＊吴 刚

（晋能控股煤业集团地煤公司姜家湾煤矿 山西 037000）

若想精准计算煤矿通风巷道中的瓦斯与有害气体分布、温度与湿度的变化规律，就必须要明确通风巷道中的风速分布曲线，风速分布曲线同时也是计算巷道通风量以及布置风速传感器的重要依据。相关学者结合纳雷斯托克斯湍流运动方程，推导出了煤矿通风巷道断面风速变化规律的函数曲线，在测定断面风速时取得了显著效果。在此背景下，本文参考了大量文献资料，以普兰特湍流混合长理论为出发点，对煤矿通风巷道断面风速测定与变化规律进行了深入研究。

1.风流湍流脉动特征

根据普朗特流体力学理论，我们可知：煤矿巷道中的风流无限接近沿平板的湍流流动，具有明显的脉动特征。结合这一结论，本文将以山西某煤矿通风巷道为例，利用专业仪器对通风巷道的西翼辅运大巷与1302回风巷指定位置的瞬时风速进行测量，测量结果如图1所示。

图1 回风巷与西翼辅运大巷风速脉动曲线

由图1可知，同一测点不同时刻的风速波动并不呈现出明显的规则性，在西翼辅运大巷和1302回风巷中，被测点的最大瞬时风度分别为4.1m/s与0.45m/s，最小瞬时风速分别为2.4m/s与0.1m/s，最大动幅度分别为29.4%与66.7%。通过上述数据不难发现，在风速场中瞬时风速呈现出明显的脉动特征，同时也呈现出不规则波动，所以在测量风速与变化规律时切忌不可简单的将某一时刻的瞬时风速作为基础，否则将会严重影响测量精度，会导致较大的测量偏差。所以，在进行通风巷道风速测量时，技术人员必须计算出被测点在某一时段内的平均风流速度，如此才能准确判断风速场的变化规律。根据普朗特流体力学理论有如下公式成立：

其中，T代表时间，代表在T时间段内的平均风速且T必须大于该点的平均脉动周期。由于超声波风速测量仪在测量风速时具有相等的时间间隔，所以平均风速也可按下述公式进行计算：

其中，vi代表第i次实验的被测风速，n为实验次数。通过计算可得，西翼辅运大巷的测点平均分速为3.4m/s，1302回风巷测点平均风速为0.3m/s。

2.风流速度场分布规律分析

通风巷道断面中的风流在流动过程中会与巷道壁面发生摩擦，同时也因为空气具有一定粘性，所以风流在通风断面中分布并不均匀，在底层处风速分布规律呈现出明显的层流特征，底层之外的风流则具有明显的湍流特征。科学家通常将通风巷道中的风流流动看成二为平行剪切流，然后根据弗朗特混合长理论和布辛涅斯克假设，计算出巷道湍流核心区风流速度场变化公式：

其中，k为混合长度系数；t0代表通风巷道断面所受到的切应力Pa；ρ代表空气密度；y是测点与巷道壁的距离m；c为积分常数。如图2所示，通过公式可以得知，在通风巷道的黏性底层，风速分布呈现出明显的直线性特征；在湍流核心区域内风速分布则具有明显的对数特征。如果风速增大到一定程度，那么将会直接影响巷道黏性底层厚度，能够使其变薄，如此就可在一定程度上增大湍流核心区域，使得风速分布更加均匀。

根据湍流摩擦阻力定律，可知有如下公式成立：

其中，α为井巷摩擦阻力系数，单位为N·s2/m4；γ为实验比例系数。

通过计算可得：

由上述公式可知，可以用对数公式表达通风巷道湍流核心区域内的风速分布规律。其中摩擦阻力系数α的数值可通过查表获得，积分常数c可利用边界条件求出，k为混合长度系数，通常在试验中获得。我们令：

则有v=flny+cv成立，其中f为速度场分布系数，是计算巷道风速分布规律的重要参数，数值与ρ、k、α密切相关，可通过实验进行具体计算。

在靠近巷道壁的区域附近分布着黏性底层，质薄，在此区域内风速呈现层流分布。通过前文介绍可知，黏性底层的厚度会影响风速的分布特征，所以有必要计算黏性底层的具体厚度，可以由近似公式进行估算：

其中，σ为黏性底层厚度m；a为巷道断面宽度m；Re为雷诺数。综合上述公式可计算出该通风巷道的黏性底层厚度为厘米级，对巷道断面风速分布产生的影响微乎其微，这也就代表在煤矿通风巷道中，风速分布规律呈现出明显的湍流特征。

3.井下试验

为了确保风速测定的结果准确，本文不仅仅对西翼辅助大巷和1302回风巷进行了风速测定与分布规律的理论计算，同时决定以东翼辅助大巷的通风断面作为具体的井下实验地点，来具体验证理论的准确性。东翼辅助大巷不仅断面规整，同时受外界环境影响较小，因此巷道内风流相对稳定，可提供理想的试验环境。在东翼辅助大巷中，技术人员选择符合规定距离的两个断面作为测试点：在断面1中布设了2条测量路线：路线a始终距离巷道右帮2m，从巷道底板沿竖直方向延伸至巷道中央；路线b始终距离底板1.4m，从巷道右帮沿水平方向延伸至巷道中央。在断面2处路线c始终距离底板1.0m，路线d始终距离底板1.5m，两条线路均从右方沿水平方向延伸至巷道中央。同时在1306回风巷测风站设计了路线e和路线f，其中路线e始终距离创造右帮1.2m，路线f始终距离底板1.4m。在测量过程中，技术人员考虑到风速的湍流随机脉动特征，选择使用CFD15超声波煤矿用电子风速仪。

风流速度会沿巷道边界处逐渐增大，在与巷道中心这一段距离内，会以较高的幅度迅速升高，在到达巷道中心后升高幅度变缓。也就是说，越接近巷道壁，风速变化值越大，达到巷道中心处变化趋于平稳，保持平衡；这一规律明显符合对数函数的变化特征。通过对各线路风速分布曲线进行细致分析可知，各风路相关系数总体分布在0.7832～0.9569之间，对数函数曲线清晰的表达了风速的分布规律。1306回风巷测风站风速分布测量曲线具有更小误差，主要是因为该处回风巷道的壁面相对平整并且进行了必要的光滑处理，摩擦系数更低，使得风流分布受到的干扰较小，因此风速场分布更加符合对数变化规律。东翼辅助大巷的壁面明显粗糙于1306回风巷道，因此不规则的巷道表面严重影响了风速场的分布，形成了许多大小方向不同的漩涡，导致风速场分布严重偏离对数分布规律。除此之外，因为井下风流并非严格意义的定常流，所以对试验结果的精度有一定影响。

4.计算通风量

在明确风速和风速场变化规律的基础上，技术人员就可以根据掘进工作的实际情况科学计算出通风巷道所需要的最大通风量，为煤矿综采创建更加安全的工作环境。

方法1：可以按照瓦斯的实际涌出量来进行具体计算，公式为：

Q掘=100q瓦K掘通=3.5m3/min，其中Q掘代表在掘进过程中作业面的通风量；q瓦为瓦斯涌出最大量m3/min；K掘通为通风系数。

方法2：根据施工人数计算，公式为：

Q捆=4N=80m3/min，其中N为最大施工人数。

方法3：根据最低风速计算，公式为：

Q掘=0.25×60×S掘=385.9m3/min，其中S掘为作业面的横截面积m3。

5.结论

综上所述，通过对煤矿通风巷断面风速测定以及风速场分布变化规律的研究可知，煤矿井下巷道风速具有典型的湍流脉动特征，以平均风速为中心，瞬时风速在此附近持续上下随机波动，并且最高脉动幅度可达平均风速的66.7%。通过理论计算和井下实验，技术人员可以证明：如果通风巷道壁面光滑并且无障碍物阻挡，那么风流就会相对稳定，并且风速场分布明显符合对数函数变化规律，也就是说巷道表面越光滑，风速场变化规律的对数规律越明显，这可以为技术人员研究平均风速所在位置提供理论依据。