掘进巷道风流热环境的数值模拟

用三维k-ε紊流模型模拟了压入式局部通风掘进工作面风流与巷道围岩的热交换过程以及巷道壁面水分和风流之间的热湿交换.得出掘进工作面风流温度和湿度的分布是相似的， 阐明了从工作面壁面散发显热和潜热随时间的变化规律及其与湿度系数的关系，即湿度系数越大，潜热热流密度越大，显热热流密度越小，总热流密度随湿度系数的增大而增加.分析了掘进巷道周围岩石的温度分布和变化规律，壁面换热系数分布不均匀对壁面附近岩石温度分布有很大影响，随着向围岩内部的深入，围岩温度趋于均匀分布.     

局部通风掘进工作面热参数的现场测定方法

巷道表面的湿度系数、显热比和风筒的综合换热系数等参数取值的精确程度,对于模拟和预测掘进工作面热环境是非常重要的。在局部通风巷道中,由于风筒的存在,这些参数的确定非常复杂。作者提出了根据现场测定的风筒内及巷道内风流的温度、湿度及其风量等参数的数值,计算局部通风巷道中巷道壁面的湿度系数、显热比和风筒的综合换热系数的方法,并通过实测获得了这些参数的数值。     

基于Fluent的掘进工作面通风热环境数值模拟

基于计算流体动力学和矿井通风理论,建立掘进工作面通风的k-ε紊流模型,导出描述掘进工作面风流紊流流动和温度分布的微分方程。通过分析掘进巷道模型的边界条件,利用Fluent软件模拟压入式通风的风流与巷道围岩和机械设备散热的热湿交换过程,采用TECPLOT软件进行后处理,显示不同供风量下的速度矢量图和风流温度变化。模拟结果表明,增大供风量可以降低巷道温度,但供风量过大,降温效果越来越不明显,仅依靠通风方式无法改变高温现状。     

掘进巷道通风降温的数值模拟及影响因素分析

选取夏甸金矿-682 m水平38#掘进巷道为研究对象,进行通风降温试验测定,并用Fluent软件对试验条件下掘进巷道的风流速度场和温度场分布进行数值模拟计算,验证了该模拟方法的可靠性。研究不同因素对巷道降温效果的影响,初步得出了井下掘进巷道风流温度与风量、入风温度以及岩壁温度的变化规律。掘进巷道通风降温影响因素的排序为入风温度>岩壁温度>风量。入风温度和岩壁温度的升高均会导致与巷道风流温度线性升高。通过增加风量来降低风流温度是有效的,但随着风量的增加,其降温效果会越来越不明显。     

建井期间平巷冷风输送系统的冷损失

建井期间平巷掘进工作面局部降温系统多采用非保温风筒长距离输送冷风的方法,输送距离可达600 m。由于距离长输送过程中的冷量损失占总制冷量的比重较大,是影响降温系统投资、设计、运行管理的关键因素。为解决该项冷量损失的计算问题,针对建井期间水平巷道的掘进与通风系统尚未贯通的特点,基于风筒内、外风流及风流与围岩间热能的输运与守恒关系,构建了风筒内、外风流温度场的微分方程组;并将巷道内随通风时长变化的不稳定换热系数解析为沿巷道长度变化的空间分布函数,通过数值计算得到了风筒内外温度场的分布及输送过程中的冷量损失。进一步结合工程案例现场实测的结果,分析了降温系统送风风筒入口风温、通风时间与送风距离、送风量等主要设计参数对风筒、内外风流温度场及输送冷量损失的影响。并通过理论计算对比了该案例在通风时长为0,30,90,120,150 d,送风量为300,330,360 m~3/min,送风入口风温为16,18,20℃时系统的运行特征,结果表明围岩与风流的不稳定换热系数随通风时长增加而减小,并在通风90 d左右后基本达到稳定;受不稳定换热系数变化的影响,风筒内风流的温度沿风流方向增加较为明显;风筒外的风流温度变化随通风时间的增长逐渐变得平缓;系统的冷量损失约为制冷量的5%～9%;送风温度每降低2℃,冷量损失平均增大约5%;冷量损失大小与送风距离呈线性正比关系;通风风量每增大10%,冷量损失减小约4.5%。     

掘进工作面冲击射流换热特性

针对高温矿井掘进工作面的通风和换热特点,运用量纲分析法,得出掘进工作面射流冲击换热系数的关联式,结果表明,射流冲击换热无量纲Nu与Re、巷道特征直径D、风筒直径d和风筒出口距工作面断面的距离H有关。采用ANSYS软件对特定巷道的不同风流雷诺数Re、风筒直径d和风筒出口距工作面断面的距离H的216种组合方式下的换热情况进行了模拟。模拟结果回归分析表明：当D/d为5.60时,Nu与Re,H/d之间的关系式符合Lorentzian模型;当D/d为4.20和3.36时,Nu与Re,H/d之间的关系式符合抛物面模型,相关系数R2 分别为0.882 2,0.699 0和0.875 4。     

布尔台煤矿采煤工作面热源分析及治理技术

针对布尔台煤矿42煤层采煤工作面局部高温问题,分析各种热力学影响因素,研究各种热量来源,运用热量计算理论对主要热源散热量进行了详细计算,确定了各种热源所占的比例。根据工作面热源分布情况,采用通风降温措施,通过优化通风方式,改变巷道风流方向,避免工作面进风流经过主要热源,有效减少了风流沿途吸热;通过调整巷道风量,合理提高风速,有效提高了散热降温效果。针对运输巷移变列车段局部高温、高湿现象,通过安装局部降温系统,采用机械制冷设备降温,有效降低了环境温度和湿度,为员工和设备运行创造了良好的工作环境,保证了工作面安全生产。     

掘进工作面换热模拟研究

根据掘进工作面通风和换热特点,以掘进工作面冲击射流换热系数的影响因素关联式为基础,采用ANSYS软件,对特定巷道(中煤科工集团重庆研究院粉尘通风防灭火试验巷道,D已确定)不同风流雷诺数Re、风筒直径d、风筒出口距迎头断面的距离H以及边界围岩处于恒壁温条件下等840种组合情况进行了模拟。得出了掘进工作面冲击射流换热系数影响因素关联式的具体形式,其相关系数R2为0.937,可为矿井降温中围岩热源散热量的计算提供理论基础。     

高温掘进巷道温度场影响因素分析研究

针对高温掘进巷道,通过数值模拟方法研究其温度场分布。建立数学模型,设定巷道壁面温度沿长度方向变化,得出降温前后巷道温度分布变化云图,与井下实测温度值进行比对。具体分析了风流温度、风量以及风筒位置对巷道温度场的影响。结果表明,降低巷道入风温度,巷道内温度明显降低,但会造成冷量分布不均,扩大巷道内部风流温差;增大风量可以扩大巷道内低温区域,但对巷道内温度的降低作用不大;调节风筒离工作面距离可以改善巷道内温度分布,降低巷道内风流温差。     

掘进工作面不同通风方式的粉尘运移规律研究

为了解决掘进工作面粉尘污染严重的问题,运用COMSOL软件对某矿1019掘进工作面进行了几何模型构建,并基于k-ε湍流模型和流体流动颗粒跟踪模型,计算了在压入式和长压短抽通风方式下的速度切面、风流流线分布以及粉尘粒子的运移轨迹,分析了两种通风方式对粉尘粒子运移的影响,并研究了掘进工作面在两种通风方式下的粉尘运移规律。结果表明:压入式通风方式下,由压风筒将新鲜空气压入巷道内,迫使掘进工作面的粉尘随风流排出巷道,导致掘进机前方区域风流曲线非常密集形成多处涡流导致粉尘粒子在涡流处聚集,同时部分粉尘粒子沉淀在巷道底部,还有部分粉尘粒子沿右侧巷道壁面向后方移动,其控尘效果较差;长压短抽通风方式下,两风筒前方区域速度较大,且压风筒和抽风筒之间风流流线密集;压风筒吹出气流裹挟粉尘粒子移动,同时利用抽风筒的抽吸作用将粉尘粒子吸入排出巷道,与压入式通风方式相比长压短抽的降尘效果更好。     

高温矿井巷道风流对流换热相似实验研究

运用模型实验相似理论,推导出高温矿井巷道风流对流换热原型和模型之间的相似判据,建立了高温矿井巷道风流对流换热的实验系统。测量并分析了不同巷道壁温、不同入口风速以及入口温度对对流换热系数的影响;利用相关分析的方法,分析了巷道壁温、入口风速和巷道平均风流温度对对流换热系数的影响程度,得到各因素对对流换热系数影响程度,按从大到小的顺序为巷道平均风流温度、入口风速及巷道壁温;其中,巷道平均风流温度和入口风速均与对流换热系数呈正相关,而巷道壁温与对流换热系数呈负相关。基于对各影响因素的分析,得到了高温矿井巷道风流对流换热实验关联式,该关联式可以在实验范围内计算实际矿井风流的对流换热系数。     

围岩散热风流温度、湿度计算时水分蒸发的处理

在进行巷道水分蒸发处理时,建立了壁面水分、风流中水分同时蒸发情况下,围岩温度场分布、壁面与风流热湿交换、风流温湿度变化的数学方程。当水分蒸发量一定情况下,解算出水分全部由巷道壁面蒸发和全部从风流中蒸发时的围岩温度分布规律,壁面温度、风流温度、风流相对湿度随巷道距离的分布规律,围岩散热热流密度随通风时间的变化规律并进行了对比分析。结果表明,水分全部由巷道壁面蒸发时比水分全部从风流中蒸发时的围岩温度低,巷道壁面温度也低,围岩散热量大,所计算出的风流温度也高;通风时间越短和巷道距离越长,差别越大。因此,在对井下风流热环境进行预测时,将巷道中水分蒸发全部处理成在巷道壁面蒸发是不合理的,应该根据实际情况同时考虑巷道壁面水分蒸发和风流中水分蒸发两个过程。     

井巷围岩与风流热湿交换影响因素分析

基于不稳定换热系数,建立了经过一段巷道后风流的温升公式,并运用计算软件Mathematica分析了各种参数对于井巷围岩与风流间的热交换结果的影响。从分析结果来看,岩石的热导率和巷道断面周长对风流的温升有一定影响,壁面粗糙度系数影响不明显,风流质量流量的影响很明显,而巷道水分蒸发的影响最强烈。相关计算参数获取的多寡和精度决定了计算的精确度。     

基于LDA的均直巷道断面突扩风速分布规律实验研究

风速分布是计算井下巷道瓦斯、火灾气体、粉尘运移规律,温度、湿度分布,传热传质过程的基础,对风速传感器布置及测风仪表研制具有重要意义。针对传统的接触式瞬时速度测量方法的局限性,采用非接触式激光多普勒测速仪（LDA）对均直巷道的稳定流动及断面突扩后风流状态进行实验测试。在平均风速为4 m/s左右的条件下,得出即使是均直巷道的稳定流动,其瞬时风速的大小及方向也呈现极度的湍流脉动性,平均脉动幅度可达平均风速值的33%左右,测点风速大小及风向均服从正态高斯分布;在突扩区域有大涡存在,漩涡区风流方向极不规则,各向均有分布,其风速平均绝对值在0.1~0.2 m/s左右波动,表明井下工程测风可有条件地忽略湍流大涡区域。受突扩影响均直巷道断面风速分布呈近似均等的动态的波浪线分布而非拟抛物线型,壁面光滑的实验巷道边界层厚度在5 mm左右,风速以跃迁方式“突变”达到均值。实验表明,传统的测风原理及方法仅能满足一般的工程需要,但是不能满足以湍流为特征的巷道瓦斯、火灾气体、粉尘运移规律,温度、湿度分布,传热传质等过程的计算要求。     

矿井巷道淋湿蒸发换热系数构建及风流温度计算

针对全矿井网域系统巷道围岩与风流热-湿交换计算复杂的问题,提出构建淋湿巷道风流换热系数模型,根据现场实测风流相对湿度,掌握矿井(进风侧)风流湿度变化规律,反向推演确定井巷水蒸发影响下风流与巷道围岩热交换的模型,修正围岩与风流的换热系数;用风量加权距离描述实际矿井网域风流相对湿度变化规律。结合九道岭矿实例,将算法纳入到矿井网络系统中,在MATLAB平台上运用TF1M3D对全矿井网域系统风流温度进行仿真求解。研究表明,巷道淋水蒸发吸热对井巷风流温度影响很大,主进风井段风流温度增加0.97℃,变化幅度不大,随着湿度增大风流温度递增变化幅度增大,与九道岭矿进风大巷测定结果吻合。将该算法纳入网络体系计算中,可解决3D矿井模型通风系统热害防治温度分布仿真及自然风压自动计算问题。     

工作面采掘空间流场特性数值模拟研究

在U型通风方式下,以CFD数值模拟软件为手段,对工作面采掘空间的流场分布和瓦斯浓度分布规律、空气密度变化规律进行了数值模拟研究。模拟试验结果表明：沿风流自进风巷、工作面至回风巷的过程中,风流场变化呈先简单、后复杂、再简单的趋势,在进风巷和回风巷与工作面采掘空间交叉处,风流场变化最复杂;工作面采掘空间的瓦斯浓度沿风流方向呈逐渐增加趋势,仅在局部位置发生较大变化,且煤壁侧的瓦斯浓度明显高于采空区侧瓦斯浓度;U型通风条件下,工作面靠近进风巷端部靠近煤壁侧和上隅角瓦斯集聚区最可能出现局部瓦斯超限的区域;上隅角瓦斯集聚区形状呈三角形。     

开采动压影响下巷道变形规律分析

针对平煤八矿深处下部煤层工作面开采导致的上部煤层邻近采区工作面回风巷道掘进困难、变形严重等现象,通过监测回风巷道表面的变形情况,总结出下部煤层开采对上部煤层邻近采区巷道的动态影响规律:己16,17-22020工作面的回采活动对回风巷道的影响范围约200 m,变形最为严重的区域在工作面前方20m和后方20 m范围内,从而确定顶、底板和两帮位移的平均速度,为巷道的合理布置提供参考依据。