基于Fluent的掘进巷道热环境数值模拟及分布规律研究*

程力 陈科旭 邱树永 陈宜华

（1.山东黄金集团有限公司 深井开采实验室，山东 烟台 261400；2.山东省深海深地金属矿智能开采重点实验室，山东 烟台 261400；3.安徽工业大学，安徽 马鞍山 243000）

0 引言

由于金属矿山开采及工作面深度的逐年增深，井下热环境受地热和其他的影响，不可避免的产生高温热害问题［1-3］。为了保证矿山安全生产，《矿山安全规程》（GB 16423—2020）明确要求和规定井下工人连续工作场所的湿球温度不高于27℃，通风及降温不能满足要求时，应该采用制冷降温或其他防护措施，湿球温度超过30℃时，应停止作业［4］。

当前矿井热害主要影响因素为空气压缩产热、机械设备产热并散热、围岩散热、地下热水散热［5-7］。矿井热害较严重的地点主要在长距离独头掘进巷道、采矿工作面、机电与维修硐室［8-10］。有关学者对独头掘进巷道热环境实施了丰富的研究，得到一些关于巷道通风降温效果与影响因素、矿井开采巷道内部流场与温度场的分布及变化规律［11-13］。以往学者在研究过程中往往局限于常规通风降温条件下巷道热环境研究［14-16］，没有考虑风源在有制冷条件下巷道热环境的分布规律。

为此，选择三山岛金矿西山矿区-960 m中段一掘进巷道的实际工程为研究对象，运用ANSYS软件对有无制冷状况下掘进巷道的温度场分布进行理论分析和数值模拟，研究矿井下掘进面巷道热环境分布变化规律。

1 数值计算模型

1.1 Fluent数学求解的基本方程

对于压入式通风的矿井掘进巷道，并采用理想气流，即为不可压缩气体、紊流黏性为各向同性且为稳态紊流，气流组分之间不会发生任何化学反应，同时气流在矿井掘进巷道内的流动满足三大守恒定律。

第一守恒定律：单位时间内流体微元中质量的增加和同一时间间隔内流入该微元体的净质量相等。根据该定律质量守恒方程可表示为：

第二守恒定律：在惯性（非加速）坐标系下i方向上的动量守恒方程可表示为：

第三守恒定律：Fluent所解的能量守恒方程可表示为：

式中，各类参数的具体含义可见参考文献［16］。

1.2 三维几何模型的建立

为方便分析，将巷道简化为长方体，利用Fulent软件，按照三山岛金矿西山矿区-960 m中段一掘进巷道建立三维几何模型，具体尺寸为13 m×1.2 m×1.5 m，模型如图1。风管直径为280 mm，风筒圆心坐标为（1.01，0.74），风管出口离作业面的距离按计算需求进行设置。

之后，根据建立的三维几何模型的实际长度和所求的与实际相关数据收集的拟合实际精确度要求，进行相关网格划分，通过ANSYS软件中Workbench的Mesh工具先初略划分模型网格，并进行修改，使基础网格满足数值模拟的拟合需求，再进行下面的操作。

1.3 边界条件及计算方法的确定

建立的巷道模型先进行网格划分后并输入到ANASY Fluent中，确定开始条件与边界条件，设定求解条件，按照模拟分析要求设定各工况。

1）初始条件。初始条件是数值模拟的基本应用条件，与现实基本条件相符合的初始条件才能保证模拟的准确度。定义模型壁面材料为大理岩，风筒材料为PVC管材，材料物性参数如表1。

表1 材料属性参数

2）边界条件与求解条件设定。以风管排风出口处为模型的进口边界线，以矿井掘进巷道入口处为模型的出口边界，入口定义为速度入口，出口定义为压力出口。为使得矿井巷道平均风速符合并满足《金属非金属矿山地下矿山技术规范》的规定，入口风速设定为5 m/s。并根据考虑因素设置2种情况：

①无制冷降温环境下，风温入风温度301 K（28℃）为时风流温度。

②入口风温291 K（18℃）为采用制冷降温后的风流温度。

用这2种典型的矿井调节初期温度进行数值模拟实验，更好符合现场实际情况。在数值模拟的设计和选择计算对应的方程中：选用隐式离散三维稳态求解器，速度采取绝对速度，标准k-紊流模型。湍流强度3.6%，水力直径0.28 m。

3）模拟工况参数设定。因考虑到实际情况中壁面温度的变化情况，设置相应的壁面温度：距离工作面0~6 m为40℃，距离工作面6~12 m温度逐渐降低至28℃，距离作业面12~13 m保持28℃，矿井掘进巷道的岩壁面温度变化情况如图2所示。风筒距离工作面距离分别设定为3 m、4 m、5 m及6 m，因此可分8个工况，各工况的参数如表2所示。

表2 模拟参数

2 热环境模拟结果分析

2.1 速度分布

为了观察巷道内风流的变化，在工况1-1、工况2-1、工况3-1及工况4-1条件下，截取风管横向截面（y=0.74 m）及纵向切面（x=1.01 m），查看速度分布如图3—图4。

从图3—图4中可以看出，压入式送风筒安放在巷道一侧，风从风筒喷射出后形成贴附射流区域；由于矿井巷道空间的局限性约束和气流持续不断的特点，气流在撞击作业面造成冲击射流域后，气流的方向发生改变，造成了与射流域相反流动，即回流区；在射流域和回流域互相作用下，两者之间形成涡流域。

因此独头掘进矿道内风流可分为射流域、回流域和涡流域，这与前人的研究成果一致［17-18］。通过比较各工况速度云图可知，不同的风筒出口位置导致巷道内风流速度分布变化较大。工况1-1风流对工作面扰动最大，工况4-1风流对工作面扰动最小，而射流区和回流区范围最大。

2.2 巷道中心线温度分布

研究矿井掘进巷道中央线温度变化及分布，考虑对不同工况条件下进行模拟，对应的巷道中心线坐标为（x=0.6 m，y=0.74 m，z∈（0 m，13 m）），温度曲线如图5—图6所示。

从图5可看出，当入风温度为28℃（没有制冷）时，风流向外流动的过程中，巷道中心线温度呈现先上升后下降趋势，风流温度在巷道中某一截面达到最大，该现象被称为“回头热”。随着风筒入口位置发生变化，“回头热”位置也发生变化。当风筒出口距作业面为3 m（工况1-1），最高摄氏度点距离工作的作业面为4 m，温度为32.97℃，当风管出口与作业面距离增加至6 m（工况4-1），最高温度点距离工作面7 m，温度为31.58℃。可见，风管出口距作业面越近，“回头热”距离工作面越近；风管出口距作业面越远，“回头热”距离作业面越远。这是因为越接近作业面，岩壁温度越高，风管出口距离作业面越近，风流从矿井掘进巷道内部吸热量大，使风的温度增大，“回头热”的气温升高，风流吸热区域小，“回头热”距离工作面距离越近。

从图6可看出，当入风温度为18℃（有制冷）时，风流向外流动的过程中，巷道中心线温度呈现上升趋势。因为风流温度向外流动过程中始终低于巷道壁面温度，风流一直处于吸热状态，因此，各工况巷道均未出现“回头热”现象。

2.3 巷道温度分布

1）风源无预冷条件下巷道风流温度分布。风源在没有制冷作用时，入风华摄氏301 K（28℃）为风流的典型温度。在工况1-1、2-1、3-1及4-1条件下，截取风筒纵向截面（x=1.01 m），观察矿井掘进巷道内热分布状况如图7。同时截取矿井掘进巷道内z=12.9 m，z=9.7 m，z=6.5 m，z=3.3 m，z=0.1 m 5个位置的切面，查看矿道内风流热环境分布如图8所示。

通过比较图7各工况温度云图可知，风流自风筒流出后，不断向岩壁吸热，风流温度不断升高，并由于热气流上浮升力的影响，热气流不断升高，使矿道切面的温度从上而下渐渐降低，且各工况条件下巷道平均温度均超过30℃。同时，风管出口位置离作业面距离越近，对工作面降温效果越好，但巷道外侧环境越热。反之，工作面制冷降温效果越差，但矿井掘进巷道整体环境的温度较均匀。

由图8看出，矿道中间纵向切面（z=6.5 m，z=3.3 m）风温度明显升高，远离工作面的截面（z=12.9 m，z=9.7 m），由于巷道壁面温度逐渐降低，因此巷道气流温度又逐渐降低。距离作业面最近的纵向切面（z=0.1 m），此外靠近岩层壁面处温度较高之外，还受到气流流动影响，工作面温度均较低。

2）风源有预冷条件下巷道温度分布。风源在有制冷条件时，风筒入风温度291 K（18℃）为风流的典型温度。在工况1-2、工况2-2、工况3-2及工况4-2条件下，截取风筒纵向截面（x=1.01 m），查看矿井掘进巷道内热流场分布如图9。同时截取矿井掘进巷道z=12.9 m，z=9.7 m，z=6.5 m，z=3.3 m，z=0.1 m 5个位置的纵向切面，观察矿井巷道内热流场分布如图10所示。

通过比较图9各工况温度云图可知，风流从风筒流出后，从巷道吸热，气流在巷道中不断升温，但风源在有制冷条件作用下，风温始终低于壁面温度，使整个巷道最高温度不超过28℃。

由图10可以得出，由于风管出口风流温度较低，气流从风筒流出后风流温度不断升高。各截面风流平均温度从23℃上升到28℃，温升约5℃，温度最高值出现在巷道出口处上隅角附近。

3 结论

通过对三山岛金矿-960 m掘进巷道的实地调查和相关数据的收集及整理，并应用Fluent数值模拟软件进行理论分析得到以下结论：

1）独头掘进巷道中，应用局部压入式通风方式，风从风筒射出后将形成贴附射流域、回流域及涡流域。风管距工作面越近，气流对工作面扰动越大，反之，则风流对工作面扰动越弱，射流域和回流域范围越大。

2）风源在无预冷条件下，各工况条件下巷道平均温度均超过30℃，且出现“回头热”现象。风管出风口距采矿工作的作业面越近，产生的“回头热”距工作面越近，工作面制冷降温效果越好，矿井掘进巷道外侧越热；风管出风口距离工作面越远，产生的“回头热”距离工作面越远，工作面降温效果越差，但巷道整体温度分布较均匀。

3）风源在有预冷条件下，巷道均未出现“回头热”现象，各工况条件下巷道最高温度不超过28℃。

4）巷道同一断面内，远离风筒侧风流温度高于近风筒侧，风筒上侧风流温度高于下侧，各截面风流的热环境的最高值出现在巷道上隅角处。