張 琛

（陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司通風(fēng)部， 山西 陽泉 045000）

引言

雖然我國十三五范圍內(nèi)對煤炭的使用做出了限制，但是在未來很長一段時(shí)間，仍然是我國重要的能源與資源形式。目前，地表礦山煤炭供應(yīng)正在減少，從而需要更深入開采地下煤炭。然而，煤礦地下開采自存在以來，其工作環(huán)境極其惡劣，危險(xiǎn)性很高，其中甲烷和煤塵極有可能導(dǎo)致爆炸，并影響礦工的健康，甚至?xí)?dǎo)致死亡事件發(fā)生。

由于通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行占總運(yùn)營成本的比例較高，所以控制器運(yùn)營成本是非常重要的內(nèi)容，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，成本高主要是由于驅(qū)動(dòng)氣流通過各種動(dòng)力機(jī)械產(chǎn)生。為了平衡安全和成本兩個(gè)變量，謹(jǐn)慎地進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)工作的主要內(nèi)容之一。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)仿真優(yōu)化研究進(jìn)展

在過去十年中，數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)建模已經(jīng)在地下礦山通風(fēng)系統(tǒng)研究和開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。Herdeen和Sullivan（1993）是用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）研究流動(dòng)氣流的礦井通風(fēng)的創(chuàng)始人；但是，他們的模型沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和反饋。Srinivasa等人（1993）使用商業(yè)CFD軟件利用歐拉 -拉格朗日公式預(yù)測長壁工作面灰塵分布。Tomata等（1999）擴(kuò)展了CFD模型通過包括物種方程來預(yù)測甲烷的分散。Wala等人（2003）開發(fā)了長壁通風(fēng)的CFD模型并用甲烷濃度的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型。Canoo（2004）開發(fā)了多相Eularian模型預(yù)測更復(fù)雜幾何形狀的灰塵行為。帕拉等人（2006）模擬地下隧道的流動(dòng)特性與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對應(yīng)。Aminosadati和Hooman（2008）通過CFD模擬研究了在橫切區(qū)域隔板長度對空氣流速的影響。

2 仿真模型及仿真方法

三維地下采煤模型為（見圖1）。

圖1 三維地下采煤模型建模及典型的實(shí)物圖

計(jì)算區(qū)域模型的創(chuàng)建使用的是商業(yè)軟件Gambit 2.3.16；該軟件可用于創(chuàng)建CAD軟件使用的模型，并對其網(wǎng)格化（結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的）和標(biāo)簽邊界條件；三種不同數(shù)量的網(wǎng)格，即 5×105、1×106和 2×106，并進(jìn)行了局部壓力比較。當(dāng)網(wǎng)格為1×106和2×106時(shí)，局部壓力僅僅相差1%，而5×105網(wǎng)格與最高數(shù)量的網(wǎng)格相比，其局部壓力偏差比較大，因此，約100萬個(gè)元素的網(wǎng)格就足夠用于數(shù)值仿真研究目的：在隧道中間附近的精細(xì)結(jié)構(gòu)到墻壁網(wǎng)格越來越粗糙，主要是為了降低計(jì)算成本。

控制方程及其對應(yīng)的湍流模型和邊界條件使用商業(yè)CFD軟件Fluent 6.3.26解決；該軟件基本上是一個(gè)基于有限體積法的多用途CFD軟件，能夠解決復(fù)雜的流體力學(xué)，傳熱，燃燒，多相，粒子追蹤等。方程式用眾所周知的半隱式壓力連接方程（SIMPLE）算法，二階逆風(fēng)離散化和代數(shù)多重網(wǎng)格方法。收斂值都設(shè)定為1×106。

3 基于Spallart-Almaras模型的巷道模型湍流仿真

與層流模型不同，我們可以獲得近乎精確的模型解決方案，建模湍流需要特別注意驗(yàn)證和與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，因?yàn)樗潜匾囊粋€(gè)近似值。這里有四種常用的湍流模型，例如，Spallart-Almaras，k-Epsilon，k-Omega和 Reynolds應(yīng)力模型（RSM），三維模型如圖所示圖2。

圖2 巷道流場的湍流仿真切面圖

圖2顯示了是Spallart-Almaras模型所仿真出的最優(yōu)流場結(jié)果，其最優(yōu)的參考值主要是對比了以往實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)。其誤差大約在5左右，Spallart-Almaras模型需要最低的計(jì)算量成本，如對整體流動(dòng)行為感興趣，因?yàn)槌蔀橥牧鞣抡嬗?jì)算的一個(gè)很好的選擇。因此，這一模型的選擇可以有效協(xié)助今后巷道的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在深井惡劣環(huán)境條件下，實(shí)驗(yàn)調(diào)查將會(huì)變得很艱難，在不便于調(diào)查的地方，實(shí)驗(yàn)調(diào)查會(huì)產(chǎn)生昂貴的成本，因此，數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)建模將在設(shè)計(jì)，維護(hù)，創(chuàng)新和優(yōu)化方面發(fā)揮重要作用，這也是本文模型選擇的重要目的。

4 交叉部分巷道通風(fēng)仿真研究

到目前為止，交叉部分巷道通風(fēng)仿真研究比較少，但是是極為重要的內(nèi)容。因?yàn)椋趯?shí)際工作中甲烷的更多惠及對煤礦安全生產(chǎn)是極為不利的。常常使用的通風(fēng)手段有不設(shè)通風(fēng)設(shè)備、帶排氣通風(fēng)、用風(fēng)布板。

注意在仿真使用的輔助設(shè)備，例如風(fēng)布板，風(fēng)管直徑和風(fēng)機(jī)功率額定值是典型的地下煤炭開采使用設(shè)備；風(fēng)扇特性曲線是根據(jù)風(fēng)扇制造商設(shè)計(jì)的。

圖3給出了無輔助設(shè)備的流速及甲烷濃度情況，存在極低的空氣速度死區(qū)。過低的流速直接反應(yīng)在過高的甲烷濃度上（超過2%的允許濃度）。

圖3 無輔助設(shè)備的流速及甲烷濃度仿真情況

當(dāng)風(fēng)扇放置時(shí)在排氣模式中，如圖4所示，可以看到大部分空氣風(fēng)扇吸進(jìn)的空氣來自主流（新鮮空氣），而不是死區(qū)區(qū)域。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，甲烷在結(jié)合處聚集至多1.5%；根據(jù)一些發(fā)達(dá)國家的規(guī)定，例如，德國和英國，這種水平的甲烷濃度是不允許的，而法國、西班牙、美國和中國則允許這種濃度，所以說這種設(shè)計(jì)方式是在我國是可以被采用的。

圖4 帶排氣通風(fēng)設(shè)備的流速及甲烷濃度仿真情況

其次布風(fēng)板的設(shè)計(jì)，死區(qū)范圍內(nèi)流速的改善已經(jīng)在很多實(shí)際情況中被采用；但在隧道中間再循環(huán)帶甲烷濃度略高現(xiàn)象，在某些場合是不允許的。所以，結(jié)合以往的研究證明，單輔助通風(fēng)是不足夠使用空氣流動(dòng)來稀釋死區(qū)面積內(nèi)部的甲烷。所以，將布風(fēng)板和排氣設(shè)備相結(jié)合來改善通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)在，成為今后研究的重要內(nèi)容，我們將上述兩個(gè)模型進(jìn)行了整合，并進(jìn)行了仿真，如圖5所示。

圖5 帶排氣通風(fēng)設(shè)備和布風(fēng)板的流速及甲烷濃度仿真情況

從圖5可以很清晰地看出，將布風(fēng)板和排氣通風(fēng)兩種方式相互結(jié)合，可以有效地對巷道內(nèi)的甲烷進(jìn)行稀釋，這種通風(fēng)手段的實(shí)施，可以將巷道內(nèi)的甲烷值降低到安全要求的最高標(biāo)準(zhǔn)，但是值得考慮的是，這種方式在巷道內(nèi)布置會(huì)占據(jù)過多的位置，如果進(jìn)行有效合理布局，例如考慮到空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)問題，減少布風(fēng)板的長度，或者加大風(fēng)機(jī)的排氣功率，可以達(dá)到更好的排氣效果，也可以達(dá)到節(jié)能的目的。

5 結(jié)論

1）礦井通風(fēng)系統(tǒng)在人性化和智能化方面還存在一定的欠缺，隨著仿真學(xué)、人工智能等科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，將會(huì)開發(fā)出更多語言、跨平臺、多功能化的礦井通風(fēng)仿真與優(yōu)化系統(tǒng)軟件。

2）礦井通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜多變，利用仿真模擬技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，將是未來礦山通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化和管理的發(fā)展方向，為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化提供了技術(shù)支持。

3）礦井通風(fēng)系統(tǒng)并非一勞永逸，須定期進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查、測定、分析和評價(jià)，針對礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題對礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)設(shè)備和通風(fēng)構(gòu)筑物3個(gè)方面進(jìn)行全面優(yōu)化改造，并考慮自然風(fēng)壓對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響。