王凯强

（山西石港煤业有限责任公司，山西 左权 032600）

0 引言

矿车在井下巷道内不同运行状态所产生的风阻对井下通风系统有一定的影响［1］，目前针对该影响主要的研究手段为理论计算以及数值模拟，得到的结果往往只能做定性分析而不能做定量计算［2］，所以并不能更好地指导实际工程。因此，本文利用数值模拟以及现场实验的方法对阳煤集团石港公司井下矿车运行所产生的活塞风压的数值大小进行研究，通过对实验得来的具体数值进行分析整理，以此来评价矿车运行对通风系统稳定性的影响。

1 巷道活塞风数值模拟分析

本文采用Fluent流体模拟软件，对矿车运行产生的活塞风进行模拟，利用模拟软件自带的流体本构模型（包括在工程模拟中常用的湍流模型以及相关子模型）可以很好地模拟出巷道内湍流流动气体的压力场以及速度场［3］，以此可以方便地做出相关分析。

1.1 物理模型

巷道模拟物理模型如图1所示，阳煤集团石港公司某井下巷道长125m、宽4.2m、高3.2m，巷道表面采用喷浆处理。矿车长1.7m、宽0.9m、高1.25m，共设计10节矿车。在进行模拟时，设置巷道风速为3m／s，矿车的运行速度为2m／s，并将矿车运行状态分为静止、逆风、顺风三种进行模拟。

1.2 边界条件

在Fluent软件中设置巷道中风流流动区域为流域，并将其设置为参考系［4］，接着将流域的流动类型设置为 Moving Reference Frame，并 设 置 translation velocity为3m／s，且利用Gambit进行体网格划分。

（1）在巷道入口处设置入口风速为3m／s，水力半径设置为1.87m，紊流强度为2.87Pa。

（2）利用outflow出流边界对出口进行设置，出流参数为1，即不存在回流。

（3）矿车及巷道内表面的边界条件都设置为wall，并把wall motion设置为移动墙体条件。设置边界运动方式如下：巷道内墙表面为absolute，translational，矿车为relative to adjacent cell zone，translational。为了模拟出矿车顺风、逆风以及静止三种状态，设置矿车速度为－2m／s、0、2m／s，巷道墙面速度设置为0。

图1 巷道模拟物理模型

1.3 模拟结果分析

图2 为矿车不同运行状态下巷道全压模拟云图。由图2（a）可以看出，矿车静止时，在矿车的前方（图右侧）也就是图中的浅绿色条纹处表现为全压最低区域，而矿车后方浅红色条纹表现为全压最高区域，不难分析这是由于矿车阻碍作用所导致的结果。矿车顺风与逆风运行时，由图2（b）、图2（c）中矿车右侧两条细浅青色条纹可以明显看出，巷道全压最低处为矿车右方巷道墙面。比较3种矿车运行状态下巷道全压云图，可以看出矿车逆风状态时，全压最高区的风压比矿车静止及矿车顺风时的压力都要大，无论从巷道的长度方向上还是宽度方向上都体现出了这一点；而矿车静止状态时，全压最高区的风压比矿车顺风时的大，说明了矿车在顺风状态时巷道的通风阻力最小，而逆风时 巷道的通风阻力最大。

图2 矿车不同运行状态下巷道全压模拟云图

2 实验测试

2.1 实验测试方法及仪器

皮托管压差计法由于精度高、误差小被广泛用于测试巷道通风阻力，因此基于此对巷道内无矿车、矿车静止、矿车顺风、矿车逆风4种情况进行现场通风阻力测定，测试的相关参数有巷道通风阻力、百米风阻以及总风阻。利用机械翼轮式风表对巷道风量进行测定，利用倾斜式微压表对巷道通风阻力进行测定，并通过分析这些相关参数来比较矿车不同情况下对巷道通风系统稳定性的影响。井下被测试段的巷道长度为120m，采用的支护方式为锚喷联合支护，巷道断面为半圆拱形。不同情况的测定位置如图3所示。

图3 实验测试位置图

2.2 实验测试结果

表1为矿车不同状态下不同断面巷道通风相关参数的测试结果，通过对这些参数数值大小及规律的分析，可知矿车不同运行状态对巷道通风系统的影响。

由表1可以看出：在测试巷道长度一定的情况下，巷道断面为13.0m2时，巷道内无矿车时的通风阻力、总风阻、百米风阻是矿车顺风运行时的1.80倍，矿车静止时是无矿车时的1.85倍，矿车逆风运行时是无矿车时的3.60倍；巷道断面为9.8m2时，巷道内无矿车时的通风阻力、总风阻、百米风阻是矿车顺风运行时的2.01倍，矿车静止时是无矿车时的1.43倍，矿车逆风运行时是无矿车时的2.80倍；巷道断面为8.5m2时，巷道内无矿车时的通风阻力、总风阻、百米风阻是矿车顺风运行时的1.35倍，矿车静止时是无矿车时的1.83倍，矿车逆风运行时是无矿车时的3.76倍。

由进一步得出的分析数据可以看出，在4种不同的矿车状态下巷道内通风阻力的大小顺序为：矿车逆风运行＞矿车静止＞无矿车＞矿车顺风运行。还可以看出，巷道断面不同时，矿车4种状态下巷道的通风阻力大小也存在差异，整体表现为巷道断面9.8m2时的通风阻力大于断面为13.0m2和8.5m2的。但是由4种状态下巷道通风阻力之间的比值即通风阻力增加巷道断面为9.8m2时，矿车静止以及矿车逆风运行状态比无矿车时，通风阻力增加系数相对另外两个断面的要小，说明在断面为9.8m2时，矿车不同运行状态对巷道通风阻力增幅的改变影响不是很大。对比说明，巷道断面分别为13.0m2和8.5m2时，巷道通风阻力的增幅对矿车不同的运行状态较为敏感。

表1 矿车不同状态对不同断面巷道通风参数测定结果

由上述分析可以得出，矿车的不同运行状态对巷道通风阻力有一定的影响，特别是矿车静止以及逆风运行时，巷道通风阻力的增加格外严重，所以在通风困难时期，要避免这两种情况的发生，以此避免井下通风不足或通风效率低的情况发生。

3 结论

（1）由数值模拟全压云图可以看出，矿车静止时，矿车左方（图左侧）为全压最高区，矿车右方为全压最低区，当矿车顺风以及逆风运行时，巷道全压最低处为矿车右方巷道墙面。比较三种矿车运行状态下巷道全压云图可以看出：全压最高压的压力值为矿车顺风运行＜矿车静止＜矿车逆风运行。说明了矿车在顺风状态时巷道的通风阻力最小，而逆风时巷道的通风阻力最大。

（2）通过分析阳煤集团石港公司井下巷道现场实验测试结果可知，矿车在4种状态下的通风阻力大小顺序为：矿车逆风运行＞矿车静止＞无矿车＞矿车顺风运行。相比于巷道断面为9.8m2时，巷道断面分别为13.0m2和8.5m2时，巷道通风阻力增幅变化对矿车不同运行状态的改变更为敏感。