某銅礦斜坡道入口成霧控制研究

高 進 孔 浩

(大冶有色金屬有限責(zé)任公司豐山銅礦)

某銅礦斜坡道入口成霧控制研究

高 進 孔 浩

(大冶有色金屬有限責(zé)任公司豐山銅礦)

某銅礦斜坡道近地表段成霧現(xiàn)象時有發(fā)生，給礦山行車和生產(chǎn)安全帶來隱患。采用基于自由射流理論的空氣幕引射流技術(shù)，改變原有的空氣流動方向，破壞成霧條件，用流體力學(xué)軟件分析空氣幕周邊空氣流場的空間分布特點。結(jié)果表明，合適的空氣幕可有效控制斜坡道入口成霧現(xiàn)象。

斜坡道 成霧現(xiàn)象 空氣幕 數(shù)值模擬

礦山斜坡道作為礦井的主要運輸?shù)?，一般設(shè)計為進風(fēng)通道。實際上，由于通風(fēng)動力系統(tǒng)、自然風(fēng)壓和行車等諸多條件的影響，斜坡道的風(fēng)流方向在特定的條件下可能出現(xiàn)冬、春季反風(fēng)。如果風(fēng)速較小，斜坡道上無軌柴油汽車產(chǎn)生的汽車尾氣和揚塵難以及時稀釋和排走，會在斜坡道井口段成霧，從而降低可見度，嚴(yán)重威脅行車安全和工人的身體健康。為確保行車安全、提高效率，控制斜坡道近地段的成霧十分必要，具有重要的現(xiàn)實意義。采用空氣幕對風(fēng)流方向進行干預(yù)的研究涉及到眾多領(lǐng)域[1-5]，本文采用基于自由射流理論的空氣幕引射流措施增加斜坡道的進風(fēng)量，破壞成霧條件，從而達到成霧控制的效果。

1 礦山概況

某銅礦分南、北2個礦帶，年生產(chǎn)能力為60萬t。采用豎井和斜坡道聯(lián)合開拓，上部中段高50 m，深部中段高60 m。主、副井位于北緣礦帶下盤；井底車場為環(huán)型運輸方式；南緣礦帶為脈外雙巷環(huán)形布置，采用下向分段碎石膠結(jié)充填法；北緣礦帶為下盤單巷布置，采用壁柱式上向分層尾砂充填法；采場采用柴油鏟運機運輸，較長距離的獨頭作業(yè)面采用電動鏟運機運輸；礦井采用副井和斜坡道進風(fēng)，南、北緣回風(fēng)井回風(fēng)的雙對角式通風(fēng)系統(tǒng)，新鮮風(fēng)流經(jīng)過副井和斜坡道(有時反風(fēng))、井底車場、石門、南北礦帶沿脈巷道、采場人行進風(fēng)天井、工作面、采場回風(fēng)充填天井、上中段回風(fēng)平巷、中段回風(fēng)石門、南北回風(fēng)井，污風(fēng)排到地表[6]。

2 斜坡道入口成霧控制

2.1 理論基礎(chǔ)

成霧控制的理論基礎(chǔ)是自由射流理論。自由射流是一種不受邊界限制，在大空間內(nèi)自由射出的風(fēng)流。紊流射流運動微分方程式可表達為

(1)

式中，x為橫坐標(biāo)，m；y為縱坐標(biāo)，m；u為橫向速度，m/s；v為縱向速度，m/s；c為試驗常數(shù)，無因次比例系數(shù)。

基于自由射流理論構(gòu)建的礦用空氣幕運行效果與眾多因素相關(guān)，包括空氣幕的安裝方式、出口斷面積、射流風(fēng)機的葉片角度等[7]。

2.2 方案設(shè)計

由于礦山生產(chǎn)的持續(xù)推進，改變了原通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的部分條件，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)能力不足，出現(xiàn)冬季斜坡道反風(fēng)現(xiàn)象。在冬、春季節(jié)，由于溫度和濕度的原因，這種反風(fēng)情況會導(dǎo)致斜坡道入口處起霧，不利于礦山安全生產(chǎn)。為此，設(shè)計了斜坡道內(nèi)雙風(fēng)機并聯(lián)空氣幕裝置，采用2臺風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)的工作模式，風(fēng)機均為K45-6-NO.12型礦用軸流通風(fēng)機，并聯(lián)運轉(zhuǎn)。為有效組織風(fēng)機出口風(fēng)流，特設(shè)計了連接風(fēng)機的空氣幕供風(fēng)器，供風(fēng)器出口的尺寸為2.00 m×0.52 m(寬×高)。由于該礦山的斜坡道是車輛出入的通道，設(shè)計空氣幕裝置時需要考慮其對行人和運輸?shù)挠绊憽ＴO(shè)計的空氣幕位置選擇在離斜坡道入口50～100 m處的巷道兩側(cè)，見圖1。

2.3 流場模擬

采用FLUENT計算流體力學(xué)軟件，根據(jù)圖1的物理模型構(gòu)建數(shù)值模擬計算模型，在確定相關(guān)邊界條件下，模擬了空氣幕在2臺風(fēng)機全開的情形下的氣流空間組織情況，見圖2。

圖1 斜坡道入口處空氣幕安裝示意(單位：mm)

圖2 空氣幕工作時的風(fēng)流組織

從圖2可以看出，空氣幕全開后，由于風(fēng)機的射流作用，改變了原有的風(fēng)流組織形式，加大了風(fēng)流的擾動，也改變了風(fēng)流的方向，從而破壞了原有的斜坡道入口段的成霧條件，從而有效控制成霧。

3 效果分析

由于空氣幕采用2臺K45-6-NO.12型風(fēng)機并聯(lián)聯(lián)合運轉(zhuǎn)方式，其運行狀態(tài)包括2臺全開、單開一臺和關(guān)閉狀態(tài)。根據(jù)安裝空氣幕后的實際情況進行風(fēng)量測定，現(xiàn)場測定數(shù)據(jù)見表1。

從表1可以看出，不同的空氣幕運轉(zhuǎn)狀態(tài)對于斜坡道過風(fēng)量的增加具有較大的影響。這種風(fēng)量的變化會改變斜坡道入口段的空氣流動形式及焓濕狀態(tài)，從而可以有效控制成霧條件。

表1 空氣幕不同狀態(tài)下的斜坡道風(fēng)量參數(shù)

4 結(jié) 論

(1)安裝空氣幕后不會影響斜坡道的正常的通行功能。

(2)空氣幕的狀態(tài)可以通過并聯(lián)風(fēng)機的開啟臺數(shù)進行調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)風(fēng)量。

(3)空氣幕的運轉(zhuǎn)改變了原風(fēng)流空間組織形式，加大了風(fēng)流的擾動，有效破壞了斜坡道入口段成霧條件，從而達到控制成霧的目的。

[1] 趙 玲，蔣仲安.循環(huán)型空氣幕多機聯(lián)合隔斷巷道風(fēng)流效果的分析[J]．中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，44(10)： 4238-4243.

[2] 劉 杰，楊勝強，郭記偉，等．礦用空氣幕研究現(xiàn)狀及展望[J]．煤礦安全， 2013，44(2)： 204-206.

[3] 聶 文，程衛(wèi)民，于巖斌，等．全巖機掘面壓風(fēng)空氣幕封閉除塵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]．煤炭學(xué)報， 2012，37(7)： 1165-1170.

[4] 王海寧，牛忠育，吳彥軍．礦用空氣幕控制井下循環(huán)風(fēng)流的應(yīng)用研究[J]．礦業(yè)研究與開發(fā)， 2010(1)： 84-87.

[5] 黃金星．礦用隔塵氣幕機的研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40(1)：56-60.

[6] 柴 立，杜貴文．豐山銅礦-320～-440 m中段開采工程可行性研究報告[R]．北京：中國恩菲工程技術(shù)有限公司，2014.

[7] 劉雅俊,葛少成,劉 劍.風(fēng)幕集塵風(fēng)機及短路流場的數(shù)學(xué)模型的研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2002,12(1):69-72.

2015-05-13)

高 進(1976—)，男，主任工程師，工程師，435232 湖北省陽新縣富池鎮(zhèn)。