深部开采矿井通风系统降温效果分析_张培红
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目前我国 20 世纪 50 年代建成的 40% 以上 地下矿山已经逐步向深部开采过渡． 在“十二五”
收稿日期： 2012 － 03 － 16 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 51174046） ； 国家自然科学基金项目（ 91024022） 作者简介： 张培红（ 1969—） ，女，教授，博士，主要从事安全科学技术和建筑热环境控制研究．
为改善井下高温环境，必须对井下进行适当 的通风降温措施，首先采用加大风速的方法对井 下降温，进风风速为 2 m / s 和 4 m / s 两种工况下 的模拟结果见下图 5、图 6 所示．
图 3 水平巷道内中心线处的温度分布 Fig. 3 Temperature distribution of the centerline of the
深部开采矿井通风系统降温效果分析
张培红，董清明，李忠娟，成 凤
（ 沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）
摘 要： 目的 模拟深部开采矿井井下高温环境，分析机械通风不同送风参数下的降温效果，确 定出最佳送风参数，为深部开采矿井通风系统的设计提供理论依据． 方法 利用 Fluent 软件进 行数值模拟，竖井壁面温度根据地温变化特点利用 UDF 编程确定，测定自然通风时矿井内的 温度分布、风速大小，分析在深部开采矿井机械通风不同的送风速度、送风温度下，井下的降温 效果，确定出最佳送风参数． 结果 当深采矿井送风风速为 4 m / s，送风温度为 15 ℃ 时水平巷道 内的温度能够降到 28 ℃ ，满足矿山安全规程规定． 结论 深采矿山开采深度为 1 000 m，巷道长 度为 60 m 时采用竖井机械通风能够实现井下高温环境的有效控制． 对更为复杂的矿井，可以 考虑采用细水雾和机械通风联合降温的方法，还可实现粉尘的综合防治．
level roadw ay
图 5 水平巷道内中心线处的风速分布 Fig. 5 Wind speed distribution of the centerline of the
level roadw ay
图 4 水平巷道中心线处风速分布 Fig. 4 Wind speed distribution of the centerline of the
2 数值模拟结果及分析
2. 1 自然通风时井下温度分布 室外风进入竖井后随着深度的增加，受地层
温度的影响会越来越明显，风流温度变化曲线如 图 2 所示．
图 1 深采矿井侧面图 Fig. 1 Profile of deep mining w ell
图 2 两竖井中心线处风流温度分布 Fig. 2 Temperature distribution of the tw o vertical shaft
level roadw ay
从图 3 可以看出，风流从竖井到达水平巷道 后温度达到 37. 5 ℃ ，此时进风温度已经远远超过 安全规程 28 ℃ 的规定，随着水平巷道长度的增加 风流温度有上升趋势，经过 60 m 长水平巷道到达 巷道末端时温度达到 38 ℃ ． 由图 4 可以看出，井 外风流到达竖井末端时风速已经降为 0. 18 m / s， 在水平巷道内流动时风速有微弱的减小，到达巷
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沈阳建筑大学学报（ 自然科学版）
第 29 卷
期间，我国将有近 30 余座矿山进入地下 1 000 m 以下进行开采，有近 10 座矿山进入 1 300 m 以下 进行开采，随着开采深度的增加井下热害问题也 越来越严重． 为改善井下高温高湿环境近年来已 有很多专家学者进行了研究，并提出了相应的解 决办法． 国内外学者对改善井下高温高湿环境进 行了很多研究［1 － 12］． 这些研究成果包括在考虑壁 面潮湿的情况下研究了井巷围岩与风流热、湿交 换的数学模型，并提出相应的计算机模拟算法和 计算框图； 利用计算机模拟技术对掘进工作面及 回采工作面的风流流场及温度场预测，其成果为 进一步研究控制矿内风流热、湿环境提供更为先 进的方法，但对于采用竖井直接通风的掘进工作 面热环境的变化及其预测所进行的研究工作还很 少． 矿 井 空 气 温 升 主 要 受 井 下 围 岩 散 热 的 影 响［13］，笔者在仅 考 虑 井 巷 围 岩 散 热 的 情 况 下，模 拟竖井自然通风条件下 1 000 m 深井下的温度分 布，得到井下高温环境，进而采用机械通风对井下 降温，从而得出最佳送风参数，为深部开采矿井通 风系统的设计提供理论依据．
在竖井内 温 度 被 升 高 的 风 流 到 达 水 平 巷 道 后，受巷道围岩散热的影响，在巷道内的温度、风 速变化曲线如图 3、图 4 所示．
道末端时风速减为 0. 1 m / s，这既达不到安全规 程中规定的采场巷道内的最小扬尘风速0. 25 m / s 的要求，也达不到矿井通风降温的要求，所以必须 对井下采取适当的通风降温措施． 2. 2 送风速度对井下风流的影响
centerline place
风流进入竖井后温度先下降，在 － 120 m 附 近温度降到最低值约 19 ℃ ，之后温度逐渐上升， 到达竖井底部时温度达到 37 ℃ ． 风流通过排风竖 井排出过程中有一小段温度升高段，之后温度呈
第 29 卷
张培红等： 深部开采矿井通风系统降温效果分析
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下降趋 势，在 － 50 m 时 出 现 温 度 的 最 低 值 约 20 ℃ ，到达变温层向上流动时温度又逐渐升高， 这说明风流到达水平巷道末端时温度低于巷道围 岩温度，故空气向上流动时空气仍要吸收围岩散 热，直到气流温度低于围岩温度时空气温度才会 逐渐降低，到达变温层时地层温度受地表温度的 影响，由下向上竖井壁面温度也逐渐升高，故此段 风流温度也逐渐升高．
（ School of M unicipal and Environment Engineering，Shengyang Jianzhu University，Shengyang，China，110168）
Abstract： The paper aims to simulate deep mining in mine of high temperature environment，analysis air cooling effect of the different parameters of the mechanical ventilation，to determine the best supply air parameters，to provide the theory basis for design of the deep mining of the mine ventilation system． Shaft w all temperature is according to the changes of geothermal characteristics and using UDF programming of fluent， using numerical simulation softw are Fluent，determine the temperature distribution of natural ventilation in the mine，w ind speed size； analysis the cooling effect of the underground of the mine deep mining adopting mechanical ventilation in different supply air speed，different air supply temperature，to determine the best supply air parameters． When deep mining w ells supply air w inds of 4 m / s，supply air temperature for 15 ℃ in the level of roadw ay temperature can drop to 28 ℃ ，meet mine safety regulations sets． The ultimate load is that deep mining the mining depth for 1 000 m w hen used mechanical ventilation shaft can achieve high temperature in the control of the environment． For more complicated mine，can consider to use w ater mist and mechanical ventilation combined cooling method，also can realize dust comprehensive prevention and control． Key words： deep mining w ells； natural ventilation； mechanical ventilation； velocity； temperature
关键词： 深采矿井； 自然通风； 机械通风； 速度； 温度
中图分类号： X828
文献标志码： A
Deep Mining Mine Ventilation System Cooling Effect Analysis
ZHANG Peihong，DONG Qingming，LI Zhongjuan，CHENG Feng
自然通风采用速度入口，速度取当地室外夏 季平均风速 4. 5 m / s，温度取夏季平均温度25 ℃ ， 出口采用自由出流，壁面采用无滑移壁面条件，壁 面粗糙度取为 0. 005，采用 Simple 算法求解离散 控制方程，对流项采用一阶迎风差分格式． 机械通 风采用抽出 式 通 风 系 统［17］，入 口 采 用 速 度 入 口， 压力出口，壁面采用无滑移壁面条件，采用 Simple 算法求解离散控制方程，对流项采用一阶迎风差 分格式． 竖井壁面温度均采用 UDF 编程确定．
1. 2 数学模型的建立 矿井内的风流流动多为高雷诺数的紊流流动
状态［15］，在紊流计算和数值模拟中，标准的 κ － ε 模型应用最为广泛，其稳定性、经济性均较好，故 采用标准 κ － ε 模型进行数值模拟，为简化计算， 做出如下假设［16］： （ 1） 流动为稳态紊流，空气为不 可压缩气体，忽略流体的黏性力做功引起的耗散 热； （ 2） 围岩均质，各向同性，壁面气密性较好，空 气流动过程中无风量损失，即在壁面处扩散通量 为 0； （ 3） 忽略巷道围岩岩壁间的热辐射； （ 4） 考 虑空气质量． 1. 3 边界条件和求解方法
1 数值模拟
1. 1 物理模型的建立 首先建立 了 深 部 开 采 矿 井 模 型 进 行 数 值 模
拟，受模拟软件的局限，直接对实际模型进行模拟 将很复杂，故将模型简化如图 1． 模型的水平巷道 长宽高为 60 m × 4 m × 3 m，两风井 A、B 长宽高 均为 4 m × 3 m × 1 000 m． 在稳态模拟时这种简 化对风流温度、湿度以及工作面换热系数的分布 影响非常小［14］． 地层恒温带温度为 12 ℃ ，地温率 为 3 ℃ /100 m． 地 面 环 境 温 度 为 25 ℃ ，风 速 是 4. 5 m / s，机械通风时竖井 A 为进风井，竖井 B 为 排风井．
图 6 水平巷道内中istribution of the centerline of the
2013 年1 月 第29 卷 第 1 期
沈阳建筑大学学报（ 自然科学版） Journal of Shenyang Jianzhu University （ Natural Science）
文章编号： 2095 － 1922（ 2013） 01 － 0127 － 05
Jan ． 2 0 1 3 Vol． 29，No． 1
收稿日期： 2012 － 03 － 16 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 51174046） ； 国家自然科学基金项目（ 91024022） 作者简介： 张培红（ 1969—） ，女，教授，博士，主要从事安全科学技术和建筑热环境控制研究．
为改善井下高温环境，必须对井下进行适当 的通风降温措施，首先采用加大风速的方法对井 下降温，进风风速为 2 m / s 和 4 m / s 两种工况下 的模拟结果见下图 5、图 6 所示．
图 3 水平巷道内中心线处的温度分布 Fig. 3 Temperature distribution of the centerline of the
深部开采矿井通风系统降温效果分析
张培红，董清明，李忠娟，成 凤
（ 沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）
摘 要： 目的 模拟深部开采矿井井下高温环境，分析机械通风不同送风参数下的降温效果，确 定出最佳送风参数，为深部开采矿井通风系统的设计提供理论依据． 方法 利用 Fluent 软件进 行数值模拟，竖井壁面温度根据地温变化特点利用 UDF 编程确定，测定自然通风时矿井内的 温度分布、风速大小，分析在深部开采矿井机械通风不同的送风速度、送风温度下，井下的降温 效果，确定出最佳送风参数． 结果 当深采矿井送风风速为 4 m / s，送风温度为 15 ℃ 时水平巷道 内的温度能够降到 28 ℃ ，满足矿山安全规程规定． 结论 深采矿山开采深度为 1 000 m，巷道长 度为 60 m 时采用竖井机械通风能够实现井下高温环境的有效控制． 对更为复杂的矿井，可以 考虑采用细水雾和机械通风联合降温的方法，还可实现粉尘的综合防治．
level roadw ay
图 5 水平巷道内中心线处的风速分布 Fig. 5 Wind speed distribution of the centerline of the
level roadw ay
图 4 水平巷道中心线处风速分布 Fig. 4 Wind speed distribution of the centerline of the
2 数值模拟结果及分析
2. 1 自然通风时井下温度分布 室外风进入竖井后随着深度的增加，受地层
温度的影响会越来越明显，风流温度变化曲线如 图 2 所示．
图 1 深采矿井侧面图 Fig. 1 Profile of deep mining w ell
图 2 两竖井中心线处风流温度分布 Fig. 2 Temperature distribution of the tw o vertical shaft
level roadw ay
从图 3 可以看出，风流从竖井到达水平巷道 后温度达到 37. 5 ℃ ，此时进风温度已经远远超过 安全规程 28 ℃ 的规定，随着水平巷道长度的增加 风流温度有上升趋势，经过 60 m 长水平巷道到达 巷道末端时温度达到 38 ℃ ． 由图 4 可以看出，井 外风流到达竖井末端时风速已经降为 0. 18 m / s， 在水平巷道内流动时风速有微弱的减小，到达巷
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沈阳建筑大学学报（ 自然科学版）
第 29 卷
期间，我国将有近 30 余座矿山进入地下 1 000 m 以下进行开采，有近 10 座矿山进入 1 300 m 以下 进行开采，随着开采深度的增加井下热害问题也 越来越严重． 为改善井下高温高湿环境近年来已 有很多专家学者进行了研究，并提出了相应的解 决办法． 国内外学者对改善井下高温高湿环境进 行了很多研究［1 － 12］． 这些研究成果包括在考虑壁 面潮湿的情况下研究了井巷围岩与风流热、湿交 换的数学模型，并提出相应的计算机模拟算法和 计算框图； 利用计算机模拟技术对掘进工作面及 回采工作面的风流流场及温度场预测，其成果为 进一步研究控制矿内风流热、湿环境提供更为先 进的方法，但对于采用竖井直接通风的掘进工作 面热环境的变化及其预测所进行的研究工作还很 少． 矿 井 空 气 温 升 主 要 受 井 下 围 岩 散 热 的 影 响［13］，笔者在仅 考 虑 井 巷 围 岩 散 热 的 情 况 下，模 拟竖井自然通风条件下 1 000 m 深井下的温度分 布，得到井下高温环境，进而采用机械通风对井下 降温，从而得出最佳送风参数，为深部开采矿井通 风系统的设计提供理论依据．
在竖井内 温 度 被 升 高 的 风 流 到 达 水 平 巷 道 后，受巷道围岩散热的影响，在巷道内的温度、风 速变化曲线如图 3、图 4 所示．
道末端时风速减为 0. 1 m / s，这既达不到安全规 程中规定的采场巷道内的最小扬尘风速0. 25 m / s 的要求，也达不到矿井通风降温的要求，所以必须 对井下采取适当的通风降温措施． 2. 2 送风速度对井下风流的影响
centerline place
风流进入竖井后温度先下降，在 － 120 m 附 近温度降到最低值约 19 ℃ ，之后温度逐渐上升， 到达竖井底部时温度达到 37 ℃ ． 风流通过排风竖 井排出过程中有一小段温度升高段，之后温度呈
第 29 卷
张培红等： 深部开采矿井通风系统降温效果分析
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下降趋 势，在 － 50 m 时 出 现 温 度 的 最 低 值 约 20 ℃ ，到达变温层向上流动时温度又逐渐升高， 这说明风流到达水平巷道末端时温度低于巷道围 岩温度，故空气向上流动时空气仍要吸收围岩散 热，直到气流温度低于围岩温度时空气温度才会 逐渐降低，到达变温层时地层温度受地表温度的 影响，由下向上竖井壁面温度也逐渐升高，故此段 风流温度也逐渐升高．
（ School of M unicipal and Environment Engineering，Shengyang Jianzhu University，Shengyang，China，110168）
Abstract： The paper aims to simulate deep mining in mine of high temperature environment，analysis air cooling effect of the different parameters of the mechanical ventilation，to determine the best supply air parameters，to provide the theory basis for design of the deep mining of the mine ventilation system． Shaft w all temperature is according to the changes of geothermal characteristics and using UDF programming of fluent， using numerical simulation softw are Fluent，determine the temperature distribution of natural ventilation in the mine，w ind speed size； analysis the cooling effect of the underground of the mine deep mining adopting mechanical ventilation in different supply air speed，different air supply temperature，to determine the best supply air parameters． When deep mining w ells supply air w inds of 4 m / s，supply air temperature for 15 ℃ in the level of roadw ay temperature can drop to 28 ℃ ，meet mine safety regulations sets． The ultimate load is that deep mining the mining depth for 1 000 m w hen used mechanical ventilation shaft can achieve high temperature in the control of the environment． For more complicated mine，can consider to use w ater mist and mechanical ventilation combined cooling method，also can realize dust comprehensive prevention and control． Key words： deep mining w ells； natural ventilation； mechanical ventilation； velocity； temperature
关键词： 深采矿井； 自然通风； 机械通风； 速度； 温度
中图分类号： X828
文献标志码： A
Deep Mining Mine Ventilation System Cooling Effect Analysis
ZHANG Peihong，DONG Qingming，LI Zhongjuan，CHENG Feng
自然通风采用速度入口，速度取当地室外夏 季平均风速 4. 5 m / s，温度取夏季平均温度25 ℃ ， 出口采用自由出流，壁面采用无滑移壁面条件，壁 面粗糙度取为 0. 005，采用 Simple 算法求解离散 控制方程，对流项采用一阶迎风差分格式． 机械通 风采用抽出 式 通 风 系 统［17］，入 口 采 用 速 度 入 口， 压力出口，壁面采用无滑移壁面条件，采用 Simple 算法求解离散控制方程，对流项采用一阶迎风差 分格式． 竖井壁面温度均采用 UDF 编程确定．
1. 2 数学模型的建立 矿井内的风流流动多为高雷诺数的紊流流动
状态［15］，在紊流计算和数值模拟中，标准的 κ － ε 模型应用最为广泛，其稳定性、经济性均较好，故 采用标准 κ － ε 模型进行数值模拟，为简化计算， 做出如下假设［16］： （ 1） 流动为稳态紊流，空气为不 可压缩气体，忽略流体的黏性力做功引起的耗散 热； （ 2） 围岩均质，各向同性，壁面气密性较好，空 气流动过程中无风量损失，即在壁面处扩散通量 为 0； （ 3） 忽略巷道围岩岩壁间的热辐射； （ 4） 考 虑空气质量． 1. 3 边界条件和求解方法
1 数值模拟
1. 1 物理模型的建立 首先建立 了 深 部 开 采 矿 井 模 型 进 行 数 值 模
拟，受模拟软件的局限，直接对实际模型进行模拟 将很复杂，故将模型简化如图 1． 模型的水平巷道 长宽高为 60 m × 4 m × 3 m，两风井 A、B 长宽高 均为 4 m × 3 m × 1 000 m． 在稳态模拟时这种简 化对风流温度、湿度以及工作面换热系数的分布 影响非常小［14］． 地层恒温带温度为 12 ℃ ，地温率 为 3 ℃ /100 m． 地 面 环 境 温 度 为 25 ℃ ，风 速 是 4. 5 m / s，机械通风时竖井 A 为进风井，竖井 B 为 排风井．
图 6 水平巷道内中istribution of the centerline of the
2013 年1 月 第29 卷 第 1 期
沈阳建筑大学学报（ 自然科学版） Journal of Shenyang Jianzhu University （ Natural Science）
文章编号： 2095 － 1922（ 2013） 01 － 0127 － 05
Jan ． 2 0 1 3 Vol． 29，No． 1