【基于矿工热舒适的掘进工作面通风效果数值模拟】 掘进工作面

　　摘 要：采用Airpak软件模拟掘进工作面压入式局部通风风速、温度分布，并基于矿工热舒适性，采用人体热舒适指标-PMV（Predicted Mean Vote）对通风效果进行评价。结果表明：掘进工作面射流速度从风筒口至工作面迎头逐渐减小，温度逐渐升高，回流速度从工作面迎头至巷道出口逐渐减小，温度升高，掘进工作面回流温度最高；掘进工作面PMV值为1～1.3，PMV指标能综合考虑空气流速与温度对通风效果的影响，比单一风速或温度指标预测评价矿井通风效果更加合理可行。
　　关键词：掘进工作面；热舒适；PMV
　　中图分类号:TD727 文献标识码:A
　　压入式局部通风将进风巷道内的新鲜空气通过风筒送入掘进工作面，工作面污风沿巷道排出。掘进工作面只有1个出口，在其工作面内无法形成自然循环风流，相对于贯通巷道内的气流温度较高。目前，对独头巷道中通风流场、温度场分布规律已进行了深入的研究[1-2]，但对于通风效果的评价涉及不多，从矿工热舒适对通风效果进行预测评价甚少[3]。矿工在高温环境下作业，容易诱发不安全行为，降低矿工劳动的积极性、劳动效率，长此以往将影响矿工的身体健康。因此，从人体热舒适预测评价通风效果，是传统通风效果评价思路的转变与创新，是“以人为本”理念的体现。热舒适概念的提出最早是出于对地表室内通风的研究，表示人体对热环境的主观热反应[4]。Fanger教授提出了平均预测投票-PMV（Predict Mean Vote）反映当前环境对人体热舒适的影响，PMV将人体热感觉从冷到热依次划分为冷(-3)→凉(-2)→微凉(-1)→适中(0)→微暖(+1)→暖(+2)→热(+3)的7个等级。PMV以等级形式将人体热感觉量化，且能综合空气温度、湿度、风速、辐射温度、人体活动强度、服装因素对人体热舒适影响[5-7]。
　　1掘进工作面通风数值模拟
　　1.1 物理数学模型
　　图1 掘进工作面示意图
　　Fig.1 Heading face schemes
　　以某矿一压入式局部通风掘进工作面为研究对象，数值计算区域为风筒送风口末端至工作面迎头的三维空间X×Y×Z=10×3×3m3，风量为2.5 m3/s。风筒直径为500 mm，风筒紧贴巷道顶板，矿工1名。经简化后的掘进工作面三维物理模型如图1所示。流体运动规律的数学形式由动量守恒、质量守恒、能量守恒三个基本控制方程组成。同时考虑到湿空气相对湿度对矿工热舒适影响，添加组分守恒方程以及附加的标准κ-ε方程。如果用φ表示通用变量，则上述各控制方程都可表示通用形式： 相关参数定义见文献[8]。
　　1.2边界条件
　　1、出入口边界：入口边界：湍流动能k=0.05v2，湍流动能耗散率ε=k1.5/0.03，风量Q=2.5m3/s，风筒末端送风温度t=26℃，相对湿度为80%，出口边界：自由回流；壁面边界：所有壁面施加无滑动边界条件，假设表面温度均匀分布，巷道两帮及顶底板壁温按实测数据取平均值：工作面壁温30℃，两帮及顶底板壁温29℃，壁面粗糙度0.15m；人体热舒适边界：矿工为繁重体力劳动作业，新陈代谢率380W/m2，服装热阻0.5clo。
　　2 数值模拟结果分析
　　图2 Y=1.5mX方向速度分布
　　Fig.2 The X direction velocity distribution of Y=1.5m
　　图3 Y=1.5m温度分布
　　Fig.3 Temperature distribution of Y=1.5m
　　2.1 流速、温度场分布
　　从图2可知，压入式通风送风口风速最大，从风筒出口至工作面逐渐减小，在人体周围风速大小在0.29m/s，符合《煤矿安全规程》对掘进岩巷道中0.15≤V≤4.0m/s的风速要求。因为风筒靠近巷道顶板布置，压入式送风为有限空间贴附射流，巷道大部分区域为回流气流，回流速度自迎头工作面向巷道出口减小。从图3可知，掘进工作面空气温度从压入风筒出风口至工作面迎头逐渐升高，从26.20℃达到27.40℃，升温约1.2℃。射流到达工作面后，由于巷道内风流内部热对流以及风流与围岩之间对流、辐射形式的热湿交换以及人员散热的影响，回流区域空气温度从工作面至巷道出口又开始逐渐升高，回流温度最高为27.40℃。在矿工周围，温度变化梯度大。原作业空间空气温度28℃，采用t=26℃、Q=2.5m3/s送风参数进行局部通风后，工作面风速适宜，工作面温度超过《煤矿安全规程》对生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃的规定。
　　2.2 矿工热舒适分析
　　从图4可以看出，风筒出口为低温新鲜气流，PMV最小为1.0左右。从风筒出口至工作面迎头，因风速减小，温度升高，PMV值逐渐增加。在人体周围PMV在1.3左右。从工作面迎头向巷道出口方向，尽管回流温度最高，但是PMV值变化不大。整个掘进工作面PMV在1～1.3，对应热感觉为微暖至暖。从温度指标对通风效果的评价，当作业面空气温度超过26℃时，必须缩短矿工作业时间。但是结合矿井实际，为了完成生产任务指标，缩短作业时间并不现实，只有通过适当的提高超温地点作业的矿工待遇。根据PMV指标对矿工热舒适的分析，可知在风速达标、温度稍有超标的情况下矿工热舒适一般，对矿工的身心健康不大。数值模拟结果表明目前的作业环境可以接受即符合安全舒适作业要求。结合现场对矿工热舒适的统计分析，大多数矿工对作业环境表示满意，矿工的出勤率较高，劳动效率也并未受到明显影响。
　　（a）Y=1.5m
　　（b）Y=2.75m
　　图4 PMV分布
　　Fig.4 PMV distributions
　　3 结论
　　1) 掘进工作面射流速度从风筒口至工作面迎头逐渐减小，温度逐渐升高，而回流速度从工作面迎头至巷道出口逐渐减小，温度逐渐升高，掘进工作面回流温度最高。
　　2) 工作面空气温度在26～27.4℃，人体周围风速大小在0.29m/s，PMV值为1～1.3，人体热感觉为微暖。根据人体热舒适指标-PMV指标对掘进工作面通风效果进行评价，综合考虑空气流速与温度对通风效果的影响，比单一风速或温度指标预测评价矿井通风效果更加合理可行。
　　3) 运用Airpak流体计算软件可对井下作业环境的通风效果进行三维数值模拟，数值模拟结果直观形象，对工程实践中风筒布置、风量大小等通风技术参数的确定及采取提高矿工热舒适的措施具有重要的指导意义。
　　参考文献
　　[1] 高建良,魏平儒. 掘进巷道风流热环境的数值模拟[J].煤炭学报,2006,31(2):201-205 GAO Jianliang,WEI pingru. Numerical simulation of the thermal environment at working face of diving airway [J].Journal of China coal society, 2006, 31(2):201-205