中冶集團華冶資源開發(fā)有限公司 何 磊

草樓鐵礦深部開拓巷道炮煙擴散數(shù)值模擬研究

中冶集團華冶資源開發(fā)有限公司 何 磊

利用CFD軟件f luent對草樓鐵礦深部開拓工程-350m水平石門巷道掘進工作面炮煙擴散的過程進行了模擬。分析了獨頭巷道掌子面爆破后炮煙擴散的特征，對石門進尺60m、80m、100m時工作面爆破后巷道的安全區(qū)域進行了分析與評價。

炮煙擴散 數(shù)值模擬 CFD 安全區(qū)域

一、引言

在井下開拓工程中，掘進工作面爆破時會產(chǎn)生大量的炮煙。開拓巷道一般為獨頭掘進，采用局部通風(fēng)方法排除煙塵，炮煙排除的效率低。草樓鐵礦-350m水平為開拓階段，由于未構(gòu)成通風(fēng)回路，該水平相當(dāng)長一段時間內(nèi)將采用壓入式局部通風(fēng)機通風(fēng)排除掘進工作面爆破后產(chǎn)生的煙塵。炮煙中含有的CO、NO2等有害氣體對井下施工人員的身體健康構(gòu)成嚴重威脅，研究炮煙在獨頭巷道內(nèi)的擴散規(guī)律確定合理的工作面風(fēng)流組織方式以及安全域的確定具有重要的意義。在現(xiàn)場對炮煙中有害氣體的濃度進行檢測的方式具有很大的危險性，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)是研究這一問題安全、高效的方法[1]。本文采用國際通用軟件FLUENT對炮煙擴散過程進行模擬研究，分析當(dāng)前通風(fēng)條件下炮煙擴散的特性，研究巷道進尺對炮煙擴散的影響以及安全域的確定，對草樓鐵礦-350m水平開拓巷道通風(fēng)排煙以及避免炮煙中毒事故具有一定的指導(dǎo)作用。

二、物理模型及網(wǎng)格劃分

本模擬的物理模型根據(jù)-350m水平副井巷道實際斷面建立，巷道為三心拱斷面，掘進斷面寬4.4m，高3.8m。壓入式局部通風(fēng)機風(fēng)筒布置在巷道左上側(cè)，風(fēng)筒直徑400mm，風(fēng)筒口到掌子面距離為10m。根據(jù)模擬條件，需要建立不同的物理模型，其中工況條件為：巷道長60m，風(fēng)筒直徑400mm的模型如圖1所示。

本文利用GAMBIT軟件對物理模型進行網(wǎng)格劃分。模型分塊后采用Cooper（非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格）和TGi rd（混合網(wǎng)格）方式分別劃分，Cooper方式采用六面體單元，Tgird方式采用四面體網(wǎng)格單元，劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為43萬。

圖1 物理模型

三、初始及邊界條件

（1）進口邊界。

數(shù)值模型中的進口邊界即壓入式局扇進風(fēng)口，邊界類型為velocityinlet，風(fēng)量大小根據(jù)模擬工況設(shè)定，紊流動能kin=ainv2，紊流動能耗散εin=Cμkin2/3/0.015De，式中Cμ為試驗常數(shù)，取0.09，ain取0.005[3]，De為風(fēng)管當(dāng)量直徑，m。

（2）出口邊界：階段運輸巷道出口的邊界條件設(shè)置為out f low類型。

（3）固體壁面：巷道邊壁及工作面均為無滑動壁面邊界。為了解決高雷諾數(shù)流動與壁面附件粘性次層的銜接問題，采用標準壁面函數(shù)法[4]。

（4）炮煙中有害氣體初始濃度：根據(jù)現(xiàn)場裝藥量，以及有害氣體生成量計算得到炮煙拋擲帶中CO質(zhì)量分率C1=0.0048。

四、模擬結(jié)果及分析

1. 炮煙擴散規(guī)律分析。

工作面爆破產(chǎn)生的氣體后即形成炮煙拋擲帶，炮煙在井巷中的運移過程是通過風(fēng)流的平移輸送與紊流擴散的綜合作用。本文對獨頭巷道長度80m時炮煙擴散過程模擬的結(jié)果進行分析。

圖2所示為通風(fēng)各時刻y=1.6m（人體平均呼吸高度）截面CO濃度的分布云圖，可直觀體現(xiàn)炮煙拋擲帶隨時間的運移過程。由圖可知，在局扇壓入的新鮮風(fēng)流作用下，炮煙拋擲帶區(qū)域的CO濃度迅速降低。炮煙拋擲帶向巷道出口處運移，當(dāng)炮煙拋擲帶核心區(qū)排至巷道出口處時，掌子面區(qū)域的CO濃度最低，巷道出口處的CO濃度始終處于最高狀態(tài)。

圖2 通風(fēng)各時刻巷道截面CO濃度分布云圖

圖3 是距離掌子面5m~78m區(qū)間上4個截面的CO平均濃度值隨通風(fēng)時間變化的曲線圖?？梢姡嗾谱用?m、20m的巷道截面CO濃度值不斷降低，通風(fēng)1分鐘后z=5m截面CO平均濃度為2570.5mg/ m3，z=20m截面為3826.2mg/m3，分別通風(fēng)19min、21min后兩截面的CO平均濃度均降至國家規(guī)定的安全濃度30mg/m3以下。Z=40m截面CO平均濃度在通風(fēng)后2min時升高至最大值3795.6mg/m3后降低，Z=80m截面CO平均濃度達到最高值3098.2mg/m3是在通風(fēng)6min后?？梢娕跓煄е行膹腪=40m截面運移至Z=80m截面處的時間約為4min，即在當(dāng)前通風(fēng)條件下炮煙帶運移的速度為9.5m/s。兩截面處CO平均濃度降至30mg/m3所需的通風(fēng)時間分別為23min、27min。即在當(dāng)前通風(fēng)條件下，巷道掘進80m時排除炮煙的時間可控制在30min內(nèi)。隨著炮煙帶的擴散運移，距掌子面越遠，巷道截面的CO平均濃度達到峰值時的值越小，與以往試驗結(jié)果一致，從而驗證了CFD進行有害氣體擴散過程研究的可靠性。

圖3 巷道截面CO平均濃度隨時間變化曲線圖

2. 炮煙擴散空間危險域分析。

不同濃度的CO對人體的危害程度差異如表1所示，根據(jù)CO對人體的危害程度，本文將危險區(qū)域劃分為4個等級來表示爆破后獨頭巷道各區(qū)域的危險性大小。巷道區(qū)域危險性等級為Ⅰ級、Ⅱ級時，任何條件下人員不得進入該區(qū)域，危險等級為Ⅲ級時，人員可進入該區(qū)域處理緊急事件，但時間不得超過5min。

表 1 危險域級別的劃分

對三個巷道進尺條件下的模擬數(shù)據(jù)進行分析，得到不同時刻巷道空間的危險域分級如表2~表4所示。

表 2 獨頭巷道進尺60m時巷道中心線CO濃度分布

表 3 獨頭巷道進尺80m時巷道中心線CO濃度分布

表 4 獨頭巷道進尺100m時巷道中心線CO濃度分布

由表2~表4可知，獨頭巷道在各進尺條件下CO危險區(qū)域的共同特征為：掌子面爆破后1min時，距掌子面37m以內(nèi)的區(qū)域為Ⅱ級危險區(qū)，距掌子面37~40m的區(qū)域為Ⅲ級危險區(qū)，距掌子面40~42m的區(qū)域為Ⅳ級危險區(qū)。通風(fēng)5分鐘后，鄰近掌子面20m區(qū)域CO濃度已降低至200mg/m3以下，距掌子面20~46m的區(qū)域為Ⅲ級危險區(qū)域，距掌子面46m之外的區(qū)域達到Ⅱ級危險區(qū)濃度。通風(fēng)10min后，獨頭巷道進尺為60m時巷道無Ⅲ級危險區(qū)域，巷道進尺為80m、100m條件下，距掌子面75m以外的巷道仍為Ⅲ級危險區(qū)域。

可見，隨著獨頭巷道的掘進，通風(fēng)5min時距掌子面46m~89m的區(qū)域為Ⅱ級危險區(qū)，隨著炮煙的運移，Ⅱ級危險區(qū)中心位置向巷道出口方向偏移，該區(qū)域的CO濃度也不斷降低。在通風(fēng)10min后巷道空間最高危險等級為Ⅲ級。

對模擬得到的數(shù)據(jù)進行分析得到，三個獨頭巷道進尺條件下，CO氣體濃度達到國家規(guī)定的濃度范圍以內(nèi)所需的通風(fēng)時間分別為26min、27min、28.5min，可知巷道每進尺20m，所需通風(fēng)時間增加約1min。

五、結(jié)語

本文利用CFD軟件以草樓鐵礦深部開拓水平獨頭巷道在進尺60m、80m、100m為條件，對掌子面爆破后CO氣體擴散過程進行了數(shù)值模擬。模擬的結(jié)果與理論、試驗研究結(jié)論一致，驗證了CFD軟件進行氣體擴散模擬的可靠性。模擬結(jié)果表明：在當(dāng)前通風(fēng)條件下炮煙帶運移的速度為9.5m/s，巷道進尺60m、80m、100m時所需的通風(fēng)時間分別為26min、27min、28.5min。本文根據(jù)CO對人體的危害程度對通風(fēng)時巷道空間危險性進行了分級。分析表明，隨著獨頭巷道的掘進，通風(fēng)5min時距掌子面46m~89m的區(qū)域為Ⅱ級危險區(qū)，在紊流擴散的作用下，Ⅱ級危險區(qū)中心位置向巷道出口處移動，在通風(fēng)10min后巷道各區(qū)域危險性等級均降到Ⅲ級以下。

[1] 王福軍．計算流體動力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2004．5~7

[2 ] Launder B E , Spalding D B. The numerical computation of turbulent f lows [J ]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering , 1974 , 3(2) : 269 - 289.

[3] 王海橋，施式亮，劉榮華，等．獨頭巷道射流通風(fēng)流場CFD 模擬研究[J]．中國安全科學(xué)學(xué)報，2003，13(1)：68-71．

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