基于COMSOL的非煤地下矿山机械通风系统研究

秦小艳 王宏图 朱艺文 袁志刚

1.西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室

2.复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400044

基于COMSOL的非煤地下矿山机械通风系统研究

秦小艳1,2王宏图1,2朱艺文1,2袁志刚1,2

1.西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室

2.复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400044

为优化非煤地下矿山炮后污风排放，本文运用COMSOL Multiphysics软件，对黄坡山石灰石地下矿山机械通风流场进行数值模拟。模拟结果表明：随着时间的推移，巷道内各点风流速度逐渐增大，但增大至一定程度后风流速度逐渐稳定，即达到稳定流动状态；抽风管的影响范围为15m～18m左右。机械通风流场数值模拟结果与现场试验结果具有很好的一致性，验证了该数学模型及数值解法的正确性和适用性，为机械通风系统施工参数优化提供指导作用。

地下矿山；机械通风；流场；数值模拟

学科分类与代码:6202740(安全模拟与安全仿真学)

引言

地下矿山工作空间狭小、采矿作业过程中产生的粉尘和有毒有害气体不能及时扩散等特殊的生产条件，使得地下矿山采掘过程中的不安全因素增多。矿井污染物含量的高低与矿井的通风系统有着直接的联系。近年来，机械通风系统的使用在国内非煤地下矿山中得到普及，但我国非煤地下矿山采矿主要利用自然通风方式进行炮后作业。不利于污风的排放；易导致有毒气体局部聚集，造成人员中毒等隐患。因此，建立一个有效与完善的通风系统是非常必要的[1]。

1 采场概况

黄坡山石灰石地下矿山开采的石灰岩，开采厚度为6m。顶、底板为灰岩，顶底板岩石力学强度高，稳定性较好。矿层延伸较稳定，矿层总体倾向89°，倾角1°～2°，采用主平硐+斜坡道开拓方式。在该地下矿山工作面上采用大管道抽出式机械通风，供风量为630m3/min。工作面采用放炮落岩，自然通风。

2 数学模型

2.1 物理模型

图1 采场物理模型示意图

鉴于地下采场巷道温度、顶底板较稳定，巷道断面积无明显变化，因此对物理模型进行简化。根据黄坡山石灰岩矿山工作面的实际情况，建立二维模型，模型长为100m，宽为60m，在工作面正中位置布置一抽风管道，管道直径1m，风机抽风口距工作面10m，上下边界处有两个进风口，模型如图1所示。

2.2 数学模型

(1)假设条件[2-4]

根据热工理论基础，可认为巷道里面的空气满足气体状态方程，即：

式中：3P—空气压力，Pa；—空气密度，kg/m；R—空气常数，约297J/kg；T—空气决定温度，K。

其次，将巷道内空气流动的压力视为常数，可得：

另外，试验巷道内空气流动为低速流动，可将巷道内的空气当作不可压缩流体看待，即：

而且，巷道内的空气温度的变化不大，也就是密度变化不大，则巷道内的风流流动符合Bonssinesq假设[5]，忽略由流体黏性力做功所引起的耗散热，同时假定壁面绝热，等温通风。

(2)数学模型[6,7]

根据假设条件，应用流体力学知识，基于牛顿第二定律，采用不可压缩的Navier-Stokes方程描述流体在采场中的运动规律，Navier-Stokes方程可表示为：

式中：u为流体流速，m/s；p为流体压力，Pa；ρ为流体密度，kg/m3；η为动粘系数，Pa s；I为单位矢量；F为流体阻力。

3 通风流场数值模拟

3.1边界条件

根据流场基本假设及现场的实际条件，上下边界的两个进风口设置为速度入口，入口实测平均风速为3m/s；通风管道抽风口处边界为压力边界，出口压力为风机所提供负压，设置为-3.9KPa；其余边界上施加无滑动边界条件，即假设该边界上气体流动速度为0。

3.2 网格的划分

针对上述模型，网格划分采用非结构化网格，由于抽风口处的风流速度梯度大，为了计算更加精确，对抽风口处进行网格加密，如图2所示。

图2 流场网格划分图

3.3 模拟结果及分析

根据上述的计算模型和边界条件，用COMSOL 3.5a多物理场耦合分析软件对采场通风流场二维流场进行数值计算，用COMSOL 3.5a的后处理模块得到采场空间内各处风流速度分布图和采场风流流线分布图(图3～6)。

图3 时间为9s时采场风流速度分布图

图4 时间为20s时采场风流速度分布图

图5 时间为50s时采场风流速度分布图

图6 时间为50s时采场风流流线分布图

从图3～图5可知，随着时间的推移，采场内各点风流速度增大，在20s左右达到稳定状态。可看出：抽风机能较快抽出污风，增加安全性。风流速度最大点出现在抽风管抽风口附近，速度可达到10m/s左右，管道直径为1m，利用经验公式计算得供风量为600m3/ min，与工作面所需风量相吻合。

从图6可知，流速分布曲线由抽风口附近向外逐渐变稀，说明离开抽风口后风流速度衰减较快。距抽风口竖直方向15m～18m范围内的采场工作面风流速度比较均匀稳定，大于18m以后风流流速曲线急剧向内凹，说明风流速度随着与抽风管口距离的变大而变小，距离在15m～18m处最小。

3.4 模拟结果与实测数据对比

在黄坡山石灰石矿山工作面利用发烟管烟雾观测，同时利用风速传感器距抽风口由近到远选取六个测点检测风流速度，结合模拟计算结果得出实测风流速度与模拟风流速度对比如图7所示。从图7中可以看出，模拟结果与实测数据基本吻合，风流速度变化趋势和规律基本一致。

图7 实测与模拟风速对比

4 结语

1)模拟得出风流速度最大点出现在抽风管抽风口附近，速度可达到10m/s左右，通过计算可知模拟工作面风量与现场实际所需风量相近，说明模拟结果较合理。

2)抽风管的影响半径为15m～18m左右，实际工程应用中，将相邻两抽风管管口布置在相距30m左右的位置上，可达到最佳通风效果。

3)通风流场数值模拟结果与现场试验结果具有很好的一致性，表明通风流场数值模拟结果能够用于现场施工作业指导。

[1]王海宁.矿井风流流动与控制[M].北京:冶金工业出版社，2007.

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[3]王海桥,施式亮,刘荣华等.独头巷道附壁射流通风流场数值模拟研究[J].煤炭学报，2004,29(4):426-428.

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[6]龙天渝,苏亚欣.计算流体力学[M].重庆:重庆大学出版社,2007.

[7]严宗毅,许世雄,章克本等.流体力学[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