0 引言
随着对煤矿资源的开采消耗，煤矿开采向深层化发展是必然趋势[1]。目前我国有1/3的煤矿进入了深层开发，且以平均每年10 m的速度逐年深入[2]。由于地热的缘故，越往深处，矿井的热害问题越严重，其中主要热源围岩的温度甚至超过40 ℃[3]。同时随着机械化程度的提高，采煤工作面热害问题越发突出，采煤机械设备散发大量热量，导致采煤工作面产生局部高温，加上通风降温措施不当，导致温度场分布不均匀，严重威胁着煤矿的安全生产。
近年来，随着计算机技术的发展和模拟软件的普及，不少学者以此来对矿井热害问题进行模拟研究。杨伟等[4]以高温矿井采煤工作面为研究对象，对采空区的煤体、空气换热系统进行了二维数值模拟。张源[5]在建立一维导热数学模型的基础上，采用有限差分法，利用FORTRAN语言编制计算机程序并对高地温巷道围岩温度场进行计算，分析了温度场的一般性规律。孔松[6]针对高温矿井掘进工作面的通风和换热特点，在不同风流雷诺数、风筒直径和出口距工作面距离的组合下，采用ANSYS软件对特定巷道的换热情况进行了模拟，得出风流参数对温度场变化影响的一般规律。周健等[7]运用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟软件对U型综采工作面在多种降温方案情况下的温度场进行二维数值模拟对比，得出了最佳空冷器布置位置和降温参数。这些成果说明数值模拟分析能够应用于高温矿井的研究工作，同时，也为本文的研究工作提供了借鉴。本文以某矿采煤工作面为研究背景，在对该矿热源进行分析的基础上，提出了一种工作面冷量分流的降温布置方式，并运用ANSYS Fluent分别对其温度场进行模拟分析，验证冷量分流布置方式的可行性。
1 矿井简介
某矿东西长为10 km，南北宽为5～10 km，面积为90 km2，是一座现代化大型煤矿，机械化程度达80%以上。该矿开采深度为-400～-900 m；最低气温在每年的1月，平均温度为-1.5 ℃；最高气温在7月中旬，平均温度为28.6 ℃。
第二水平(-800 m水平)是热害较严重区域，也是目前矿井主要生产区域。该区域采煤工作面原岩温度为40～43 ℃，属于一级高温区。在不安装降温设备的情况下，采煤工作面空气温度已超过《煤矿安全规程》限定的工作温度，工作面风流温度为29～34 ℃，回风巷温度为31～35 ℃，湿度接近100%。本文选取第二水平上E2801采煤工作面为研究对象，如图1所示。
图1 E2801采煤工作面
Fig.1 E2801 coal face
2 热源分析与计算
矿内热量主要来源于围岩放热、机电设备散热、氧化放热、运输放热和其他热源放热[8]。本文重点考虑围岩散热与采煤机械设备放热。
围岩热量计算公式为
Q1=Kτ(tgu-ta)UL
(1)
(2)
式中：Kτ为不稳定换热系数,kW/(m2·℃);tgu为围岩初始温度，℃；ta为《煤矿安全规范》规定的平均风流温度，℃；U为巷道截面的周长，m；L为巷道的长度，m;VB为巷道中的风速，m/s。
采煤机械设备放热量计算公式为
Q2=0.8kcjNcj
(3)
式中：kcj为采掘机械的时间利用系数，它等于每天实际工作时间(h)除以24；Ncj为采掘机械电动机消耗功率，kW。
矿井各参数设置如下：VB为0.7 m/s；tgu为39 ℃；ta为28 ℃；kcj为0.7；Ncj为40 kW;巷道几何及热力参数见表1。
根据式(1)—式(3)，结合矿井各参数计算可得需冷负荷为394.2 kW，考虑1.1～1.2的修正系数，所以，该矿至少需提供的冷量为394.2 kW×1.1=433.62 kW。根据以上计算，选用1台制冷量为450 kW、型号为RWK-450的空冷器，理论上即可满足降温需求。
表1 巷道几何及热力参数
Table 1 Geometric and thermal parameters of roadway
3 冷量分流的降温布置方式
常规降温布置方式如图2所示,即把空冷器安装于进风巷道内，配合通风机与风筒为采煤工作面提供冷量，这种布置方式存在的问题是下隅角温度较低，而上隅角及回风巷温度较高，温度场分布不合理。
图2 常规降温布置方式
Fig.2 Layout method of conventional cooling
针对常规降温布置方式存在的问题，提出了一种冷量分流布置方式,如图3所示。即仍把空冷器安装于进风巷内，同时匹配一台通风机，通风机与空冷器用风筒连接；利用隔热保温小管径(半径为200 mm)风筒将部分冷量直接输送至工作面,以起到分流冷量的作用，根据工作面长度，设置4个半径为200 mm的圆形出风口，间距为28 m；风筒被悬挂安装于液压支架上，能够随液压支架移动；剩余冷量由进风巷内半径为300 mm的圆形风筒出风口输出。为了提高模拟的准确性，考虑了采煤工作面上液压支架和采煤机的影响。
4 控制方程与数值建模
CFD计算流体力学，即利用数值结算方法求解流体力学的基本控制方程。本文所用的方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和传热模型[9]。根据本次研究，作如下几点假设：
图3 冷量分流布置方式
Fig.3 Layout method of cold quantity shunting
(1) 巷道内气流为不可压缩的流体，忽略流体黏聚力做功引起的散热。
(2) 工作面巷道内气密性良好，不考虑壁面空气渗漏的影响。
(3) 流动时为稳态紊流，满足Boussinesq假设，即流体中黏性耗散忽略不计，仅在计算浮升力时考虑密度的变化[10-11]。
(4) 采煤工作面暂时没有采空区。
根据表1中的几何参数，建立如图4所示的采煤工作面几何模型。使用ICEM软件对几何模型进行网格划分，选择划分为非结构网格，网格数量为2 201 681，节点数为376 268，侧视图如图5所示。
图4 采煤工作面几何模型
Fig.4 Geometric physical model of coal face
5 数值模拟与分析
本文拟通过建立三维模型分别对常规降温布置和冷量分流布置2种布置方式进行模拟与对比，以验证冷量分流布置方式的可行性。
图5 网格划分侧视图
Fig.5 Side view of meshing generation
5.1 参数设置
根据雷诺公式：Re=dvρ/μ(其中d为特征长度，v,ρ,μ分别为流体的流速、密度与黏性系数)可得，所研究区域雷诺数Re远大于2 300，因此，数值模拟模型选用湍流模型和能量模型；进风巷边界条件Type(类型)设为velocity-inlet(速度入口)，送风风量为11.2 m3/s，温度为29.6 ℃；围岩Type(类型)为Wall(墙)，Velocity-Specification Method(进口速度制定方法)为Stationary Wall(固定壁)和No Slip(无相对滑动)，温度为39 ℃；风筒出风口Type(类型)为velocity-inlet(速度入口)，冷量为6.24 m3/s，温度为18.3 ℃，当采用常规降温布置方式时，巷道内风筒风速为20 m/s，当采用冷量分流方式布置时，各出风口风速为8 m/s。
5.2 模拟结果对比
通过Fluent解算后，运用Tecplot后处理软件分别取Y=1(离工作面高1 m的截面)，Y=1.5(离工作面高1.5 m的截面)和X=63(工作面中央垂直的截面)的温度场云图对2种布置方式的模拟结果进行分析。
常规降温布置方式的温度场分布云图如图6所示,冷量分流布置方式的温度场分布云图如图7所示。
常规降温布置方式由于冷量只从进风巷道的风筒流入工作面，所以，冷量无法均匀分布于整个采煤工作面，在下隅角就完成了大部分的冷热交换，当冷量流经上隅角时，温度已经上升明显，冷风与热空气温差减少，根据传热学原理，换热效率将下降。由图6(a)、(b) 可知，风筒中的冷量按自由射流规律流入工作面下隅角，冲击于液压支架上，随后拐入回风巷，根据云图温度场的分布，可以直观地看出，回风巷附近局部温度过高，已超过《煤矿安全规程》规定的温度范围，整个工作面温度分布不均匀。由图6(c)可知，离液压支架远端处温度较高，达到29 ℃，制冷效果不佳，这是由于大量冷量集中射流至液压支架上后直接流向回风巷所致，此处正是工作人员作业区域,对工作人员影响较大。
(a)Y=1
(b)Y=1.5
(c)X=63
图6 常规降温布置方式的温度场分布云图
Fig.6 Cloud of temperature field distribution of conventional cooling layout method
(a)Y=1
(b)Y=1.5
(c)X=63
图7 冷量分流布置方式的温度场分布云图
Fig.7 Cloud of temperature field distribution of cooling capacity shunt layout method
采用冷量分流布置方式后，冷空气能够分散输送至采煤工作面上，在冷量总量不变的情况下，能够解决由下隅角换热充分,而上隅角换热不充分所导致的温度场分布不均匀的问题。由图7(a)、(b)可知，冷量分流后，虽然进风巷内射流进入工作面的冷量减少，但是能够满足下隅角的换热降温需求。通过2种布置方式的温度场分布云图对比可知，在冷量分流输送后，冷风风流能够与工作面热风进行充分换热，整个工作面温度分布更为均匀，整体满足降温要求。由图7(c)可知，液压支架前端的低温区域面积比冷量分流前更广，温度较高区域则位于液压支架后部，而此处为采空区，对工作人员影响相对较小。
在2种布置方式的模拟结果中，分别取Z方向24 m,Y方向1 m(Z=24,Y=1)处的直线line上的温度值，得到风流温度与相对位置的XYplot图，如图8、图9所示。
图8 分流前line(Z=24，Y=1)风流温度分布
Fig.8 Distribution of air temperature in the line (Z=24,Y=1) before shunting
图9 分流后line(Z=24，Y=1)风流温度分布
Fig.9 Distribution of air temperature in the line (Z=24,Y=1) after shunting
由图8、图9可知，在进风巷通风量与温度、围岩温度、制冷量与温度等都不变的情况下，通过冷量分流后的温度折线波动幅度平缓，温度较为均衡；距离工作面60 m附近温度起伏较大是由采煤机的散热引起的。数值模拟与分析结果表明，将冷量分流至工作面后能够实现更佳的降温效果。
6 结论
(1) 针对长距离工作面分流温度分布不均匀和局部高温的问题，提出了利用风筒将冷量分流的降温布置方式，分析了采煤工作面热量来源并估算了需冷量。
(2) 通过建立三维模型分别对常规降温布置和冷量分流布置2种布置方式进行模拟，模拟结果表明，采用冷量分流布置方式后的温度场分布更为均匀，低温区域面积更广，能够很好地缓解采煤工作面局部高温、温度分布不均匀的问题，这对改善工作面环境，提高人员舒适度和高效利用冷量等都具有一定的实际意义。
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