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基于CFD的采煤工作面通风降温的力学分析

李涛，高峰，杨玉贵，刘冠男
（中国矿业大学理学院力学与工程科学系,徐州，221008）
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摘要：为了深入了解高温矿井热害内在机理、局部气流与热量传递过程，设计合理的通风降
温措施，本文通过对综采面进行理论分析，建立力学模型，并使用CFD计算流体动力学软件
进行了数值模拟计算，较准确的预测了井巷温度变化规律，对实际工程实践设计与改进提供
了依据。

关键词：高温矿井，CFD，数值模拟
1引言

随着开采深度的不断增大，高温热害已成为影响煤炭安全、高效生产的急待解决的又一
突出问题[1]。据初步统计，目前国内受高温热害影响的煤矿有130多个，而且这个数字随着
采深的增加在迅速扩大，所以热害处理已成为一个不可回避的重要课题。
然而资料显示，有相当数量的煤矿非制冷降温措施不明显，其主要原因是通风系统设
计不尽合理、通风断面小、通风设施效率低下、通风压力偏大或通风困难；对于制冷降温措
施则出现设备利用率低，整体降温不明显、局部温差过大等问题。所以，如何进行合理的采
场和巷道布置、如何进行最优化的断面设计、如何评估通风效率及经济性的同时，保证降温
的最大化、如何进行制冷降温的布局，从而提高设备的利用率，这都需要从理论和技术上进
行分析，提出可靠的解决方案。
目前流体动力学理论和计算科学相结合[2]，开拓了多物理场耦合分析技术新领域
（Multiphysics），使得我们可以将通风（空气动力学分析）、温度分布与局部降温（热分
析）和巷道结构（结构分析）纳入一个系统进行科学分析，揭示高温采区工作面（济宁2
号矿井）设备、岩层、煤层、水、采空区以及空气之间的热耗散温度场和速度场分布机理，
开发高温矿井工作面局部环境控制的综合治理技术，这对设计、分析与评价与深部开采相适
应的矿井通风及降温技术方案、工程措施以及实施效果具有极为重要的意义，是未来深部资
源开采技术的一个重要的组成部分和发展方向，具有重要的科学意义和社会价值[3]。
2.工程背景

兖矿集团济宁二号煤矿南翼第二水平布置的九采、十一采两个采区，其深度为-740m，
水平大巷距风井口3500m，矿井最大通风流程达12000m，目前采掘深度已到-820m。据采掘
过程的数据统计显示：冬季，在-740m水平的采煤工作面回风流温度为29℃；夏季，采掘面
（如：十一采边界巷掘进工作面）风流温度达32℃，回风流温度超过34℃。一般情况下，
在夏季，采煤工作面：入风口温度26℃，工作面温度达到28～30℃，回风巷道为30℃～31
℃；掘进工作面：局扇吸风口温度26℃，迎头温度27.5℃，巷道回风温度29～32℃。
南翼二水平布置2个采煤工作面，其中1个综采放顶煤工作面，1个综采面，另外有
6个掘进工作面（4个综掘，2个普掘）。综采放顶煤回采工作面采用滚筒采煤机落煤，布

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置设有前部和后部运输机，采煤高度2.8m，放煤高度1.75m，采放比为1：0.63。两顺槽巷
道管4m，高3m，净断面积为12m2，皮带运输机顺槽作为回风巷道，工作面电站布置在进风
轨道顺槽内，随工作面推向外整体挪移。综采放顶煤工作面产煤量大，放热量多，装机总容
量大，工作面的温度高达30℃以上。工作面高温的形成是由于采煤机械设备、围岩壁、煤
层、地下水、采空区等热耗散的综合作用结果。通过对煤壁温度变化趋势分布、工作面温度
场分布进行数值模拟和试验研究，通过对各种散热体的影响因素分析以及温度场分布规律的
研究，能够发现热耗散因素的综合作用特性，根据温度场分布规律，可对工作面采取更加有
效的降温措施。
3控制方程

巷道内空气属多组分气体构成的粘性混合流体，在不同的情况下可处于静止、层流和紊流
运动状态，而且在围岩与风流之间进行着对流换热，所以我们假定巷道风流满足k−ε湍流
模型，并在近壁采用壁面函数法[4]。在此假设的基础上，在流动与传热问题求解中所需求
解主要变量的控制方程都可以表示成以下通用形式：
∂()ρφ
+=Γdiv()ρφUdiv(φgradφ)+Sφ
∂t
uvw
式中φ为通用变量，可以代表，，，T等求解变量；Γφ为广义扩散系数；Sφ为

广义源项。
上述微分方程具有很强的非线性特征，一般只能采用数值方法求解[5]。在求解区域生成
网格后，利用有限体积法可将方程离散为下列形式：

aaappφ=+EEφφφφWW+++aaaNNSSTTφ+abBBφ+

式中，a为离散方程的系数，φ为各网格节点的变量值，b为离散方程的源项下标P、E、

W、N、S、T和B他别为各网格处的值，所有的动量方程、能量方程均可离散成上述形式。
根据质量