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第2 2 卷第4 期迁了工程技术大学学报2 0 0 3年 8月 文童编号t IX18 - 0 5 6 2 2 0 0 3 0 4 -0 5 1 4 - 0 3 采煤机对回采工作面风流温度场影响 周西华‘ ，王继仁 ’ ，梁 栋’ I 辽宁工程枝术大学资源与环境工程学院. 辽宁 4 1 d r 1 2 3 0 0 0 2 _ 广州大学 土木环境工程学院. 广东 广州 5 1 0 0 4 5 摘要从质量 和能量 守恒定律出发. 研究矿内风 流流场和风流温度场的分布规律及其拐合 作用机 理，导 出了 矿井风流紊流 流动和温度分布的 微分方程，采用紊流模型的k一￡方fy封闭 方程组， 采用S I MP L E方 法. 利 用 P H O E N I C S程序进行数 值求解 通过数值棋拟，初步得出了 矿井回采工作面风流流场、温度场与采煤机在工作面的位置和采煤机割煤方向的变化规律.采煤机 是回采工作面的主要高温热源之一 关键词紊 流 模型 空度 因子 温 度 场; 数值棋拟 中图号T D 7 2 7 . 2文献标识码A E f f e c t o f c o a l 而n i n g m a d c h i n e s o n o f a i r fl o w a n d t e m p e r a t u r e f i e l d i n t h e m i n i n g f a c e Z H O U X i - h u a , W A N G J I - re n , L UN G D o n 扩 1 . C o ll e g e o f R e s o u r c e a n d E n v i ron me n t E n g i n e e r i n g , L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y , F u x i n 1 2 3 0 0 0 , C h i n a ; 2 . C o l l e g e o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u re E n g i n e e r i n g , G u a n g z h o u U n i v e r s i t y , G u a n g z h o u 5 1 0 0 4 5 , C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e l a w o f c o n s e r v a t i o n o f e n e r g y , d i f f e re n t i a l e q u a t i o n w h i c h c a n d e s c r i b e a i r f l o w t e m p e r a t u r e d i s t ri b u t i o n i n s t a t e o f t u r b u l e n t fl o w i n m i n e w o r k i n g f a c e i s d e d u c e d . B y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s r e s e a r c h o n d i s t r i b u t i o n l a w a n d c o u p l i n g a c t i o n m e c h a n i s m o f a i r fl o w fl o w fi e l d a n d a i r fl o w t e m p e r a t u re f i e l d i n m i n e a r e d e v e l o p e d s y s t e m a t i c a l l y . B y a d o p t i n g S I MP L E a r i t h m e t i c a n d u s i n g P H O E N I C S p r o g r a m n u m e r i c a l v a l u e s a re s o l v e d . B y n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , t h e d i v e r s i f i c a t i o n l a w o n a i r f l o w t e m p e r a t u r e w i t h a p i e c e p a r a m e t e r s i n m i n e w o r k i n g f a c e i s d e d u c e d c h a n g e w i t h d i v e r s i f i c a t i o n o f c o a l m i n i n g m a c h i n e p l a c e . K e y w o r d s t u r b u l e n t m o d e l -, p o r o s i t y f a c t o r t e mp e r a t u r e f i e l d ; n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 0 引言 高温矿井回采工作面高温热源通常包括煤 岩体原岩温度、采煤机械放热、高温热水、风流 自压缩热和人员放热等，其中采煤机械放热是工 作面的主要热源。因此研究采煤机械在工作面的 工作状况、位置和温度变化对回采面风流温度分 布的影响规律，对矿井回采工作面高温防治有重 要意义。 1 风流流动控制方程和数值模拟法 1 . 1矿内风流流动的控制方程 矿内风流流动通用方程式为1 1 .2 .4 ,5 1 a P u i o a x ; a o、 _。 1 、 ， 一 J法、1 护 a x 丁 a-ax， 式中P 密 度， k g / M 3 ; 0 通 用变 量 〔 速度 v . 温度 T , 浓 度 C 等 ; r 4 扩 散 项 系 数 ; S O 源 项 ; ‘ 时 间 ， s o 风 流流 动状 态 参量的 瞬时 值价 可 表 示为时 均 值石 和脉 动值犷 之和， 即0 0 十 0 。 描述 矿井 风流紊流流动的雷诺时均方程为 a p o a t 1 . 2 a p u ;“ - a F _ a o 一 O U T 一 8 . C 2 a x ; a x ; ， a x ; 紊流粘性系数模型 方 程 2 包 含 紊 动 应 力p u 又和 紊 流 附 加 热 流 C p 万 万不 封 闭 ， 可 采 用k 一 ￡ 模 型 封 闭 方 程 组 收稿日期2 0 0 3 - 0 4 - 1 2 作老简介周西华 1 9 6 8 -.男，安傲 淮北人，博士研究生。副教授。本文编校杨瑞华 万方数据 第 4期 周西华等二采煤机对回采工作面风流温度场影响51 5 G , G 。 一 p e 3 4 改-两 。 a k 。 au ;k P a t p a x I 。 de ， au;e p a t p a x; 具 pff o x , 口走 一 具 p a a c a x , a, a 凡 C , k G x 二 XI C 3R f 一 C ep 号 通用微分方程可参见文献[ 4 1 , [ 5 1 表示为 松弛因子取 0 .5 ，压力松弛因子取。 . 8 。计算结果 与现场实测对比如图 I 所示，计算值与实测值的 绝对误差小于0 . 4℃，相对误差小于 0 . 1 . 模拟结果与实测一致，说明本文的数值模拟 方法准确可靠，可用于回采面热环境规律的研 究。 a p lo dt d i v p u o 一 几g r a d O S m 5 试 1 . 3 边界条件 进口边界的速度、温度、流量可按实测或设 定 值直 接给出， 紊流 动能k ,, -- 0 .0 5 u 扩 ， 紊流动能耗 散率￡ In k ;, 1 0 .0 3 。 风流出口 边界采用局部单通道 坐标假定，只给定流场压力 p的标定值。固体壁 采用壁面函数确定壁面上的温度当量扩散系 . 实测值 .p r a c t i c a l 10 o } 洁 5 0 ▲计稼值 ▲祀s a l t 面， 数 1 . 4 k , 和速度当 量扩散系数 p d . 数值方法 高素 各控制方程间有强烈的祸合关系，采用控制 容积法，利用空度分布函数离散通用微分方程， 用S I MP L E方法进行压力校正。求解动量方程和 连续方程，得风流场，再求解其它方程。 2 回采面风流场与温度场的模拟 2 . 1 数值模拟与实测对比 实测山东究州矿业集团公司东滩煤矿西翼 4 3 0 3 综放面长 2 0 5 m，采高2 . 9 m，最小控顶距 4 . 2 m， 有效通风断面 1 0 . 9 2 m ， 风量9 8 1 m I m i n , 两顺槽宽各 3 m。采煤机机身尺寸8 mX 1 .2 m, 截深 。 . 6 m ，采煤机温度平均 5 0℃。风流温度 2 2 . 2 - 2 6 .8℃，平均2 4 .5℃，四壁平均温度2 7 .2 ℃，煤壁的导热系数z 为0 .2 6 w l m0C，岩石的导 热系数5 . 3 w m “ ℃一 ‘ ，采煤机导热系数 2 . 5 5 w l m ℃，空气的普朗特数P r 为。 .7 0 2 。将该工作面计 算区域 2 1 0 m X 4 .8 m的空间划分成 8 2 X 1 6 1 3 1 2个网格。采煤机等固体区域的空度值 f， 0 . 0 。工作面入风端头 I O M、采煤机前后3 0 m和 回风端头 1 0 m 处，风流结构复杂，局部网格加 密。要计算的未知量有速度 u , v ，压力P ,温度 T ,紊流动能 k ，紊流动能耗散率￡ 和紊流动力 粘性系 数k r 等7 个 变量， 共1 3 1 2 X 7 9 1 8 4 个 离散点的函数值。最大迭代次数 1 5 0 0次，速度 图 1回采面温度计算结果与实侧对比 F i g . l t h e c o m p a ri s o n b e t w e e n c o m p u t a t i o n re s u l t o f t e m p e r a t u re o f w o r k i n g f a c e a n d p r a c t i c a l o n e 2 . 2 回采面风流结构与温度分布的数值模拟 数值模拟的条件按现场实测条件选取，计算 结果，回采工作面的风流速度、 速度矢量分布和 温度分们 1 如图 2 . 3和 4 。各变量的相对误差均 小于 1 。通过数值模拟得出，工作面存在三个 涡流区工作面进风端头、采煤机附近和回风隅 角两个高温区采煤机附近和回风隅角。 由此可见， ，且变化剧烈， 风流结构复杂的涡流区温度较 风速是影响温度分布的主要因 图2 回采工作面长度方向速度等值线图 F i g .2 t h e e q u i v a l e n t v a l u e c u r v e s o f t h e v e lo c i t y a lo n g o f t h e a i r fl o w v e l o c i t y o f w o r k i n g f a c e 图3 回采工作面风流速度矢t图 F ig .3 t h e v e lo c i ty v e c t o r s o f t h e a i r fl o w v e lo c i t y o f w o r k i n g f a c e 图4 回采工作面温度分布等值线图 F i g .4 t h e e q u i v a l e n t v a l u e c u r v e s o f t h e d i s t r ib u t i o n o f t h e te m p e r a t u r e o f w o r k in g f a ce 万方数据 51 6 辽宁工程技术大学学报 第2 2 卷 2 . 3 采煤机对温度分布影响的数值模拟 按上述计算条件，其他条件不变，分别改变 工作面采煤机割煤方向、采煤机工作位置、采煤 机工作温度等参数，进行数值模拟 I 改变采煤机割煤方向 为顺风 ，模拟 结果，得出回采工作面的风流速度、速度矢量分 布和温度分布如图 5 、6和 7 。采煤机逆风割煤 时，从工作面入口到采煤机之间 1 2 5 m绝大部分 空间风流温度低于 2 3℃，采煤机下风侧大部 分空间温度高于2 5℃， 工作面出口温度 2 6 . 6 ℃;采煤机顺风割煤时，只有入风侧 9 5 m 空间 大部分风流温度低于 2 3℃，采煤机下风侧大 部分空间温度高于 2 6℃，工作面出口温度 2 7 .4℃。可见，采煤机顺风流割煤时，工作 面风流温度高于逆风割煤。 煤机是工作面的主要高温热源之一 艺 二 ; ;一 5 . 2 81 F 5 卜 d t 2 7 . 5 3 4 - 0 . 0 0 8 8 1 十 2 . 1 1 4 85L51 0 F 6 . - - 一 - - 一 - 一 - 一 - - . 名 m a - 0 2 5 5 0 7 5 1 0 0 1 2 5 1 5 0 1 7 5 L / m a 采煤机下风侧 I m处b回风残角d出1 1 图s采煤机位置不同时工作面高温卜温度变化曲线 F i g - 8 t h e d i v e r s i f i c a t i o n c u rve o n a ir fl o w t e m p e ra t u r e i n h i g h t e m p e r a t u r e a re a w it h t h e c h a n g e o f c o a l m i n in g m a c h in e p l a ce to m i n e w o r k i n g f a c e 3 结论 图5 采煤机顺风流割煤时工作面长度方向速度分布图 F i g .5 t h e e q u i v a le n t v a lu e c u r v e s o f t h e d i s t r i b u t i o n o f th e v e l o c i t y a l o n g i n t h e c a s e o f t h e a i r fl o w v e l o c i t y o f w o r k i n g f a ce 妇鸽眯二二二二二一 二二 二 串 二 二 二 二二 二二 二 二 ; 钾 月 阳 毕 苍 誉 井; 舀至至要奎妻要墓勿〔墓妻弃若 妻妻到 t 于 三 三 三 书班丢 聋 奎墓 奎奏奚琴筹丢蔑品书弱异 蓦 扁 1一二犷 - .1 口 日 ， 叭一r今 .1 .户 J 二”一曰 圈 . .百一 n日民移⋯月.t司 目. 1 、 ‘t 二， 。 c 。， 。 于 云 泌L . 乙 云 f . 石于 一Ic 图6 采煤机顺风流割煤时速度矢量图 F i g .6 t h e v e l o c i t y v e c to rs i n t h e c a s e o f t h e a i r fl o w v e l o c i t y o f w o r k i n g f a c e 通过对回采工作面温度分布的数值模拟研 究，得出以下结论 I 与实测对比，本文的数学模型、数值 方法和模拟结果均较准确可靠 2 回采工作面存在三个涡流区、两个高 温区，温度场分布依赖于风流流场分布; 3 采煤机顺风流割煤时，工作面温度较 高; 4 采煤机在进风端头时，整个工作面的 温度均比 采煤机在回风端头时高 5 采煤机是工作面的主要高温热源之一。 图7 采煤机顺风流割煤时温度分布等值线图 F ig .7 th e e q u i v a le n t v a l u e c u r v e s o f t h e d i s tr i b u ti o n o f th e a i r fl o w te mp e r a t u re o f w o r k i n g f a c e 2 改变采煤机在工作面的位置，分别取 采煤机距进风端头2 0 m , 1 3 0 m , 1 8 5 m进行模 拟，结果高温点温度变化规律如图 8 0采煤机在 回风端头时，整个工作面的温度比采煤机在进风 端头时高。 3 采煤机停机时，机身温度为 2 3 C ，模 拟结果，回采面高温点的温度明显降低。可见采 参考文献 I I I 梁 栋矿内瓦斯运移规律及其应用} D I 中国矿业大学北京校区， 1 9 9 6 . [ 2 1 周西华矿井空调热力过程的数值模拟研究[ D I A L 宁工程技术大学 资源与环埂工程学院1 9 9 9 [ 3 ] 余常昭环JA *体力学导论[ M A L 京清华大学出版社 1 9 9 2 . [ 4 1 周西华，王继仁回采工作面温度场分布规律的数值模拟[ l 1 煤炭学 报，2 0 0 2 . 2 7 1 5 9 - 6 3 . [ 5 I 周西 华，王 继仁掘 进巷道 风流温度分布规律的数 值模 拟I I I 中国安全 科学学报，2 0 0 2 . 1 2 2 1 9 - 2 3 . [ 6 1 陶文 性. 数值传热学[ M ]西安 西安交 通大学出 版社, 1 9 8 8 [ 7 1 范维橙， 廖光煊 流体流动、 传热传质和燃烧过怪的计算机模拟[ M] . 合肥安徽科技出版社 1 9 9 0 . 万方数据