礦井通風系統(tǒng)風流流動數(shù)值模擬研究

高廷瑞

（陽煤集團二礦， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著經濟的發(fā)展，對煤炭需求量越來越大，煤礦開采深度逐漸增加，這對礦井通風系統(tǒng)提出更高的要求[1-2]，可靠的通風系統(tǒng)不僅要有持續(xù)的供風能力，而且要對煤礦瓦斯、粉塵等有毒有害氣體能夠及時有效的進行稀釋，減小瓦斯突出的危險，合理有效的礦井通風系統(tǒng)能夠排除80%～90%的瓦斯含量[3]，因此，礦井生產系統(tǒng)的可靠性對于煤礦生產具有重要的意義[4]，本文通過數(shù)值模擬及工程實測的研究方法對煤礦生產系統(tǒng)的可靠性進行評價，研究礦井生產系統(tǒng)能否有效合理的配給有限風量資源。

1 工程概況

山西煤炭進出口集團韓家洼煤礦位于山西省大同市左云縣，屬于兼并重組礦井，該煤礦主要開采19號、22號、25 號煤層，年產量為 0.9 Mt，22號煤層層厚為4 m，井田有主斜井、副斜井、進風行人斜井和回風立井4個井筒，主、副斜井井筒斷面積和長度分別為 13.2 m2、612 m，15.8 m2、396 m，礦井通風方式為中央并列式，通風機為抽出式通風機，礦井總風量4782 m3/min，主斜井、副斜井、進風行人斜井進風量分別為 1 450 m3/min，2 199 m3/min，1 133 m3/min，如圖1所示為巷道平面布置圖。

圖1 巷道平面布置圖

韓家洼煤礦有三個開采水平，為方便模擬計算分析，本文只研究第一開采水平，其他開采水平與第一開采水平類似，該礦地質構造簡單，煤層傾角為2°～6°，井田內有落差為2～8 m的小斷層5條，礦井有四個井筒，其中三個井筒為進風井，一個為回風井，進風井筒減輕了進風困難的問題，在一定程度上能夠減輕風阻大小，提高通風效率，但是增加了一個進風井，風流計算難度增加，風流流動復雜，巷道通風風量的配給要求高，通風系統(tǒng)復雜，其可靠性有待進一步驗證。

韓家洼煤礦通風風量的測量方法為通過指派專門通風測量員定期對煤礦井下風量進行測定，定期檢查通風系統(tǒng)的可靠性，有毒有害氣體的濃度并及時進行匯報。這種測量放法效率低，不能實時動態(tài)對行當風量進行測定，本文通過設計模擬程序，對煤礦井下通風狀況進行實時的動態(tài)模擬研究，為煤礦提供科學有力的指導。

2 風流流動數(shù)值模擬假設及方法

煤礦生產過程中，最大風流流速為8 m/s，空氣流動速度慢，未超過可壓縮速度，在流動過程中認為煤礦空氣不可壓縮，即研究的空氣流體為不可壓縮流體；在煤礦生產過程中，巷道中的空氣分布均勻，工作面產生的粉塵和有毒有害氣體占空氣總量百分比極小，可認為空氣均勻分布，即研究流體為均質流體；煤礦生產過程中，因巷道斷面小，流體流動可視為一維流動，即研究流體為無黏性流動。

本文的研究對象為礦井井下的整個通風系統(tǒng)，在整個通風系統(tǒng)中，巷道的坐標是一個三維坐標，而巷道可由兩個三維坐標點的連線表示，但因礦井巷道空間分布的復雜性，無法精確的計算出整段巷道的各個坐標值，因此引入局部坐標系來表示巷道的坐標，局部坐標與整體坐標系的轉換能夠將整個巷道表示出來。局部坐標上的巷道可由單元體表示，各個單元的數(shù)值可由有限分析方法得到[5]:

上式為數(shù)值模擬軟件模擬過程中所遵循的數(shù)學公式，公式表示各離散單元值求法計算公式，用于求解巷道風流流動單元的離散計算，通過此公式可計算出風流流動狀態(tài)，并對風流流動進行模擬。

3 風流流動數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬方法與程序

根據(jù)風流流動數(shù)值模擬假設及方法可對風流流動進行模擬，模擬根據(jù)數(shù)學模型編寫了Fortran程序，計算思路為打開軟件并進行計算，帶入基礎數(shù)據(jù)，包括模型的邊界條件、初始條件，巷道斷面尺寸參數(shù)等局部坐標，基礎數(shù)據(jù)輸入后通過所設計的程序對巷道單元進行剖分，并記錄各單元局部坐標和單元節(jié)點的坐標，局部坐標能夠將巷道整體坐標記錄，模擬流體的流動。這樣計算結果能夠通過局部坐標轉換成全局坐標，計算方便，操作簡單。

3.2 模型建立

根據(jù)韓家洼煤礦巷道平面布置圖建立數(shù)值模擬示意圖，模型的網(wǎng)格剖分應足夠小，同時各個單元之間的連接關系應準確的記錄在單元格內，模型的單元數(shù)量不應過多，否則會影響單元計算的速度，從而影響計算效果，對于巷道未出現(xiàn)分岔的情況，巷道設置為具有斷面面積的一條直線，若巷道之間相交，有分岔，則將巷道分為若干條細線，通過細線的疊加在將細線剖分為若干單元體，生成的單元數(shù)和線如圖2所示。

一般情況下，礦井通風模擬中采用礦井通風網(wǎng)絡的方法，本文采用局部坐標轉換全局坐標的方法，通過局部坐標將通風系統(tǒng)三維模型建立出來，根據(jù)建立的線結構和巷道上的單元體結構與局部坐標一一對應，若巷道中交叉處的某一個單元出現(xiàn)問題，可通過局部坐標將問題單元格進行定位，這樣極大地提高了數(shù)值的計算效率，為后續(xù)數(shù)值模擬打下堅實的基礎。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

本文建立的數(shù)值模擬模型為三維流體模型，但直線段巷道模型為一維，巷道交叉處為三維立體單元體模型，巷道直線段單元微度長度小于10 m，模型的立體網(wǎng)狀結構與煤礦通風網(wǎng)絡結構相同。

3.3 模擬結果分析

如圖3所示，為礦井通風在正常狀態(tài)下的巷道風速分布圖，圖中紅色線段表示巷道風速的大小，通過分析可知，巷道整體風速滿足要求，在總回風巷中，巷道的風速最大，在長度較小的聯(lián)絡巷風速較小，有毒有害氣體量小，無瓦斯突出的危險。

圖3 正常狀態(tài)巷道風速分布圖

如下頁圖4所示，為礦井通風在正常狀態(tài)下的巷道風量分布圖，圖中綠色線條表示風量的大小，線條長度越長，風量越大，由分析可知回風巷道的風量最大，長度較短的聯(lián)絡巷風量較小，風速大的地方風量也大，風量除了與風速大小有關，還與巷道的端面大小有關，風量與風速無明顯的函數(shù)關系。

圖4 正常狀態(tài)巷道風量分布圖

圖5 調節(jié)風門異常情況風速圖

如下頁圖5所示為調節(jié)風門風量異常情況下的風速圖，調節(jié)風門未關閉或者無法有效工作時，通過該風門的通風阻力會減小，從而導致風速及風量的增大，通過模擬風量的變化，可以查到調節(jié)風門異常之處，如圖所示，通過分析可知，事故發(fā)生位置處的風速由0.15 m/s增加為0.73 m/s，巷道風速增加量大，通風系統(tǒng)中的其他巷道受此影響風速也有所增加，例如，工作面進風行人斜巷風量由0.5 m/s升為0.58 m/s，工作面風量由2.42 m/s降為2.38 m/s，通過分析可以察覺風量異常點。

如圖6所示為風機負壓減小狀態(tài)風速圖，由數(shù)值模擬可知，事故位置處風機負壓由-3 000 Pa降低為-2 000 Pa，風速由6.32 m/s降為4.22 m/s，其他巷道風速受此影響風速相應的降低35%。

如圖7所示為風機負壓減小狀態(tài)風量圖，事故位置處巷道風量由79.52 m3/s降低為53.18 m3/s，副斜井處風量由36.92 m3/s降低為24.62 m3/s，通過數(shù)值模擬對比分析可知，風機負壓減小量與風速大小、風量大小關系成函數(shù)對應關系，因此風機負壓對于礦井安全生產具有重要的關系。

4 工程應用

圖6 風機負壓減小狀態(tài)風速圖

圖7 風機負壓減小狀態(tài)風量圖

通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測對韓家洼煤礦礦井通風情況進行預測，研究表明整體通風情況良好，但局部地段存在風量分布不均的情況，經查明為多輛礦車停留影響通風狀況，對礦車處理完后，通風狀況得到改善，數(shù)值模擬各巷道風量和風速研究結果與礦上實測結果相符，數(shù)值模擬可對通風系統(tǒng)進行評價。

5 結論

運用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測的方法對韓家洼煤礦礦井通風系統(tǒng)風流流動進行模擬，數(shù)值模擬包括了正常狀態(tài)巷道風速、風量分布狀況、風機負壓減小狀態(tài)風速分布狀況，調節(jié)風門異常情況下風速風量分布狀況。數(shù)值模擬結果與礦井實際風量相同，說明數(shù)值模擬能夠對煤礦風量進行預測，對風量資源進行配給，可對通風系統(tǒng)的可靠性進行評價。