不同通風(fēng)系統(tǒng)在深部礦井中的數(shù)值及實驗分析

1、 不同通風(fēng)系統(tǒng)在深部礦井中的數(shù)值及實驗分析摘要 通風(fēng)系統(tǒng)在地下運作中起著至關(guān)重要的作用。在實驗和數(shù)值意義上，本文闡述了通風(fēng)系統(tǒng)在煤礦的盡頭處工作的研究。在一個真正的礦井巷道中采取的熱絲測速儀的測量，已經(jīng)被用來驗證數(shù)值模型。已經(jīng)有三種不同類型的通風(fēng)系統(tǒng)進行了數(shù)值研究：吹，排氣和混合通風(fēng)。數(shù)值模型提供了詳細(xì)的流場資料，空氣的平均密度和甲烷的濃度。這一信息使通風(fēng)系統(tǒng)的效率對比著不同的標(biāo)準(zhǔn)：停滯的區(qū)域，空氣污染區(qū)域和爆炸危險區(qū)域。關(guān)鍵字：通風(fēng)；煤礦；計算流體動力學(xué)；熱絲測速儀；吹；排氣；空氣平均密度；爆炸危險區(qū)域。1. 引言煤深度達1000米的地下礦開采，產(chǎn)生了對人類最危險的工作環(huán)境之一。此外，甲烷和

2、煤塵存在產(chǎn)生爆炸的危險。另外，在長期暴露于這些和其它空氣污染物中有嚴(yán)重?fù)p害健康的危險性。在煤礦開采過程中有兩種空氣污染的主要原因：第一，二氧化碳從內(nèi)燃機中排出來。第二，土壤中含有甲烷等氣體。因此，甲烷，煤塵和其他污染物主要聚集在礦區(qū)，旁邊的盡頭封閉的一面。因此，它代表了風(fēng)險最高領(lǐng)域。但是，通過通風(fēng)系統(tǒng)引入新鮮空氣，在礦井中的污染物最有效地減少了通過將其迅速稀釋。為了達到目的，有必要連續(xù)不斷和均勻地引入新鮮空氣。區(qū)域通風(fēng)不足的存在可能會產(chǎn)生污染物風(fēng)險的積累。在某種程度上說，一個有效的通風(fēng)系統(tǒng)是顯然需要的。長的通風(fēng)管道，空氣擴散器和風(fēng)扇作為鼓風(fēng)機或者抽風(fēng)機工作構(gòu)成了地下礦井通風(fēng)系統(tǒng)。這些元素的主要

3、目的是提供新鮮空氣，更重要的是，除去包括污染物和粉塵的空氣，以便能夠避免污染物在工作面的積聚。無論工作條件的改善和工作的安全性都取決于通風(fēng)系統(tǒng)消除有害污染物的能力。一個具有廣泛承認(rèn)的事實是通風(fēng)系統(tǒng)是合適的，當(dāng)它確保所有領(lǐng)域的平均流速在管理規(guī)定中。最近，出現(xiàn)了一種試圖尋找進一步的限制性參數(shù)，當(dāng)它要求評價通風(fēng)系統(tǒng)的性能。一些作者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這些因素在公共場所的應(yīng)用，但還不能應(yīng)用于地下礦井。通風(fēng)質(zhì)量是不能通過全局參數(shù)來完全量化的如換氣全局參數(shù)。一個參數(shù)例如地區(qū)速度系數(shù)的百分比不如這個給的模塊（死區(qū)），它本身并不代表一個適當(dāng)稀釋的保證。在危險區(qū)域中的空氣密度和當(dāng)?shù)匚廴疚锏臐舛人皆诹炕L(fēng)質(zhì)量方面會變

4、為更好的參數(shù)。這項研究的目的是分析三個通風(fēng)系統(tǒng)：排氣、吹氣和混合。無論是濕度還是傳熱效果都不在考慮范圍之內(nèi)。為了達到這個目的一個數(shù)值模型已經(jīng)建立起來了。數(shù)值模型解決了流場（速度、壓力、濃度、湍流、Y水平）和當(dāng)?shù)氐目諝饷芏?。為了驗證數(shù)值模型的流場，在實際礦井中取得了用熱絲測速儀測的實驗數(shù)據(jù)。通過分析死區(qū)和當(dāng)?shù)乜諝獾拿芏仁强梢员容^每個通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點的。同樣，通過分析這些含有高濃度的甲烷區(qū)域，爆炸的危險性也是可以確定的。這些結(jié)果是為了去除一些在不同通風(fēng)系統(tǒng)流動型態(tài)上的光，同時建立一些趨勢去設(shè)計一個通風(fēng)系統(tǒng)。2. 實驗設(shè)置實驗分析的目的是為了有足夠多的措施來確認(rèn)數(shù)值模型。這些措施已經(jīng)在一個真實的煤礦

5、巷道（巴雷多地下實驗的五南巷道和培訓(xùn)中心在米耶雷斯，在西班牙的阿斯圖里亞斯）如圖1。這個巷道是一個擁有大約9平方米的quasisemicircular，總共48米長。直徑0.6米的通風(fēng)管道通往屋頂和平行于巷道。通風(fēng)管道的終端放在6米的盡頭巷的封閉端（圖2）。這驅(qū)動氣流的體積流量為3.39立方米每秒。在圖1中還有兩個直徑更小的二級管：一個是為了壓縮空氣，另一個是為了排水。 圖1.煤礦巷道一個IFA100空氣指示器的熱絲測速儀使用了兩種不同類型的試樣:一個是全方位的（DANTET 55R49）在流速為0.8米/秒和另一個是單向性膜探頭的速度(DANTEC 55R31)0.5至20米/秒。熱絲測量工

6、作已經(jīng)完成了在巷道封閉面和Z方向上為18米之間的不同橫截面。52點進行了測量相應(yīng)地均勻分布在每個橫截面根據(jù)水平方向X上0.65米的間距，垂直方向Y上0.25的間距。3. 數(shù)值模型驗證以前的實驗結(jié)果被使用于驗證數(shù)值模型。因此，圖1中幾何領(lǐng)域已經(jīng)再現(xiàn)了跟真實的死巷通風(fēng)一樣的條件。壓縮空氣和排水的管道沒有被考慮因為它們對低流場的影響。離散這個幾何領(lǐng)域，圖2，一個大約有50000個六面體單元的三維網(wǎng)格已經(jīng)生成。在管底，給予一個Vz為12米/秒的流速和在巷道盡頭處得頂部給予一個大氣壓力的條件。Navier Stokes 關(guān)于三維，穩(wěn)定，不可壓縮和等溫流體的方程已經(jīng)解決。為了計算湍流粘度已經(jīng)選擇了Spal

7、art-Allmaras湍流模型的一個方程。公式中湍流粘度的好壞，和 從經(jīng)驗公式中進行評估。Spalart-Allmaras提供了相當(dāng)好的行為無論是在近壁區(qū)域還是在自由剪切流域。二階逆風(fēng)數(shù)值方法已經(jīng)處于使用中。 圖3顯示了不同橫截面Vz數(shù)值等速的輪廓，伴隨著一些由風(fēng)速計提供的速度為0.5米/秒的位置的實驗值。如果這個速度在這個數(shù)值之內(nèi)，那么應(yīng)用的實驗技術(shù)證明較高的錯誤率4。對于Z小于等于6和大于等于14米的區(qū)域，偏差仍然獲得在10%以內(nèi)。在中間地帶流動是受風(fēng)管端存在的影響。此外，二次流動是可以解釋為什么增長的偏差達到20%。通過實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值結(jié)果的良好一致性既確保了網(wǎng)格的空間分辨率和對這種類型

8、的模擬算法的使用上的適應(yīng)性。 圖2.盡頭巷的方案：（a）正面圖 和 （b）側(cè)面圖。 圖3.數(shù)值模擬和實驗值的Vz速度：（a）Z=4m;(b)Z=12m和(c)Z=18m。4. 參數(shù)化研究一旦數(shù)值模型已與實驗數(shù)據(jù)進行了驗證，不同的通風(fēng)系統(tǒng)進行分析：吹，排氣，和不同混合布局5。壓力式通風(fēng)涉及到新鮮風(fēng)流朝盡頭巷（見表1Blow6m）封閉面的方向驅(qū)動。另一方面，抽出式通風(fēng)從工作區(qū)域（見表1Exh6m和Exh1m）中抽出受污染的空氣。所有例子已經(jīng)模擬了相同的幾何結(jié)構(gòu)布局，相對應(yīng)于圖4所示在缺少輔助管道的情況下。維修處通風(fēng)的改進需要安裝混合通風(fēng)?；旌贤L(fēng)，除了主要的管道，利用附近的封閉端輔助管道，配有風(fēng)扇

9、（見表1中Mix1至Mix3）。這個第二管道的目的是促使額外的流動在巷道內(nèi)，但在相反方向上是關(guān)于主要管道，見圖4。模擬一個48米長的盡頭巷已使用85000單元格。主管的直徑dm為0.6米和輔助直徑daux為0.3米。一個體積流量Q為3.4立方米/秒的氣流經(jīng)過這個主要管道和一個體積流量Q為0.85立方米/秒的氣流經(jīng)過二次風(fēng)道。在新鮮空氣入口的表面，施加的均勻進口速度作為邊界條件。在受污染的空氣出口表面施加了一個靜壓。一個動力源泉期限是以模型的內(nèi)部風(fēng)扇在輔助管道內(nèi)。其余部分的數(shù)值模型特征重疊的部分在驗證章節(jié)會描述。5.死區(qū)域西班牙對礦山安全監(jiān)管規(guī)定，應(yīng)保證通風(fēng)系統(tǒng)到煤礦的最小空氣速度為0.2米/秒

10、。死區(qū)是指那些地區(qū)，在這個值之下速度模塊仍表1 通風(fēng)系統(tǒng)和它們的效率 圖4.巷道模型的參數(shù)化研究：(a)正面圖和（b）頂面圖 圖5.死區(qū)的空間分布然存在。沿著巷道通過評估死區(qū)的分布，我們可以執(zhí)行對不同通風(fēng)系統(tǒng)的質(zhì)量進行首次評估。由于采礦作業(yè)是在盡頭巷（Z?。┑姆忾]端附近進行，這個區(qū)域顯示了最大的污染物濃度。因此，對空氣的更新應(yīng)該是這個區(qū)域的主要保證。圖5顯示了在每一個橫截面對于不同通風(fēng)系統(tǒng)檢查的死區(qū)百分比。當(dāng)申請一個沒有輔助管道支持的抽出式通風(fēng)系統(tǒng)時，在風(fēng)管末端和封閉端之間這個區(qū)域沒有空氣的流動。這同樣會發(fā)生在當(dāng)空氣抽出在封閉端（Exh1m）1米時，盡管停滯區(qū)域較小。當(dāng)一個壓入的輔助管道是可以

11、使用的（Mix1和Mix3）時，這個區(qū)域的抽出式通風(fēng)顯示略有改善。相反，壓入式通風(fēng)系統(tǒng)的特色是事實上沒有死區(qū)從巷道的封閉面到風(fēng)管末端（Blow6m）。通過輔助管道的支持取得了一個額外的改進，（Mix2）。6.空氣齡和有效性然而，通風(fēng)質(zhì)量建立在死區(qū)決定的基礎(chǔ)上并不是適合的。有可能是不充分通風(fēng)作為區(qū)域循環(huán)的結(jié)果，即使是速度超過0.2米/秒。此外，有多個研究，其中，通風(fēng)系統(tǒng)的研究是基于當(dāng)?shù)乜諝饷芏鹊姆治?,6,7. 圖6.當(dāng)?shù)乜諝饷芏鹊目臻g分布當(dāng)?shù)氐目諝饷芏?，是通過求解偏微分方程來計算的，正如Sandberg8建立。 式中Vi是在i方向上的平均速度，v和vt是層流和湍流的運動粘度，和是層流和湍流Sc

12、hmidty數(shù)，分別地。當(dāng)?shù)貫榱愕目諝饷芏戎凳┘釉谛迈r風(fēng)流進口表面。 事前，很方便的，空氣相對較低的平均密度為新鮮空氣，尤其在封閉端的附近。在比較通風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)?shù)乜諝饷芏鹊钠骄祵τ谙锏赖拿恳粋€橫截面來說都是可以評估的。圖6顯示了沿著這個巷道的所有先前系統(tǒng)的平均密度的演變。由于當(dāng)?shù)氐钠骄芏葹檫吔鐥l件，只有那些在新鮮風(fēng)流進口重疊處得系統(tǒng)才有可比性，也就是，在它們中的Blow6m和Mix2;和在它們中的Exh1m、Exh6m和Mix1和Mix3。通過分析圖6我們發(fā)現(xiàn)最好的抽出式通風(fēng)的性能是獲得在封閉端（Exh1m）1米處進行抽出空氣或者在2米處得到輔助管道得支持（Mix3）。當(dāng)有無輔助管道情況下空

13、氣被抽出更高的距離時，由于空氣密度的增加，工作面附近的區(qū)域充滿了非常污濁的空氣。但是，從新鮮空氣進口到排風(fēng)風(fēng)管的所有情況下，流量的移位都是活塞式的，也就是說等速地平行于礦山軸。但是，對于壓入式通風(fēng)得到了更好的結(jié)果，如果風(fēng)管末端更接近于工作面。根據(jù)Roos2通風(fēng)系統(tǒng)的整體效率可以定義為： 其中是指當(dāng)?shù)爻隹诙蔚钠骄芏?，是指在整個巷道內(nèi)的當(dāng)?shù)仄骄芏?。一個完美的位移流將揭示出一種效率值為1和一個完美的混合流有一個效率值0.52。效率的定義允許任何通風(fēng)系統(tǒng)的比較，不管新鮮風(fēng)流進口段。 表1的最后一欄顯示了研究系統(tǒng)獲得的效率值。一個重要的大量當(dāng)?shù)馗咂骄芏戎甘局托?，因為它有可能在圖6和表1的Mix

14、1和Exh6m例子中觀察到。其余如前面指出的情況下，表現(xiàn)出了在多數(shù)巷道中完美的位移流，因此效率接近于1。根據(jù)效率標(biāo)準(zhǔn)，最優(yōu)的布局將在封閉面的1米處進行抽出空氣，Exh1m。獲得的最糟糕的效率是在工作面Mix1區(qū)域的25m處用混合布局進行抽出空氣。7.爆炸危險性煤層含有由80%至99%甲烷構(gòu)成的氣體混合物。氣體通風(fēng)不足將導(dǎo)致瓦斯積聚到一定的數(shù)量以至于可以從采礦設(shè)備的火花中被點燃。因此，在研究通風(fēng)系統(tǒng)質(zhì)量方面有第三種選擇，除了從死區(qū)和空氣的密度方面。它由分析甲烷的色散組成。本章節(jié)論述了從甲烷的恒定流量速率Qch4=0.030立方米/秒的擴散而獲得的結(jié)果通過在盡頭巷的封閉面的壓力式和抽出式通風(fēng)（Ex

15、h6m y Blow6m）。該數(shù)值模型必須解決一個非穩(wěn)態(tài)求解。穩(wěn)定的解決方案被認(rèn)為是完成了當(dāng)所發(fā)出的質(zhì)量流量作為刪除的相同。每個國家都有不同的甲烷濃度許可限制，例如在德國為1%，在英國為1.25%，在法國為2%或者在西班牙為2.5%10。根據(jù)西班牙的安全規(guī)程，對抽出式和壓力式這兩個通風(fēng)系統(tǒng)的比較是通過可燃性危險區(qū)域的分布來確定的，圖7所示。據(jù)觀察，該壓入式模型顯示這些區(qū)域的缺少，它們靠抽出式模型沒有提供任何的可能性，為了避免靠近盡頭巷（Z<7m）封閉面的可能性風(fēng)險。 圖7.爆炸危險性區(qū)域的空間分布 圖8.甲烷濃度等量線Z=0.5m：a壓入式Blow6m和b抽出式Exh6m。圖8顯示了Z=0.5m的橫截面的等濃度輪廓線。浮力效應(yīng)和抽出式通風(fēng)的低流速場一起導(dǎo)致了在巷道頂端部分瓦斯的積聚，圖8b所示。壓入式通風(fēng)系統(tǒng)，圖8a所示允許更好的甲烷稀釋，當(dāng)速度在靠近排放區(qū)有著更高的速度時。8.結(jié)論在實際礦井中的盡頭巷內(nèi)部進行的測量已確定了一個數(shù)值模型。根據(jù)該模型分析了三種不同標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量通風(fēng)系統(tǒng)：從速度的分布開始分析了死區(qū)；從當(dāng)?shù)丶淄榭諝饷芏确植奸_始分析了效率；和從甲烷濃度的分布分析了其爆炸的危險性。所有這些標(biāo)準(zhǔn)都已經(jīng)應(yīng)用于在礦山深部共同使用的不同通風(fēng)系統(tǒng)。前兩個標(biāo)準(zhǔn)提供了相當(dāng)類似的結(jié)果，但最