黄鑫胜

(安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

矿井通风在煤矿安全生产中占有极其重要的地位，是矿井非常重要的辅助系统，是预防和治理各种灾害，实现煤矿安全生产的基本手段。在矿井生产活动期间，风速、风量等通风参数的准确监测是技术决策的基础保障。

为实现对巷道风速的精准测量，国内相关学者对巷道断面风速分布规律进行研究。丁翠等[1-2]、宋莹等[3]采用数值模拟和试验分析方法，研究巷道断面风速分布特征；刘剑等[4-5]利用激光多普勒测速仪(Laser Doppler Anemometry，LDA)测试得到突扩巷道流场断面风流分布特征；鹿广利等[6]运用数值模拟方法研究巷道拐弯后风流的变化规律，得出不同风速下巷道内风流变化规律一致和巷道内平均风速点位置固定的结论；李雪冰等[7-8]对单点风速与平均风速的转换机制进行研究，提出巷道平均风速单点测试方法。

井下巷道断面形状多为不规则，现有研究多是基于断面形状规则巷道建立数值模拟和试验模型，容易造成不能充分反应井下实际巷道断面风速分布特征等问题。本文采用数值模拟和现场测试的方法对断面形状为半圆拱形的不规则巷道风速分布规律进行分析，探究不规则巷道断面风速分布特征，为准确测量巷道断面风速提供参考。

1 数值模拟

1.1 巷道几何模型

采用Fluent 模拟软件开展不规则巷道内风速分布规律的数值模拟分析，构建2种断面尺寸不同，断面形状为半圆拱的不规则巷道模型，支护方式为锚喷，不规则半圆拱1中垂线高2.7m，宽3m；不规则半圆拱2中垂线高3.9m，宽4.8m，巷道长度均为50 m。巷道几何模型，X，Y，Z轴分别指向巷道的宽、高、长方向，如图1。

1.2 计算假设及方程

煤矿井下巷道风流可视为黏性不可压缩流体，空气密度为常数，假定风流与巷道壁面无热交换，巷道流场除入口边界外无其他质量源输入，且无漏风现象，巷道壁面粗糙程度相同。由此建立适用于湍流形式的质量守恒方程、动量守恒方程、标准k-ε湍流模型方程进行巷道风流的湍流流动及扩散过程的计算。

1.3 模拟参数

巷道模型包括一个风流入口和一个风流出口，其余面为壁面，求解器选择标准k-epision。风流入口作为模型边界入口，风流出口作为模型边界出口，巷道壁面为固定边界。入口类型为Velocity-inlet，出口类型为Outflow，假定壁面为无滑移边界条件，粗糙系数0.5，且绝热。

模拟巷道选定为回风巷和轨道巷，根据《煤矿安全规程》可知，主要进、回风巷允许风速不超过8m/s，为保证模拟风流与井下风流实际流动状态相似，保证风流为紊流态，将入口速度设定为0.5、3、5m/s。

2 数值模拟结果分析

2.1 断面风速分布规律分析

根据模拟方案得出在Z=25m处的断面风速分布等值线图，如图2、3。

由图2和图3可知，巷道断面风速等值线与巷道壁面平行，风速分布曲线与巷道断面形状基本一致；靠近巷道壁面的风速等值线较密，表明靠近壁面位置风速梯度变化较大，靠近巷道中间位置的风速等值线较稀疏，表明巷道中间位置的风速梯度变化较小；靠近巷道壁区域风速小，巷道中心区域风速大，不同断面尺寸和不同风速值下这种变化规律基本保持不变，表明巷道断面风速分布规律与入口风速大小无关。

(a)入口风速0.5m/s

(a)入口风速0.5m/s

2.2 断面中垂线风速分析

采用Origin软件对模拟出的在Z=25m处的巷道断面中垂线上风速值数据进行处理，得到不规则半圆拱巷道断面风速值沿中垂线的分布，如图4、5。模拟巷道平均风速线到巷道壁面距离，见表1。

表1 不同巷道尺寸对应平均风速线位置

由图4和图5可知，同一断面，沿X轴、Y轴方向，风速先迅速增大，逐渐趋于平稳，之后又迅速减小，表明靠近巷道壁面位置，风速变化较大，靠近巷道中心位置，风速变化较小且相对稳定；同一断面，不同入口风速值下巷道风速沿中垂线分布趋势一致，表明同一断面下风速变化规律与入口风速大小无关；不同断面，同一入口风速值下巷道风速沿中垂线分布趋势一致，表明同一类型巷道断面风速变化规律与巷道断面尺寸无关。

(a)沿X轴方向风速分布

(a)沿X轴方向风速分布

由表1可知，不规则巷道断面平均风速线位置与巷道断面尺寸有关，随着巷道断面高度或宽度增大，平均风速线距巷道壁面距离增大，平均风速线距巷道左右帮或顶底板距离约为巷道宽度或高度的0.1倍。

3 现场试验

3.1 现场试验方法

以朱集西煤矿东翼11煤回风巷、-962水平轨道石门南为试验巷道，选择50m内断面形状几乎无变化、堆积物较少、无岔口且无人员往来的巷道进行风速测量。采用“6线式测风方法”测量巷道内平均风速，如图6。手持矿用机械式风速表根据“6线式测风方法”由A点均匀移动到B点，测量时间为1min，测量5次取平均值作为巷道内平均风速值。

图6 6线式测风方法示意图

定点测风采用热线式风速仪STA2进行测量，测量范围为0.1～25m/s，误差±0.1m/s，如图7。实测东翼11煤回风巷测风段巷道断面中垂线高4m，宽4.6m，根据巷道断面平均风速线到巷道左右帮距离为巷道宽的0.1倍，则测点布置在距左右帮0.46m处；根据巷道断面平均风速线到巷道顶底板距离为巷道高的0.1倍，则测点布置在距顶、底板0.4m处。实测-962水平轨道石门南测风段巷道断面中垂线高5m，宽5.8m，根据巷道断面平均风速线到巷道左右帮距离为巷道宽的0.1倍，则测点布置在距左右帮0.58m处；根据巷道断面平均风速线到巷道顶、底板距离为巷道高的0.1倍，则测点布置在距顶、底板0.5m处，测风示意图，如图8。使用热线式风速仪按照定点测风示意图依次在测点位置测量，待仪表显示风速值相对稳定后，记录仪表读数。

图7 热线式风速仪STA2

图8 定点测风方法示意图

3.2 现场试验结果

根据“6线式测风方法”，实测东翼11煤回风巷测风段平均风速为5.96 m/s，-962水平轨道石门南测风段平均风速为6.45 m/s。通过定点测风方法，测得东翼11煤回风巷平均风速，见表2；测得-962水平轨道石门南平均风速，见表3。

表2 东翼11煤回风巷平均风速实测结果

表3 -962水平轨道石门南平均风速实测结果

由表2和表3可知，巷道断面平均风速定点测量值与线路法测量值误差均在5%以内，表明巷道断面平均风速线距巷道左右帮或顶底板的距离约为巷道断面宽或高的0.1倍，通过定点测量能够获得巷道断面平均风速。

4 结论

(1)巷道断面风速分布曲线与巷道断面形状基本一致，靠近巷道壁面位置，风速变化较大，靠近巷道中心位置，风速变化较小且相对稳定。

(2)同一断面，不同入口风速值下巷道风速沿中垂线分布趋势一致，即同一断面下风速变化规律与入口风速大小无关；不同断面，同一入口风速值下巷道风速沿中垂线分布趋势一致，即同一类型巷道断面风速变化规律与巷道断面尺寸无关。

(3)随着巷道断面高度或宽度增大，平均风速线距巷道壁面距离增大，平均风速线距巷道左右帮或者顶底板距离约为巷道宽度或者高度的0.1倍。通过现场测试，巷道断面平均风速定点测量值与线路法测量值误差均在5%以内，采用定点测风方法可以有效测出巷道断面内平均风速。