陶发玉 陶云波 黄春云

(1.金川集团股份有限公司龙首矿,甘肃 金昌 737100;2.中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083)

爆破作为地下矿山开采的主要环节之一,常常会伴随着大量炮烟的生成。炮烟中含有多种有毒有害气体,例如 CO、NOx、SO2、H2S,会威胁到井下施工人员的健康和生命安全,所以爆破后的进路通风就显得尤为重要[1]。而下向进路分层充填采矿法开采属于独头巷道掘进,由于掘进过程中无法形成贯穿风流,通风较为困难。即使进路末端上挑充填小井通风,依然无法有效解决进路中通风问题。为了有效解决进路中通风、有效排出炮烟、且提高采矿效率的问题。尝试使用CFD模拟手段研究炮烟在不同通风条件下的扩散状态。

CFD模拟作为成熟的流体模拟方式,已经得到了社会各界的认可。其中Fluent软件作为CFD中最为成熟的研究手段,得到了多位学者的青睐。陈赞成等[2]使用Fluent软件模拟计算了高寒地区矿井中炮烟扩散的规律。宋仔标等[3]使用Fluent软件模拟了烟气中气溶胶粒子的扩散和沉降。因此,使用Fluent软件模拟计算不同条件下独头进路中炮烟的扩散规律,会指导矿山的生产实践,以求达到有效排出炮烟且确保高效的采矿效率的目的。

1 工程概况

金川集团有限公司龙首矿地处西北,是我国唯一一个成功采用盘区机械化下向六角形进路胶结充填采矿法的大型地下矿山,也是我国重要的镍生产基地。自矿山建立、生产以来,井下的通风方式主要为压抽混合式通风。随着生产能力不断扩大,使得每个中段都有独头掘进。该矿山使用钻爆法进行巷道掘进,掘进进路为六边形进路。通过研究联络道高度、通风井等因素对独头进路中炮烟扩散的影响,可以提高炮烟的扩散效率,提高独头进路的掘进效率。

2 计算模型

2.1 物理模型

在进行数值模拟之前,需要建立不同参数的模型,其中联络道高度分别为3.5 m和5 m,通风井直径分别为1.6 m和2 m,六角形独头进路长度分别为50 m和70 m,通风井距独头进路距离分别为0、15、30和45 m,共建立32个数值模拟模型,如图1所示,分别命名为3.5-1.6-50-0、5-2-70-30等。掘进使用乳化炸药,通过Ennix GS40四合一气体监测仪测得独头掘进掌子面爆破之后的炮烟中CO浓度为685×10-6,初始CO浓度即为685×10-6,炮烟初始抛掷距离为22 m。

图1 自然通风扩散模型Fig.1 Natural ventilation diffusion model

2.2 数学模型

本次数值模拟针对CO在独头进路中自然风流扩散的规律,假设CO和风流流动为不可压缩流动,等温通风,忽略流体粘性力所做的功引起的耗散热。因为本模型需要模拟整个扩散过程,所以使用瞬态条件。通过计算风流雷诺数确定风流为湍流,选取湍流模型中的标准k-epsilon模型。由于炸药爆炸时产生高温高压气体,所以污染的扩散过程中会因为温差的原因,在不同组分之间有能量传递,造成污染物对流扩散,所以选取能量传输模型。由于CO作为炮烟中的主要危害组分,使用CO代替炮烟作为模拟计算对象。由于CO随风流进行分子扩散运动,其浓度在空间和时间条件下不断变化,所以选取无化学反应的组分传输模型。

2.3 边界条件

本次模拟是计算自然风流通风条件下CO在独头进路中的扩散规律。模拟是在合理的假设条件下进行,假设风流和CO均为不可压缩流体、为等温通风;忽略流体粘性力所做的功引起的耗散热;流场具有高紊流雷诺数,并且满足Boussinesq假设[2]。模型的边界条件如下:

(1)进口边界。自然风流通过联络道一侧进入独头进路,自然风流速度为0.25 m/s,自然风流温度为299 K,联络道断面上各点的速度保持一致。选取速度入口(Velocity inlet)。根据相关公式计算联络道中自然风流的雷诺数、水力直径和湍流强度。雷诺数为

式中,ρ为空气密度;v为进风速度,m/s;d为特征长度取水力直径,m;μ为空气粘度系数。

湍流强度为

(2)出口条件。通风井为模型出口,选取自然流动出口(Outlet)作为出口条件。

(3)壁面条件。壁面使用无滑移光滑壁面,壁面温度使用实际测量温度300 K。

(4)其余条件。CO初始浓度为685×10-6,温度为304 K。

2.4 网格划分

网格划分使用Ansys软件中的Meshing模块进行网格划分。模型进行整体网格划分,采用Meshing模块直接生成网格,网格划分如图2所示。

图2 网格划分模型Fig.2 Meshing model

3 数值计算分析

3.1 不同联络道高度条件下的炮烟扩散特征

矿山使用独特的六角形进路,可以使得围岩、充填体之间更加稳固。爆破之后,CO聚集于独头进路工作面处,自然风流通过联络道进入独头进路中对CO冲刷、稀释,最终达到排出工作面CO的目的。在其生产中,联络道有3.5m×4.5m和5m×4.5m 2种规格,而独头进路的高度一致,均为5 m。

如图3所示,在同一独头进路长度、同一通风井位置和直径条件下,3.5 m高的联络道的独头进路中CO扩散达标时间要远高于5m的联络道。这是因为独头进路的高度为5 m,而3.5 m的联络道与其有1.5 m的高差,这会导致CO扩散速度降低,CO扩散达标时间增加。而5 m高的联络道与5 m高的独头进路之间不存在高差,炮烟可以迅速排除,并通过通风井排出联络道。

图3 炮烟扩散达标时间规律Fig.3 Law of CO diffusion compliance time

采用同一独头进路长度、同一通风井位置和直径条件下,不同联络道高度的模拟云图作研究,图4为3.5-1.6-50-30和5-1.6-50-30模拟模型在扩散时间为2 000 s时的轴向截面云图。如图4所示,3.5 m高联络道的计算模型的轴线截面的CO主要分布在独头进路与联络道连接处的顶部,CO浓度最高为120×10-6左右。 5 m高联络道的计算模型的轴线截面的CO浓度也主要分布于独头进路与联络道连接处顶部,CO浓度最高为60×10-6左右。通过对比可知5 m高联络道更有利于CO自然扩散,且CO在独头进路中的分布更加均匀,而3.5m高联络道会降低CO自然扩散的速度,CO主要分布于独头进路出口的顶板处。主要因为独头进路与联络道之间的高差阻碍CO排出,导致CO聚集于独头进路出口处。而无高差的联络道与独头进路则会使得CO迅速排除,且CO在巷道内的分布更加均匀,使得CO浓度降低更快[1]。

图4 不同联络道高度2 000 s时CO浓度分布对比Fig.4 Comparison of CO concentration distribution at different heights of connecting channels at 2 000 s

3.2 不同独头进路长度条件下的炮烟扩散特征

如图5所示,在联络道高度、通风井直径和通风井布置位置一定时,70m长度独头进路的CO扩散达标时间均高于50 m的独头进路。这是因为在70 m独头进路中,CO扩散过程需要克服更多的空气阻力和更长的扩散长度,这导致了越长的独头进路所需的CO扩散时间更长。

图5 3.5m和5m高联络道CO扩散时间的影响规律Fig.5 The influence law of CO diffusion time in 5 m and 3.5m high connecting channel

3.3 不同通风井位置及通风井直径条件下的炮烟扩散特征

如图5所示,在独头进路长度、联络道高度、通风井直径一致时,CO扩散达标时间随着通风井与独头进路距离的增加而增加。这是因为通风井距离进路口越远,风流需要流过的分层道越长,受到的阻力越大,导致CO扩散达标时间增加。但是为了兼顾通风井工程量和CO扩散效率,选取25 m为通风井与进路口的距离[4]。

通风井直径为2m时,CO扩散达标时间更快,而通风井直径为1.6 m时,CO扩散达标时间更慢。主要因为更大的通风井直径,会降低风流排出的阻力,提高CO扩散的效率。

3.4 CO浓度场扩散分析

图6和图7分别为3.5-1.6-50-30和5-2-70-30计算模型在500、1 500、2 500和3 500 s时的CO浓度分布云图。

图6 3.5-1.6-50-30模型炮烟扩散云图Fig.6 3.5-1.6-50-30 model CO diffusion cloud map

图7 5-2-70-30模型炮烟扩散云图Fig.7 5-2-70-30 model CO diffusion cloud map

如图6所示,500 s时,随着风流冲刷工作面,CO与空气混合并随风流向独头进路出口处移动,此时的CO主要分布于工作面附近,呈现出巷道上侧CO浓度高、下侧浓度低的分布规律。这是因为CO的密度小于空气,CO因为浮力的作用分布于空气的上方[5]。从1 500～3 500 s时间内,CO被风流冲刷,整体向独头进路外移动,并通过通风井排出,此时CO最高浓度由379×10-6降至119×10-6。

如图7所示,500 s时,CO已经从独头进路中逐渐排出并进入联络道中,且向联络道两侧扩散。这是因为5m高的联络道与独头进路之间没有高度差,不存在阻碍CO排出的岩壁,所以CO扩散速度高。因为通风井排出的CO能力有限,CO分布于联络道中[6]。从1 500～3 500 s时间内,独头进路中的CO不断排出,联络道中聚集的CO也随风流进入通风井中排出。CO最高浓度也由95×10-6迅速减小到21×10-6。

对比3.5m和5m联络道高度的计算模型,发现3.5m的计算模型中的CO主要聚集于独头进路出口的顶板处,而5 m的计算模型中的CO可迅速排出独头进路并聚集于通风井处。这再次证明了5 m高的联络道更有利于CO自然扩散排出。

3.5 独头进路中炮烟扩散的速度场分析

如图8所示,为不同风井布置位置的速度矢量云图。通过图可分析,联络道进风口的风速均较低,为0.25 m/s,独头进路中的风速与联络道风速相比更小,接近于0 m/s。因为联络道与独头进路垂直,风流进入独头进路困难,难以有效冲洗工作面炮烟。风速最高的地方为通风井位置,最高风速可达2.7 m/s左右。因为进入联络道中的风流最终均汇集至通风井并排出,通风井相较于联络道断面较小,所以获得更大的风速[7]。联络道风速以通风井为界限,靠近进风口位置风速更大,通风井另一侧联络道风速也接近0 m/s。

图8 速度场云图Fig.8 Velocity field cloud map

如图9所示,为不同联络道高度和独头进路长度条件下的计算模型的速度矢量云图。在3.5 m高联络道的计算模型中,通风井直径为1.6 m和2 m时,通风井的风速差异较大。直径为1.6 m的通风井的风速为2.7 m/s左右,但直径为2 m的通风井的风速仅有1.6 m/s。 在5 m高联络道的计算模型中,通风井直径为1.6 m和2 m时,通风井的风速差异较大。直径为1.6 m的通风井的风速为3.8 m/s左右,但直径为2 m的通风井的风速仅有2.4 m/s。

图9 不同联络道高度、独头进路长度模拟模型的速度场云图Fig.9 Velocity field cloud diagrams of simulation models with different connecting lane heights and single-head approach lengths

4 结 论

(1)5 m联络道高度相较于3.5 m联络道,更有利于独头进路中CO的扩散,主要因为3.5 m联络道与独头进路的高度差1.5m的岩壁阻碍炮烟的扩散。

(2)CO扩散达标时间随独头进路和通风井之间的距离的增加而增加。但是为了节省通风井建造成本及提高通风效率,选取25 m作为最佳的通风井布置位置。

(3)50 m独头进路的炮烟扩散时间要远低于70 m独头进路,因为更长的独头进路具有更多的摩擦阻力,降低了CO扩散的效率。

(4)更大的通风井直径,更有利于CO扩散。因为更大的通风井直径,降低了风流排出的阻力,增加了CO扩散的效率。