ＩＳＳＮ ｌ６７１—２９００ 采矿技术 第１０卷第６期 ２０１０年１１月 ＮＯＶ．２０１０ ＣＮ ４３—１３４７／ＴＤ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏ１．１０，Ｎｏ．６ 硐室型采场通风的模拟研究 黄荣强 ，王明晓 ，廖芳艳 ，黄文波 （１．广西国土资源规划院， 广西南宁５３００２８；２．广西地矿建设工程有限公司， 广西南宁 ５３００２３；３．广西南宁市国土资源执法监察支队， 广西南宁４．广西华银铝业公司矿山部， 广西百色市摘５３００２２； ５３３７００） 要：根据流体动力学和射流理论，建立了硐室型采场压入式受限射流通风的紊流数学 模型，并应用计算流体动力学（ＣＦＤ）的方法分别对具有１条进回风巷道和２条进回风巷 道的采场通风进行数值模拟，对比分析采场流场和浓度场，为研究硐室型采场合理并有效 通风提供了理论依据。 关键词：硐室型采场；通风；流场；浓度场；数值模拟 在金属矿的地下开采中，爆破作业产生大量的 粉尘和炮烟，严重恶化了井下的生产环境，危害工人 风速度均为０．５ ｍ／ｓ，初始炮烟浓度０．１％。通过计 算可知，２个采场的进风量相等。图１、图２分别为 采场Ｉ、采场Ⅱ的水平结构图。 进风道一的身体健康。硐室型采场结构不规则，井下污染物 分布复杂，如果通风设计不当，采场内炮烟排除困 难，势必影响井下工作的正常开展。 在通风过程中，进回风巷道的设置直接影响采 厂——————————］ 一回风道 采场 场的排烟效果，因此确定最佳的进回风巷道设置十 分重要。本文对具有１条进回风巷道和２条进回风 巷道的采场通风过程进行模拟研究，对比分析２种 ］ 图１采场Ｉ 进风道广———————————］‘ 厂＿＿ 回风道 进回风巷道设置的采场流场和炮烟浓度场，为更好 地设置采场进回风巷道提供理论依据。 ］ 进风道 ｌ…一 采场 ［ Ｉ 商风道 １ 数值模型 １．１几何模型 图２采场Ⅱ 硐室型采场，是指采场进风巷道横截面与回采 １．２数学模型 工作面横截面相差较大，即采场宽度等于或大于８ ｍ，采场长度不小于宽度的２倍，并利用贯穿风流通 风的采场。其中，采场空间高度基本等于进风巷道 高度的称扁平型硐室，采场空间高度和宽度比进风 巷道大得多的称非扁平型采场¨ 。 本文以２种进、回风巷道布置的扁平硐室型采 １．２．１假设条件 （１）视采场内的通风气流为不可压缩流体，忽 略由流体粘性力做功所引起的耗散热，同时假定壁 面绝热、等温通风。 （２）假定流场具有高紊流Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数，流体的 紊流粘性具有各向同性，紊流粘性系数可作为标量 处理。 场为例进行分析。采场Ｉ：具有１条进回风巷道的 采场，假设硐室长度４０ ｍ，宽度１６ ｍ，高度２ ｍ，进、 回风巷道断面高度均为２ ｍ，宽度４ ｍ，进、回风巷道 布置在采场中间，进风速度０．５ ｍ／ｓ，初始炮烟浓度 ０．１％；采场Ⅱ：具有２条进回风巷道的采场，硐室长 （３）流动为稳态紊流，满足Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设。 １．２．２控制方程 ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）即计算流 体动力学，是目前进行“三传”（传热、传质、动量传 递）及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要 技术。其基本思想是用有限个离散点上的变量值的 度４０ ｍ，宽度１６ ｍ，高度２ ｍ，进、回风巷道断面均 为２ ｍ×２ ｍ，２条进风巷道和回风巷道相距２ ｍ，进 ５０ 采矿枝朱 集合代替时间和空间域中连续的物理量的场，如速 度场和浓度场，通过对基本方程进行离散，建立离散 点上变量值之问关系的代数方程组，然后求解获得 变量的近似值 。 ———速度分量（Ｘ方向时，ｉ＝１；Ｙ方向时， ｉ＝２；Ｚ方向时，ｉ＝３），ｍ／ｓ； 层流动力粘性系数，Ｐａ・Ｓ； ———紊流动力粘性系数，Ｐａ・ｓ； 硐室型采场的风流为紊流，在有关紊流的工程 计算中，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ时均方程法中的标准ｋ一 模型 获得了广泛的应用，其控制方程包括连续性方程、动 量方程、能量方程、紊流脉动动能Ｋ方程、紊流能量 Ｐ——流体密度，ｋｇ／ｍ 。 １．３边界条件 （１）进风口边界条件。采场内为不可压缩流 动，故采用速度进口边界条件（ｖｅｌｏｃｉｔｙ—ｉｎｌｅｔ）。 耗散率占方程。紊流控制方程的导出是从流体力学 的基本方程出发，引入时均值及脉动值的概念，经过 若干假设及简化，简化成为适于紊流粘性流动的紊 流时均方程 。 （１）连续性方程 垫：０ 以 （２）动量方程 蠹（ ）＝一毒（ｐ＋ ）＋毒［（ ＋ （ ＋ ）］ （３）紊流流动能量方程 去（ ）＝一去［（ ＋ ）筹］＋ ｉ＝１，２，３ （４）紊流脉动动能方程（ｋ方程） 毒（ ）一 Ｏｘｉ（ Ｇｋ ｃ３ｘ￣）＋Ｇ—ｐ ｉ＝１，２，３ （５）紊流脉动动能耗散率方程（ 方程） （ ｓ）＝一蠹（ 毒）＋（ｃｔＧ—ｃ ） 其中：Ｇ——紊流脉动动能产生项， Ｇ＝ （差＋ ） －ｌ，２，３ ——紊流粘性系数， ：！ ｃｌ，ｃ２，ｃⅡ，ｏｒ＃， ，ｏｒ ——经验常数； ｃ ——空气定压比热，ｋｊ／（ｋｇ‘Ｋ）； ｋ——紊流动能，Ｉｌｌ ／ｓ ； 紊流动能耗散率，ｎｌ ／ｓ ； Ｐ——时均压力，Ｐａ； Ｐ，——充分紊流时的普朗特数； ｑ——热流密度，Ｗ／ｍ ； ７Ｔ——流体温度，Ｋ： （２）壁面边界。采场壁面为岩石，固定不动，故 采用无滑移的壁面条件（ｗａｌ１），即认为壁面处流体 速度与壁面该处的速度相同，均为０。 （３）出风口边界。采场出风口边界的压力和速 度都未知，故出风口采用质量出口边界条件（ｏｕｔ． ｌｆｏｗ）。 ２计算结果与分析 在通风排烟过程中，采场进风速度保持不变，为 ０．５ ｍ／ｓ。在数值计算时，采用二阶迎风差分格式对 控制方程进行离散化，并选用ＳＩＭＰＬＥ算法对离散 方程进行求解。数值计算后，分别得到２个采场典 型截面的流场、炮烟浓度场以及速度分布结果。图 ３为采场Ｉ在ｘｙ水平面的速度等值线（ ＝１．０ ｎ１）， 图４为采场Ⅱ流场稳定后ｘｙ水平面的速度等值线 （ ＝１．０ ｉｎ），图５、图６分别为２个采场的风流速度 分布（ ＝１．０ ｍ），图７、图８分别为２个采场排烟２０ ｍｉｎ时ｘｙ水平面的炮烟浓度等值线（ ＝１．０ ｍ）。 在数值模拟过程中，可以发现采场Ｉ内流场稳 定不变，但是采场Ⅱ在通风初期，２条主风流在进入 硐室采场后，由于采场内空间有限，２条射流扩展互 相影响，导致２条主风流首先向硐室侧壁偏移，进而 使采场内风流不稳定，最终风流又逐渐向采场中间 偏移，通风大约１５ ｍｉｎ后，采场风流趋于稳定。 从图３、图４ ２个采场的流场可以看出，采场内 的风流均由主风流和回流组成，主风流的风速明显 较高，回流区风速则较低，主风流与回流之间存在循 环流动。采场Ｉ的进风巷道断面与采场Ⅱ２条进 风巷道断面之和相等，但是比较２个采场的流场可 以看出，采场Ｉ的主风流区域比采场Ⅱ的小，回流区 域则较采场Ⅱ大，这对整个采场的排烟效果不利。 观察采场Ⅱ的流场，可以看出，风流进入采场之后，２ 条主风流在发展过程中，首先逐渐靠近，主风流区域 部分重合，在靠近回风口时，２条主风流逐渐分离， 重合区域减小。但是采场Ⅱ内主风流区域面积较 黄荣强，等：硐室型采场通风的模拟研究 ５１ ５ ４ ４ ３大，回流区域偏小，对排烟有利。 风流区域比采场Ⅱ小。观察２个采场内主风流轴心 埘埘埘埘Ｌ 图３采场Ｉ的ｘｙ水平面速度等值线（ｚ＝１．０ ｍ） Ｌ 图４采场Ⅱ流场稳定后ｘｙ水平面速度等值线（ｚ＝１．０ ｍ） ６０ｏｅ—Ｏｌ ５ ｏｏｅ－Ｏｌ ４・０ｏｅ一０ 。ｍ ｏ１ 瑙２＿（１ｆ１ｅ一０ｌ １．ＯＯｅ—Ｏ１ ０．【ｌ｛Ｊｅ＋Ｏ０ ０ ５ ｌＯ １５ ２Ｏ ２５ ３０ ３５ ４０ Ｘ（ｍ） 图５采场Ｉ风流速度分布（ｚ＝１．０ ｍ） ０ ５ ｌ０ １５ ２Ｏ ２５ ３０ ３５ ４０ Ｘ（ｍ） 图６采场ｌＩ风流速度分布（ｚ＝１．０ ｍ） 图５、图６为２个采场的风流速度分布，可以看 出，采场内主风流区域的风速明显比回流区的风速 大，而且，采场Ｉ内主风流的风速比采场Ⅱ的大，这 说明，采场Ｉ射流扩展程度较采场Ⅱ小，故采场Ｉ主 的风速可以看出，随着射流的发展，轴心的风速逐渐 降低，而且采场Ⅱ轴心的风速降低更明显，在靠近回 风口时，风速又逐渐增大，这主要是因为射流在发展 过程中，流量逐渐变大，风速减小，而且采场Ⅱ内２ 条射流相互靠近，轴心偏移，当风流在接近回风口 时，由于回风口流出的风量等于进风口流进的风量， 致使射流流量减少，风速增大。采场Ⅱ中，２条主风 流重合区域，风速也较大，如图６中，Ｙ＝８的风速分 布，当２条主风流重合时，风速较高，主风流分离时， 风速迅速降低。 Ｌ 图７采场Ｉ通风２０ ｍｉｎ时ｘｙ水平面 炮烟浓度等值线（ｚ＝１．０ｉ） Ｌ 图８采场Ｕ通风２０ ｍｉｎ时ｘｙ水平面 炮烟浓度等值线（ｚ＝１．０ｉ） 从图７、图８可以看出，通风２０ ｍｉｎ时主风流区 的炮烟已经排净，由于回流区的炮烟依靠主风流与 回流之间的循环流动带到主风流后再排出采场，炮 烟浓度下降较慢，排除困难。比较２个采场内的炮 烟浓度可知，采场Ｉ内最高炮烟浓度约为０．０００５５， 采场Ⅱ内炮烟最高浓度约为０．０００２４，采场Ｉ的炮 烟浓度明显比采场Ⅱ炮烟浓度高，而且回流区较大， 炮烟高浓度区也较大，炮烟排除较采场Ⅱ困难。 ３ 结 论 （１）采场内的风流为受限射流，风流由主风流 （下转第７１页） 黄伟健：ＮＴ３０／ＮＢＢ１５０型装药台车的改造 ７１ 量，保持在７～１４ ｋｇ／ｃｍ ，有时甚至无需任何水量。 装药完毕后，将电气系统中的选择阀置于下方， 到生产使用要求。 三通球阀置于水环方向，让水泵单独工作，即可清除 ４ 结束语 改造ＮＴ３０／ＮＢＢ１５０型装药台车，仅花费６０多 万元人民币，节省了购买新乳化炸药装药台车的资 金约２００多万元人民币，并解决了Ｎ ０／ＮＢＢ１５０装 药台车的闲置问题，使其重新恢复使用，投入生产， 保证我矿生产的顺利进行。据了解，Ｎ１’３０／ＮＢＢ１５Ｏ 装药台车的改造是我国首创，为我国同类装药台车 药管内的多余药液；清洗药泵则改变三通球阀的导 流方向，让水流向药罐即可。 ３．５预防静电系统 由于装药过程中必须预防和保证车辆上的所有 静电能够顺利、安全的导人大地，因此，对车辆上的 每一个铰接点采用导电性好的电缆进行连接，并在 车身前、后和中铰处各用１条电缆作为车辆与大地 的导电连接线。 ３．６改造后装药台车的工作性能 改造后的装药台车经过多个采场的工作试验， 的改造提供了重要的借鉴意义。 参考文献： ［１］王运敏．中国采矿设备［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７． ［２］成大先．机械机械设计于册（第四卷）［Ｍ］ 北京：化学工业出 版社，２００２． 其效果明显，达到了预期的工作性能要求： （１）柴油机动力充足，车辆行走有力，转向和刹 车灵活； ［３］雷大觉．液压工程手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９０． ［４］史良文．ＢＣＪ一１型中小直径散装乳化炸约装药车液压系统没 计［Ｊ］．有色金属，２００３，（５）． （２）液压系统设计和布置合理，能够保证操作 人员在地上或吊蓝上对大臂进行操作，且大臂动作 灵活，大臂各油缸无泄漏现象； （３）液压和电气控制系统设计和布置合理，能 够保证装药的顺利进行，预防静电系统安全、有效； ［５］深圳巾中金岭南有色金属股份有限公司凡ｒ＝『铅锌矿．ＮＴ３０／ ＮＢＢ１５０型装药台车改造成乳化炸药装药台车［Ｐ］．中国 ＣＮ２００８１００２８０８８．２．２ｏｏ８． （收稿日期：２０１０—０７—２０） 作者简介：黄伟健（１９６０一），男，广东梅州人，助理工程师， 主要从事矿山机械设备和备件管理工作，Ｅｍａｉｌ：ｌｕｏｆｕｓｈｏｕ＠ １６３．ｃｏｍ （４）泵送乳化炸药能力达到６０ Ｌ／ｍｉｎ，完全达 （上接第５１页） 近，直到接近回风口时，才相互分离。 参考文献： ［１］王英敏．矿井通风与防尘［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９３． 和回流组成，主风流与回流之间存在循环流动，回流 区的炮烟依靠循环流动带到主风流后再排出采场， 炮烟排除困难。 （２）在２个采场进风巷道断面相等，且风速相 等的情况下，具有２条进风巷道的采场主风流区域 较大，回流区较小，炮烟浓度下降快，整个采场的排 烟效果较好。因此，在采场设计时，应尽量增多采场 ［２］张廷芳．计算流体力学［Ｍ］．大连：大连理＿Ｔ大学出版社， １９９２． ［３］王福军．计算流体力学分析［Ｍ］．北京：清华大学出版社， ２００６． ［４］龙天渝，苏亚欣，向文英，等．计算流体力学［Ｍ］．重庆：重庆大 学出版社，２００７． ［５］陶文铨．数值传热学［Ｍ］．西安：西安交通大学出版社，１９８８． 的进风巷道，以有利于采场内炮烟的排除。 （３）当采场内具有２条进风巷道时，在刚开始 通风时，采场内风流不稳定，２条主风流首先向侧壁 偏移，通风一段时间后，风流才趋于稳定。而且风流 稳定后，２条主风流在发展过程相互吸引，逐渐靠 ・ ＿．＿◆一’・ －．－’— －１ 一■ ■ ＿—● ・・ －◆一 －。・．． ◆ －．。◆－‘－ 。■ －’—．．・。—●Ｐ。◆－－－● ０◆［６］术春燕，易丽军，黄业才，等．扁平型硐室采场风流结构的数值 模拟［Ｊ］．采矿技术，２０１０，（１）：４８～５１． （收稿日期：２０１０—０７—３０） 作者简介：黄荣强（１９８１一），男，广西钦州人，硕士，助理工 程师，主要研究方向为矿业工程，Ｅｍａｉｌ：ｈｗｂ８３＠１６３．ｅｏｍ。 ０◆ ◆－◆０◆０◆。◆－◆－◆０◆０◆０◆０◆－◆●◆－◆－◆－◆－◆－◆●◆●● （上接第６２页） 参考文献： ［Ｉ］高梦熊．国外井下铲运机的现状与发展趋势［Ｊ］．矿山机械， １９９７，（９）：１０． ［３］何晓波．大型系统程序设计模块化［Ｊ］．装备维修技术，２００５， （２）：２． （收稿日期：２０１０—０５—３１） 作者简介：刘二振（１９６８一），男，河南鲁山人，工程师，主要 从事矿山工程机械技术。 ［２］郑好民，技术创新打造中州分公司核心竞争力之路［Ｊ］．河南 有色金属，２００３，（５）：１１．