基于COMSOL的非煤地下礦山機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)研究

秦小艷 王宏圖 朱藝文 袁志剛

1.西南資源開(kāi)發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2.復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044

基于COMSOL的非煤地下礦山機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)研究

秦小艷1,2王宏圖1,2朱藝文1,2袁志剛1,2

1.西南資源開(kāi)發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2.復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044

為優(yōu)化非煤地下礦山炮后污風(fēng)排放，本文運(yùn)用COMSOL Multiphysics軟件，對(duì)黃坡山石灰石地下礦山機(jī)械通風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明：隨著時(shí)間的推移，巷道內(nèi)各點(diǎn)風(fēng)流速度逐漸增大，但增大至一定程度后風(fēng)流速度逐漸穩(wěn)定，即達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)；抽風(fēng)管的影響范圍為15m～18m左右。機(jī)械通風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性，驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型及數(shù)值解法的正確性和適用性，為機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)施工參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)作用。

地下礦山；機(jī)械通風(fēng)；流場(chǎng)；數(shù)值模擬

學(xué)科分類與代碼:6202740(安全模擬與安全仿真學(xué))

引言

地下礦山工作空間狹小、采礦作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵和有毒有害氣體不能及時(shí)擴(kuò)散等特殊的生產(chǎn)條件，使得地下礦山采掘過(guò)程中的不安全因素增多。礦井污染物含量的高低與礦井的通風(fēng)系統(tǒng)有著直接的聯(lián)系。近年來(lái)，機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的使用在國(guó)內(nèi)非煤地下礦山中得到普及，但我國(guó)非煤地下礦山采礦主要利用自然通風(fēng)方式進(jìn)行炮后作業(yè)。不利于污風(fēng)的排放；易導(dǎo)致有毒氣體局部聚集，造成人員中毒等隱患。因此，建立一個(gè)有效與完善的通風(fēng)系統(tǒng)是非常必要的[1]。

1 采場(chǎng)概況

黃坡山石灰石地下礦山開(kāi)采的石灰?guī)r，開(kāi)采厚度為6m。頂、底板為灰?guī)r，頂?shù)装鍘r石力學(xué)強(qiáng)度高，穩(wěn)定性較好。礦層延伸較穩(wěn)定，礦層總體傾向89°，傾角1°～2°，采用主平硐+斜坡道開(kāi)拓方式。在該地下礦山工作面上采用大管道抽出式機(jī)械通風(fēng)，供風(fēng)量為630m3/min。工作面采用放炮落巖，自然通風(fēng)。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 物理模型

圖1 采場(chǎng)物理模型示意圖

鑒于地下采場(chǎng)巷道溫度、頂?shù)装遢^穩(wěn)定，巷道斷面積無(wú)明顯變化，因此對(duì)物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據(jù)黃坡山石灰?guī)r礦山工作面的實(shí)際情況，建立二維模型，模型長(zhǎng)為100m，寬為60m，在工作面正中位置布置一抽風(fēng)管道，管道直徑1m，風(fēng)機(jī)抽風(fēng)口距工作面10m，上下邊界處有兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口，模型如圖1所示。

2.2 數(shù)學(xué)模型

(1)假設(shè)條件[2-4]

根據(jù)熱工理論基礎(chǔ)，可認(rèn)為巷道里面的空氣滿足氣體狀態(tài)方程，即：

式中：3P—空氣壓力，Pa；—空氣密度，kg/m；R—空氣常數(shù)，約297J/kg；T—空氣決定溫度，K。

其次，將巷道內(nèi)空氣流動(dòng)的壓力視為常數(shù)，可得：

另外，試驗(yàn)巷道內(nèi)空氣流動(dòng)為低速流動(dòng)，可將巷道內(nèi)的空氣當(dāng)作不可壓縮流體看待，即：

而且，巷道內(nèi)的空氣溫度的變化不大，也就是密度變化不大，則巷道內(nèi)的風(fēng)流流動(dòng)符合Bonssinesq假設(shè)[5]，忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱，同時(shí)假定壁面絕熱，等溫通風(fēng)。

(2)數(shù)學(xué)模型[6,7]

根據(jù)假設(shè)條件，應(yīng)用流體力學(xué)知識(shí)，基于牛頓第二定律，采用不可壓縮的Navier-Stokes方程描述流體在采場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，Navier-Stokes方程可表示為：

式中：u為流體流速，m/s；p為流體壓力，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；η為動(dòng)粘系數(shù)，Pa s；I為單位矢量；F為流體阻力。

3 通風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬

3.1邊界條件

根據(jù)流場(chǎng)基本假設(shè)及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，上下邊界的兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度入口，入口實(shí)測(cè)平均風(fēng)速為3m/s；通風(fēng)管道抽風(fēng)口處邊界為壓力邊界，出口壓力為風(fēng)機(jī)所提供負(fù)壓，設(shè)置為-3.9KPa；其余邊界上施加無(wú)滑動(dòng)邊界條件，即假設(shè)該邊界上氣體流動(dòng)速度為0。

3.2 網(wǎng)格的劃分

針對(duì)上述模型，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于抽風(fēng)口處的風(fēng)流速度梯度大，為了計(jì)算更加精確，對(duì)抽風(fēng)口處進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖2所示。

圖2 流場(chǎng)網(wǎng)格劃分圖

3.3 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)上述的計(jì)算模型和邊界條件，用COMSOL 3.5a多物理場(chǎng)耦合分析軟件對(duì)采場(chǎng)通風(fēng)流場(chǎng)二維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，用COMSOL 3.5a的后處理模塊得到采場(chǎng)空間內(nèi)各處風(fēng)流速度分布圖和采場(chǎng)風(fēng)流流線分布圖(圖3～6)。

圖3 時(shí)間為9s時(shí)采場(chǎng)風(fēng)流速度分布圖

圖4 時(shí)間為20s時(shí)采場(chǎng)風(fēng)流速度分布圖

圖5 時(shí)間為50s時(shí)采場(chǎng)風(fēng)流速度分布圖

圖6 時(shí)間為50s時(shí)采場(chǎng)風(fēng)流流線分布圖

從圖3～圖5可知，隨著時(shí)間的推移，采場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)風(fēng)流速度增大，在20s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。可看出：抽風(fēng)機(jī)能較快抽出污風(fēng)，增加安全性。風(fēng)流速度最大點(diǎn)出現(xiàn)在抽風(fēng)管抽風(fēng)口附近，速度可達(dá)到10m/s左右，管道直徑為1m，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得供風(fēng)量為600m3/ min，與工作面所需風(fēng)量相吻合。

從圖6可知，流速分布曲線由抽風(fēng)口附近向外逐漸變稀，說(shuō)明離開(kāi)抽風(fēng)口后風(fēng)流速度衰減較快。距抽風(fēng)口豎直方向15m～18m范圍內(nèi)的采場(chǎng)工作面風(fēng)流速度比較均勻穩(wěn)定，大于18m以后風(fēng)流流速曲線急劇向內(nèi)凹，說(shuō)明風(fēng)流速度隨著與抽風(fēng)管口距離的變大而變小，距離在15m～18m處最小。

3.4 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

在黃坡山石灰石礦山工作面利用發(fā)煙管煙霧觀測(cè)，同時(shí)利用風(fēng)速傳感器距抽風(fēng)口由近到遠(yuǎn)選取六個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)風(fēng)流速度，結(jié)合模擬計(jì)算結(jié)果得出實(shí)測(cè)風(fēng)流速度與模擬風(fēng)流速度對(duì)比如圖7所示。從圖7中可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，風(fēng)流速度變化趨勢(shì)和規(guī)律基本一致。

圖7 實(shí)測(cè)與模擬風(fēng)速對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

1)模擬得出風(fēng)流速度最大點(diǎn)出現(xiàn)在抽風(fēng)管抽風(fēng)口附近，速度可達(dá)到10m/s左右，通過(guò)計(jì)算可知模擬工作面風(fēng)量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際所需風(fēng)量相近，說(shuō)明模擬結(jié)果較合理。

2)抽風(fēng)管的影響半徑為15m～18m左右，實(shí)際工程應(yīng)用中，將相鄰兩抽風(fēng)管管口布置在相距30m左右的位置上，可達(dá)到最佳通風(fēng)效果。

3)通風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性，表明通風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果能夠用于現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)指導(dǎo)。

[1]王海寧.礦井風(fēng)流流動(dòng)與控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2007.

[2]馬駿馳.基于ANSYS的機(jī)械通風(fēng)溫室內(nèi)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[D].武漢.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[3]王海橋,施式亮,劉榮華等.獨(dú)頭巷道附壁射流通風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004,29(4):426-428.

[4]唐明云,戴廣龍,秦汝祥等.綜采工作面采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012,43(4):1494-1498.

[5]ZHANG Dian-xin, TAO Jian-hua. A Boussinesq model with alleviated nonlinearity and dispersion [J] Applied Mathematics and Mechanics(English Edition)，2008, 29(7):897-908.

[6]龍?zhí)煊?蘇亞欣.計(jì)算流體力學(xué)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2007.

[7]嚴(yán)宗毅,許世雄,章克本等.流體力學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2000.

TD712

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.009