高空溜井卸礦沖擊風速模擬研究

張 見，李義杰，肖利民

高空溜井卸礦沖擊風速模擬研究

張 見1，李義杰2, 3，肖利民2, 3

(1.銅陵有色金屬集團股份有限公司安慶銅礦，安徽 安慶市 246131；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

為有效控制高溜井沖擊氣流，通過理論分析得出高溜井卸礦時沖擊風速大小的主要影響因素有礦石卸載量、下落深度、礦塊大小、溜井斷面及溜井阻力系數等。以某礦單一高溜井為研究對象，利用Fluent軟件模擬了礦石下落深度對溜井沖擊氣流的影響，結果表明沖擊風速和氣壓與礦石下落深度呈正相關。

高空溜井;沖擊氣流;數值模擬;下落高度

礦車向溜井內卸礦時，由于溜井內只有上下出口，礦石在溜井中下落的過程中會使溜井內的空氣產生氣流，氣流會將溜井內礦石產生的粉塵沖擊至各中段的支岔溜井，增加了溜井附近巷道內的粉塵濃度，極大地降低了井下空氣質量[1-3]。礦體在運動過程中造成溜井內氣體發生擾動，產生不穩定狀沖擊風速，擾動的氣流進一步引起壁內粉塵運動。因此，礦體顆粒在溜井內的運動是溜井粉塵的激發源，是研究和治理溜井內粉塵的基礎。

1 溜井沖擊風速

當眾多礦石固體顆粒在溜井內自由下落時，假定單位時間內礦石固體顆粒作為非壓縮球體，且各固體顆粒之間相互發生撞擊等作用，則球體產生的正面阻力由式（1）計算[4-5]。

由于礦石在豎直方向的投影面積S占溜井全斷面4%~15%，令S/(S?)=，取0.04167~0.1765。

當礦石固體顆粒以加速度沿井內壁面下落至深度時，則在該點的速度可近似為(2)1/2，因礦石固體顆粒與井內空氣在坐標軸上屬相對運動，故可近似認為繞過礦石固體顆粒的空氣其速度為u=(2)1/2。依據能量守恒定律，井內因礦體運動而產生的前部阻力h與流體所擁有的能量屬于等價關系。將u代入（式1）中：

式中，為下落深度，m。

礦石固體顆粒下落深度逐漸增大，井內空氣擾動越激烈，當礦石固體顆粒下落至最低點時，井內空氣擾動達到最強烈時刻，在該時刻井內空氣沿卸礦口沖出時，流體需沖破阻礙而造成能量損耗，最終隨時間的推移和運動距離的增大而消耗殆盡。在這個過程中，流體運動以瞬態形式存在，而其造成的能量損耗為：

式中，為溜井內沖擊氣流速度，m/s；為溜井口局部通風阻力系數；d/d為慣性阻力，隨時間變化而變化，當沖擊風速達到最大時，d/d=0 。

依據空氣動力學可知，井內空氣因礦體顆粒運動而擁有的能量與其沖破阻礙而造成的能量損耗屬于等價關系，故h=h，則：

由式（4）可知，影響高溜井卸礦時沖擊風速大小的要素主要有礦石卸載量、下落深度、礦塊大小、溜井斷面及溜井阻力系數等。

2 溜井沖擊風流模擬

為了降低溜井卸礦時產生的沖擊風速及粉塵濃度，需客觀深入了解溜井落礦所產生的沖擊氣流及氣壓，而流體的運動是一個非常復雜的過程，通常需要在一定的假設條件下，建立某種數學模型，使用數學表達式去描述其可能的運動規律。然而，面對求解數學表達式得到的大量數據，需要采用一種直觀的方式去展示以供分析，而Fluent流體力學軟件擁有科學計算可視化功能，擁有將數據信息轉換成圖像、圖形信息的重要手段。

2.1 模型構建與假定

真實的溜井系統內壁面凹凸不平，粗糙程度隨空間而不斷發生變化，斷面尺寸不一，加之礦石在溜井內運動時，礦石與礦石、礦石與壁面之間時常發生碰撞，導致礦石運動雜亂無章，分散程度參差不一，因此模擬真實的溜井系統具有很大的困難。

以礦山實際溜井情況為基礎上，為便于研究，通過模型的簡化，在注重重要問題而忽視次要問題的前提下，建立了一個合理科學的溜井系統，并采取以下簡化措施。

（1）溜井壁面近似光滑，形狀為垂直均勻的三維立體柱狀。支岔溜井口與各中段相通，且溜井形狀不隨時間而變化。

（2）下落的礦石做加速度為9.81 m/s2的自由落體運動，且位于溜井井筒中心位置，不與溜井內壁接觸撞擊。

（3）各中段溜井出口處的巷道風速對系統的影響可忽略。

并假定：

（1）假定井內流體處于不具壓縮性的理想化狀態，風流黏性力不因礦石固體顆粒運動而產生做功現象；

（2）井內空氣不攜帶熱源，井內壁面不產生熱交換作用，圍巖不產生能量變化；

（3）井內空氣黏性系數以標量處理，同時符合各向同性，空氣運動為穩定狀紊流，符合Boussinesq[5-6]。

2.2 溜井卸礦模擬結果及分析

本次模擬以某金屬礦井下單一高溜井為研究對象，該溜井直徑為4 m，深300 m，采用4 m3鏟運機向溜井內卸礦，礦石最大塊度直徑為600 mm。該溜井與?280，?340，?400，?460，?510，?580 m中段等6個中段相通，主要中段高度為60 m。為方便模擬，將溜井系統進行了簡化處理，模擬時將礦石簡化為矩形體，礦石固體顆粒平均厚0.6 m，顆粒垂直長度為7 m。數值模擬計算時，礦石固體顆粒處在井內中心位置，從最上一中段?280 m以自由落體方式向下運動至最下一中段。

為便于分析，截取礦石固體顆粒在運動或接近各中段支岔溜井口時的速度平面圖像和壓力平面圖像進行分析，典型模擬見圖1。

根據圖1、圖2可知，伴隨著礦石在溜井內下落深度的遞增，礦石前部氣體受擠壓作用而產生高壓力區，礦石后部區域由于誘導作用帶動空氣向前運動而形成負壓區。因此在礦石前后形成了一個明顯的壓力梯度，梯度大小與下落深度呈正比關系。當溜井內礦石到達或接近各支岔溜井口時，其沖擊氣流速度和壓力各不相同，其中在?340 m中段的沖擊氣流風速及沖擊氣壓為最小，最下?580 m中段為最大，故可知礦石固體顆粒運動深度遞增，其井內氣流所獲得的能量越多，氣壓值和沖擊風速值也遞增，即溜井沖擊風速和風壓與下落深度呈正相關。

提取溜井各支岔口速度及壓力模擬數據進行直觀分析，建立以中段標高為橫坐標，沖擊氣流壓力、沖擊氣流速度為縱坐標的曲線分析圖如圖3、圖4所示。

圖1 礦石下落到達或接近支岔溜井口時的速度云圖

圖2 礦石下落到達或接近中段支岔溜井口時的壓力云圖

圖3 各卸礦口的沖擊氣壓變化趨勢

圖4 各卸礦口的沖擊氣流速度變化趨勢

根據圖3、圖4分析可知，礦石顆粒運動深度越深，在其接近各支岔溜井口時所造成的沖擊氣流和壓力值均在上升。從?340～?580 m中段，礦石下落時在各個中段的支岔溜井口處所形成的沖擊風速值分別為1.57，3.33，5.38，6.66，7.55 m/s，沖擊氣壓分別為15.3，47.7，88.6，129.1，188.2 Pa，數據明顯呈遞增趨勢。模擬數據說明，高溜井卸礦時對其下部各中段的風源質量和風速方向造成了不可忽視的影響，雖然沖擊氣壓影響相對較小，但其所產生的沖擊風速不容忽視，特別是沖擊風流速度隨礦石下落深度的增大而增大。溜井沖擊風速和風壓與礦石下落深度呈非線性關系且正相關。卸礦過程中會產生大量的粉塵，含塵氣流將跟隨沖擊風速，從上部中段卸礦口大量涌入到下部中段運輸巷道內，污染下部中段進風風源質量。

綜合上述分析，溜井卸礦是溜井內粉塵產生的激發源，其產生的沖擊氣壓和粉塵對礦井正常作業具有一定干擾。

3 結 論

（1）理論分析可知，高溜井卸礦時沖擊風速大小的影響因素主要有礦石卸載量、下落深度、礦塊大小、溜井斷面及溜井阻力系數等。

（2）溜井沖擊風速和風壓與下落深度呈非線性關系且正相關。

（3）溜井卸礦是溜井內粉塵產生的激發源，控制卸礦粉塵濃度利于井下安全生產。

[1] 陳 亮,鄔長福,陳祖云,等.溜井卸礦沖擊氣流影響因素模擬分析[J].礦業研究與開發,2016(3):83-87.

[2] 王 明.高溜井粉塵產運機理與時空分布特征及控制技術研究[D].北京:北京科技大學,2017.

[3] 洪昌壽,李向陽,胡鵬華,等.鈾礦山豎井罐籠運行活塞效應研究及其應用[J].采礦技術,2014,14(1):59-62+71.

[4] 李義杰,鄔長福,高宗杰,等.溜井沖擊氣流的控制模擬分析[J].礦業研究與開發,2016,36(12):88-92.

[5] 吳國珉,劉金明,吳 超.溜井放礦沖擊氣流的分析與污染控制措施[J].采礦技術,2007(4):40-41.

[6] 鄔長福,鄧權龍,李樂農.基于動網格井巷活塞風影響因素的數值模擬研究[J].中國礦業,2015,24(8):110-114.

[7] 李義杰.礦山地下巷道活塞風特性及對通風系統穩定性影響研究[D].贛州:江西理工大學,2018.

(2019-05-23)

張 見(1988—)，湖北隨州人，工程師，主要從事采礦技術研究與管理，Email: 245974703@qq.com。