礦井立井提升設(shè)備活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)研究

王文才 魏丁一 許 哲

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010)

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礦井立井提升設(shè)備活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)研究

王文才 魏丁一 許 哲

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010)

為了研究提升設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)，基于傳統(tǒng)流體力學(xué)理論，運(yùn)用流體力學(xué)軟件FLUENT建立二維RNG k-ε湍流模型，對(duì)提升設(shè)備在不同運(yùn)行狀態(tài)下井筒內(nèi)的壓力場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行模擬。模擬研究結(jié)果表明，提升設(shè)備在立井內(nèi)運(yùn)行時(shí)，立井內(nèi)活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)與相對(duì)速度密切相關(guān);提升設(shè)備逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)比順風(fēng)運(yùn)行時(shí)立井內(nèi)的活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)變化劇烈，且隨相對(duì)速度的增大，立井內(nèi)最大風(fēng)速和最大壓差在增大，立井內(nèi)活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)變得更加劇烈。

提升設(shè)備 RNG k-ε湍流模型 活塞風(fēng) 動(dòng)力效應(yīng) 壓力場(chǎng) 數(shù)值模擬 相對(duì)速度

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是整個(gè)地下礦山安全生產(chǎn)中最重要的保障，只有通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠才能預(yù)防各種井下災(zāi)害，但影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定的因素有很多，對(duì)于立井來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性影響因素主要是礦井提升設(shè)備。當(dāng)提升設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生類似于活塞運(yùn)動(dòng)的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，造成整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的局部阻力，因而影響通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠性。國(guó)內(nèi)外對(duì)活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)研究較多的是地鐵和公路隧道領(lǐng)域，對(duì)于礦井活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)的研究相對(duì)較少。

不少學(xué)者對(duì)于礦井活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)引起的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)進(jìn)行了研究。王從陸、吳超等通過(guò)運(yùn)用FLUENT模擬研究礦內(nèi)運(yùn)輸工具運(yùn)動(dòng)時(shí)巷內(nèi)速度流場(chǎng)和壓力分布得出在巷道的不同位置，活塞風(fēng)風(fēng)流狀態(tài)不同，且運(yùn)輸工具的運(yùn)輸方向?qū)τ诨钊L(fēng)有較大的影響；胡鵬華等通過(guò)對(duì)鈾礦井活塞風(fēng)風(fēng)壓影響的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出活塞風(fēng)的影響因素除阻塞比等設(shè)計(jì)因素外，主要為罐籠提升速度，與鈾礦井罐籠提升量無(wú)關(guān)；王海橋、田峰通過(guò)對(duì)提升設(shè)備繞流的數(shù)值模擬得出提升設(shè)備運(yùn)行時(shí)的活塞效應(yīng)受多種因素耦合作用，產(chǎn)生局部阻力，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性有一定的影響。

本文運(yùn)用FLUENT對(duì)礦井提升設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)時(shí)立井內(nèi)風(fēng)流變化規(guī)律進(jìn)行研究，探討立井內(nèi)活塞風(fēng)的動(dòng)力效應(yīng)及其對(duì)于礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響。

1 礦井提升設(shè)備模型的建立

影響活塞風(fēng)效應(yīng)的因素有很多，井巷的阻塞比、阻力系數(shù)、設(shè)備尺寸和設(shè)備速度等，而且礦井提升設(shè)備運(yùn)行時(shí)立井內(nèi)風(fēng)流流場(chǎng)比較復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化模型便于分析，做出如下假設(shè)：

(1)將立井內(nèi)的氣流視為不可壓縮流動(dòng)且為湍流；

(2)在合理范圍內(nèi)，簡(jiǎn)化立井?dāng)嗝婧偷V井提升設(shè)備；

(3)在立井內(nèi)不受活塞風(fēng)影響的相同截面，風(fēng)速保持不變，且設(shè)定所產(chǎn)生的活塞風(fēng)在立井截面均勻分布；

(4)流體具有各向同性，滿足Boussinesq假設(shè)；

(5)巷道壁面絕熱，忽略粘性力做功引起的耗散熱，即假設(shè)立井內(nèi)為等溫流動(dòng)；

(6)不考慮自然風(fēng)壓，且立井內(nèi)提升設(shè)備運(yùn)行簡(jiǎn)化為勻速運(yùn)動(dòng)。

1.1 數(shù)學(xué)模型

如上述假設(shè)，立井內(nèi)空氣流動(dòng)一般為湍流流動(dòng)，對(duì)于不可壓縮氣流，為了便于分析，使用非穩(wěn)態(tài)流體通用控制方程：

(1)

式中：Φ——通用變量；

?！獜V義擴(kuò)散系數(shù)；

ρ——密度，kg/m3；

ui——在i方向上的速度分量，m/s；

xi——在i方向上的x分量；

t——時(shí)間，s；

SΦ——源項(xiàng)。

1.2 物理模型

本文以某礦立井和罐籠作為模擬實(shí)體，立井規(guī)格為：井筒直徑為4 m，長(zhǎng)度設(shè)為100 m，為單罐籠運(yùn)行狀態(tài)，罐籠規(guī)格為2.2 m×2.2 m×5 m，立井井頸為鋼筋混凝土井壁，井身為雙層井壁和素混凝土井壁，副井進(jìn)風(fēng)，主井回風(fēng)，立井內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速為5 m/s，罐籠分別以1 m/s、3 m/s、7 m/s和9 m/s順風(fēng)和逆風(fēng)運(yùn)行，將立井提升設(shè)備模型簡(jiǎn)化為如圖1所示。立井總模擬長(zhǎng)度為100 m，運(yùn)用FLUENT前處理軟件Gambit劃分網(wǎng)格，采用Pave型三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，此處采用分析部分變化明顯的巷道來(lái)模擬。

圖1 立井提升設(shè)備運(yùn)動(dòng)示意圖

1.3 邊界條件

模型中上部為模型入口，如圖1(b)所示，入口設(shè)為速度入口，入口風(fēng)流速度大小恒為5 m/s且速度沿橫斷面分布均勻，模型的下部作為出口邊界，出口的類型為outflow，其余邊界默認(rèn)。立井壁面滿足無(wú)滑移邊界條件，垂直壁面壓力梯度為0，靠近壁面的層流速度設(shè)為0，近壁區(qū)壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

1.4 求解方法

選用基于壓力的隱式二維單精度穩(wěn)定流解算器，梯度選擇基于單元的Green-Gauss方法，速度采用絕對(duì)速度，近壁區(qū)處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)，壓力場(chǎng)為標(biāo)準(zhǔn)離散方式。由于采用Pave網(wǎng)格，一階精度會(huì)產(chǎn)生明顯的離散誤差，因此對(duì)于對(duì)流項(xiàng)采用二階精度，其他的默認(rèn)采用一階迎風(fēng)格式離散。湍流模型采用RNG k-ε湍流模型，模型中其他常用的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)為C1ε=1.42,C2ε=1.68,Cu=0.0845。解算器的加速收斂的參數(shù)采用默認(rèn)值，流場(chǎng)離散方程的求解采用SimPle算法。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

根據(jù)上述模型和所示的邊界條件和求解方法，將模型導(dǎo)入FLUENT6.3.26對(duì)立井內(nèi)提升設(shè)備運(yùn)行時(shí)巷內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。

2.1 提升設(shè)備順風(fēng)運(yùn)行時(shí)的壓力云圖及分析

罐籠順風(fēng)運(yùn)行時(shí)的壓力云圖如圖2所示。由圖2可以看出，立井內(nèi)風(fēng)速恒為5 m/s，罐籠順風(fēng)運(yùn)行，當(dāng)罐籠與風(fēng)速的相對(duì)速度為-4 m/s時(shí)，靠近罐籠底部正下方有立井內(nèi)最大壓力為6.31 Pa，隨著向下距離罐籠底部距離的增大，其壓力在不斷降低，立井下部平穩(wěn)壓力為0.39 Pa，靠近罐籠頂部正上方有最小壓力-72.6 Pa，立井上部平穩(wěn)壓力為-47 Pa；當(dāng)相對(duì)速度為-2 m/s時(shí)，在靠近罐籠底部正下方有巷內(nèi)最大壓力為1.57 Pa，立井下部平穩(wěn)壓力為0.087 Pa，靠近罐籠頂部正上方有最小壓力-18.2 Pa，立井上部平穩(wěn)壓力為-11.8 Pa；當(dāng)相對(duì)速度分別為2 m/s、4 m/s時(shí)，在靠近罐籠底部正下方立井內(nèi)最小壓力分別為-6.66 Pa、-26.71 Pa，隨著距離罐籠底部向下越來(lái)越遠(yuǎn)，其壓力不斷升高，立井下部平穩(wěn)壓力分別為-0.136 Pa、-0.81 Pa，靠近罐籠頂部正上方最大壓力分別為13.4 Pa、53 Pa，立井上部平穩(wěn)壓力依次為11.9 Pa、47 Pa。

圖2 罐籠順風(fēng)運(yùn)行時(shí)的壓力云圖

由以上數(shù)據(jù)對(duì)比看出，罐籠順風(fēng)運(yùn)行，如果相對(duì)速度為負(fù)值時(shí)，立井內(nèi)最大壓力和下部平穩(wěn)壓力隨相對(duì)速度的增大而降低，最小壓力(負(fù)值)和上部平穩(wěn)壓力隨之升高，罐籠周圍立井內(nèi)最大壓差在減小；相對(duì)速度為正值時(shí)，立井內(nèi)最大壓力、最小壓力(負(fù)值)和上部平穩(wěn)壓力均隨相對(duì)速度的增大而升高，下部平穩(wěn)壓力(負(fù)值)隨之降低，立井內(nèi)最大壓差在增大。順風(fēng)狀態(tài)下，罐籠附近立井內(nèi)最大壓差隨相對(duì)速度v變化的近似關(guān)系式為：

P=2.45v2+3.09v-40.08

式中：P——最大壓差，Pa；

v——相對(duì)速度，m/s。

因此當(dāng)相對(duì)速度為負(fù)值時(shí)，順風(fēng)運(yùn)行時(shí)立井內(nèi)活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)隨相對(duì)速度的增大而減?。划?dāng)相對(duì)速度為正值時(shí)，立井內(nèi)活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)隨相對(duì)速度的增大而顯著。

2.2 提升設(shè)備逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)的壓力云圖及分析

罐籠逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)的壓力云圖如圖3所示。由圖3可知，立井內(nèi)風(fēng)速恒為5 m/s，罐籠逆風(fēng)運(yùn)行，當(dāng)罐籠與風(fēng)速的相對(duì)速度為6 m/s時(shí)，在靠近罐籠頂部正上方有最小壓力-165 Pa，立井上部平穩(wěn)壓力為-106.5 Pa，在靠近罐籠底部正下方有最大壓力13.9 Pa，立井下部平穩(wěn)壓力為0.47 Pa；當(dāng)相對(duì)速度依次為8 m/s、12 m/s、14 m/s時(shí)，在靠近罐籠頂部正上方立井內(nèi)最小壓力分別為-293 Pa、-657 Pa、-893 Pa，立井上部平穩(wěn)壓力分別為-189 Pa、-425 Pa、-577.5 Pa，靠近罐籠底部正下方立井內(nèi)最大壓力分別為24.9 Pa、56.6 Pa、77.2 Pa，立井下部平穩(wěn)壓力依次為1.12 Pa、3.1 Pa、4.45 Pa。

由以上分析可知，當(dāng)罐籠逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)，立井內(nèi)最大壓力、下部平穩(wěn)壓力和壓力漩渦區(qū)的長(zhǎng)度都隨相對(duì)速度的增大而增大，立井內(nèi)最小壓力(負(fù)值)、罐籠底部同水平壓力和上部平穩(wěn)壓力(負(fù)值)均隨之降低。逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)，罐籠附近立井內(nèi)最大壓差隨相對(duì)速度v變化的近似關(guān)系式：

P=98.9v-444

(2)

因此，在逆風(fēng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，立井內(nèi)活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)隨相對(duì)速度的增大而更加顯著。

2.3 提升設(shè)備在不同運(yùn)行狀態(tài)下立井內(nèi)速度分析

罐籠不同運(yùn)行狀態(tài)下立井內(nèi)的最大風(fēng)速如表1和圖4所示。

圖3 罐籠逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)的壓力云圖

表1 罐籠不同運(yùn)行狀態(tài)下立井內(nèi)的最大風(fēng)速 m/s

圖4 不同運(yùn)行狀態(tài)下立井內(nèi)的最大風(fēng)速

由表1和圖4可知，順風(fēng)狀態(tài)下，當(dāng)相對(duì)速度為負(fù)值時(shí)，立井內(nèi)最大風(fēng)速隨相對(duì)速度的增大而減小，當(dāng)相對(duì)速度為正值時(shí)，立井內(nèi)最大風(fēng)速隨相對(duì)速度的增大而增大，且立井內(nèi)最大風(fēng)速隨相對(duì)速度的變化的近似關(guān)系式如下：

(3)

式中：Vmax——立井內(nèi)最大風(fēng)速，m/s。

逆風(fēng)狀態(tài)下，立井內(nèi)最大風(fēng)速隨相對(duì)速度的增大而急劇增大，且立井內(nèi)最大風(fēng)速隨相對(duì)速度的變化的近似關(guān)系式為：

Vmax=2.45v-0.01

(4)

3 結(jié)論

(1)罐籠相對(duì)于風(fēng)速的相對(duì)速度為負(fù)值時(shí)，立井內(nèi)活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)會(huì)隨相對(duì)速度的增大而減弱；當(dāng)相對(duì)速度為正值時(shí)，立井內(nèi)活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)會(huì)隨相對(duì)速度的增大而更加顯著，且罐籠速度越接近風(fēng)速，立井內(nèi)活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)越不明顯。

(2)不論罐籠處于逆風(fēng)還是順風(fēng)運(yùn)行狀態(tài)，立井內(nèi)的活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)均與罐籠相對(duì)于風(fēng)速的相對(duì)速度緊密相關(guān)，且活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)隨相對(duì)速度的增大而愈加劇烈。

(3)提升設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)的影響范圍屬于立井內(nèi)的局部區(qū)段，也增大了通風(fēng)系統(tǒng)的局部通風(fēng)阻力，因此其對(duì)于整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響也是局部的。

(4)由于降低活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)的有效措施是降低阻塞比和車速，但考慮到工程實(shí)際條件和巷壁支護(hù)，因此罐籠運(yùn)行尤其是逆風(fēng)運(yùn)行時(shí)，礦山系統(tǒng)要考慮罐籠的運(yùn)行速度，為進(jìn)一步研究巷道摩擦系數(shù)對(duì)于活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)的影響具有一定指導(dǎo)意義。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Study on piston wind dynamic effect of hoist equipment in mine shaft

Wang Wencai, Wei Dingyi, Xu Zhe

(Mining Research Institute, Inner Mongolia University of Science & Technology,Baotou, Inner Mongolia 014010, China)

In order to study the piston wind dynamic effect caused by operating hoist equipment, based on traditional fluid mechanics theory, the two-dimension RNG k-ε turbulent flow model was built up by fluid mechanics software to simulate pressure field and fluid field inside shaft under different operation conditions. The simulation results showed that piston wind dynamic effect is closely related to relative velocity; the piston wind dynamic effect varied more dramatically when hoist equipment operated against the wind than following the wind and with the increasing of relative velocity, the maximum wind velocity and the maximum pressure difference were increasing, and the piston wind dynamic effect inside shaft became more severe.

hoisting equipment, RNG k-ε turbulent flow model, piston wind, dynamic effect, pressure field, numerical simulation, relative velocity

內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(S20161012706)

王文才，魏丁一，許哲. 礦井立井提升設(shè)備活塞風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)研究[J].中國(guó)煤炭，2017,43(5)：74-78. Wang Wencai, Wei Dingyi, Xu Zhe . Study on piston wind dynamic effect of hoist equipment in mine shaft[J]. China Coal, 2017，43(5):74-78.

TD53 TD721

A

王文才(1964-)，男，內(nèi)蒙古伊金霍洛旗人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事安全工程及礦業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的教學(xué)和研究工作。