鈾礦山豎井罐籠運行活塞效應研究及其應用*

洪昌壽，李向陽，胡鵬華，李先杰，葉勇軍，謝 東

(1.南華大學 環(huán)境保護與安全工程學院， 湖南 衡陽市 421001；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院， 北京 101149)

0 引 言

目前，為適應我國新時期核電發(fā)展戰(zhàn)略，滿足核電發(fā)展對天然鈾日益增長的需求，各鈾礦井年提升礦石量普遍呈現(xiàn)增加的趨勢。隨著我國鈾礦山開采不斷向深部推進和采冶力度的不斷加大，同時伴隨著高效開采技術的進步，罐籠運行速度亦將呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，罐籠的升降運行將更趨頻繁，從而在空間受限的豎井井筒中產(chǎn)生了活塞作用效應[1]，這將對礦井通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來一定程度的影響，而礦井通風系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)的命脈，其能否穩(wěn)定、可靠地運行，對于確保礦山安全生產(chǎn)有著極其重要的作用[2]。

國內(nèi)外已有多名學者開展過礦井井筒提升設備活塞效應的研究，對井巷通風活塞作用理論進行了較為深入的分析[3-6]。然而，已有研究著重于通過理論推導或數(shù)值模擬得出活塞風大小，鮮有涉及到活塞效應對礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的具體定量分析[7-9]。

為此，本文依據(jù)空氣動力學基本原理，通過理論分析和計算，研究豎井罐籠運行活塞作用效應對通風系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響程度，并以我國南方某鈾礦山為對象，進行了實例應用。論文開展的研究工作對于確保鈾礦井通風系統(tǒng)滿足生產(chǎn)的需要具有特別重要的意義。

1 罐籠升降運行特性

本文分析基于主(副)井作入風井、多中段生產(chǎn)，且裝備單罐籠的礦井。通常，一次完整的罐籠提升-卸載過程包括罐籠從某一中段載重提升與空罐下行至起始處。罐籠的升降運行如圖1所示[10]：

圖1 罐籠升降運行階段

(1) 加速階段：罐籠以加速度a1開始運行，在此階段提升(或下行)速度由0增大到vm，運行時間為Δt1=t1(或Δt7=t7-t6)；

(2) 等速階段：罐籠以最大速度vm做勻速運行，運行時間為Δt2=t2-t1(或Δt8=t8-t7)；

(3) 減速階段：此時罐籠已經(jīng)接近井口(或井底)，提升容器以加速度a2減速運行，在此階段內(nèi)容器運行速度由vm減小至爬行速度v4(或v10)，運行時間為Δt3=t3-t2(或Δt9=t9-t8)；

(4) 爬行階段：罐籠以低速度v4(或v10)運行，且一般不大于0.5 m/s，運行時間為Δt4=t4-t3(或Δt10=t10-t9)；

(5) 停車休止階段：提升機抱閘停車，罐籠以加速度a3減速直至停止，運行時間為Δt5=t5-t4(或Δt11=t11-t10)，且通常為1 s。

此外，Δt6=t6-t5及Δt12=t12-t11段表示罐籠休止時間。而且，罐籠升降運行過程中，會以最大速度vm運行較長時間。

2 罐籠運行活塞效應分析及理論計算

2.1 計算模型和基本假設

罐籠在井筒中運行時，由于受井筒壁面的限制，罐籠對井筒內(nèi)空氣產(chǎn)生類似活塞作用，罐籠前方位置呈現(xiàn)正壓，后方位置則為負壓，在此壓差作用下，一部分空氣被推向前方直至排出，另一部分則從經(jīng)罐籠與井筒間的環(huán)狀空間流至罐籠后方[11]。豎井罐籠升降運行過程中的風流場是由機械通風系統(tǒng)中風機的風壓、主副井高差(自然風壓)和活塞效應等因素耦合作用而形成的復雜系統(tǒng)，為便于問題的分析和討論，作如下假設：

(1) 將運行中的罐籠視為局部通風動力源，其所致活塞風流場不受自然風壓及風機風壓影響；

(2) 罐籠運行前井巷內(nèi)的風流初始速度為0；

(3) 按恒定流考慮，氣流不可壓縮且為紊流流動；

(4) 井巷及罐籠的幾何尺寸和相關特性參數(shù)保持不變；

(5) 活塞風速遠小于音速，氣流密度近似不變，取ρ=1.293 kg/m3；

(6) 井底車場礦車運行、人員行走等對風流帶來的擾動不作考慮。

由于罐籠上行與礦井入風風流方向相反，對礦井通風系統(tǒng)造成的阻塞和擾動較罐籠下行過程更明顯，所以本文選取的活塞風計算模型為罐籠上行情況(見圖2)，圖2中1、2中段為生產(chǎn)中段，分別標高H1、H2，以1中段為研究對象，計算活塞作用效應對1中段通風風流的影響，不考慮其上各中段活塞風流的分流及活塞風壓的分壓，這從工程上來說是偏安全的。此外，在如圖2中的井筒及豎直平面上取10個截面，井口斷面0-0處標高H0，風速為0，風壓為當?shù)卮髿鈮海粩嗝?-1與斷面2-2分別為罐籠頂部與底部位置所在斷面；斷面3-3與斷面4-4分別為1中段馬頭門頂部與該中段巷道底板位置所在斷面；斷面6-6與斷面8-8分別為1中段馬頭門與重車場和空車場巷道連接處所在斷面；斷面5-5、斷面7-7及斷面9-9與通向地表的回風井巷相連，不受活塞風流的擾動，風速均為0。

圖2 罐籠運行活塞風計算模型

2.2 活塞風計算方法及分析

設斷面0-0與斷面1-1段、斷面2-2與斷面3-3段活塞風流量為Qh，流速為vh；斷面4-4與斷面5-5段風流流量為Qh1，流速為vh1；1中段重車場內(nèi)風流流量為Qh2，流速為vh2；1中段空車場內(nèi)風流流量為Qh3，流速為vh3。由連續(xù)性方程得[12-13]:

Qh=Qh1+Qh2+Qh3

(1)

即:

vhS=vh1S+vh2S0+vh3S0

(2)

式中：S—豎井井筒的斷面面積；S0—1中段巷道的斷面面積。

為求得vh1、vh2與vh3之間的關系，分別建立圖2中的斷面3-3與斷面5-5、斷面3-3與斷面7-7、斷面3-3與斷面9-9之間風流相對于井筒壁面的伯努利方程:

(3)

(4)

(5)

式中：ρ、g—分別為空氣密度和重力加速度；P3、P5、P7、P9—分別為斷面3-3、斷面5-5、斷面7-7、斷面9-9處壓強；h35、h37、h39、h45—分別為斷面3-3與斷面5-5、斷面3-3與斷面7-7、斷面3-3與斷面9-9、斷面4-4與斷面5-5的高差；ζ34、ζ36、ζ38—分別為風流由斷面4-4至斷面3-3、由斷面6-6至斷面3-3、由斷面8-8至斷面3-3的局部阻力系數(shù)；λ、λ0—分別為豎井、車場巷道沿程阻力系數(shù)；d、d0—豎井、車場巷道水力直徑，d0=4S0/C0，C0為車場巷道斷面周長；Δl、l1、l2—分別為馬頭門、重車場、空車場長度；ζ5、ζ7、ζ9—分別為斷面5-5、斷面7-7、斷面9-9入口處局部阻力系數(shù)。

井巷內(nèi)外無自然風，則有：

(6)

式中：h57、h59—分別為斷面5-5與斷面7-7、斷面5-5與斷面9-9的高差。

易知h37=h39及h57=h59，令β=S0/S，k1=ζ34+λ·(h45/d)+ζ5，k2=ζ36+λ0·[(Δl+l1)/d0]+ζ7，k3=ζ38+λ0·[(Δl+l2)/d0]+ζ9，聯(lián)立式(2)～(6)，可得：

(7)

(8)

(9)

為計算活塞風速，設罐籠高度hg，斷面面積Sg，運行速度vg，活塞風速vh，環(huán)狀空間風速vc，則由連續(xù)性方程：

vgSg=vhS+vc(S-Sg)

(10)

環(huán)狀空間風流相對于罐籠的速度vs，阻塞比α=Sg/S，那么：

(11)

分別建立斷面0-0與斷面1-1、2-2與5-5斷面之間風流相對于井筒壁面運動的伯努利方程：

(12)

(13)

式中：P0、P1、P2、P5—分別為斷面0-0、斷面1-1、斷面2-2、斷面5-5處壓強；h1、h23、h25—分別為斷面0-0與斷面1-1、斷面2-2與斷面3-3、斷面2-2與斷面5-5的高差；ζ0—風流斷面0-0出口處局部阻力系數(shù)。

再建立斷面1-1與斷面2-2之間風流相對于罐籠運動的伯努利方程：

(14)

式中：h12—斷面1-1與斷面2-2的高差；λc—分別為環(huán)狀空間沿程阻力系數(shù)；dc—環(huán)狀空間水力直徑，其中dc=4(S-Sg)/(C+Cg)，C、Cg分別為豎井、罐籠斷面周長；ζ1、ζ2—環(huán)狀空間入、出口處局部阻力系數(shù)。

此外，井巷內(nèi)外無自然風，則有：

(15)

式中：h5—斷面0-0與斷面5-5的高差。

聯(lián)立式(7)、(10)～(15)可得：

(16)

2.3 活塞效應對通風風流的影響

前面已就罐籠運行對其下方豎井和1中段重、空車場風速帶來的變化進行了分析，見式(7)～(9)。現(xiàn)為討論活塞效應對風壓的影響，設其對罐籠下方豎井段和重、空車場風壓擾動分別為ΔPh1、ΔPh2、ΔPh3，并分別建立斷面4-4與斷面5-5、斷面6-6與斷面7-7、斷面8-8與斷面9-9之間風流相對于井巷壁面的伯努利方程：

(17)

(18)

(19)

式中：P4、P6、P8—分別為斷面4-4、斷面6-6、斷面8-8處壓強。

將式(7)～(9)分別帶入式(17)～(19)可得：

(20)

(21)

(22)

另據(jù)式(14)，可得罐籠運行活塞風壓ΔPh為：

(23)

3 工程實例

以我國南方某鈾礦山提升系統(tǒng)中的副井(升降物料、礦石最大速度vm=10 m/s)為例進行計算，結合該礦山具體情況，相關計算參數(shù)取值見表1。

由表1所給基本計算參數(shù)，可求得相關參數(shù)的值(見表2)：

表1 單罐籠配平衡錘的副井提升方式下的活塞風計算參數(shù)

表2 相關參數(shù)的計算結果

根據(jù)上述計算結果，可作出活塞作用所致效應同罐籠運行速度的變化曲線(見圖3)：圖3表明，活塞風速、風壓與罐籠運行速度均呈正相關的關系。尤其當罐籠以該鈾礦井現(xiàn)有提礦檔最大速度vm=10 m/s運行時，風速、風壓擾動分別可達2.4～5.3 m/s、6～21 Pa，這將對礦井通風系統(tǒng)造成較為顯著的影響。

4 結 論

活塞效應是正常生產(chǎn)鈾礦井提升系統(tǒng)不可避免的現(xiàn)象。根據(jù)上述分析和討論，得出結論如下：

(1) 實際上，礦井活塞效應是罐籠運行、風機壓力和自然風壓等因素耦合作用的結果，井巷內(nèi)氣流表現(xiàn)為復雜的非定常過程。文中為便于分析和計算，而以定常問題討論。

圖3 活塞效應與罐籠運行速度的關系

(2) 影響活塞風大小的因素很多，包括罐籠規(guī)格、罐籠運行速度、井巷尺寸、馬頭門尺寸、井深及相應的沿程阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)等。

(3) 其他因素數(shù)值大小確定時，活塞風速、風壓與罐籠運行速度呈正相關的關系。尤其當罐籠以最大速度vm=10 m/s運行時，風速、風壓受到的擾動尤為明顯，這對通風系統(tǒng)的影響不可忽視。

(4) 若活塞效應致使通風困難，應考慮適當限速，以有效降低井巷內(nèi)活塞風速，確保礦井通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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