有色金属科学与工程  2012, Vol. 3 Issue (3): 71-73
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邬长福, 汤民波, 古鹏, 刘后明. 独头巷道局部通风数值模拟研究[J]. 有色金属科学与工程, 2012, 3(3): 71-73. DOI:10.13264/j.cnki.ysjskx.2012.03.014.
WU Chang-fu, TANG Min-bo, GU Peng, LIU Hou-ming. Numerical simulation on the partial ventilation in the single entry mine tunnel[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2012, 3(3): 71-73.DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2012.03.014.
独头巷道局部通风数值模拟研究[PDF全文]
邬长福1, 汤民波1, 古鹏2, 刘后明1    
1. 江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州341000;
2. 紫金矿业集团股份有限公司，福建龙岩364000
作者简介： 邬长福（1963- ），男，教授，主要从事矿山安全方面研究，E-mail：wuchangfu501@163.com
收稿日期：2012-04-10
摘要：独头巷道掘进工作面是矿山的主要工作面之一，矿尘浓度大是其工作面环境质量差的主要原因.局部通风是解决独头巷道掘进工作面的主要通风手段,因此,独头巷道掘进工作面局部通风质量的好坏将直接影响矿山的生产效益和职工的安全健康. 文中通过利用Fluent 软件对独头巷道局部通风时风筒出口距工作面不同距离的风流特性进行模拟研究.数值模拟结果表明,独头巷道掘进工作面采用压入式局部通风时,风流的独头巷道中存在效射程.因此,为了保障有效通风,应控制好风筒出口距掘进工作面的距离不应大于风流的有效射程.
关键词： 独头巷道    局部通风    数值模拟    Fluent    
Numerical simulation on the partial ventilation in the single entry mine tunnel
WU Chang-fu1, TANG Min-bo1, GU Peng2, LIU Hou-ming1    
1. School of Resources and Environment Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
2. Zijin Mining Group Company Limited, Longyan 364000, China
Abstract: Single entry mine tunnel is one of the main mining surfaces. High dust concentration contributes to low quality in its working surface environment. Partial ventilation in the single entry mine tunnel is the major solution for this problem. The quality for this partial ventilation directly affects the production benefit and safety and health of coal miners. This article studies the wind characteristic of different distances from wind exit to mining surface through numerical simulation on the partial ventilation in the single entry mine tunnel. The results show that wind has limited flowing distance applying injected partial ventilation in the mining surface. The distance from the wind exit to the mining surface should be maintained within the effective wind range to guarantee effective ventilation.
Key words: single entry mine tunnel    partial ventilation    numerical simulation    Fluent    
0 前言

目前，国内外矿井通风技术研究的主要目标是改善矿井作业环境，进而提高矿山生产效益和保障矿山职工安全、健康[1].因此，如何保证井下有效的通风在一定程度上起到非常关键的作用.独头巷道掘进工作面通风质量的好坏不仅与通风系统的设计、布局和通风管理等因素有关，而且与风筒口到工作面的距离有很大关系[2].数值模拟研究可以清楚地描述掘进工作面的局部通风情况，有利于了解井下掘进工作面局部通风的特性及正确有效地改善井下作业环境和保障员工安全健康.

1 独头巷道通风方法

独头巷道通风又称为局部通风[3].井下局部通风有以下4 种常用方法：总风压通风、扩散通风、引射器通风和局扇通风[4].其中局扇通风是目前矿山最常用的一种通风方法.它是利用局部通风机为动力，通过风筒将新鲜风流引至工作面，同时排出工作面的炮烟、矿尘等污浊空气，以保证工人在良好的环境下作业的通风方法[5].按照局扇的工作方式，局扇通风又分为压入式通风、抽出式通风和混合式通风[6].文中主要对局扇通风中的压入式通风进行数值模拟.

2 Fluent 流体软件简介

Fluent 是目前国际上比较流行的商业CFD（Computational Fluid Dynamics 计算流体动力学）软件包之一，它是用于模拟具有复杂外形流体流动和热传导的计算机程序[7].CFD 软件包含了3 个主要的功能部分：前处理器、求解器和后处理器[8].其中前处理器指完成计算对象建模和网格生成的程序； 求解器指求解控制方程组的程序； 后处理器指对计算结果进行显示和输出的程序.

3 独头巷道通风模拟 3.1 物理模型的建立

本次数值模拟选择局扇压入式通风，为便于分析，选一截面宽为3 m、高为3 m 的矩形的水平独头巷道作为数值模拟对象.风筒位于巷道上侧，风筒直径为0.5 m, 风筒出口距工作面的距离L 分别为7.5 m、10 m、12.5 m 和15 m.如图 1 所示.模型计算区域为风筒出口到独头巷道迎头（掘进工作面）.根据经验公式[9]，在此模型中利用压入式通风时，风流的有效射程为12~15 m.采用压入式通风时，风流的有效射程满足式（1）：

(1)
图 1 独头巷道通风平面图

式（1）中，Ls为风流有效射程，/m； S 为巷道的横断面积，/m2.

3.2 数学模型的建立

矿井内的流动风流复杂多变，大多属于湍流运动状态，同时气体的流动速度比较低（马赫数小于0.3）[10]，因此，对矿内流动风流作以下假设：风流为不可压缩流动；不考虑空气的重力；壁面密闭好，不漏风；不考虑围岩热辐射；流动为稳态紊流，满足自然对流的Boussinesq 假设[11].

基于以上相关假设，可采用以下数学模型：

1）质量守恒方程

(2)

式（2）中，ρ为流体密度； V 为速度矢量； Sm为加入到连续相的质量.

2）动量守恒方程

(3)

式（3）中，p 为作用在流体微元体上的压力； τ 为作用在流体微元体表面上黏性应力张量； g 为作用在流体微元体重力体积力； F 为作用在流体微元体其他外部体积力.

3）能量守恒方程

(4)

式（4）中，E 为流体微团的总能；keff为有效导热系数；hj为组分j 的焓； Jj为组分j 的扩散通量；Sh为化学反应引起的热交换.

3.3 数值模拟参数及边界条件的设置

模拟中，计算模型设置为Viscous Model（湍流模型）中的标准k-ε双方程模型；材料属性参数设定为Air（空气），其中密度为1.225 kg/m3、黏性系数1.81×10-5 Pa·s； 操作条件参数中操作压力设置为1.01×105 Pa； 入口边界类型设置为速度入口，且入口速度为8 m/s； 出口边界类型设置为压力出口；水力直径为3 m； 湍流强度为3.5 %；其他边界设置为Wall（壁面）且无滑移；求解器参数中压力速度耦合方式设置为SIMPLEC，压力离散方式设置为标准格式，离散格式设置为一阶迎风格式，收敛标准设置为0.001，迭代次数设置为200 次.

其中，水力直径按计算公式[12]：

(5)

式（5）中，A 为风流断面面积，/m2；S 为流体与固体接触周长，/m.

湍流强度计算公式[13]：

(6)

式（6）中，u′为湍流脉动速度，/m·s-1；u为平均速度，/m·s-1；ReH为按水力直径计算的雷诺数.

4 模拟结果及分析 4.1 残差动态显示

图 2为此次数值模拟中各方程计算结果残差动态图.从图 2 中可以看出：此次数值模拟在迭代进行到大约170 步之后，迭代计算停止.其中，各个参数的残差随计算步数的增加而降低，最后趋于平缓，说明此次模拟在假设条件下取得满足要求的收敛.

图 2 残差动态显示

4.2 速度场模拟结果及分析

根据图 1 所示简化的计算模型和边界条件，用Fluent 计算流体动力学软件对独头巷道压入式通风二维流场进行数值模拟，用Tecplot 后处理模块得到不同情况下独头巷道工作面风速稳定后的风速分布图（图 3），其中图 3 右边自上而下4 个长短不同的风流速度分布图分别表示风筒出口距工作面的距离L=7.5 m、10 m、12.5 m 和15 m 时，独头巷道工作面风速稳定后的风速分布图.

图 3 独头巷道工作面风流稳定时风筒出口距工作面不同距离风速分布云图

从图 3 中可以看出：①风流从风筒出口流出时，是以逐渐扩大的自由风流状态射向工作面，沿自由风流的轴线方向风速逐渐降低，到一定距离之后再反向流至巷道口； ②风流在进风口和出风口的速度较大，这样有利于炮烟、矿尘等有毒、有害物质的排出[14]；③随着风筒出口与掘进工作面距离增大，工作面的风速急剧下降； 当风筒出口与掘进工作面的距离大于风流的有效射程时，掘进工作面迎头出现涡流停滞区，工作面的风速就不能满足迅速排出炮烟、矿尘等有毒、有害物质的要求.

5 结论

对独头巷道掘进通风的数值模拟研究得出以下结论：

（1）由于掘进巷道为独头巷道，受到空间的限制，风筒出口出来的射流附壁向前，到工作面端头后，冲击迎头工作面，并产生回流.因此，风流在巷道中以射流和回流等耦合多种流体形态的形式存在.

（2）在相同的风筒出口直径的情况下，风筒出口距端头距离的不同，对射流特性的影响也是不同的，这说明了独头巷道采用压入式局部通风时有效射程的存在.

（3）随着风筒出口与掘进工作面距离增大，工作面的风速急剧下降；当风筒出口与掘进工作面的距离大于风流的有效射程时，掘进工作面迎头出现涡流停滞区，因此，采用压入式局部通风时，应控制好风筒出口距掘进工作面的距离不应大于风流的有效射程.

（4）影响独头巷道通风效果的因素有很多，比如风机的安装位置、风筒的吊挂情况、风筒出口距工作面的距离等.文中只是在简化物理模型和假设条件下，利用Fluent 计算流体动力学软件对独头巷道压入式通风二维流场进行数值模拟，研究了风筒出口与掘进工作面的距离不同对独头巷道通风效果的影响.对于其他的影响因素在今后的学习工作中需要进一步研究.

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