礦井立井提升設備活塞風動力效應研究

王文才 魏丁一 許 哲

(內蒙古科技大學礦業研究院，內蒙古自治區包頭市，014010)

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礦井立井提升設備活塞風動力效應研究

王文才 魏丁一 許 哲

(內蒙古科技大學礦業研究院，內蒙古自治區包頭市，014010)

為了研究提升設備運行時產生的活塞風動力效應，基于傳統流體力學理論，運用流體力學軟件FLUENT建立二維RNG k-ε湍流模型，對提升設備在不同運行狀態下井筒內的壓力場和流場進行模擬。模擬研究結果表明，提升設備在立井內運行時，立井內活塞風動力效應與相對速度密切相關;提升設備逆風運行時比順風運行時立井內的活塞風動力效應變化劇烈，且隨相對速度的增大，立井內最大風速和最大壓差在增大，立井內活塞風動力效應變得更加劇烈。

提升設備 RNG k-ε湍流模型 活塞風 動力效應 壓力場 數值模擬 相對速度

礦井通風系統是整個地下礦山安全生產中最重要的保障，只有通風系統安全可靠才能預防各種井下災害，但影響礦井通風系統穩定的因素有很多，對于立井來說，穩定性影響因素主要是礦井提升設備。當提升設備運行時會產生類似于活塞運動的空氣動力學問題，造成整個通風網絡的局部阻力，因而影響通風系統的安全可靠性。國內外對活塞風動力效應研究較多的是地鐵和公路隧道領域，對于礦井活塞風動力效應的研究相對較少。

不少學者對于礦井活塞風動力效應引起的非穩態流動進行了研究。王從陸、吳超等通過運用FLUENT模擬研究礦內運輸工具運動時巷內速度流場和壓力分布得出在巷道的不同位置，活塞風風流狀態不同，且運輸工具的運輸方向對于活塞風有較大的影響；胡鵬華等通過對鈾礦井活塞風風壓影響的現場測試得出活塞風的影響因素除阻塞比等設計因素外，主要為罐籠提升速度，與鈾礦井罐籠提升量無關；王海橋、田峰通過對提升設備繞流的數值模擬得出提升設備運行時的活塞效應受多種因素耦合作用，產生局部阻力，對通風系統穩定性有一定的影響。

本文運用FLUENT對礦井提升設備運行時產生活塞風動力效應時立井內風流變化規律進行研究，探討立井內活塞風的動力效應及其對于礦井通風系統的影響。

1 礦井提升設備模型的建立

影響活塞風效應的因素有很多，井巷的阻塞比、阻力系數、設備尺寸和設備速度等，而且礦井提升設備運行時立井內風流流場比較復雜。為了簡化模型便于分析，做出如下假設：

(1)將立井內的氣流視為不可壓縮流動且為湍流；

(2)在合理范圍內，簡化立井斷面和礦井提升設備；

(3)在立井內不受活塞風影響的相同截面，風速保持不變，且設定所產生的活塞風在立井截面均勻分布；

(4)流體具有各向同性，滿足Boussinesq假設；

(5)巷道壁面絕熱，忽略粘性力做功引起的耗散熱，即假設立井內為等溫流動；

(6)不考慮自然風壓，且立井內提升設備運行簡化為勻速運動。

1.1 數學模型

如上述假設，立井內空氣流動一般為湍流流動，對于不可壓縮氣流，為了便于分析，使用非穩態流體通用控制方程：

(1)

式中：Φ——通用變量；

Γ——廣義擴散系數；

ρ——密度，kg/m3；

ui——在i方向上的速度分量，m/s；

xi——在i方向上的x分量；

t——時間，s；

SΦ——源項。

1.2 物理模型

本文以某礦立井和罐籠作為模擬實體，立井規格為：井筒直徑為4 m，長度設為100 m，為單罐籠運行狀態，罐籠規格為2.2 m×2.2 m×5 m，立井井頸為鋼筋混凝土井壁，井身為雙層井壁和素混凝土井壁，副井進風，主井回風，立井內通風風速為5 m/s，罐籠分別以1 m/s、3 m/s、7 m/s和9 m/s順風和逆風運行，將立井提升設備模型簡化為如圖1所示。立井總模擬長度為100 m，運用FLUENT前處理軟件Gambit劃分網格，采用Pave型三角形網格進行劃分，此處采用分析部分變化明顯的巷道來模擬。

圖1 立井提升設備運動示意圖

1.3 邊界條件

模型中上部為模型入口，如圖1(b)所示，入口設為速度入口，入口風流速度大小恒為5 m/s且速度沿橫斷面分布均勻，模型的下部作為出口邊界，出口的類型為outflow，其余邊界默認。立井壁面滿足無滑移邊界條件，垂直壁面壓力梯度為0，靠近壁面的層流速度設為0，近壁區壁面函數采用標準壁面函數。

1.4 求解方法

選用基于壓力的隱式二維單精度穩定流解算器，梯度選擇基于單元的Green-Gauss方法，速度采用絕對速度，近壁區處理采用標準壁函數，壓力場為標準離散方式。由于采用Pave網格，一階精度會產生明顯的離散誤差，因此對于對流項采用二階精度，其他的默認采用一階迎風格式離散。湍流模型采用RNG k-ε湍流模型，模型中其他常用的經驗常數為C1ε=1.42,C2ε=1.68,Cu=0.0845。解算器的加速收斂的參數采用默認值，流場離散方程的求解采用SimPle算法。

2 數值模擬結果與分析

根據上述模型和所示的邊界條件和求解方法，將模型導入FLUENT6.3.26對立井內提升設備運行時巷內流場進行了模擬。

2.1 提升設備順風運行時的壓力云圖及分析

罐籠順風運行時的壓力云圖如圖2所示。由圖2可以看出，立井內風速恒為5 m/s，罐籠順風運行，當罐籠與風速的相對速度為-4 m/s時，靠近罐籠底部正下方有立井內最大壓力為6.31 Pa，隨著向下距離罐籠底部距離的增大，其壓力在不斷降低，立井下部平穩壓力為0.39 Pa，靠近罐籠頂部正上方有最小壓力-72.6 Pa，立井上部平穩壓力為-47 Pa；當相對速度為-2 m/s時，在靠近罐籠底部正下方有巷內最大壓力為1.57 Pa，立井下部平穩壓力為0.087 Pa，靠近罐籠頂部正上方有最小壓力-18.2 Pa，立井上部平穩壓力為-11.8 Pa；當相對速度分別為2 m/s、4 m/s時，在靠近罐籠底部正下方立井內最小壓力分別為-6.66 Pa、-26.71 Pa，隨著距離罐籠底部向下越來越遠，其壓力不斷升高，立井下部平穩壓力分別為-0.136 Pa、-0.81 Pa，靠近罐籠頂部正上方最大壓力分別為13.4 Pa、53 Pa，立井上部平穩壓力依次為11.9 Pa、47 Pa。

圖2 罐籠順風運行時的壓力云圖

由以上數據對比看出，罐籠順風運行，如果相對速度為負值時，立井內最大壓力和下部平穩壓力隨相對速度的增大而降低，最小壓力(負值)和上部平穩壓力隨之升高，罐籠周圍立井內最大壓差在減小；相對速度為正值時，立井內最大壓力、最小壓力(負值)和上部平穩壓力均隨相對速度的增大而升高，下部平穩壓力(負值)隨之降低，立井內最大壓差在增大。順風狀態下，罐籠附近立井內最大壓差隨相對速度v變化的近似關系式為：

P=2.45v2+3.09v-40.08

式中：P——最大壓差，Pa；

v——相對速度，m/s。

因此當相對速度為負值時，順風運行時立井內活塞風動力效應隨相對速度的增大而減小；當相對速度為正值時，立井內活塞風動力效應隨相對速度的增大而顯著。

2.2 提升設備逆風運行時的壓力云圖及分析

罐籠逆風運行時的壓力云圖如圖3所示。由圖3可知，立井內風速恒為5 m/s，罐籠逆風運行，當罐籠與風速的相對速度為6 m/s時，在靠近罐籠頂部正上方有最小壓力-165 Pa，立井上部平穩壓力為-106.5 Pa，在靠近罐籠底部正下方有最大壓力13.9 Pa，立井下部平穩壓力為0.47 Pa；當相對速度依次為8 m/s、12 m/s、14 m/s時，在靠近罐籠頂部正上方立井內最小壓力分別為-293 Pa、-657 Pa、-893 Pa，立井上部平穩壓力分別為-189 Pa、-425 Pa、-577.5 Pa，靠近罐籠底部正下方立井內最大壓力分別為24.9 Pa、56.6 Pa、77.2 Pa，立井下部平穩壓力依次為1.12 Pa、3.1 Pa、4.45 Pa。

由以上分析可知，當罐籠逆風運行時，立井內最大壓力、下部平穩壓力和壓力漩渦區的長度都隨相對速度的增大而增大，立井內最小壓力(負值)、罐籠底部同水平壓力和上部平穩壓力(負值)均隨之降低。逆風運行時，罐籠附近立井內最大壓差隨相對速度v變化的近似關系式：

P=98.9v-444

(2)

因此，在逆風狀態下運行時，立井內活塞風動力效應隨相對速度的增大而更加顯著。

2.3 提升設備在不同運行狀態下立井內速度分析

罐籠不同運行狀態下立井內的最大風速如表1和圖4所示。

圖3 罐籠逆風運行時的壓力云圖

表1 罐籠不同運行狀態下立井內的最大風速 m/s

圖4 不同運行狀態下立井內的最大風速

由表1和圖4可知，順風狀態下，當相對速度為負值時，立井內最大風速隨相對速度的增大而減小，當相對速度為正值時，立井內最大風速隨相對速度的增大而增大，且立井內最大風速隨相對速度的變化的近似關系式如下：

(3)

式中：Vmax——立井內最大風速，m/s。

逆風狀態下，立井內最大風速隨相對速度的增大而急劇增大，且立井內最大風速隨相對速度的變化的近似關系式為：

Vmax=2.45v-0.01

(4)

3 結論

(1)罐籠相對于風速的相對速度為負值時，立井內活塞風動力效應會隨相對速度的增大而減弱；當相對速度為正值時，立井內活塞風動力效應會隨相對速度的增大而更加顯著，且罐籠速度越接近風速，立井內活塞風動力效應越不明顯。

(2)不論罐籠處于逆風還是順風運行狀態，立井內的活塞風動力效應均與罐籠相對于風速的相對速度緊密相關，且活塞風動力效應隨相對速度的增大而愈加劇烈。

(3)提升設備運行時產生活塞風動力效應的影響范圍屬于立井內的局部區段，也增大了通風系統的局部通風阻力，因此其對于整個礦井通風系統的穩定性影響也是局部的。

(4)由于降低活塞風動力效應的有效措施是降低阻塞比和車速，但考慮到工程實際條件和巷壁支護，因此罐籠運行尤其是逆風運行時，礦山系統要考慮罐籠的運行速度，為進一步研究巷道摩擦系數對于活塞風動力效應的影響具有一定指導意義。

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(責任編輯 張艷華)

Study on piston wind dynamic effect of hoist equipment in mine shaft

Wang Wencai, Wei Dingyi, Xu Zhe

(Mining Research Institute, Inner Mongolia University of Science & Technology,Baotou, Inner Mongolia 014010, China)

In order to study the piston wind dynamic effect caused by operating hoist equipment, based on traditional fluid mechanics theory, the two-dimension RNG k-ε turbulent flow model was built up by fluid mechanics software to simulate pressure field and fluid field inside shaft under different operation conditions. The simulation results showed that piston wind dynamic effect is closely related to relative velocity; the piston wind dynamic effect varied more dramatically when hoist equipment operated against the wind than following the wind and with the increasing of relative velocity, the maximum wind velocity and the maximum pressure difference were increasing, and the piston wind dynamic effect inside shaft became more severe.

hoisting equipment, RNG k-ε turbulent flow model, piston wind, dynamic effect, pressure field, numerical simulation, relative velocity

內蒙古自治區研究生科研創新資助項目(S20161012706)

王文才，魏丁一，許哲. 礦井立井提升設備活塞風動力效應研究[J].中國煤炭，2017,43(5)：74-78. Wang Wencai, Wei Dingyi, Xu Zhe . Study on piston wind dynamic effect of hoist equipment in mine shaft[J]. China Coal, 2017，43(5):74-78.

TD53 TD721

A

王文才(1964-)，男，內蒙古伊金霍洛旗人，教授，博士，博士生導師，從事安全工程及礦業技術經濟的教學和研究工作。