翟建波，葛啟發(fā)

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

1 前言

目前我國多數(shù)礦山的總風(fēng)量超過總需風(fēng)量，風(fēng)量得不到合理利用，尤其是回采作業(yè)工作面不能確保有效安全通風(fēng)。隨著礦山開采規(guī)模的增大和加深，開展對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化及按需通風(fēng)技術(shù)研究變得越來越重要。

采場通風(fēng)隨各種采礦方法及其采準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式不同而變化。根據(jù)各種采礦方法的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采場通風(fēng)可以歸納為巷道型或硐室型采場通風(fēng)、有出礦底部結(jié)構(gòu)采場通風(fēng)和無底柱分段崩落法采場通風(fēng)3大類[1]。

目前，在我國的設(shè)計(jì)和研究工作中，對(duì)采場通風(fēng)的描述往往比較定性化，與實(shí)際通風(fēng)工況差距明顯，對(duì)現(xiàn)場的理論指導(dǎo)不足，而采場作為井下作業(yè)人員相對(duì)集中的區(qū)域，其通風(fēng)環(huán)境好壞直接關(guān)系到人員的身心健康和生命安全，因此，需要利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段對(duì)采場通風(fēng)進(jìn)行定量化的研究，從而了解采場通風(fēng)的風(fēng)流特性及效果，為采場通風(fēng)設(shè)計(jì)和研究提供理論依據(jù)，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化為按需通風(fēng)研究奠定基礎(chǔ)。

2 Fluent軟件

2.1 Fluent軟件介紹

Fluent軟件是國內(nèi)外流行的CFD軟件，采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)的有限體積法，包含基于壓力的分離求解器、基于壓力的耦合求解器、基于密度的隱式求解器、基于密度的顯式求解器，可用于模擬從不可壓縮到高超音速范圍內(nèi)的各種復(fù)雜流場。廣泛應(yīng)用于航空航天、旋

轉(zhuǎn)機(jī)械、高速列車、汽車、能源、石油化工和冶金等領(lǐng)域[2]。

2.2 Fluent軟件在礦山通風(fēng)的應(yīng)用

礦山通風(fēng)風(fēng)流主要是指巷道風(fēng)流，巷道風(fēng)流多屬紊流。目前，普遍采用紊流模型為雷諾應(yīng)力模型和渦粘模型，工程中使用較為廣泛的是渦粘模型。渦粘模型分為零方程模型、一方程模型及雙方程模型。雙方程湍流模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬各種復(fù)雜流動(dòng)，而且計(jì)算量也在工程可以接受的范圍，由于比較詳細(xì)地考慮了紊流結(jié)構(gòu)的一些特點(diǎn)，它不但可以用于剪切應(yīng)力占主導(dǎo)地位的紊流，如擋板阻隔、通道的轉(zhuǎn)折和突然擴(kuò)大等局部結(jié)構(gòu)附近的風(fēng)流結(jié)構(gòu)，而且可用于巷道風(fēng)流流動(dòng)。目前在流體流動(dòng)、傳熱物質(zhì)研究領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是雙方程模型中k-ε模型。

Fluent軟件提供了3種雙方程k-ε模型：標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是目前使用最廣泛的紊流模型；RNGk-ε模型主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，解決旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的流動(dòng)問題；Realizablek-ε模型主要用于射流、大分離、回流、大空間通風(fēng)等問題[3]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的推廣和多學(xué)科交叉的發(fā)展，F(xiàn)luent軟件在礦山通風(fēng)方面的應(yīng)用大量學(xué)者也進(jìn)行了研究，聶曉鄴[4]對(duì)掘進(jìn)作業(yè)面的通風(fēng)降溫研究得出高溫礦井風(fēng)速的增加可以有效改善作業(yè)面溫度環(huán)境，達(dá)到通風(fēng)降溫效果。龔劍[5]等對(duì)掘進(jìn)巷道的粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，得出在壓入式通風(fēng)情況下，粉塵在1 200s時(shí)基本排出。姚薦達(dá)等[6]對(duì)煤礦U型通風(fēng)工作面模擬，得出工作面風(fēng)速分布圖，雷諾數(shù)分布圖，對(duì)確定工作面通風(fēng)參數(shù)有著重要參考價(jià)值。蔣仲安[7]等對(duì)巷道型采場爆破粉塵質(zhì)量濃度的分布及變化規(guī)律的研究，與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致，證實(shí)了Fluent軟件模擬結(jié)果的可靠性，對(duì)改善采場空間內(nèi)粉塵及通風(fēng)除塵設(shè)計(jì)有著重要意義。姚錫文等[8]對(duì)大傾角綜放工作面通風(fēng)降塵系統(tǒng)研究，F(xiàn)luent模擬結(jié)果可以得出上行通風(fēng)和下行通風(fēng)的人行道空間的粉塵質(zhì)量濃度，最優(yōu)的排塵風(fēng)速，與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析也證明了其結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場作業(yè)都可以提供理論指導(dǎo)。

3 案例分析

3.1 研究對(duì)象和目的

本文的研究對(duì)象為谷家臺(tái)鐵礦分層進(jìn)路充填法、大冶鐵礦分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ê推绽抒~礦自然崩落法3個(gè)礦山的3種不同采礦方法的采場通風(fēng)。通過ANSYS workbench環(huán)境下的Geometry建立3種采礦方法的采場幾何模型，通過meshing劃分網(wǎng)格后，應(yīng)用Fluent軟件模擬采場通風(fēng)環(huán)境，了解采場風(fēng)速場等，最終為采場通風(fēng)提供理論依據(jù)。

Fluent軟件模擬分析分為問題定義、前處理和求解過程、后處理過程3部分。主要流程包含：確定模擬目的、確定計(jì)算域、創(chuàng)建代表計(jì)算域的幾何實(shí)體、設(shè)計(jì)并劃分網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置物理問題(物理模型、材料屬性、域?qū)傩?、邊界條件等)、定義求解器(數(shù)值格式、收斂控制等)、求解并監(jiān)控、查看計(jì)算結(jié)果、修訂模型。

3.2 幾何模型構(gòu)建

DesignModeler作為ANSYS workbench下的一個(gè)子模塊，其功能主要是進(jìn)行幾何處理，構(gòu)建幾何模型。

谷家臺(tái)鐵礦分層進(jìn)路充填法示意圖見圖1。對(duì)采場形狀進(jìn)行適當(dāng)簡化，采場布置與實(shí)際布置相似，巷道長度按實(shí)際尺寸設(shè)置，巷道形狀為半圓下接矩形的類三心拱，寬×高為4.2m×3.6m，采場進(jìn)路長×寬×高為50m×5m×5m，回風(fēng)天井的直徑為2m。Geometry建立的幾何模型尺寸與實(shí)際尺寸比例為1∶1。幾何模型見圖2。

大冶鐵礦分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法示意圖見圖3。對(duì)大冶鐵礦采場形狀進(jìn)行適當(dāng)簡化，采場布置與實(shí)際布置相似，巷道長度按實(shí)際尺寸設(shè)置，巷道形狀為半圓下接矩形的類三心拱，寬×高為3.5m×3.6m，采場寬×高為15m×15m，每個(gè)回采步距按7.5m設(shè)置。Geometry建立的幾何模型尺寸與實(shí)際尺寸比例為1∶1，見圖4。

普朗銅礦自然崩落法示意圖見圖5。對(duì)普朗銅礦采場形狀進(jìn)行適當(dāng)簡化，僅考慮出礦水平的通風(fēng)，采場布置與實(shí)際布置相似，巷道長度按實(shí)際尺寸設(shè)置，巷道形狀為半圓下接矩形的類三心拱，寬×高為4.2m×3.9m，出礦穿脈長100m，每隔7.5m布置一個(gè)出礦進(jìn)路，出礦進(jìn)路長為10m，同側(cè)出礦進(jìn)路相隔15m，出礦穿脈中部布置采場溜井和回風(fēng)天井，天井直徑為2m，溜井直徑為3m。Geometry建立的幾何模型尺寸與實(shí)際尺寸比例為1∶1，見圖6。

圖1 分層進(jìn)路充填法示意圖

圖2 分層進(jìn)路充填法采場幾何模型

3.3 確定參數(shù)和邊界條件

根據(jù)礦山實(shí)際工作情況及相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)，確定數(shù)值模擬采用非耦合隱式算法，湍流方程為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，能量方程和離散相模型關(guān)閉，采用SIMPLEC算法，離散格式采用一階迎風(fēng)格式，收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-3。

谷家臺(tái)鐵礦分層進(jìn)路充填法邊界條件設(shè)定為：分段巷道進(jìn)風(fēng)口為模型的入口邊界，類型為Velocity- inlet，速度2.04m/s，即風(fēng)量30m3/s；分段巷道出風(fēng)口為模型的出口邊界1，類型為Pressure outlet，壓力為0；所有巷道壁面邊界條件類型為NO Slip；盤區(qū)1的回風(fēng)井出口為模型的出口邊界2，類型為Pressure outlet，壓力為-10Pa；盤區(qū)2的回風(fēng)井出口為模型的出口邊界3，類型為pressure outlet，壓力為-10Pa。采場模型的入口邊界為穿脈巷道一側(cè)，類型為Velocity- inlet，另一側(cè)為出口邊界，類型為Outflow；風(fēng)筒入口邊界為出風(fēng)口處，類型為mass- flow。

大冶鐵礦分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄟ吔鐥l件設(shè)定為：分段巷道、鑿巖巷道、回風(fēng)巷道分別設(shè)置inlet 1、inlet 2、inlet 3，分段巷道和上階段出礦巷道分別設(shè)置出風(fēng)口outlet 1、outlet 2；其中inlet的type為velocity- inlet，inlet 1為3m/s，inlet 2為1m/s，inlet 3為2m/s；outlet的type為pressure- outlet，outlet 1為-5Pa，outlet 2為-15Pa。

普朗銅礦自然崩落法邊界條件設(shè)定為：出礦穿脈兩側(cè)分別設(shè)定為inlet 1，inlet 2，回風(fēng)天井設(shè)置為outlet，其中inlet 1、inlet 2的type為velocity- inlet，outlet為outflow。inlet 1和inlet 2風(fēng)速都為0.5m/s。

設(shè)定材料屬性為Air，密度為1.225kg/m3，粘性系數(shù)為1.789 4×10-5Pa·s。

湍流參數(shù)采用湍流強(qiáng)度I及水力直徑DH的方式確定，I及DH可以采用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：S——風(fēng)流斷面面積，m2；

C——流體與固體接觸周長，m。

式中：ReH——按水力直徑DH計(jì)算得到的雷諾數(shù)，ReH=V/v；

V——聯(lián)絡(luò)道斷面的平均風(fēng)速，m/s；

v——空氣的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，通常取1.5×10-7m2/s。

圖4 分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘◣缀文Ｐ?/p>

3.4 模擬結(jié)果分析

3.4.1 谷家臺(tái)鐵礦分層進(jìn)路充填法模擬結(jié)果分析

谷家臺(tái)鐵礦模擬結(jié)果見圖7。通過圖形分析得出：回風(fēng)天井處風(fēng)流最大，多數(shù)巷道通風(fēng)狀況較好，但采場進(jìn)路、采場調(diào)車巷道和溜井聯(lián)絡(luò)道附近通風(fēng)狀況不良。

為了進(jìn)一步了解通風(fēng)不良區(qū)域的通風(fēng)狀況，需要研究采場進(jìn)路的通風(fēng)狀況，考慮采場長度對(duì)通風(fēng)有較大的影響，因此，后續(xù)工作會(huì)對(duì)不同長度的采場進(jìn)路進(jìn)行單獨(dú)模擬分析研究。

3.4.2 大冶鐵礦分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘M結(jié)果分析

模擬結(jié)果見圖8。通過圖形分析得出：一支新鮮風(fēng)流由分段巷道右側(cè)進(jìn)入后，依次進(jìn)入右側(cè)和中間出礦穿脈巷道，再通過出礦進(jìn)路進(jìn)入采場，在吹洗工作面后，一部分風(fēng)流向采場上部區(qū)域，一部分風(fēng)流經(jīng)左側(cè)的出礦進(jìn)路回流到左側(cè)出礦穿脈；另一支新鮮風(fēng)流由鑿巖巷道進(jìn)入，徑直流向采場端部，并逐漸擴(kuò)散，在遇到阻礙后一部分向上回流至回風(fēng)巷道，一部分向下渦流后，一部分回流至出礦進(jìn)路，另一部分回流至回風(fēng)巷道。在采場的下分段可能會(huì)出現(xiàn)炮煙密集區(qū)，無法排除，此外，污風(fēng)通過出礦進(jìn)路回風(fēng)也不符合采場通風(fēng)要求，而模型中inlet 3可以不設(shè)定，因?yàn)槠滹L(fēng)流不會(huì)經(jīng)過采場，對(duì)采場通風(fēng)模擬結(jié)果不產(chǎn)生影響。

通過對(duì)以上結(jié)果分析，對(duì)模型邊界條件進(jìn)行修改，從而改善采場通風(fēng)效果，具體操作條件如下：inlet 1風(fēng)速保持不變，inlet 2風(fēng)速減少至0.5m/s，outlet 1設(shè)定為wall，即考慮inlet 1的新鮮風(fēng)流全部進(jìn)入采場，同時(shí)避免在出礦水平形成風(fēng)流短路現(xiàn)象出現(xiàn)。模擬結(jié)果如圖9所示。

通過圖形分析得出：采場通風(fēng)狀況明顯改善，但在采場上分段左上角和采場下分段右側(cè)中部以及鑿巖巷道剛進(jìn)入采場的兩側(cè)等區(qū)域會(huì)形成污風(fēng)匯集區(qū)，因?yàn)樵搮^(qū)域風(fēng)速低于0.15m/s，不利于炮煙和粉塵的排出。隨著采場逐漸向右側(cè)推進(jìn)，采場下分段右側(cè)中部和鑿巖巷道剛進(jìn)入采場的兩側(cè)區(qū)域通風(fēng)都會(huì)得到改善，消除這些炮煙密集區(qū)，但采場上分段左上角區(qū)域的炮煙不利于排出，在充填作業(yè)時(shí)如果涉及到該區(qū)域，應(yīng)提前做好通風(fēng)，消除其潛在危險(xiǎn)。

圖5 自然崩落法示意圖

圖6 自然崩落法幾何模型

圖7 分層進(jìn)路充填法模擬結(jié)果

圖8 分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘M結(jié)果

圖9 優(yōu)化后大冶鐵礦采場模擬結(jié)果圖

3.4.3 普朗銅礦自然崩落法模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果見圖10。通過圖形分析得出：出礦穿脈內(nèi)的風(fēng)流穩(wěn)定，全部超過0.15m/s，而在出礦進(jìn)路，通風(fēng)狀況不良，僅在出礦進(jìn)路巷道的迎風(fēng)側(cè)邊幫位置風(fēng)流超過0.15m/s，在逆風(fēng)側(cè)區(qū)域形成渦流區(qū)域，通風(fēng)狀況最差，而在回風(fēng)天井位置風(fēng)流達(dá)到最大值5.76m/s。

通過對(duì)以上結(jié)果分析，應(yīng)在出礦進(jìn)路中安裝局扇改善通風(fēng)狀況，考慮放礦漏斗中含有炮煙，采用壓入式通風(fēng)不利于排出炮煙，應(yīng)采用抽出式通風(fēng)方式。

4 結(jié)論

應(yīng)用ANSYS workbench下的子模塊DesignModeler構(gòu)建3種不同采礦方法下的采場幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，應(yīng)用Fluent軟件設(shè)定參數(shù)和邊界條件模擬分析不同采礦方法下的采場通風(fēng)，得出不同采礦方法下采場風(fēng)速分布圖等模擬結(jié)果。

通過對(duì)模擬結(jié)果的分析得出：①分層進(jìn)路充填采礦法采場通風(fēng)中除采場進(jìn)路、采場調(diào)車道和溜井聯(lián)絡(luò)道附近通風(fēng)狀況不良外，其它巷道通風(fēng)狀況良好，滿足通風(fēng)要求；②分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ú蓤鐾L(fēng)模擬發(fā)現(xiàn)了采場通風(fēng)狀況不良的巷道，通過改變通風(fēng)條件(即改變邊界條件)重新模擬獲知了良好的通風(fēng)效果，為通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化提供了理論依據(jù)；此外，還可獲知大空間采場中污風(fēng)(含炮煙和粉塵)的聚集區(qū)域，在后續(xù)充填作業(yè)或其它工種作業(yè)涉及到該區(qū)域時(shí)應(yīng)提前做好通風(fēng)，消除潛在危險(xiǎn)；自然崩落法采場通風(fēng)模擬得知通風(fēng)狀況不良區(qū)域?yàn)槌龅V進(jìn)路巷道，如果要更好地排出放礦漏斗中所含有的炮煙，應(yīng)采用安裝局扇的方法。

總之，F(xiàn)luent軟件成功模擬了不同采礦方法下的采場通風(fēng)狀況，并提供了一些定量的數(shù)據(jù)分析，為以后礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化及按需通風(fēng)技術(shù)研究奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

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圖10 自然崩落法模擬結(jié)果圖

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