基于Flunt模擬的龍首礦下向進路采礦炮煙擴散規律研究

陶發玉 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節之一,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。

CFD模擬作為成熟的流體模擬方式,已經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礦井中炮煙擴散的規律。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律,會指導礦山的生產實踐,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基地。自礦山建立、生產以來,井下的通風方式主要為壓抽混合式通風。隨著生產能力不斷擴大,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

在進行數值模擬之前,需要建立不同參數的模型,其中聯絡道高度分別為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 數學模型

本次數值模擬針對CO在獨頭進路中自然風流擴散的規律,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,所以使用瞬態條件。通過計算風流雷諾數確定風流為湍流,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,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,聯絡道斷面上各點的速度保持一致。選取速度入口(Velocity inlet)。根據相關公式計算聯絡道中自然風流的雷諾數、水力直徑和湍流強度。雷諾數為

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。

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 網格劃分

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

圖2 網格劃分模型Fig.2 Meshing model

3 數值計算分析

3.1 不同聯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、充填體之間更加穩固。爆破之后,CO聚集于獨頭進路工作面處,自然風流通過聯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。在其生產中,聯絡道有3.5m×4.5m和5m×4.5m 2種規格,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高的聯絡道的獨頭進路中CO擴散達標時間要遠高于5m的聯絡道。這是因為獨頭進路的高度為5 m,而3.5 m的聯絡道與其有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絡道。

圖3 炮煙擴散達標時間規律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絡道連接處的頂部,CO濃度最高為120×10-6左右。 5 m高聯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高聯絡道CO擴散時間的影響規律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,呈現出巷道上側CO濃度高、下側濃度低的分布規律。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已經從獨頭進路中逐漸排出并進入聯絡道中,且向聯絡道兩側擴散。這是因為5m高的聯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聯絡道高度的計算模型,發現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絡道風速相比更小,接近于0 m/s。因為聯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,通風井相較于聯絡道斷面較小,所以獲得更大的風速[7]。聯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聯絡道高度相較于3.5 m聯絡道,更有利于獨頭進路中CO的擴散,主要因為3.5 m聯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。