辽宁大隆矿区矿井巷道空气温度的数值模拟与分析

杨伟，杨琳琳，孙跃

(辽宁工程技术大学建筑与工程学院，辽宁阜新 123000)

辽宁大隆矿区矿井巷道空气温度的数值模拟与分析

杨伟，杨琳琳，孙跃

(辽宁工程技术大学建筑与工程学院，辽宁阜新 123000)

为解决深部开采带来的巷道内温度过高而没有对热量加以利用的问题，采用传热学、计算流体力学理论，对巷道围岩—空气换热系统进行了三维数值计算，研究了在渗流和无渗流条件下巷道内部温度场随巷道空气入口雷诺数的变化规律。计算结果表明:在巷道长度方向0～50m范围内温升不明显，超过50m后温度增加明显，并且随着长度增加温度相应增加;渗流情况下，巷道空气出口平均温度高于无渗流情况下巷道空气出口平均温度;渗流情况下，雷诺数在1.3×105～3.5×105、11.33×105～3.5×105间平均总传热系数大于无渗流情况下平均总传热系数。控制巷道空气入口雷诺数是解决巷道内温度过高和对热量加以利用的关键。以上结论为矿井热害的综合治理、基于巷道风热量利用的空气源热泵系统的优化设计提供了重要依据。

矿井降温;耦合传热;数值模拟;变化规律;辽宁大隆矿区

0 引言

深部煤矿资源的开采以开采煤炭为主，而对于地下的热量资源没有利用。随着矿井开采深度的增加和机械化程度的提高，矿井内部空气高温问题越来越严重［1］。采用通风方法是治理矿井内部空气高温的方法之一［2］，矿井通风把新鲜空气送入井下［3］，排除井下生产过程中不断产生有毒有害气体，同时也排除一部分由于地温升高带来的一部分巷道内热量。在冬季，将巷道排除后的热空气处理后作为热泵系统的热源加以利用，提高空气源热泵的性能系数［4－6］。在考虑经济性因素的基础上，得出矿井内部空气温度变化规律、数据及结论，为分析更为复杂问题，奠定基础。

1 基本概况

大隆矿区位于铁法市，介于北纬42°21′31″～42° 33′19″，东经123°21′31″～123°41′52″之间，年平均气温6.85°。7月份为最热月份，平均气温24.1°，极端最高气温35.9°;一月份为最冷月份，平均为－13.1°，极端最低气温为－34.3°。

研究区域资料来源于地下600m巷道的原位监测数据［7－9］，巷道断面为半圆拱形，断面宽度2.6m，直墙高1.5m，拱高为1.3m，断面积为6.55m2;每1m长巷道的内表面积9.68m2;巷道断面周界长度9.68m。研究区域选定为12m×10m×2000m范围内的巷道围岩，利用Gambit［10］创建三角形网格，巷道围岩的网格生成的单元网格数目为58400个，节点56079个;巷道网格生成的单元网格数目为10854个，节点16800个。围岩断面、巷道断面网格划分结构见图1、2，巷道围岩的三维体网格划分见图3。

图1 巷道围岩的平面网格划分Fig.1 Mesh faces of rock around the tunnel

物理现象见图3，其参数分别为巷道入口风雷诺数Re(改变雷诺数从而造成不同的工况)、水;巷道

图2 巷道的平面网格划分Fig.2 Mesh faces of tunnel

图3 围岩、巷道的体网格划分Fig.3 Mesh volumes of rock and tunnel

左侧为空气进口，坐标位于x=0m处。不考虑垂直方向质量力，内部工作介质为空气，作不可压缩处理，24.1°空气的热物性参数为:密度ρ=1.205kg/m3，比热c=1.005kJ/(kg·K)，导热系数λ=0.0259W/ (m·K)，热扩散率a=2.14×10－7m2/s。巷道岩体的热物性参数为:巷道围岩密度ρ=2 350 kg/m3，比热c=0.84kJ/(kg·K)，导热系数K=1.43 W/(m· K)，热扩散率a=7.24×10－7m2/s，围岩温度32.75°，内部阻力因子取0，粘性阻力系数取0.00625［11］。

2 耦合传热计算和结果

2.1 基本假设

基于巷道风温度是通过空气与巷道围岩间的热交换而实现，并且受到外界条件和系统实际运行情况的影响［12－14］。其热边界条件无法预先确定，传热时受到流体与壁面之间相互作用的制约，为耦合传热问题［15－16］。为研究问题方便，特作如下假设:

(1)巷道周围岩石的物性参数为常数［17］;

(2)有通风时，巷道内空气以对流换热为主，不考虑各表面间的辐射换热［18－19］;

(3)地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度。

2.2 数值求解

用FLUENT软件三维双精度求解器求解［20、21］。设置连续性方程、动量方程、能量方程［22］，使用分离求解器，对时间项采用2阶差分格式，K-ε紊流模型，巷道围岩初始温度为305.75K。求解器中能量、动量及K、ε方程为2阶向前差分格式，为了加速计算压力和速度耦合求解的速度，采用了Piso算法。先计算绝热流动，然后再考虑能量方程的计算。

2.3 结果

在无渗流状态和渗流状态下，分别针对巷道入口风在雷诺数Re为0.3498×105、0.872×105、1.743 ×105、2.615×105、3.486×105、5.229×105、6.972× 105、8.716×105、10.459×105和12.202×105的二十种工况［1］进行计算，计算结果见图4～7。

图4 Y=0、Z=0、X=0～2000m空气温度随巷道长度变化(无渗流状态)(巷道X=0m处为巷道空气入口，X=2000m处为巷道空气出口)Fig.4 Change of air temperature with the length of tunnel in Y=0、Z=0、X=0～2000 with no seepage flow

3 讨论

(1)由图4巷道内空气温度随巷道长度变化(无渗流状态)曲线可知:经过2000m巷道围岩与空气的对流换热作用，巷道内空气温度随巷道长度变化和雷

图5 Y=0、Z=0、X=0～2000m空气温度随巷道长度变化(渗流状态)Fig.5 Change of air temperature with the length of tunnel in Y=0、Z=0、X=0～2000 with seepage flow

图6 平均总传热系数k随巷道入口风Re变化关系Fig.6 Change of average overall heat transfer coefficient k with Re of entrance wind

图7 Q/Qmax随巷道入口风Re变化关系Fig.7 Change of Q/Qmax with Re of entrance wind

诺数有较大变化。最大值为305.59 K，最小值为298.88 K，升温温差为1.78K～8.49K。升温温差最小值发生在巷道入口风雷诺数Re=12.202×105，升温温差最大值发生在巷道入口风雷诺数Re=0.349 ×105。按入口风雷诺数递增出口温度递减方式排序。雷诺数越小，巷道围岩与巷道内空气的对流换热时间长，加热空气温度越高。巷道入口风雷诺数Re 在0.349×105～0.872×105间时，巷道内空气温度随巷道长度变化按二次曲线变化，前1500m为主要升温区间;雷诺数Re在1.743×105～12.202×105间时巷道内空气温度随巷道长度变化基本按一次曲线变化，巷道全长升温基本均匀;雷诺数Re在10.459×105和12.202×105时，两条空气温度线接近重合，说明雷诺数Re超过10.459×105后，加热空气温度有个最低限值。在巷道长度方向，0～50m范围内温升不明显，超过50m后温度增加明显，并且随着长度增加温度相应增加。巷道长度越长，巷道围岩壁面与空气间的换热面积增大，换热时间增长，巷道出口的空气温度越高，空气进出口温差越大。从获得巷道空气出口平均温度较大值角度考虑，巷道入口风雷诺数Re在0.349×105～0.872×105间时能获得较好的巷道空气出口平均温度较大值，又较为节省动力消耗。从获得巷道内适宜工作环境温度考虑，巷道入口风雷诺数Re在2.615×105～12.202×105间时能获得较好的巷道内空气温度。

(2)图5巷道内空气温度随巷道长度变化(渗流状态)与图4有明显差别。巷道出口空气温度高于无渗流状态巷道出口空气温度。在巷道长度方向，巷道入口风雷诺数Re在0.349×105时，0～700m范围内升温明显，并且700m后空气温度接近围岩温度;雷诺数Re在0.8729×105时，在1300m处空气温度接近围岩温度;雷诺数Re在1.7439×105和2.615×105时，在出处口空气温度达305.577K。说明围岩在有水渗流状态下导热能力增强，围岩表面与内部温度梯度小。在空气低雷诺数下流动，对流传热时间长，巷道内空气温度高。渗流是空气温度增加的主要原因。

巷道入口风雷诺数Re在3.486×105～12.202 ×105时，空气温度随巷道长度变化均匀增加。说明巷道入口风雷诺数Re超过0.349×105时，对流传热时间相对减小，空气温度随巷道长度增加而增加。巷道长度是空气温度增加的主要原因。从获得巷道空气出口平均温度较大值角度考虑，巷道入口风雷诺数Re在0.349×105～2.615×105间时能获得较好的巷道空气出口平均温度较大值，又较为节省动力消耗。从获得巷道内适宜工作环境温度考虑，巷道入口风雷诺数Re在3.486×105～12.202×105间时能获得较好的巷道内空气温度，改善环境温度。

(3)由图6平均总传热系数k随巷道入口风Re变化关系可知:平均总传热系数k随巷道入口风雷诺数Re的增加而增大。无渗流情况下，雷诺数在0.349×105～6.972×105间，平均总传热系数由0.048w/m2－k增加到最大值0.429w/m2－k，增加过程大致符合二次曲线渐变过程;雷诺数大于6.972× 105后，平均总传热系数增加值不大。最大值为0.46w/m2－k，雷诺数为12.202×105。渗流情况下，雷诺数在0.349×105～2.615×105间，平均总传热系数由0.043w/m2－k增加到0.325w/m2－k，增加过程大致符合一次曲线增加;雷诺数在2.615×105～8.716×105间，平均总传热系数由0.325w/m2－k减小到0.29w/m2－k后又增加到0.416w/m2－k，变化过程由大值先减小后增加的二次曲线变化过程;雷诺数在8.716×105～10.459×105间，平均总传热系数在0.416w/m2－k～0.429 w/m2－k间，数值变化不大;雷诺数大于10.459×105后，平均总传热系数增加到最大值0.492w/m2－k。最大值为0.492w/m2－k，雷诺数为12.202×105。渗流情况下，雷诺数在1.3×105～3.5×105、11.33×105～3.5×105间，平均总传热系数大于无渗流情况下平均总传热系数。

(4)由图7可知:平均出口热值随巷道入口风雷诺数Re的增加而增大。无渗流情况下，雷诺数在0.349×105～8.716×105间，Q/Qmax由0.117增加到0.921，增加过程大致符合二次曲线渐变过程;雷诺数大于8.716×105后，Q/Qmax降低至0.803后逐渐增加到最大值0.932。渗流情况下，雷诺数在0.349× 105～2.615×105间，Q/Qmax由0.1194增加到极大值0.881，增加过程大致符合一次曲线增加过程;雷诺数大于2.615×105后，Q/Qmax降低至0.617后逐渐增加到最大值1。在不考虑冲淡、排除井下有毒有害气体和粉尘，仅从降低巷道内温度、获得平均出口热值情况下考虑，渗流情况下应采用雷诺数为2.615× 105的条件，无渗流情况下应采用雷诺数为8.716× 105的条件，以较小的动力损耗获得相对较大的平均出口热值。

4 结语

(1)从获得巷道空气出口平均温度较大值角度考虑，巷道入口风雷诺数Re在0.349×105～0.872 ×105(无渗流状态)、0.349×105～2.615×105(渗流状态)时能获得较好的巷道空气出口平均温度较大值，又较为节省动力消耗。巷道入口风雷诺数巷道空气出口平均温度越接近于围岩初始温度，加热空气效果越好。

(2)在巷道长度方向，0～50m范围内温升不明显，超过50m后温度增加明显，并且随着长度增加温度相应增加。巷道长度越长，巷道围岩壁面与空气间的换热面积增大，换热时间增长，巷道出口的空气温度越高，空气进口温差越大。

(3)渗流情况下，雷诺数在1.3×105～3.5× 105、11.33×105～3.5×105间平均总传热系数大于无渗流情况下平均总传热系数。

(4)渗流情况下，巷道空气出口平均温度高于无渗流情况下巷道空气出口平均温度。

(5)控制巷道空气入口雷诺数是解决巷道内温度过高和对热量加以利用的关键，无渗流条件下推荐雷诺数Re在2.615×105～12.202×105间，渗流条件下推荐雷诺数Re在3.486×105～12.202×105。本文的研究对于基于巷道风的空气源热泵系统［23－25］的优化设计有一定的意义，在考虑经济性因素的基础上，对巷道加热能力的各个影响因素进行综合分析，得出了变化规律、数据以及结论，为分析更为复杂问题，奠定基础。

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Abstract:In order to solve heat utilization problems caused by deep-seated exploitation with high temperature，this paper makes numerical simulation of rock-to-air heat transfer in theory of heat transfer and computational fluid dynamics，and studies the rule of tunnel temperature field variation with entrance Reynolds number.The results indicate that the rise in temperature is not obvious until it reaches 50m along the tunnel and temperature increases in accordance with the length of tunnel.The average temperature in outlet of tunnel with seepage flow is higher than that with no seepage flow.The average overall heat transfer coefficient is also higher with seepage flow if Reynolds number is in the range of 1.3×105－3.5×105to 11.33×105－3.5×105.The key of solving heat-harm in mines and heat utilization istocontrolentranceReynoldsnumber.Theaboveconclusionprovidesimportantevidencefor comprehensive management in heat-harm mine and optimizing air source heat pump systems in the tunnel.

Key words:mine shaft cooling;coupled heat transfer;numerical simulation;change law;Dalong Mine，Liaoning Province

Numerical simulation of air temperature of laneway in Dalong Mine，Liaoning Province

YANG Wei，YANG Lin-lin，SUN Yue
(College of Architecture Engineering of Liaoning Technical University，Fuxin12300，China)

1003-8035(2010)02-0084-05

TD727+.2

A

2010-03-01;

2010-03-07

杨伟(1965－)，男，辽宁省阜新人，副教授，研究方向为高效传热与传质。

E-mail:lgdyw@163.com