基于Flunt模擬的龍首礦下向進路采礦炮煙擴散規(guī)律研究

陶發(fā)玉 陶云波 黃春云

(1.金川集團股份有限公司龍首礦,甘肅 金昌 737100;2.中南大學資源與安全工程學院,湖南 長沙 410083)

爆破作為地下礦山開采的主要環(huán)節(jié)之一,常常會伴隨著大量炮煙的生成。炮煙中含有多種有毒有害氣體,例如 CO、NOx、SO2、H2S,會威脅到井下施工人員的健康和生命安全,所以爆破后的進路通風就顯得尤為重要[1]。而下向進路分層充填采礦法開采屬于獨頭巷道掘進,由于掘進過程中無法形成貫穿風流,通風較為困難。即使進路末端上挑充填小井通風,依然無法有效解決進路中通風問題。為了有效解決進路中通風、有效排出炮煙、且提高采礦效率的問題。嘗試使用CFD模擬手段研究炮煙在不同通風條件下的擴散狀態(tài)。

CFD模擬作為成熟的流體模擬方式,已經(jīng)得到了社會各界的認可。其中Fluent軟件作為CFD中最為成熟的研究手段,得到了多位學者的青睞。陳贊成等[2]使用Fluent軟件模擬計算了高寒地區(qū)礦井中炮煙擴散的規(guī)律。宋仔標等[3]使用Fluent軟件模擬了煙氣中氣溶膠粒子的擴散和沉降。因此,使用Fluent軟件模擬計算不同條件下獨頭進路中炮煙的擴散規(guī)律,會指導礦山的生產(chǎn)實踐,以求達到有效排出炮煙且確保高效的采礦效率的目的。

1 工程概況

金川集團有限公司龍首礦地處西北,是我國唯一一個成功采用盤區(qū)機械化下向六角形進路膠結充填采礦法的大型地下礦山,也是我國重要的鎳生產(chǎn)基地。自礦山建立、生產(chǎn)以來,井下的通風方式主要為壓抽混合式通風。隨著生產(chǎn)能力不斷擴大,使得每個中段都有獨頭掘進。該礦山使用鉆爆法進行巷道掘進,掘進進路為六邊形進路。通過研究聯(lián)絡道高度、通風井等因素對獨頭進路中炮煙擴散的影響,可以提高炮煙的擴散效率,提高獨頭進路的掘進效率。

2 計算模型

2.1 物理模型

在進行數(shù)值模擬之前,需要建立不同參數(shù)的模型,其中聯(lián)絡道高度分別為3.5 m和5 m,通風井直徑分別為1.6 m和2 m,六角形獨頭進路長度分別為50 m和70 m,通風井距獨頭進路距離分別為0、15、30和45 m,共建立32個數(shù)值模擬模型,如圖1所示,分別命名為3.5-1.6-50-0、5-2-70-30等。掘進使用乳化炸藥,通過Ennix GS40四合一氣體監(jiān)測儀測得獨頭掘進掌子面爆破之后的炮煙中CO濃度為685×10-6,初始CO濃度即為685×10-6,炮煙初始拋擲距離為22 m。

圖1 自然通風擴散模型Fig.1 Natural ventilation diffusion model

2.2 數(shù)學模型

本次數(shù)值模擬針對CO在獨頭進路中自然風流擴散的規(guī)律,假設CO和風流流動為不可壓縮流動,等溫通風,忽略流體粘性力所做的功引起的耗散熱。因為本模型需要模擬整個擴散過程,所以使用瞬態(tài)條件。通過計算風流雷諾數(shù)確定風流為湍流,選取湍流模型中的標準k-epsilon模型。由于炸藥爆炸時產(chǎn)生高溫高壓氣體,所以污染的擴散過程中會因為溫差的原因,在不同組分之間有能量傳遞,造成污染物對流擴散,所以選取能量傳輸模型。由于CO作為炮煙中的主要危害組分,使用CO代替炮煙作為模擬計算對象。由于CO隨風流進行分子擴散運動,其濃度在空間和時間條件下不斷變化,所以選取無化學反應的組分傳輸模型。

2.3 邊界條件

本次模擬是計算自然風流通風條件下CO在獨頭進路中的擴散規(guī)律。模擬是在合理的假設條件下進行,假設風流和CO均為不可壓縮流體、為等溫通風;忽略流體粘性力所做的功引起的耗散熱;流場具有高紊流雷諾數(shù),并且滿足Boussinesq假設[2]。模型的邊界條件如下:

(1)進口邊界。自然風流通過聯(lián)絡道一側進入獨頭進路,自然風流速度為0.25 m/s,自然風流溫度為299 K,聯(lián)絡道斷面上各點的速度保持一致。選取速度入口(Velocity inlet)。根據(jù)相關公式計算聯(lián)絡道中自然風流的雷諾數(shù)、水力直徑和湍流強度。雷諾數(shù)為

式中,ρ為空氣密度;v為進風速度,m/s;d為特征長度取水力直徑,m;μ為空氣粘度系數(shù)。

湍流強度為

(2)出口條件。通風井為模型出口,選取自然流動出口(Outlet)作為出口條件。

(3)壁面條件。壁面使用無滑移光滑壁面,壁面溫度使用實際測量溫度300 K。

(4)其余條件。CO初始濃度為685×10-6,溫度為304 K。

2.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分使用Ansys軟件中的Meshing模塊進行網(wǎng)格劃分。模型進行整體網(wǎng)格劃分,采用Meshing模塊直接生成網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分模型Fig.2 Meshing model

3 數(shù)值計算分析

3.1 不同聯(lián)絡道高度條件下的炮煙擴散特征

礦山使用獨特的六角形進路,可以使得圍巖、充填體之間更加穩(wěn)固。爆破之后,CO聚集于獨頭進路工作面處,自然風流通過聯(lián)絡道進入獨頭進路中對CO沖刷、稀釋,最終達到排出工作面CO的目的。在其生產(chǎn)中,聯(lián)絡道有3.5m×4.5m和5m×4.5m 2種規(guī)格,而獨頭進路的高度一致,均為5 m。

如圖3所示,在同一獨頭進路長度、同一通風井位置和直徑條件下,3.5 m高的聯(lián)絡道的獨頭進路中CO擴散達標時間要遠高于5m的聯(lián)絡道。這是因為獨頭進路的高度為5 m,而3.5 m的聯(lián)絡道與其有1.5 m的高差,這會導致CO擴散速度降低,CO擴散達標時間增加。而5 m高的聯(lián)絡道與5 m高的獨頭進路之間不存在高差,炮煙可以迅速排除,并通過通風井排出聯(lián)絡道。

圖3 炮煙擴散達標時間規(guī)律Fig.3 Law of CO diffusion compliance time

采用同一獨頭進路長度、同一通風井位置和直徑條件下,不同聯(lián)絡道高度的模擬云圖作研究,圖4為3.5-1.6-50-30和5-1.6-50-30模擬模型在擴散時間為2 000 s時的軸向截面云圖。如圖4所示,3.5 m高聯(lián)絡道的計算模型的軸線截面的CO主要分布在獨頭進路與聯(lián)絡道連接處的頂部,CO濃度最高為120×10-6左右。 5 m高聯(lián)絡道的計算模型的軸線截面的CO濃度也主要分布于獨頭進路與聯(lián)絡道連接處頂部,CO濃度最高為60×10-6左右。通過對比可知5 m高聯(lián)絡道更有利于CO自然擴散,且CO在獨頭進路中的分布更加均勻,而3.5m高聯(lián)絡道會降低CO自然擴散的速度,CO主要分布于獨頭進路出口的頂板處。主要因為獨頭進路與聯(lián)絡道之間的高差阻礙CO排出,導致CO聚集于獨頭進路出口處。而無高差的聯(lián)絡道與獨頭進路則會使得CO迅速排除,且CO在巷道內的分布更加均勻,使得CO濃度降低更快[1]。

圖4 不同聯(lián)絡道高度2 000 s時CO濃度分布對比Fig.4 Comparison of CO concentration distribution at different heights of connecting channels at 2 000 s

3.2 不同獨頭進路長度條件下的炮煙擴散特征

如圖5所示,在聯(lián)絡道高度、通風井直徑和通風井布置位置一定時,70m長度獨頭進路的CO擴散達標時間均高于50 m的獨頭進路。這是因為在70 m獨頭進路中,CO擴散過程需要克服更多的空氣阻力和更長的擴散長度,這導致了越長的獨頭進路所需的CO擴散時間更長。

圖5 3.5m和5m高聯(lián)絡道CO擴散時間的影響規(guī)律Fig.5 The influence law of CO diffusion time in 5 m and 3.5m high connecting channel

3.3 不同通風井位置及通風井直徑條件下的炮煙擴散特征

如圖5所示,在獨頭進路長度、聯(lián)絡道高度、通風井直徑一致時,CO擴散達標時間隨著通風井與獨頭進路距離的增加而增加。這是因為通風井距離進路口越遠,風流需要流過的分層道越長,受到的阻力越大,導致CO擴散達標時間增加。但是為了兼顧通風井工程量和CO擴散效率,選取25 m為通風井與進路口的距離[4]。

通風井直徑為2m時,CO擴散達標時間更快,而通風井直徑為1.6 m時,CO擴散達標時間更慢。主要因為更大的通風井直徑,會降低風流排出的阻力,提高CO擴散的效率。

3.4 CO濃度場擴散分析

圖6和圖7分別為3.5-1.6-50-30和5-2-70-30計算模型在500、1 500、2 500和3 500 s時的CO濃度分布云圖。

圖6 3.5-1.6-50-30模型炮煙擴散云圖Fig.6 3.5-1.6-50-30 model CO diffusion cloud map

圖7 5-2-70-30模型炮煙擴散云圖Fig.7 5-2-70-30 model CO diffusion cloud map

如圖6所示,500 s時,隨著風流沖刷工作面,CO與空氣混合并隨風流向獨頭進路出口處移動,此時的CO主要分布于工作面附近,呈現(xiàn)出巷道上側CO濃度高、下側濃度低的分布規(guī)律。這是因為CO的密度小于空氣,CO因為浮力的作用分布于空氣的上方[5]。從1 500～3 500 s時間內,CO被風流沖刷,整體向獨頭進路外移動,并通過通風井排出,此時CO最高濃度由379×10-6降至119×10-6。

如圖7所示,500 s時,CO已經(jīng)從獨頭進路中逐漸排出并進入聯(lián)絡道中,且向聯(lián)絡道兩側擴散。這是因為5m高的聯(lián)絡道與獨頭進路之間沒有高度差,不存在阻礙CO排出的巖壁,所以CO擴散速度高。因為通風井排出的CO能力有限,CO分布于聯(lián)絡道中[6]。從1 500～3 500 s時間內,獨頭進路中的CO不斷排出,聯(lián)絡道中聚集的CO也隨風流進入通風井中排出。CO最高濃度也由95×10-6迅速減小到21×10-6。

對比3.5m和5m聯(lián)絡道高度的計算模型,發(fā)現(xiàn)3.5m的計算模型中的CO主要聚集于獨頭進路出口的頂板處,而5 m的計算模型中的CO可迅速排出獨頭進路并聚集于通風井處。這再次證明了5 m高的聯(lián)絡道更有利于CO自然擴散排出。

3.5 獨頭進路中炮煙擴散的速度場分析

如圖8所示,為不同風井布置位置的速度矢量云圖。通過圖可分析,聯(lián)絡道進風口的風速均較低,為0.25 m/s,獨頭進路中的風速與聯(lián)絡道風速相比更小,接近于0 m/s。因為聯(lián)絡道與獨頭進路垂直,風流進入獨頭進路困難,難以有效沖洗工作面炮煙。風速最高的地方為通風井位置,最高風速可達2.7 m/s左右。因為進入聯(lián)絡道中的風流最終均匯集至通風井并排出,通風井相較于聯(lián)絡道斷面較小,所以獲得更大的風速[7]。聯(lián)絡道風速以通風井為界限,靠近進風口位置風速更大,通風井另一側聯(lián)絡道風速也接近0 m/s。

圖8 速度場云圖Fig.8 Velocity field cloud map

如圖9所示,為不同聯(lián)絡道高度和獨頭進路長度條件下的計算模型的速度矢量云圖。在3.5 m高聯(lián)絡道的計算模型中,通風井直徑為1.6 m和2 m時,通風井的風速差異較大。直徑為1.6 m的通風井的風速為2.7 m/s左右,但直徑為2 m的通風井的風速僅有1.6 m/s。 在5 m高聯(lián)絡道的計算模型中,通風井直徑為1.6 m和2 m時,通風井的風速差異較大。直徑為1.6 m的通風井的風速為3.8 m/s左右,但直徑為2 m的通風井的風速僅有2.4 m/s。

圖9 不同聯(lián)絡道高度、獨頭進路長度模擬模型的速度場云圖Fig.9 Velocity field cloud diagrams of simulation models with different connecting lane heights and single-head approach lengths

4 結 論

(1)5 m聯(lián)絡道高度相較于3.5 m聯(lián)絡道,更有利于獨頭進路中CO的擴散,主要因為3.5 m聯(lián)絡道與獨頭進路的高度差1.5m的巖壁阻礙炮煙的擴散。

(2)CO擴散達標時間隨獨頭進路和通風井之間的距離的增加而增加。但是為了節(jié)省通風井建造成本及提高通風效率,選取25 m作為最佳的通風井布置位置。

(3)50 m獨頭進路的炮煙擴散時間要遠低于70 m獨頭進路,因為更長的獨頭進路具有更多的摩擦阻力,降低了CO擴散的效率。

(4)更大的通風井直徑,更有利于CO擴散。因為更大的通風井直徑,降低了風流排出的阻力,增加了CO擴散的效率。