夏甸金礦深井通風降溫試驗及數值模擬研究*

張成法,段澤宇,劉業嬌,崔夢圓

(1.中國黃金集團建設有限公司礦業分公司,陜西 西安 710024;2.內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院,內蒙古 包頭市 014010)

0 引言

隨著礦產資源的日益消耗,地層淺部的礦產資源將逐漸被開采殆盡。隨著不斷向礦山深部開采,井下地熱顯著增加,深部巷道高溫現象凸顯[1-2]。阻礙深部礦床順利開采的原因之一便是井下高溫熱害,同時它也嚴重影響了礦工的身心健康和勞動效率[3-4],甚至導致采掘作業無法正常進行。隨著時間的發展,面臨這一問題的礦井也會越來越多[5]。

許多學者針對這一問題進行了研究,岳許輝等[6]針對礦井熱環境,對掘進工作面等進行分析后發現,可通過控制熱源來使工作面降溫;胡靖[7]結合永川煤礦的實際情況,經過分析后發現,可采用回風排熱的冷風制冷系統對永川煤礦的熱害進行治理;姬建虎等[8]通過自行研制集中降溫系統的方式來解決陽城煤礦井下熱害問題;嚴明慶[9]針對韋家溝煤礦設計了冷水機組的礦井降溫系統,使掘進工作面的溫度降低了7.4℃;辛嵩等[10]采用液氧氮混合降溫系統解決了趙樓煤礦的井巷降溫問題?，F有研究大多數針對的是煤礦巷道通風問題,極少有針對金屬礦深井巷道通風問題的研究。因此,對夏甸金礦的深井巷道通風問題進行深入研究有非常重要的現實意義。

本文選取夏甸金礦-682 m 水平掘進巷道進行通風降溫試驗,并根據實測的巷道參數使用Gambit軟件建立三維幾何物理模型,最后運用Fluent數值模擬軟件進行數值模擬,以此來研究夏甸金礦深部掘進巷道在通風過程中溫度與風流速度的變化規律。

1 深井掘進巷道通風降溫試驗

1.1 試驗方案及測點布置

夏甸金礦主井地表標高為+165 m,試驗選中的測試巷道為-682 m 水平掘進巷道,巷道長度為100 m。通風方式為壓入式通風,選用直徑為500 mm的柔性風筒,風筒出口距離掌子面10 m。局部通風機選用DJK50 NO6.5 對旋式通風機。試驗共設7個測試斷面,斷面距離巷道入口的距離分別為20 m、50 m、65 m、80 m、90 m、95 m、99.5 m,依次記為G、F、E、D、C、B、A斷面,如圖1(a)所 示。為更好更全面地收集每個斷面的溫度變化,在每個斷面布置5個測點,如圖1(b)所示,最后取5個測點的平均溫度為該斷面的溫度,在每個巷道斷面的壁面噴漆,標記測點位置。

圖1 斷面與測點布置

1.2 試驗步驟

(1) 在未通風情況下,分別測定每個測點的溫度。

(2) 打開局部通風機通風(只開一個電機),使用多參數記錄儀測定風筒出口處溫度及風速,通風1 h后,記錄各測點溫度。

(3) 打開兩個電機,增大風量。使用多參數記錄儀測定風筒出口處溫度及風速,通風1 h后,記錄各測點溫度。

(4) 試驗結束后,收回儀器并關停電機。

1.3 試驗結果分析

斷面溫度為斷面上5個測點的平均溫度,其變化情況如圖2所示。

圖2 巷道斷面溫度變化

通風前巷道口(x=20 m)溫度遠低于巷道內的溫度,是由于該試驗巷道不是正在掘進的巷道,而是已經放置了一段時間,巷道口附近的巖壁已經和運輸大巷中的新鮮空氣進行了一段時間的自然換熱,所以巷道口處(x=20 m)溫度相對較低(25.8℃),且遠遠低于掌子面的溫度,而沿著巷道向里,越靠近掌子面,溫度越高。

將各斷面到試驗區域入口的距離設為x,風筒出口位置位于C斷面(x=90 m)。巷道內空氣的流動方向為由掌子面向外流動。從圖2可以看出,當開一個電機進行通風時,除巷道入口處(x=20 m)的溫度有所升高,其他測點的溫度都有不同程度的降低,而巷道入口處溫度升高的原因為開啟風機通風后,新鮮的風流與巷道壁面進行熱量交換,污風隨著風流方向排出,致使巷口處溫度有所升高。降溫幅度在D斷面(x=80 m)處取得極大值,降溫后的溫度為26.2℃,除G斷面外,溫度沿D斷面(x=80 m)處兩側逐漸升高?？傮w來看,除巷道入口處的溫度略有上升,整個掘進巷道的溫度都呈現下降的趨勢,但溫度下降的最大值也僅為0.2℃,下降程度較小,難以達到相關安全生產需求。

當開啟兩個電機通風時,相較于開啟一個通風機通風,除巷道入口處(x=20 m)的溫度有所升高,其他斷面的溫度都大幅度降低,而巷道入口處溫度升高的原因與開啟一個電機通風時一樣。降溫幅度在A斷面(x=99.5 m)處取得最大值1.2℃,A斷面(x=99.5 m)降溫后的溫度為25.1℃?？傮w來看,通風1 h后,巷道內的風流速度場與溫度場都較為穩定,溫度沿氣體流動方向逐漸升高,溫度曲線近似線性。

2 深井掘進巷道通風數值模擬

2.1 數學模型的理論基礎與主控方程的選擇

為了便于研究,本文提出了以下假定[11-12]:將通風空氣看作是一種不可壓縮的介質,在不考慮由于液體黏度作用而產生的熱量消耗、水蒸氣的蒸發和瓦斯解吸的情況下,將空氣與固體的物性參數看作是一個常量;流體在湍流中的黏滯特性是等向同性的,其黏滯系數V按標量法計算;流體為穩定的湍流,并符合布辛尼斯克假說;氣體成分間無化學作用。

氣流在掘進巷道的流動遵守質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。盡管這些方程中變量各不相同,但均可反映單位時間和單位體積內物理量的守恒性質。其通用形式如下[13]:

式中,ρ為氣體密度,kg/m3;φ為通變量,代表速度v、溫度T、濃度C等;u為對流項;Γ為廣義擴散系數;S為廣義源項。

井下風流絕大部分處于湍流狀態。因此,在模擬實際過程中就必須選取相應的湍流計算模型,并進行簡化處理。本文采用考慮浮力作用的雙方程模型(標準k-ε模型),流動為穩態紊流,且滿足Boussinesq假設。

2.2 物理模型的建立

根據夏甸金礦通風降溫試驗的巷道參數,用Gambit軟件建立巷道的三維幾何模型,如圖3所示。

圖3 巷道三維幾何模型

2.3 網格劃分及邊界條件的設定

對建立的巷道模型進行網格劃分,Elements選擇Tet/Hybird(混合網格),設定巷道體網格大小即Interval size為0.2,劃分網格總數為488 227,如圖4所示。

圖4 巷道模型網格劃分

根據掘進巷道的物理模型以及現場試驗測定值確定邊界條件。以風筒出口處為模型的入口邊界,設置為速度入口,入口溫度為297.8 K(24.8℃),入口風速為24 m/s。以掘進巷道入口處為模型的出口邊界,設置為自由出口。

設置無滑動邊界條件為壁面邊界條件,設置壁面溫度為300.3 K(27.3℃),設定壁面與空氣的對流換熱系數為15 W/(m2·℃)。確定邊界條件后,運用Fluent軟件進行數值模擬并分析模擬結果。

2.4 深井掘進巷道內風流速度場規律研究

圖5為深井掘進巷道的風流速度場分布,掘進巷道風流速度場可以分為兩大區域,以風筒出口(即C斷面)為界,風筒出口至掌子面為風流高速區,風筒出口至回流方向為風流低速區。其中風流高速區的風流流場結構比較復雜,風流比較紊亂,在掌子面處產生了渦流,如圖5(a)所示。風速由掌子面向工作面后方迅速減小,距掌子面20 m 外,風流比較穩定,如圖5(b)所示。

圖5 風流分布

2.5 深井掘進巷道內溫度場規律研究

圖6為A斷面至G斷面的溫度分布。由圖6可知,隨著各斷面與掌子面距離的增大,各斷面的溫度也隨之增大。風流自風筒口(C斷面)噴出后,先到達掌子面,之后再沿巷道流出,期間不斷與巖壁進行熱交換,巖壁給風流傳熱,風流溫度升高,隨后風流沿巷道流出,風流沿巷道運動路程越長,巖壁給風流傳熱也越多。由圖6可知,各斷面的中心溫度較低,而四周溫度相較于中心溫度較高,這是由于四周的風流距巖壁更近,熱傳導更快。

圖6 斷面溫度分布

圖7(a)為D斷面(x=80 m)的溫度分布。由圖7(a)可知,D斷面(x=80 m)距離掌子面20 m處,比較靠近新鮮風流,并且風流比較穩定。整個斷面溫度普遍偏低,比較接近入風溫度。整體來看,上部溫度略高于下部溫度。

圖7 D 斷面與F 斷面溫度分布圖

圖7(b)為F斷面(x=50 m)的溫度分布圖。由圖7(b)可知,F斷面(x=50 m)距離掌子面50 m處,風流也比較穩定,風流溫度高于D斷面。巷道周圍靠近巖壁的溫度較高,巷道中心的溫度較低。相比D斷面,F斷面的巖壁溫度對巷道溫度的影響要大一些。雖然兩個斷面的整體溫度都較低,但風筒與巖壁接點處的溫度卻偏高,這是由于該接點處的空間相較于整個巷道來說較為狹小、空氣流動不通暢及氣流流動速度慢,導致該位置的溫度偏高。

3 深井巷道現場試驗與數值模擬結果對比

定義通風前后的風溫溫差與通風前風溫的比值為降溫率λ[14],表1為開兩個電機通風的現場試驗與數值模擬的結果對比。

表1 試驗結果與模擬結果的對比

由表1可知,除G斷面外,其他斷面的試驗數據與模擬結果進行對比,溫差最大為0.39℃,降溫率之差最大為1.47個百分點,模擬結果準確可靠。而G斷面的數據不僅沒有降溫,反而升溫,這是由于G斷面在通風試驗前已經與外部巷道進行了長時間的熱量交換,溫度遠低于巷道內的溫度。

4 結論

(1) 通過分析夏甸金礦深井通風降溫試驗的數據得出:開一個電機通風時,風量較小,降溫效果不明顯;開兩個電機通風時,風量增大,降溫效果相較于開一個電機通風時出現顯著提升。說明風量的大小會對降溫效果產生直接的影響,風量越大,降溫效果越明顯。開兩個電機通風時,沿著風流的流動方向,巷道溫度也逐漸升高,溫度分布曲線近似線性。

(2) 根據Fluent模擬結果可知,在對深井巷道進行局部通風后,在深井巷道內會形成兩個區域,在距掌子面20 m 內會形成一個風流高速區,風流紊亂,并在掌子面形成渦流,而在距掌子面20 m 外會形成另外一個區域,風流比較穩定。由于巖壁不斷地與風流進行熱交換,對于整條通風巷道的溫度會呈現出離掌子面越近溫度越低的規律,而對于巷道內同一斷面的溫度,則會呈現出中間低四周高的規律。

(3) 通過對比分析深井巷道通風試驗數據與Fluent模擬結果可知,除G斷面外,其他斷面實測數據與模擬結果相比,最大溫差為0.39℃,降溫率之差最大為1.47個百分點,試驗數據與模擬結果基本相同,驗證了Fluent數值模擬方法的可靠性,該試驗與模擬結果為夏甸金礦其他掘進巷道的通風降溫問題提供了參考依據。