草樓鐵礦深部開拓巷道炮煙擴散數值模擬研究

中冶集團華冶資源開發有限公司 何 磊

草樓鐵礦深部開拓巷道炮煙擴散數值模擬研究

中冶集團華冶資源開發有限公司 何 磊

利用CFD軟件f luent對草樓鐵礦深部開拓工程-350m水平石門巷道掘進工作面炮煙擴散的過程進行了模擬。分析了獨頭巷道掌子面爆破后炮煙擴散的特征，對石門進尺60m、80m、100m時工作面爆破后巷道的安全區域進行了分析與評價。

炮煙擴散 數值模擬 CFD 安全區域

一、引言

在井下開拓工程中，掘進工作面爆破時會產生大量的炮煙。開拓巷道一般為獨頭掘進，采用局部通風方法排除煙塵，炮煙排除的效率低。草樓鐵礦-350m水平為開拓階段，由于未構成通風回路，該水平相當長一段時間內將采用壓入式局部通風機通風排除掘進工作面爆破后產生的煙塵。炮煙中含有的CO、NO2等有害氣體對井下施工人員的身體健康構成嚴重威脅，研究炮煙在獨頭巷道內的擴散規律確定合理的工作面風流組織方式以及安全域的確定具有重要的意義。在現場對炮煙中有害氣體的濃度進行檢測的方式具有很大的危險性，隨著計算機技術的發展，利用CFD數值模擬技術是研究這一問題安全、高效的方法[1]。本文采用國際通用軟件FLUENT對炮煙擴散過程進行模擬研究，分析當前通風條件下炮煙擴散的特性，研究巷道進尺對炮煙擴散的影響以及安全域的確定，對草樓鐵礦-350m水平開拓巷道通風排煙以及避免炮煙中毒事故具有一定的指導作用。

二、物理模型及網格劃分

本模擬的物理模型根據-350m水平副井巷道實際斷面建立，巷道為三心拱斷面，掘進斷面寬4.4m，高3.8m。壓入式局部通風機風筒布置在巷道左上側，風筒直徑400mm，風筒口到掌子面距離為10m。根據模擬條件，需要建立不同的物理模型，其中工況條件為：巷道長60m，風筒直徑400mm的模型如圖1所示。

本文利用GAMBIT軟件對物理模型進行網格劃分。模型分塊后采用Cooper（非結構網格）和TGi rd（混合網格）方式分別劃分，Cooper方式采用六面體單元，Tgird方式采用四面體網格單元，劃分后的網格數量為43萬。

圖1 物理模型

三、初始及邊界條件

（1）進口邊界。

數值模型中的進口邊界即壓入式局扇進風口，邊界類型為velocityinlet，風量大小根據模擬工況設定，紊流動能kin=ainv2，紊流動能耗散εin=Cμkin2/3/0.015De，式中Cμ為試驗常數，取0.09，ain取0.005[3]，De為風管當量直徑，m。

（2）出口邊界：階段運輸巷道出口的邊界條件設置為out f low類型。

（3）固體壁面：巷道邊壁及工作面均為無滑動壁面邊界。為了解決高雷諾數流動與壁面附件粘性次層的銜接問題，采用標準壁面函數法[4]。

（4）炮煙中有害氣體初始濃度：根據現場裝藥量，以及有害氣體生成量計算得到炮煙拋擲帶中CO質量分率C1=0.0048。

四、模擬結果及分析

1. 炮煙擴散規律分析。

工作面爆破產生的氣體后即形成炮煙拋擲帶，炮煙在井巷中的運移過程是通過風流的平移輸送與紊流擴散的綜合作用。本文對獨頭巷道長度80m時炮煙擴散過程模擬的結果進行分析。

圖2所示為通風各時刻y=1.6m（人體平均呼吸高度）截面CO濃度的分布云圖，可直觀體現炮煙拋擲帶隨時間的運移過程。由圖可知，在局扇壓入的新鮮風流作用下，炮煙拋擲帶區域的CO濃度迅速降低。炮煙拋擲帶向巷道出口處運移，當炮煙拋擲帶核心區排至巷道出口處時，掌子面區域的CO濃度最低，巷道出口處的CO濃度始終處于最高狀態。

圖2 通風各時刻巷道截面CO濃度分布云圖

圖3 是距離掌子面5m~78m區間上4個截面的CO平均濃度值隨通風時間變化的曲線圖。可見，距掌子面5m、20m的巷道截面CO濃度值不斷降低，通風1分鐘后z=5m截面CO平均濃度為2570.5mg/ m3，z=20m截面為3826.2mg/m3，分別通風19min、21min后兩截面的CO平均濃度均降至國家規定的安全濃度30mg/m3以下。Z=40m截面CO平均濃度在通風后2min時升高至最大值3795.6mg/m3后降低，Z=80m截面CO平均濃度達到最高值3098.2mg/m3是在通風6min后。可見炮煙帶中心從Z=40m截面運移至Z=80m截面處的時間約為4min，即在當前通風條件下炮煙帶運移的速度為9.5m/s。兩截面處CO平均濃度降至30mg/m3所需的通風時間分別為23min、27min。即在當前通風條件下，巷道掘進80m時排除炮煙的時間可控制在30min內。隨著炮煙帶的擴散運移，距掌子面越遠，巷道截面的CO平均濃度達到峰值時的值越小，與以往試驗結果一致，從而驗證了CFD進行有害氣體擴散過程研究的可靠性。

圖3 巷道截面CO平均濃度隨時間變化曲線圖

2. 炮煙擴散空間危險域分析。

不同濃度的CO對人體的危害程度差異如表1所示，根據CO對人體的危害程度，本文將危險區域劃分為4個等級來表示爆破后獨頭巷道各區域的危險性大小。巷道區域危險性等級為Ⅰ級、Ⅱ級時，任何條件下人員不得進入該區域，危險等級為Ⅲ級時，人員可進入該區域處理緊急事件，但時間不得超過5min。

表 1 危險域級別的劃分

對三個巷道進尺條件下的模擬數據進行分析，得到不同時刻巷道空間的危險域分級如表2~表4所示。

表 2 獨頭巷道進尺60m時巷道中心線CO濃度分布

表 3 獨頭巷道進尺80m時巷道中心線CO濃度分布

表 4 獨頭巷道進尺100m時巷道中心線CO濃度分布

由表2~表4可知，獨頭巷道在各進尺條件下CO危險區域的共同特征為：掌子面爆破后1min時，距掌子面37m以內的區域為Ⅱ級危險區，距掌子面37~40m的區域為Ⅲ級危險區，距掌子面40~42m的區域為Ⅳ級危險區。通風5分鐘后，鄰近掌子面20m區域CO濃度已降低至200mg/m3以下，距掌子面20~46m的區域為Ⅲ級危險區域，距掌子面46m之外的區域達到Ⅱ級危險區濃度。通風10min后，獨頭巷道進尺為60m時巷道無Ⅲ級危險區域，巷道進尺為80m、100m條件下，距掌子面75m以外的巷道仍為Ⅲ級危險區域。

可見，隨著獨頭巷道的掘進，通風5min時距掌子面46m~89m的區域為Ⅱ級危險區，隨著炮煙的運移，Ⅱ級危險區中心位置向巷道出口方向偏移，該區域的CO濃度也不斷降低。在通風10min后巷道空間最高危險等級為Ⅲ級。

對模擬得到的數據進行分析得到，三個獨頭巷道進尺條件下，CO氣體濃度達到國家規定的濃度范圍以內所需的通風時間分別為26min、27min、28.5min，可知巷道每進尺20m，所需通風時間增加約1min。

五、結語

本文利用CFD軟件以草樓鐵礦深部開拓水平獨頭巷道在進尺60m、80m、100m為條件，對掌子面爆破后CO氣體擴散過程進行了數值模擬。模擬的結果與理論、試驗研究結論一致，驗證了CFD軟件進行氣體擴散模擬的可靠性。模擬結果表明：在當前通風條件下炮煙帶運移的速度為9.5m/s，巷道進尺60m、80m、100m時所需的通風時間分別為26min、27min、28.5min。本文根據CO對人體的危害程度對通風時巷道空間危險性進行了分級。分析表明，隨著獨頭巷道的掘進，通風5min時距掌子面46m~89m的區域為Ⅱ級危險區，在紊流擴散的作用下，Ⅱ級危險區中心位置向巷道出口處移動，在通風10min后巷道各區域危險性等級均降到Ⅲ級以下。

[1] 王福軍．計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社， 2004．5~7

[2 ] Launder B E , Spalding D B. The numerical computation of turbulent f lows [J ]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering , 1974 , 3(2) : 269 - 289.

[3] 王海橋，施式亮，劉榮華，等．獨頭巷道射流通風流場CFD 模擬研究[J]．中國安全科學學報，2003，13(1)：68-71．

[4] 王曉玲，陳紅超，劉雪朋，等．引水隧洞獨頭掘進工作面風流組織與CO 擴散的模擬[J]．水利學報，2008，39(1)：121-127.