不同通風系統(tǒng)在深部礦井中的數(shù)值及實驗分析

1、 不同通風系統(tǒng)在深部礦井中的數(shù)值及實驗分析摘要 通風系統(tǒng)在地下運作中起著至關重要的作用。在實驗和數(shù)值意義上，本文闡述了通風系統(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系統(tǒng)進行了數(shù)值研究：吹，排氣和混合通風。數(shù)值模型提供了詳細的流場資料，空氣的平均密度和甲烷的濃度。這一信息使通風系統(tǒng)的效率對比著不同的標準：停滯的區(qū)域，空氣污染區(qū)域和爆炸危險區(qū)域。關鍵字：通風；煤礦；計算流體動力學；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重損害健康的危險性。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，它代表了風險最高領域。但是，通過通風系統(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)域通風不足的存在可能會產(chǎn)生污染物風險的積累。在某種程度上說，一個有效的通風系統(tǒng)是顯然需要的。長的通風管道，空氣擴散器和風扇作為鼓風機或者抽風機工作構(gòu)成了地下礦井通風系統(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系統(tǒng)消除有害污染物的能力。一個具有廣泛承認的事實是通風系統(tǒng)是合適的，當它確保所有領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)，當它要求評價通風系統(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用，但還不能應用于地下礦井。通風質(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稀釋的保證。在危險區(qū)域中的空氣密度和當?shù)匚廴疚锏臐舛人皆诹炕L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?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?shù)乜諝獾拿芏仁强梢员容^每個通風系統(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系統(tǒng)流動型態(tài)上的光，同時建立一些趨勢去設計一個通風系統(tǒng)。2. 實驗設置實驗分析的目的是為了有足夠多的措施來確認數(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米的通風管道通往屋頂和平行于巷道。通風管道的終端放在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中幾何領域已經(jīng)再現(xiàn)了跟真實的死巷通風一樣的條件。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)，那么應用的實驗技術證明較高的錯誤率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，不同的通風系統(tǒng)進行分析：吹，排氣，和不同混合布局5。壓力式通風涉及到新鮮風流朝盡頭巷（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，相對應于圖4所示在缺少輔助管道的情況下。維修處通風的改進需要安裝混合通風?；旌贤L，除了主要的管道，利用附近的封閉端輔助管道，配有風扇

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，應保證通風系統(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系統(tǒng)檢查的死區(qū)百分比。當申請一個沒有輔助管道支持的抽出式通風系統(tǒng)時，在風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)生在當空氣抽出在封閉端（Exh1m）1米時，盡管停滯區(qū)域較小。當一個壓入的輔助管道是可以

11、使用的（Mix1和Mix3）時，這個區(qū)域的抽出式通風顯示略有改善。相反，壓入式通風系統(tǒng)的特色是事實上沒有死區(qū)從巷道的封閉面到風管末端（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，通風質(zhì)量建立在死區(qū)決定的基礎上并不是適合的。有可能是不充分通風作為區(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，通風系統(tǒng)的研究是基于當?shù)乜諝饷芏鹊姆治?,6,7. 圖6.當?shù)乜諝饷芏鹊目臻g分布當?shù)氐目諝饷芏龋峭ㄟ^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?shù)貫榱愕目諝饷芏戎凳┘釉谛迈r風流進口表面。 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。在比較通風系統(tǒng)，當?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?shù)氐钠骄芏葹檫吔鐥l件，只有那些在新鮮風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風管的所有情況下，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，對于壓入式通風得到了更好的結(jié)果，如果風管末端更接近于工作面。根據(jù)Roos2通風系統(tǒng)的整體效率可以定義為： 其中是指當?shù)爻隹诙蔚钠骄芏?，是指在整個巷道內(nèi)的當?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系統(tǒng)的比較，不管新鮮風流進口段。 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?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)效率標準，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。氣體通風不足將導致瓦斯積聚到一定的數(shù)量以至于可以從采礦設備的火花中被點燃。因此，在研究通風系統(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（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)定的解決方案被認為是完成了當所發(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。浮力效應和抽出式通風的低流速場一起導致了在巷道頂端部分瓦斯的積聚，圖8b所示。壓入式通風系統(tǒng)，圖8a所示允許更好的甲烷稀釋，當速度在靠近排放區(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準的質(zhì)量通風系統(tǒng)：從速度的分布開始分析了死區(qū)；從當?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。所有這些標準都已經(jīng)應用于在礦山深部共同使用的不同通風系統(tǒng)。前兩個標準提供了相當類似的結(jié)果，但最