礦車(chē)對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響研究

王凱強(qiáng)

（山西石港煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 左權(quán) 032600）

0 引言

礦車(chē)在井下巷道內(nèi)不同運(yùn)行狀態(tài)所產(chǎn)生的風(fēng)阻對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)有一定的影響［1］，目前針對(duì)該影響主要的研究手段為理論計(jì)算以及數(shù)值模擬，得到的結(jié)果往往只能做定性分析而不能做定量計(jì)算［2］，所以并不能更好地指導(dǎo)實(shí)際工程。因此，本文利用數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)陽(yáng)煤集團(tuán)石港公司井下礦車(chē)運(yùn)行所產(chǎn)生的活塞風(fēng)壓的數(shù)值大小進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)得來(lái)的具體數(shù)值進(jìn)行分析整理，以此來(lái)評(píng)價(jià)礦車(chē)運(yùn)行對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

1 巷道活塞風(fēng)數(shù)值模擬分析

本文采用Fluent流體模擬軟件，對(duì)礦車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)進(jìn)行模擬，利用模擬軟件自帶的流體本構(gòu)模型（包括在工程模擬中常用的湍流模型以及相關(guān)子模型）可以很好地模擬出巷道內(nèi)湍流流動(dòng)氣體的壓力場(chǎng)以及速度場(chǎng)［3］，以此可以方便地做出相關(guān)分析。

1.1 物理模型

巷道模擬物理模型如圖1所示，陽(yáng)煤集團(tuán)石港公司某井下巷道長(zhǎng)125m、寬4.2m、高3.2m，巷道表面采用噴漿處理。礦車(chē)長(zhǎng)1.7m、寬0.9m、高1.25m，共設(shè)計(jì)10節(jié)礦車(chē)。在進(jìn)行模擬時(shí)，設(shè)置巷道風(fēng)速為3m／s，礦車(chē)的運(yùn)行速度為2m／s，并將礦車(chē)運(yùn)行狀態(tài)分為靜止、逆風(fēng)、順風(fēng)三種進(jìn)行模擬。

1.2 邊界條件

在Fluent軟件中設(shè)置巷道中風(fēng)流流動(dòng)區(qū)域?yàn)榱饔?，并將其設(shè)置為參考系［4］，接著將流域的流動(dòng)類(lèi)型設(shè)置為 Moving Reference Frame，并 設(shè) 置 translation velocity為3m／s，且利用Gambit進(jìn)行體網(wǎng)格劃分。

（1）在巷道入口處設(shè)置入口風(fēng)速為3m／s，水力半徑設(shè)置為1.87m，紊流強(qiáng)度為2.87Pa。

（2）利用outflow出流邊界對(duì)出口進(jìn)行設(shè)置，出流參數(shù)為1，即不存在回流。

（3）礦車(chē)及巷道內(nèi)表面的邊界條件都設(shè)置為wall，并把wall motion設(shè)置為移動(dòng)墻體條件。設(shè)置邊界運(yùn)動(dòng)方式如下：巷道內(nèi)墻表面為absolute，translational，礦車(chē)為relative to adjacent cell zone，translational。為了模擬出礦車(chē)順風(fēng)、逆風(fēng)以及靜止三種狀態(tài)，設(shè)置礦車(chē)速度為－2m／s、0、2m／s，巷道墻面速度設(shè)置為0。

圖1 巷道模擬物理模型

1.3 模擬結(jié)果分析

圖2 為礦車(chē)不同運(yùn)行狀態(tài)下巷道全壓模擬云圖。由圖2（a）可以看出，礦車(chē)靜止時(shí)，在礦車(chē)的前方（圖右側(cè)）也就是圖中的淺綠色條紋處表現(xiàn)為全壓最低區(qū)域，而礦車(chē)后方淺紅色條紋表現(xiàn)為全壓最高區(qū)域，不難分析這是由于礦車(chē)阻礙作用所導(dǎo)致的結(jié)果。礦車(chē)順風(fēng)與逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)，由圖2（b）、圖2（c）中礦車(chē)右側(cè)兩條細(xì)淺青色條紋可以明顯看出，巷道全壓最低處為礦車(chē)右方巷道墻面。比較3種礦車(chē)運(yùn)行狀態(tài)下巷道全壓云圖，可以看出礦車(chē)逆風(fēng)狀態(tài)時(shí)，全壓最高區(qū)的風(fēng)壓比礦車(chē)靜止及礦車(chē)順風(fēng)時(shí)的壓力都要大，無(wú)論從巷道的長(zhǎng)度方向上還是寬度方向上都體現(xiàn)出了這一點(diǎn)；而礦車(chē)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，全壓最高區(qū)的風(fēng)壓比礦車(chē)順風(fēng)時(shí)的大，說(shuō)明了礦車(chē)在順風(fēng)狀態(tài)時(shí)巷道的通風(fēng)阻力最小，而逆風(fēng)時(shí) 巷道的通風(fēng)阻力最大。

圖2 礦車(chē)不同運(yùn)行狀態(tài)下巷道全壓模擬云圖

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法及儀器

皮托管壓差計(jì)法由于精度高、誤差小被廣泛用于測(cè)試巷道通風(fēng)阻力，因此基于此對(duì)巷道內(nèi)無(wú)礦車(chē)、礦車(chē)靜止、礦車(chē)順風(fēng)、礦車(chē)逆風(fēng)4種情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)阻力測(cè)定，測(cè)試的相關(guān)參數(shù)有巷道通風(fēng)阻力、百米風(fēng)阻以及總風(fēng)阻。利用機(jī)械翼輪式風(fēng)表對(duì)巷道風(fēng)量進(jìn)行測(cè)定，利用傾斜式微壓表對(duì)巷道通風(fēng)阻力進(jìn)行測(cè)定，并通過(guò)分析這些相關(guān)參數(shù)來(lái)比較礦車(chē)不同情況下對(duì)巷道通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。井下被測(cè)試段的巷道長(zhǎng)度為120m，采用的支護(hù)方式為錨噴聯(lián)合支護(hù)，巷道斷面為半圓拱形。不同情況的測(cè)定位置如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試位置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

表1為礦車(chē)不同狀態(tài)下不同斷面巷道通風(fēng)相關(guān)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)數(shù)值大小及規(guī)律的分析，可知礦車(chē)不同運(yùn)行狀態(tài)對(duì)巷道通風(fēng)系統(tǒng)的影響。

由表1可以看出：在測(cè)試巷道長(zhǎng)度一定的情況下，巷道斷面為13.0m2時(shí)，巷道內(nèi)無(wú)礦車(chē)時(shí)的通風(fēng)阻力、總風(fēng)阻、百米風(fēng)阻是礦車(chē)順風(fēng)運(yùn)行時(shí)的1.80倍，礦車(chē)靜止時(shí)是無(wú)礦車(chē)時(shí)的1.85倍，礦車(chē)逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)是無(wú)礦車(chē)時(shí)的3.60倍；巷道斷面為9.8m2時(shí)，巷道內(nèi)無(wú)礦車(chē)時(shí)的通風(fēng)阻力、總風(fēng)阻、百米風(fēng)阻是礦車(chē)順風(fēng)運(yùn)行時(shí)的2.01倍，礦車(chē)靜止時(shí)是無(wú)礦車(chē)時(shí)的1.43倍，礦車(chē)逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)是無(wú)礦車(chē)時(shí)的2.80倍；巷道斷面為8.5m2時(shí)，巷道內(nèi)無(wú)礦車(chē)時(shí)的通風(fēng)阻力、總風(fēng)阻、百米風(fēng)阻是礦車(chē)順風(fēng)運(yùn)行時(shí)的1.35倍，礦車(chē)靜止時(shí)是無(wú)礦車(chē)時(shí)的1.83倍，礦車(chē)逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)是無(wú)礦車(chē)時(shí)的3.76倍。

由進(jìn)一步得出的分析數(shù)據(jù)可以看出，在4種不同的礦車(chē)狀態(tài)下巷道內(nèi)通風(fēng)阻力的大小順序?yàn)椋旱V車(chē)逆風(fēng)運(yùn)行＞礦車(chē)靜止＞無(wú)礦車(chē)＞礦車(chē)順風(fēng)運(yùn)行。還可以看出，巷道斷面不同時(shí)，礦車(chē)4種狀態(tài)下巷道的通風(fēng)阻力大小也存在差異，整體表現(xiàn)為巷道斷面9.8m2時(shí)的通風(fēng)阻力大于斷面為13.0m2和8.5m2的。但是由4種狀態(tài)下巷道通風(fēng)阻力之間的比值即通風(fēng)阻力增加巷道斷面為9.8m2時(shí)，礦車(chē)靜止以及礦車(chē)逆風(fēng)運(yùn)行狀態(tài)比無(wú)礦車(chē)時(shí)，通風(fēng)阻力增加系數(shù)相對(duì)另外兩個(gè)斷面的要小，說(shuō)明在斷面為9.8m2時(shí)，礦車(chē)不同運(yùn)行狀態(tài)對(duì)巷道通風(fēng)阻力增幅的改變影響不是很大。對(duì)比說(shuō)明，巷道斷面分別為13.0m2和8.5m2時(shí)，巷道通風(fēng)阻力的增幅對(duì)礦車(chē)不同的運(yùn)行狀態(tài)較為敏感。

表1 礦車(chē)不同狀態(tài)對(duì)不同斷面巷道通風(fēng)參數(shù)測(cè)定結(jié)果

由上述分析可以得出，礦車(chē)的不同運(yùn)行狀態(tài)對(duì)巷道通風(fēng)阻力有一定的影響，特別是礦車(chē)靜止以及逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)，巷道通風(fēng)阻力的增加格外嚴(yán)重，所以在通風(fēng)困難時(shí)期，要避免這兩種情況的發(fā)生，以此避免井下通風(fēng)不足或通風(fēng)效率低的情況發(fā)生。

3 結(jié)論

（1）由數(shù)值模擬全壓云圖可以看出，礦車(chē)靜止時(shí)，礦車(chē)左方（圖左側(cè)）為全壓最高區(qū)，礦車(chē)右方為全壓最低區(qū)，當(dāng)?shù)V車(chē)順風(fēng)以及逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)，巷道全壓最低處為礦車(chē)右方巷道墻面。比較三種礦車(chē)運(yùn)行狀態(tài)下巷道全壓云圖可以看出：全壓最高壓的壓力值為礦車(chē)順風(fēng)運(yùn)行＜礦車(chē)靜止＜礦車(chē)逆風(fēng)運(yùn)行。說(shuō)明了礦車(chē)在順風(fēng)狀態(tài)時(shí)巷道的通風(fēng)阻力最小，而逆風(fēng)時(shí)巷道的通風(fēng)阻力最大。

（2）通過(guò)分析陽(yáng)煤集團(tuán)石港公司井下巷道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，礦車(chē)在4種狀態(tài)下的通風(fēng)阻力大小順序?yàn)椋旱V車(chē)逆風(fēng)運(yùn)行＞礦車(chē)靜止＞無(wú)礦車(chē)＞礦車(chē)順風(fēng)運(yùn)行。相比于巷道斷面為9.8m2時(shí)，巷道斷面分別為13.0m2和8.5m2時(shí)，巷道通風(fēng)阻力增幅變化對(duì)礦車(chē)不同運(yùn)行狀態(tài)的改變更為敏感。