沈宏俊 王春霞 孫 慶

（六盤水師范學(xué)院礦業(yè)工程系，貴州 六盤水553004）

0 引言

貴州眾多煤礦事故中，瓦斯事故是最主要事故之一，且事故災(zāi)害等級高。掘進工作面瓦斯涌出量大，是瓦斯最主要的積聚地，瓦斯事故的高發(fā)地帶。為此，本文將針對貴州六盤水礦區(qū)掘進巷道實際情況，對該礦區(qū)掘進工作面進行流場數(shù)值模擬分析，得出掘進巷道瓦斯壓力和瓦斯運動規(guī)律的一些結(jié)論，并為該地區(qū)掘進巷道瓦斯運動規(guī)律奠定基礎(chǔ)。從而對掘進工作面的瓦斯防治和治理起到指導(dǎo)作用。

日本Nakayama等人對掘進工作面風(fēng)流分布進行了模擬研究[1-2]。南非、美國、英國、西班等國家的一些學(xué)者也對掘進工作面的風(fēng)流分布和瓦斯分布進行了模擬研究[3-6]。河南理工大學(xué)的高建良、劉金金等用RNGk-ε雙方程湍流模型對掘進巷道壓入式通風(fēng)進行了仿真模擬，對k值和ε值采用三種不同的算法，并得出了與試驗較為相符合的k值和ε值計算公式[7]。安徽理工大學(xué)的胡祖祥、王百順通過建立數(shù)學(xué)模型研究了掘進巷道某一點的瓦斯體積分數(shù)[8]。本文將針對六盤水地區(qū)煤礦的實際掘進巷道尺寸進行流場分布規(guī)律的分析研究，研究掘進工作面的風(fēng)筒出口風(fēng)速對掘進工作面的渦流中心、渦流大小及掘進工作面正壓分布進行研究。得出風(fēng)筒出口風(fēng)速不同時的掘進工作面的渦流中心及渦流大小、掘進工作面正壓分布一些分布規(guī)律和結(jié)論。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 假設(shè)條件

（1）掘進工作面風(fēng)筒出口氣流可視為不可壓縮氣體，不考慮耗散熱，壁面條件假定絕熱，通風(fēng)條件為20℃；

（2）流體湍流黏性具有各向同性，湍流的黏滯系數(shù)μt可作為標量處理；

（3）流動為穩(wěn)態(tài)，滿足Boussinesq假設(shè)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

對于掘進工作面的穩(wěn)態(tài)流動，由以上假設(shè)條件，可得以下控制方程（1）~（4）

質(zhì)量守恒方程（MassConservationEquation）為

式中：ρ為密度，t為時間，u，v，w 為 x，y，z方向上的速度分量。

動量守恒方程 （MomentumConservationEquation）， 也稱Narier—Stokes方程，即

式中：u，v，w 為速度矢量在 x，y，z方向的分量，p為流體微元體上的壓力。

2 幾何模型的建立

本文根據(jù)六盤水米籮礦井的實際掘進巷道尺寸，建立了與實際情況相符合的模擬模型，提高模擬結(jié)果的真實度。巷道為圓拱形巷道，風(fēng)筒出口的位置為掘進巷道的中部拱頂，如圖1所示。

模型一：模擬巷道長15m，寬4.6，高3.5的圓拱形掘進斷面，風(fēng)筒直徑為0.5m，出風(fēng)口平均速度為8m/s，風(fēng)筒距工作面距離為10m。風(fēng)筒布置在巷道的頂部，如圖1所示。

圖1 風(fēng)筒在頂部時的布置和巷道斷面布置圖

3 邊界條件

（1）入口條件：取風(fēng)筒出口為入口邊界，取風(fēng)筒入口平均風(fēng)速10m/s為入口速度，湍流動能k和湍流動能耗散率ε計算方法有三種，不同的計算方法得出的湍流動能k和湍流動能耗散率ε有較大的差距，然而對比后發(fā)現(xiàn)采用第三種方法得到的值更加符合和接近實際情況，在這里采用第三種計算方法[9]，k=0.05，，其中um為入口平均速度，d0為入口處的特征尺寸，取風(fēng)筒的水力直徑。

（2）出口條件：模擬的巷道出口選取為距風(fēng)筒位置5m處，此時的掘進巷道出口對于掘進工作面空氣流動的研究基本上沒有影響，流場也趨于一種平穩(wěn)的狀態(tài)。出口條件采用完全的自由流動。

4 模擬結(jié)果分析

我們使用Fluent仿真模擬軟件對上述三種情況進行流場數(shù)值模擬分析，截取Y=2.3時的截面作為流場分析面，得出不同的風(fēng)筒出口速度的流場流動規(guī)律。圖2為6m/s時的流場分布圖，圖3為8m/s時的流場分布圖，圖4為10m/s時的流場分布圖。

圖2 風(fēng)筒出口速度為6m/s時的流場分布圖（Y=2.3）

圖3 風(fēng)筒出口速度為8m/s時的流場分布圖（Y=2.3）

圖4 風(fēng)筒出口速度為10m/s時的流場分布圖（Y=2.3）

從以上分析我們可以得出，風(fēng)筒不同的出口風(fēng)速，在出口處會形成卷吸，由于風(fēng)速的不同，卷吸的作用也不一樣，從而導(dǎo)致渦流中心位置離掘進工作面的距離和渦流大小有一定的差距。從以上分析可以得出，風(fēng)筒出口速度為6m/s時，渦流中心距離掘進工作面的距離為5m左右，形成的渦流大小為2m左右；風(fēng)筒出口速度為8m/s時，渦流中心距離掘進工作面的距離為4m左右，形成的渦流大小為3m左右；風(fēng)筒出口速度為10m/s時，渦流中心距離掘進工作面的距離為3m左右，形成的渦流大小為4m左右。

此外我們還對掘進巷道的中軸面Y=2.3時的截面進行壓力場分析，基于Fluent，我們分別截取了風(fēng)筒出口速度為6m/s、8m/s、10m/s時Y=2.3 截面的壓力分布云圖，如圖 5（u=6m/s）、圖 6（u=8m/s）、圖 7（u=10m/s）所示。

圖5 風(fēng)筒出口速度為6m/s時的壓力分布云圖（Y=2.3）

圖6 風(fēng)筒出口速度為8m/s時的壓力分布云圖（Y=2.3）

圖7 風(fēng)筒出口速度為10m/s時的壓力分布云圖（Y=2.3）

由以上壓力分布云圖中可以看出，風(fēng)筒出口速度為6m/s時，正壓分布范圍最大，且由于渦流造成的負壓空洞最??；當(dāng)風(fēng)筒出口速度為8m/s時，正壓分布范圍最小，負壓空洞最大。

5 結(jié)論

風(fēng)筒出口處風(fēng)流會有卷吸作用，形成渦流中心，風(fēng)筒出口速度越大渦流中心距離掘進工作面的距離越近，渦流直徑越大。壓力分布情況分析得出，風(fēng)筒出口速度較小時，正壓分布范圍大，負壓空洞較小，通風(fēng)效率高，掘進工作面通風(fēng)較為理想。

［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.

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［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.

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［7］高建良,劉金金.局部通風(fēng)流場模擬解算湍流模型k-ε值計算方法研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報,2011(5).

［8］胡祖祥,王百順.掘進巷道中某一點瓦斯?jié)舛鹊难芯縖J].山東煤炭科技,2005(5)：67-67,69.

［9］梁棟.通風(fēng)過程瓦斯運移規(guī)律和數(shù)值模擬[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1992.