高空溜井卸礦沖擊風(fēng)速模擬研究

張 見，李義杰，肖利民

高空溜井卸礦沖擊風(fēng)速模擬研究

張 見1，李義杰2, 3，肖利民2, 3

(1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司安慶銅礦，安徽 安慶市 246131；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

為有效控制高溜井沖擊氣流，通過理論分析得出高溜井卸礦時(shí)沖擊風(fēng)速大小的主要影響因素有礦石卸載量、下落深度、礦塊大小、溜井?dāng)嗝婕傲锞枇ο禂?shù)等。以某礦單一高溜井為研究對(duì)象，利用Fluent軟件模擬了礦石下落深度對(duì)溜井沖擊氣流的影響，結(jié)果表明沖擊風(fēng)速和氣壓與礦石下落深度呈正相關(guān)。

高空溜井;沖擊氣流;數(shù)值模擬;下落高度

礦車向溜井內(nèi)卸礦時(shí)，由于溜井內(nèi)只有上下出口，礦石在溜井中下落的過程中會(huì)使溜井內(nèi)的空氣產(chǎn)生氣流，氣流會(huì)將溜井內(nèi)礦石產(chǎn)生的粉塵沖擊至各中段的支岔溜井，增加了溜井附近巷道內(nèi)的粉塵濃度，極大地降低了井下空氣質(zhì)量[1-3]。礦體在運(yùn)動(dòng)過程中造成溜井內(nèi)氣體發(fā)生擾動(dòng)，產(chǎn)生不穩(wěn)定狀沖擊風(fēng)速，擾動(dòng)的氣流進(jìn)一步引起壁內(nèi)粉塵運(yùn)動(dòng)。因此，礦體顆粒在溜井內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是溜井粉塵的激發(fā)源，是研究和治理溜井內(nèi)粉塵的基礎(chǔ)。

1 溜井沖擊風(fēng)速

當(dāng)眾多礦石固體顆粒在溜井內(nèi)自由下落時(shí)，假定單位時(shí)間內(nèi)礦石固體顆粒作為非壓縮球體，且各固體顆粒之間相互發(fā)生撞擊等作用，則球體產(chǎn)生的正面阻力由式（1）計(jì)算[4-5]。

由于礦石在豎直方向的投影面積S占溜井全斷面4%~15%，令S/(S?)=，取0.04167~0.1765。

當(dāng)?shù)V石固體顆粒以加速度沿井內(nèi)壁面下落至深度時(shí)，則在該點(diǎn)的速度可近似為(2)1/2，因礦石固體顆粒與井內(nèi)空氣在坐標(biāo)軸上屬相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故可近似認(rèn)為繞過礦石固體顆粒的空氣其速度為u=(2)1/2。依據(jù)能量守恒定律，井內(nèi)因礦體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的前部阻力h與流體所擁有的能量屬于等價(jià)關(guān)系。將u代入（式1）中：

式中，為下落深度，m。

礦石固體顆粒下落深度逐漸增大，井內(nèi)空氣擾動(dòng)越激烈，當(dāng)?shù)V石固體顆粒下落至最低點(diǎn)時(shí)，井內(nèi)空氣擾動(dòng)達(dá)到最強(qiáng)烈時(shí)刻，在該時(shí)刻井內(nèi)空氣沿卸礦口沖出時(shí)，流體需沖破阻礙而造成能量損耗，最終隨時(shí)間的推移和運(yùn)動(dòng)距離的增大而消耗殆盡。在這個(gè)過程中，流體運(yùn)動(dòng)以瞬態(tài)形式存在，而其造成的能量損耗為：

式中，為溜井內(nèi)沖擊氣流速度，m/s；為溜井口局部通風(fēng)阻力系數(shù)；d/d為慣性阻力，隨時(shí)間變化而變化，當(dāng)沖擊風(fēng)速達(dá)到最大時(shí)，d/d=0 。

依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)可知，井內(nèi)空氣因礦體顆粒運(yùn)動(dòng)而擁有的能量與其沖破阻礙而造成的能量損耗屬于等價(jià)關(guān)系，故h=h，則：

由式（4）可知，影響高溜井卸礦時(shí)沖擊風(fēng)速大小的要素主要有礦石卸載量、下落深度、礦塊大小、溜井?dāng)嗝婕傲锞枇ο禂?shù)等。

2 溜井沖擊風(fēng)流模擬

為了降低溜井卸礦時(shí)產(chǎn)生的沖擊風(fēng)速及粉塵濃度，需客觀深入了解溜井落礦所產(chǎn)生的沖擊氣流及氣壓，而流體的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，通常需要在一定的假設(shè)條件下，建立某種數(shù)學(xué)模型，使用數(shù)學(xué)表達(dá)式去描述其可能的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。然而，面對(duì)求解數(shù)學(xué)表達(dá)式得到的大量數(shù)據(jù)，需要采用一種直觀的方式去展示以供分析，而Fluent流體力學(xué)軟件擁有科學(xué)計(jì)算可視化功能，擁有將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成圖像、圖形信息的重要手段。

2.1 模型構(gòu)建與假定

真實(shí)的溜井系統(tǒng)內(nèi)壁面凹凸不平，粗糙程度隨空間而不斷發(fā)生變化，斷面尺寸不一，加之礦石在溜井內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，礦石與礦石、礦石與壁面之間時(shí)常發(fā)生碰撞，導(dǎo)致礦石運(yùn)動(dòng)雜亂無章，分散程度參差不一，因此模擬真實(shí)的溜井系統(tǒng)具有很大的困難。

以礦山實(shí)際溜井情況為基礎(chǔ)上，為便于研究，通過模型的簡(jiǎn)化，在注重重要問題而忽視次要問題的前提下，建立了一個(gè)合理科學(xué)的溜井系統(tǒng)，并采取以下簡(jiǎn)化措施。

（1）溜井壁面近似光滑，形狀為垂直均勻的三維立體柱狀。支岔溜井口與各中段相通，且溜井形狀不隨時(shí)間而變化。

（2）下落的礦石做加速度為9.81 m/s2的自由落體運(yùn)動(dòng)，且位于溜井井筒中心位置，不與溜井內(nèi)壁接觸撞擊。

（3）各中段溜井出口處的巷道風(fēng)速對(duì)系統(tǒng)的影響可忽略。

并假定：

（1）假定井內(nèi)流體處于不具壓縮性的理想化狀態(tài)，風(fēng)流黏性力不因礦石固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生做功現(xiàn)象；

（2）井內(nèi)空氣不攜帶熱源，井內(nèi)壁面不產(chǎn)生熱交換作用，圍巖不產(chǎn)生能量變化；

（3）井內(nèi)空氣黏性系數(shù)以標(biāo)量處理，同時(shí)符合各向同性，空氣運(yùn)動(dòng)為穩(wěn)定狀紊流，符合Boussinesq[5-6]。

2.2 溜井卸礦模擬結(jié)果及分析

本次模擬以某金屬礦井下單一高溜井為研究對(duì)象，該溜井直徑為4 m，深300 m，采用4 m3鏟運(yùn)機(jī)向溜井內(nèi)卸礦，礦石最大塊度直徑為600 mm。該溜井與?280，?340，?400，?460，?510，?580 m中段等6個(gè)中段相通，主要中段高度為60 m。為方便模擬，將溜井系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，模擬時(shí)將礦石簡(jiǎn)化為矩形體，礦石固體顆粒平均厚0.6 m，顆粒垂直長(zhǎng)度為7 m。數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，礦石固體顆粒處在井內(nèi)中心位置，從最上一中段?280 m以自由落體方式向下運(yùn)動(dòng)至最下一中段。

為便于分析，截取礦石固體顆粒在運(yùn)動(dòng)或接近各中段支岔溜井口時(shí)的速度平面圖像和壓力平面圖像進(jìn)行分析，典型模擬見圖1。

根據(jù)圖1、圖2可知，伴隨著礦石在溜井內(nèi)下落深度的遞增，礦石前部氣體受擠壓作用而產(chǎn)生高壓力區(qū)，礦石后部區(qū)域由于誘導(dǎo)作用帶動(dòng)空氣向前運(yùn)動(dòng)而形成負(fù)壓區(qū)。因此在礦石前后形成了一個(gè)明顯的壓力梯度，梯度大小與下落深度呈正比關(guān)系。當(dāng)溜井內(nèi)礦石到達(dá)或接近各支岔溜井口時(shí)，其沖擊氣流速度和壓力各不相同，其中在?340 m中段的沖擊氣流風(fēng)速及沖擊氣壓為最小，最下?580 m中段為最大，故可知礦石固體顆粒運(yùn)動(dòng)深度遞增，其井內(nèi)氣流所獲得的能量越多，氣壓值和沖擊風(fēng)速值也遞增，即溜井沖擊風(fēng)速和風(fēng)壓與下落深度呈正相關(guān)。

提取溜井各支岔口速度及壓力模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析，建立以中段標(biāo)高為橫坐標(biāo)，沖擊氣流壓力、沖擊氣流速度為縱坐標(biāo)的曲線分析圖如圖3、圖4所示。

圖1 礦石下落到達(dá)或接近支岔溜井口時(shí)的速度云圖

圖2 礦石下落到達(dá)或接近中段支岔溜井口時(shí)的壓力云圖

圖3 各卸礦口的沖擊氣壓變化趨勢(shì)

圖4 各卸礦口的沖擊氣流速度變化趨勢(shì)

根據(jù)圖3、圖4分析可知，礦石顆粒運(yùn)動(dòng)深度越深，在其接近各支岔溜井口時(shí)所造成的沖擊氣流和壓力值均在上升。從?340～?580 m中段，礦石下落時(shí)在各個(gè)中段的支岔溜井口處所形成的沖擊風(fēng)速值分別為1.57，3.33，5.38，6.66，7.55 m/s，沖擊氣壓分別為15.3，47.7，88.6，129.1，188.2 Pa，數(shù)據(jù)明顯呈遞增趨勢(shì)。模擬數(shù)據(jù)說明，高溜井卸礦時(shí)對(duì)其下部各中段的風(fēng)源質(zhì)量和風(fēng)速方向造成了不可忽視的影響，雖然沖擊氣壓影響相對(duì)較小，但其所產(chǎn)生的沖擊風(fēng)速不容忽視，特別是沖擊風(fēng)流速度隨礦石下落深度的增大而增大。溜井沖擊風(fēng)速和風(fēng)壓與礦石下落深度呈非線性關(guān)系且正相關(guān)。卸礦過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，含塵氣流將跟隨沖擊風(fēng)速，從上部中段卸礦口大量涌入到下部中段運(yùn)輸巷道內(nèi)，污染下部中段進(jìn)風(fēng)風(fēng)源質(zhì)量。

綜合上述分析，溜井卸礦是溜井內(nèi)粉塵產(chǎn)生的激發(fā)源，其產(chǎn)生的沖擊氣壓和粉塵對(duì)礦井正常作業(yè)具有一定干擾。

3 結(jié) 論

（1）理論分析可知，高溜井卸礦時(shí)沖擊風(fēng)速大小的影響因素主要有礦石卸載量、下落深度、礦塊大小、溜井?dāng)嗝婕傲锞枇ο禂?shù)等。

（2）溜井沖擊風(fēng)速和風(fēng)壓與下落深度呈非線性關(guān)系且正相關(guān)。

（3）溜井卸礦是溜井內(nèi)粉塵產(chǎn)生的激發(fā)源，控制卸礦粉塵濃度利于井下安全生產(chǎn)。

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(2019-05-23)

張 見(1988—)，湖北隨州人，工程師，主要從事采礦技術(shù)研究與管理，Email: 245974703@qq.com。