流的分布规律，本文针对王庄煤矿，选取矩形、梯形、三心拱三种形状巷道断面进行风量参数现场实测研究，测点位置为630 轨道大巷及进风分巷处。实验设备包括中速机械风表、风速仪、空盒气压计、自动点式干湿温度仪、激光测距仪及卷尺等。三种巷道断面支护方式均为锚喷，断面几何参数见表1。

表1 巷道断面几何参数

对风速分布的现场实测方案，具体实施步骤如下：

（1）首先分别对三种形状巷道断面相关尺寸参数进行测量。根据所测断面尺寸，对巷道断面进行测点布置。对矩形、梯形、三心拱巷道，宽度方向每隔0.6m 布置一个测点，高度方向每隔0.5m 布置一个测点。因此，矩形巷道总共布置49 个测点，梯形巷道总共布置49 个测点，三心拱巷道总共布置70 个测点。

（2）采用风速仪对布点进行逐点测量。测点每隔5s 记数一次，每个测点计数3 次，取其平均值为该测点风速值，直至测量结束。连续测量10d，统计并整理数据。

1.2 巷道断面实测风速分布规律

为研究巷道断面风速分布规律，需选取风流稳定区域为研究对象。因此，对矩形、梯形、三心拱巷道，分别选取高度为2m、2.5m、1m 处布点为研究对象，选取其中5d 所测风速数据，绘制三种形状巷道从边界到中心的风速变化规律，如图1 所示（本文只展示矩形巷道部分）。

图1 巷道边界到中心的风速变化曲线

三种形状巷道风速变化曲线图中，横坐标以巷道一侧边壁为坐标起点和该高度下第一个布点，至另一侧边壁布点结束。由图1 可以看出，对于某一形状巷道断面，在同一高度下的巷道风速由边界向中心逐渐增大，在中部风速达到最高，且风速分布曲线左右对称，在有障碍物和靠近巷道边壁处风速较低。

2 风速分布规律模拟研究

2.1 Fluent 数值模型的建立

矿井巷道的风流分布特征可通过Fluent 模拟出这一过程。利用Fluent 软件建立与实测同尺寸的巷道物理模型，假定模拟巷道风流为粘性不可压缩流体，巷道壁面粗糙度相同，空气密度为常数。巷道模型包括一个风流入口和一个风流出口，其余面为壁面，模拟风流状态为湍流，设为标准k-ε 方程。经计算，巷道模型长度选为120m，三种形状巷道紊流充分发展处长度可均取为118m。

2.2 模拟结果分析

根据王庄矿井下巷道现场实测风速范围，矩形巷道、梯形巷道的模拟速度选择从1m/s 到3m/s，每隔0.5 取一个速度值，共取5 个不同的通风风速；三心拱截面巷道模拟速度选择从2m/s 到6m/s，每隔1 取一个速度值，共取5 个不同的通风风速。下面仅给出风速为2m/s 时巷道截面风速场模拟云图，如图2 所示（本文只展示矩形巷道部分）。通过模拟，在不同通风风速工况下，提取出矩形、梯形、三心拱巷道在紊流充分发展处巷道断面的平均风速分布曲线，如图3 所示。

图2 巷道断面风速分布云图

由图2 可知，巷道断面的风速分布呈环状且与截面形状近似相同，说明风速分布规律与截面形状有关。风速值在中心达到最大，由中心向边壁减小，平均风速位置靠近巷道边壁，且在巷道边壁处风速下降很快。

由图3 可知，对于同一形状的巷道断面，在不同通风风速下的风流充分发展段，巷道断面平均风速曲线近乎完全重合且靠近巷道边壁处，即表明巷道断面的平均风速分布曲线与通风风速大小无关，平均风速分布曲线和巷道形状相似。基于此，可以提取不同形状巷道靠近边壁处的平均风速点，用于王庄矿风速监测器的布置及风速的测量。

图3 不同风速下巷道断面风速等值图

通过对比现场实测及模拟结果可知，巷道断面风速在中部达到最高，由中心向边壁逐渐减小。而通过Fluent 模拟，进一步得出巷道断面的风速分布呈环状且与截面形状近似相同，且平均风速分布曲线与通风风速大小无关。基于现场实测风量参数进行模拟，进一步完善了巷道断面风速分布规律。同时，平均风速分布点图对王庄矿风速监测器的位置确定具有很强的针对性和指导性。

3 结论

本文运用现场实测和数值模拟相结合的方法，对矩形、梯形、三心拱三种形状巷道断面进行风速分布规律研究，结论如下：

（1）巷道风速由边界向中心逐渐增大，在中部风速达到最高，平均风速分布曲线与风速大小无关。

（2）巷道断面的平均风速分布曲线呈环状且与截面形状近似相同，平均风速位置靠近巷道边壁。此结论相关数据可对王庄矿风速监测器位置确定及风量准确监测提供现实指导依据，对煤矿高效生产具有重要意义。