六盘水矿区掘进巷道的流场分布规律研究

沈宏俊 王春霞 孙 庆

（六盘水师范学院矿业工程系，贵州 六盘水553004）

0 引言

贵州众多煤矿事故中，瓦斯事故是最主要事故之一，且事故灾害等级高。掘进工作面瓦斯涌出量大，是瓦斯最主要的积聚地，瓦斯事故的高发地带。为此，本文将针对贵州六盘水矿区掘进巷道实际情况，对该矿区掘进工作面进行流场数值模拟分析，得出掘进巷道瓦斯压力和瓦斯运动规律的一些结论，并为该地区掘进巷道瓦斯运动规律奠定基础。从而对掘进工作面的瓦斯防治和治理起到指导作用。

日本Nakayama等人对掘进工作面风流分布进行了模拟研究[1-2]。南非、美国、英国、西班等国家的一些学者也对掘进工作面的风流分布和瓦斯分布进行了模拟研究[3-6]。河南理工大学的高建良、刘金金等用RNGk-ε双方程湍流模型对掘进巷道压入式通风进行了仿真模拟，对k值和ε值采用三种不同的算法，并得出了与试验较为相符合的k值和ε值计算公式[7]。安徽理工大学的胡祖祥、王百顺通过建立数学模型研究了掘进巷道某一点的瓦斯体积分数[8]。本文将针对六盘水地区煤矿的实际掘进巷道尺寸进行流场分布规律的分析研究，研究掘进工作面的风筒出口风速对掘进工作面的涡流中心、涡流大小及掘进工作面正压分布进行研究。得出风筒出口风速不同时的掘进工作面的涡流中心及涡流大小、掘进工作面正压分布一些分布规律和结论。

1 数学模型

1.1 假设条件

（1）掘进工作面风筒出口气流可视为不可压缩气体，不考虑耗散热，壁面条件假定绝热，通风条件为20℃；

（2）流体湍流黏性具有各向同性，湍流的黏滞系数μt可作为标量处理；

（3）流动为稳态，满足Boussinesq假设。

1.2 数学模型

对于掘进工作面的稳态流动，由以上假设条件，可得以下控制方程（1）~（4）

质量守恒方程（MassConservationEquation）为

式中：ρ为密度，t为时间，u，v，w 为 x，y，z方向上的速度分量。

动量守恒方程 （MomentumConservationEquation）， 也称Narier—Stokes方程，即

式中：u，v，w 为速度矢量在 x，y，z方向的分量，p为流体微元体上的压力。

2 几何模型的建立

本文根据六盘水米箩矿井的实际掘进巷道尺寸，建立了与实际情况相符合的模拟模型，提高模拟结果的真实度。巷道为圆拱形巷道，风筒出口的位置为掘进巷道的中部拱顶，如图1所示。

模型一：模拟巷道长15m，宽4.6，高3.5的圆拱形掘进断面，风筒直径为0.5m，出风口平均速度为8m/s，风筒距工作面距离为10m。风筒布置在巷道的顶部，如图1所示。

图1 风筒在顶部时的布置和巷道断面布置图

3 边界条件

（1）入口条件：取风筒出口为入口边界，取风筒入口平均风速10m/s为入口速度，湍流动能k和湍流动能耗散率ε计算方法有三种，不同的计算方法得出的湍流动能k和湍流动能耗散率ε有较大的差距，然而对比后发现采用第三种方法得到的值更加符合和接近实际情况，在这里采用第三种计算方法[9]，k=0.05，，其中um为入口平均速度，d0为入口处的特征尺寸，取风筒的水力直径。

（2）出口条件：模拟的巷道出口选取为距风筒位置5m处，此时的掘进巷道出口对于掘进工作面空气流动的研究基本上没有影响，流场也趋于一种平稳的状态。出口条件采用完全的自由流动。

4 模拟结果分析

我们使用Fluent仿真模拟软件对上述三种情况进行流场数值模拟分析，截取Y=2.3时的截面作为流场分析面，得出不同的风筒出口速度的流场流动规律。图2为6m/s时的流场分布图，图3为8m/s时的流场分布图，图4为10m/s时的流场分布图。

图2 风筒出口速度为6m/s时的流场分布图（Y=2.3）

图3 风筒出口速度为8m/s时的流场分布图（Y=2.3）

图4 风筒出口速度为10m/s时的流场分布图（Y=2.3）

从以上分析我们可以得出，风筒不同的出口风速，在出口处会形成卷吸，由于风速的不同，卷吸的作用也不一样，从而导致涡流中心位置离掘进工作面的距离和涡流大小有一定的差距。从以上分析可以得出，风筒出口速度为6m/s时，涡流中心距离掘进工作面的距离为5m左右，形成的涡流大小为2m左右；风筒出口速度为8m/s时，涡流中心距离掘进工作面的距离为4m左右，形成的涡流大小为3m左右；风筒出口速度为10m/s时，涡流中心距离掘进工作面的距离为3m左右，形成的涡流大小为4m左右。

此外我们还对掘进巷道的中轴面Y=2.3时的截面进行压力场分析，基于Fluent，我们分别截取了风筒出口速度为6m/s、8m/s、10m/s时Y=2.3 截面的压力分布云图，如图 5（u=6m/s）、图 6（u=8m/s）、图 7（u=10m/s）所示。

图5 风筒出口速度为6m/s时的压力分布云图（Y=2.3）

图6 风筒出口速度为8m/s时的压力分布云图（Y=2.3）

图7 风筒出口速度为10m/s时的压力分布云图（Y=2.3）

由以上压力分布云图中可以看出，风筒出口速度为6m/s时，正压分布范围最大，且由于涡流造成的负压空洞最小；当风筒出口速度为8m/s时，正压分布范围最小，负压空洞最大。

5 结论

风筒出口处风流会有卷吸作用，形成涡流中心，风筒出口速度越大涡流中心距离掘进工作面的距离越近，涡流直径越大。压力分布情况分析得出，风筒出口速度较小时，正压分布范围大，负压空洞较小，通风效率高，掘进工作面通风较为理想。

［1］NNKAYAMA S,UCHINO K,INOUE M.Analysis of ventilation air flow at heading face by computational fluid dynamics[J].Shigen To Sozai,1995,111(4)：22-25.

［2］NAKAYAMA S,UCHINO K,LNOUE M.3 dimensional flow measurement at heading face and application of CFD[J].Shigen To Sozai,1996,112(9)：34-37.

［3］JONES A D.A physical scale model of flows in the waste of a retreat longwall coalface[C]//Proceedings of the 6th international mine ventilation congress.Pittsburgy：[s.n.],1997：109-115.

［4］KONDURI I M.Experimental and numerical modeling of jet fans for auxiliary ventilation in mines[C]//Proceedings of the 6th international mine ventilation congress.Pittsburgh：[s.n.],1997：179-183.

［5］MOLONEY K W,LOWNDES I S,STOCKES M R.et al.Studies on alternative methods of ventilation using computational fluid dynamics,scale and full scale gallery tests[C]//Proceeding of the 6th international mine ventilation congress.Pittsburgh：[s.n.],1997：200-203.

［6］JAVIER TORA,SUSANA TORNO,MARIO MENENDEZ,et al.Models of menthane behaviour in auxiliary ventilation of underground coal mining[J].International Journal of Coal Geology,2009,80：35-43.

［7］高建良,刘金金.局部通风流场模拟解算湍流模型k-ε值计算方法研究[J].河南理工大学学报,2011(5).

［8］胡祖祥,王百顺.掘进巷道中某一点瓦斯浓度的研究[J].山东煤炭科技,2005(5)：67-67,69.

［9］梁栋.通风过程瓦斯运移规律和数值模拟[M].北京：煤炭工业出版社,1992.