缪一明

（上海理工大学建筑与环境学院，上海200093）

0 引言

随着矿井开采深度的增加，地温不断升高，高温矿井的热害越来越严重，解决高温矿井的热害问题迫在眉睫。纵观国内外的矿井降温技术，总体上可分为非人工降温和人工制冷降温［1－4］。其中非人工降温主要有通风降温［5－7］、控制热源法降温、充填采矿法降温及预冷进风风流［8］。人工降温法主要有人工制冷水降温技术、人工制冰降温技术［9］和空气压缩式制冷技术。但是人工制冷降温效率低，耗能大。后来，张习军等［10］提出机械制冷降温技术结合传统的降温方法进行综合降温。何满潮等［11］提出利用矿井涌水作为冷源的HEMS深井降温技术。在能源紧缺的当今社会，发展非人工降温方法非常重要。基于此，邹声华等［12］针对以井巷围岩放热为主的高温矿井，提出了一种非人工降温技术——掘进工作面隔热分流排热降温技术。本文拟对此进行进一步的研究。

掘进工作面隔热分流排热降温技术主要在离巷道周壁一定距离设置一道由导热系数小于0.05 W／m·K的绝热材料制作的密闭性较好的隔热板，将压入式局扇送进的风流一分为二。隔热板以内的空间为主流道，其中的风流为主导风流，它决定巷道的温湿环境；隔热板与巷道围岩组成的环状通道是副流道，其中的风流为排热风流，主要排放掘进工作面的部分有害气尘和热湿以及巷道围岩的散热散湿。为了组织好工作面的气流和提高副流道的排放能力，位于工作面隔热板端头连接有可调节角度的导流板。此隔热板在巷道周边也形成了一种多组分、非匀质的复合传热结构（巷道围岩、隔热板及其之间的空气层），它增大了巷道周壁的传热热阻，减少了巷道围岩向巷道空间的导热量；还隔断了巷道围岩周围空气与巷道空间空气的对流传热和湿交换，阻止了巷道围岩与巷道中的人体、设备、设施之间的辐射传热等。相比其他降温方法，该法构造简单，维护方便，运行经济，降温效果明显。

其物理模型如图1所示。

图1 巷道隔热分流物理模型

1 气流组织数值模拟

在掘进工作面隔热分流排热降温技术中，影响降温效果的因素很多。本文采用Fluent软件，基于特定模型，主要对送风速度、隔热板与巷道围岩壁的距离及导流板的角度等对巷道的降温效果进行了模拟分析。

1.1 数学模型

掘进巷道中风流流动的物理条件较为复杂，影响因素较多，为方便研究，作如下假设：

（1）巷道内风流为不可压缩流体，忽略由流体黏性力做功引起的耗散热；

（2）不计水蒸气蒸发和瓦斯解吸，将固体和气体的物理特性参数视为常数；

（3）流动为稳态紊流，流体的紊流黏性具有各向同性，紊流黏性系数νt作为标量处理；

（4）壁面密闭好，不漏风，且气流的各组分之间没有化学反应；

（5）只考虑由围岩散热引起的巷道内空气温度升高，不考虑掘进设备及其他热源的影响。

气流在掘进巷道的流动遵守质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。传热湍流模型采用标准k－ε双方程模型，其控制方程组包括连续性方程、动量方程、能量方程、k方程、ε方程。这些方程可表示为如下通用形式［13］：

式中，u、v、w 为速度分量；φ为通用变量，可以代表u、v、w、T 等求解变量；Γ为扩散系数；Sφ为通用方程的源项。

1.2 几何模型

巷道为直墙半圆拱形，在离巷道周壁一定距离设置一道密闭性较好的隔热板，为了模拟方便，对模型进行了一定简化，并基于Fluent软件进行数值模拟。巷道断面宽度为3 m，高为2.8 m（墙高 1.3 m、拱高 1.5 m），长为 25 m。隔热 板 长16.5 m，端头离掘进工作面3.5 m。风筒直径为0.3 m，送风口距离工作面6 m。隔热板与巷道周壁间距分别设为0.2 m、0.25 m、0.3 m，送风速度在1～5 m／s范围内改变。导流板的尺寸为0.6 m×2 m、角度分别设为15°、30°、45°、60°、75°。坐标原点设在下游风流的隔热板端头处，该处离掘进工作面20 m，离出口5 m，其三维简化模型如图2所示。

1.3 数值模拟参数及边界条件的设置

图2 巷道三维简化模型

采用Fluent软件对掘进巷道风流温度进行数值模拟时，计算模型设置为标准k－ε双方程模型；材料属性参数设定中空气的密度设为1.225 kg／m3、黏性系数为1.79×10－5Pa·s；操作条件参数中操作压力设置为1.01×105Pa；以风筒送风口为速度入口边界，送风温度T＝293 K，根据该巷道模型的尺寸大小，选取5 m／s范围内的速度进行了研究。以巷道自由断面为压力出口边界，边界条件为p＝pout，没有相对压力。围岩等壁面设定为无滑移、恒壁温边界条件，巷道围岩温度为313 K，掘进工作面设定为314 K，巷道底板为299 K。隔热板与主流道、副流道交界面为流固耦合传热边界，选定耦合（coupled）条件，墙体厚度为0.01 m，导热系数为0.047 W／m·K。求解器参数中压力速度耦合方式设置为SI MPLE，压力离散方式设置为标准格式，离散格式设置为一阶迎风格式。

水力直径按下面公式计算：

式中，A为风流断面面积（m2）；S为流体与固体接触周长（m）。

湍流强度计算公式［13］：

式中，u′为湍流脉动速度（m／s）；u为平均速度（m／s）；ReH为按水力直径D计算的雷诺数，Re＝，其中ν为空气运动学HH黏度，为14.8×10－6m2／s。

2 掘进巷道气流组织对巷道降温效果影响的数值模拟分析

2.1 送风速度对巷道降温效果的影响

根据模型的尺寸及风筒离掘进工作面的距离，取风筒的送风速度为1～5 m／s。并取定隔热板与巷道围岩壁的距离为0.25 m，导流板的角度为45°。模拟得到主流道风流温度分布线图（图3）。

图3 不同送风速度下主流道风流温度分布线图

从图中可以看出，随着送风风流和掘进巷道内工作面及高温围岩附近的空气不断进行换热，主流道风流温度从掘进工作面到巷道自由断面基本成递增趋势。当送风速度为1 m／s时，工作面附近空气温度接近25℃，主流道温度最高达到29.7℃；增加速度至2 m／s时，工作面附近温度下降了约1℃，主流区最高温度下降了2.2℃；当风速达到3 m／s时，主流区最高温度下降了1.2℃；再继续增加风速，降温的幅度减少。因而，在实际设计中，应当综合降温能力和经济因素，选择合适的送风速度。

2.2 隔热板与巷道围岩壁的距离对巷道降温效果的影响

取送风速度为3 m／s，导流板角度为45°，改变隔热板与巷道围岩壁的距离，分别设为0.2 m、0.25 m、0.3 m。模拟后得到其主流道温度分布线图（图4）。

图4 隔热板与巷道围岩壁不同距离下主流道风流温度分布线图

从图中可以看出，当隔热板与巷道围岩壁的距离为0.2 m时，主流道温度和掘进工作面附近温度是最低的。随着隔热板与巷道围岩壁距离的增加，主流道的分风量减少，主流道温度和掘进工作面附近温度都增加。当B＝0.25 m时，掘进工作面附近温度增加了1℃，主流道温度最高增加达3℃。而当B＝0.3 m时，掘进工作面附近温度增加了0.5℃，主流道温度最高增加了1.6℃。因而，在满足施工安装要求的情况下，应尽量减少隔热板与巷道围岩壁的距离。但在隔热板出口处，B＝0.3 m时的温度要低于B＝0.25 m时的温度，且都在没有隔热板保护的区域发生了较大的温度波动。这主要是由于B＝0.25 m、0.3 m时，副流道的分风量增加，在导流板的冲击作用下，产生高速气流，使来自副流道的一部分未与高温围岩充分换热的气流在隔热板末端处与主流道的风流进行了换热，从而使该处的温度有所下降。

2.3 导流板角度对巷道降温效果的影响

当送风速度为3 m／s，隔热板与巷道围岩壁的距离为0.2 m时，改变导流板的角度，分别设为15°、30°、45°、60°、75°，其主流道温度分布线图如图5所示。

在掘进巷道中，送风风流和掘进工作面处的风流进行了强烈的换热，撞击工作面产生一次回风风流。而一次回风风流在导流板的冲击作用下，又产生二次回流，其中一部分风重新进入巷道端头区域，使该处温度进一步降低，另一部分通过副流道与高温围岩进行换热，还有一部分和未与导流板发生撞击的风流混合进入主流道，维持主流道的温湿度环境。当a＝15°时，在导流板的作用下，主流道分风量小且风速较小，从而使主流道温度分布不均匀且有较大的波动。随着导流板角度的增加，主流道温度分布有所改善，温度分布较均匀。但当导流板角度大于45°时，温度分布又出现了较大的波动，在掘进工作面处温度也有所升高，其中a＝60°时效果最差。

图5 导流板不同角度下主流道风流温度分布线图

2.4 掘进巷道内风流温度及速度分布规律

图6 和图7分别为送风速度为3 m／s，隔热板与巷道围岩壁的距离为0.2 m及导流板角度为45°时温度和速度分布的等值线图。从图6可以看出，送风风流与掘进工作面进行了强烈的热交换，使掘进工作面附近温度在23℃以下。回风风流在隔热板的作用下，一分为二。主流道和副流道内的温度沿风流流动方向均不断升高，且副流道回风风流温度高于主流道风流温度，副流道风流温度增加梯度高于主流道风流温度增加梯度。由于导流板的遮挡作用，在导流板的背流区产生了风流涡漩区，该处的温度相对于周围的空气偏高。总体上来看，隔热板的隔热降温作用取得了较好的效果。从图7可以看出，巷道内的风速除了在送风风口处有较大的速度梯度外，其他区域速度较低，且分布比较均匀。

图6 掘进巷道内风流温度分布等值线图

图7 掘进巷道内风流速度分布等值线图

3 结论

（1）掘进巷道中设置的隔热板，减少了巷道围岩向巷道空间的导热量，并隔断了巷道围岩周围空气与巷道空间空气的热湿交换和巷道围岩与巷道中的人体、设备、设施之间的辐射传热等，取得了较好的隔热降温效果。

（2）本文采用FLUENT软件，主要模拟了送风速度的大小、隔热板与巷道围岩壁的距离及导流板的角度对巷道降温效果的影响。结果表明：随着送风速度增加，巷道内的温度逐渐降低，当风速达到一定值时，继续增加风速，降温效果不明显。因而，在实际设计中，应当综合降温能力和经济因素，选择合适的送风速度；隔热板与巷道围岩壁的距离会影响巷道的气流组织，进而影响降温效果，在满足施工安装要求的前提下，应尽量减少隔热板与巷道围岩壁的距离；随着导流板角度的增加，气流组织效果先变好再变差，其中在导流板角度为30°～45°之间时取得的效果最好。

（3）除了以上分析的因素外，风管及隔热板端头离掘进工作面的距离、隔热板的长度及隔热板的材料等都会对巷道的气流组织产生影响。本文只是对特定的一个模型进行了定性分析，有一定的局限性。因此，对于具体设计，应该根据实际情况，综合考虑各因素的综合影响，从而得到最佳的隔热板分流降温的设计方案。

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