矿井通风系统风流流动数值模拟研究

高廷瑞

（阳煤集团二矿， 山西 阳泉 045000）

引言

随着经济的发展，对煤炭需求量越来越大，煤矿开采深度逐渐增加，这对矿井通风系统提出更高的要求[1-2]，可靠的通风系统不仅要有持续的供风能力，而且要对煤矿瓦斯、粉尘等有毒有害气体能够及时有效的进行稀释，减小瓦斯突出的危险，合理有效的矿井通风系统能够排除80%～90%的瓦斯含量[3]，因此，矿井生产系统的可靠性对于煤矿生产具有重要的意义[4]，本文通过数值模拟及工程实测的研究方法对煤矿生产系统的可靠性进行评价，研究矿井生产系统能否有效合理的配给有限风量资源。

1 工程概况

山西煤炭进出口集团韩家洼煤矿位于山西省大同市左云县，属于兼并重组矿井，该煤矿主要开采19号、22号、25 号煤层，年产量为 0.9 Mt，22号煤层层厚为4 m，井田有主斜井、副斜井、进风行人斜井和回风立井4个井筒，主、副斜井井筒断面积和长度分别为 13.2 m2、612 m，15.8 m2、396 m，矿井通风方式为中央并列式，通风机为抽出式通风机，矿井总风量4782 m3/min，主斜井、副斜井、进风行人斜井进风量分别为 1 450 m3/min，2 199 m3/min，1 133 m3/min，如图1所示为巷道平面布置图。

图1 巷道平面布置图

韩家洼煤矿有三个开采水平，为方便模拟计算分析，本文只研究第一开采水平，其他开采水平与第一开采水平类似，该矿地质构造简单，煤层倾角为2°～6°，井田内有落差为2～8 m的小断层5条，矿井有四个井筒，其中三个井筒为进风井，一个为回风井，进风井筒减轻了进风困难的问题，在一定程度上能够减轻风阻大小，提高通风效率，但是增加了一个进风井，风流计算难度增加，风流流动复杂，巷道通风风量的配给要求高，通风系统复杂，其可靠性有待进一步验证。

韩家洼煤矿通风风量的测量方法为通过指派专门通风测量员定期对煤矿井下风量进行测定，定期检查通风系统的可靠性，有毒有害气体的浓度并及时进行汇报。这种测量放法效率低，不能实时动态对行当风量进行测定，本文通过设计模拟程序，对煤矿井下通风状况进行实时的动态模拟研究，为煤矿提供科学有力的指导。

2 风流流动数值模拟假设及方法

煤矿生产过程中，最大风流流速为8 m/s，空气流动速度慢，未超过可压缩速度，在流动过程中认为煤矿空气不可压缩，即研究的空气流体为不可压缩流体；在煤矿生产过程中，巷道中的空气分布均匀，工作面产生的粉尘和有毒有害气体占空气总量百分比极小，可认为空气均匀分布，即研究流体为均质流体；煤矿生产过程中，因巷道断面小，流体流动可视为一维流动，即研究流体为无黏性流动。

本文的研究对象为矿井井下的整个通风系统，在整个通风系统中，巷道的坐标是一个三维坐标，而巷道可由两个三维坐标点的连线表示，但因矿井巷道空间分布的复杂性，无法精确的计算出整段巷道的各个坐标值，因此引入局部坐标系来表示巷道的坐标，局部坐标与整体坐标系的转换能够将整个巷道表示出来。局部坐标上的巷道可由单元体表示，各个单元的数值可由有限分析方法得到[5]:

上式为数值模拟软件模拟过程中所遵循的数学公式，公式表示各离散单元值求法计算公式，用于求解巷道风流流动单元的离散计算，通过此公式可计算出风流流动状态，并对风流流动进行模拟。

3 风流流动数值模拟

3.1 数值模拟方法与程序

根据风流流动数值模拟假设及方法可对风流流动进行模拟，模拟根据数学模型编写了Fortran程序，计算思路为打开软件并进行计算，带入基础数据，包括模型的边界条件、初始条件，巷道断面尺寸参数等局部坐标，基础数据输入后通过所设计的程序对巷道单元进行剖分，并记录各单元局部坐标和单元节点的坐标，局部坐标能够将巷道整体坐标记录，模拟流体的流动。这样计算结果能够通过局部坐标转换成全局坐标，计算方便，操作简单。

3.2 模型建立

根据韩家洼煤矿巷道平面布置图建立数值模拟示意图，模型的网格剖分应足够小，同时各个单元之间的连接关系应准确的记录在单元格内，模型的单元数量不应过多，否则会影响单元计算的速度，从而影响计算效果，对于巷道未出现分岔的情况，巷道设置为具有断面面积的一条直线，若巷道之间相交，有分岔，则将巷道分为若干条细线，通过细线的叠加在将细线剖分为若干单元体，生成的单元数和线如图2所示。

一般情况下，矿井通风模拟中采用矿井通风网络的方法，本文采用局部坐标转换全局坐标的方法，通过局部坐标将通风系统三维模型建立出来，根据建立的线结构和巷道上的单元体结构与局部坐标一一对应，若巷道中交叉处的某一个单元出现问题，可通过局部坐标将问题单元格进行定位，这样极大地提高了数值的计算效率，为后续数值模拟打下坚实的基础。

图2 数值模拟模型图

本文建立的数值模拟模型为三维流体模型，但直线段巷道模型为一维，巷道交叉处为三维立体单元体模型，巷道直线段单元微度长度小于10 m，模型的立体网状结构与煤矿通风网络结构相同。

3.3 模拟结果分析

如图3所示，为矿井通风在正常状态下的巷道风速分布图，图中红色线段表示巷道风速的大小，通过分析可知，巷道整体风速满足要求，在总回风巷中，巷道的风速最大，在长度较小的联络巷风速较小，有毒有害气体量小，无瓦斯突出的危险。

图3 正常状态巷道风速分布图

如下页图4所示，为矿井通风在正常状态下的巷道风量分布图，图中绿色线条表示风量的大小，线条长度越长，风量越大，由分析可知回风巷道的风量最大，长度较短的联络巷风量较小，风速大的地方风量也大，风量除了与风速大小有关，还与巷道的端面大小有关，风量与风速无明显的函数关系。

图4 正常状态巷道风量分布图

图5 调节风门异常情况风速图

如下页图5所示为调节风门风量异常情况下的风速图，调节风门未关闭或者无法有效工作时，通过该风门的通风阻力会减小，从而导致风速及风量的增大，通过模拟风量的变化，可以查到调节风门异常之处，如图所示，通过分析可知，事故发生位置处的风速由0.15 m/s增加为0.73 m/s，巷道风速增加量大，通风系统中的其他巷道受此影响风速也有所增加，例如，工作面进风行人斜巷风量由0.5 m/s升为0.58 m/s，工作面风量由2.42 m/s降为2.38 m/s，通过分析可以察觉风量异常点。

如图6所示为风机负压减小状态风速图，由数值模拟可知，事故位置处风机负压由-3 000 Pa降低为-2 000 Pa，风速由6.32 m/s降为4.22 m/s，其他巷道风速受此影响风速相应的降低35%。

如图7所示为风机负压减小状态风量图，事故位置处巷道风量由79.52 m3/s降低为53.18 m3/s，副斜井处风量由36.92 m3/s降低为24.62 m3/s，通过数值模拟对比分析可知，风机负压减小量与风速大小、风量大小关系成函数对应关系，因此风机负压对于矿井安全生产具有重要的关系。

4 工程应用

图6 风机负压减小状态风速图

图7 风机负压减小状态风量图

通过数值模拟和现场实测对韩家洼煤矿矿井通风情况进行预测，研究表明整体通风情况良好，但局部地段存在风量分布不均的情况，经查明为多辆矿车停留影响通风状况，对矿车处理完后，通风状况得到改善，数值模拟各巷道风量和风速研究结果与矿上实测结果相符，数值模拟可对通风系统进行评价。

5 结论

运用理论分析、数值模拟、现场实测的方法对韩家洼煤矿矿井通风系统风流流动进行模拟，数值模拟包括了正常状态巷道风速、风量分布状况、风机负压减小状态风速分布状况，调节风门异常情况下风速风量分布状况。数值模拟结果与矿井实际风量相同，说明数值模拟能够对煤矿风量进行预测，对风量资源进行配给，可对通风系统的可靠性进行评价。