大断面深竖井施工通风排烟数值模拟研究*

何 磊 马 银 孙显腾

(1.中国华冶科工集团有限公司；2.东北大学资源与土木工程学院)

大断面深竖井施工通风排烟数值模拟研究*

何 磊1马 银1孙显腾2

(1.中国华冶科工集团有限公司；2.东北大学资源与土木工程学院)

为获得大断面井筒工作面爆破后排烟特性，以传统公式计算得到的排烟所需风量及工程实际条件为初始参数，应用FLUENT软件对风量条件下通风排烟过程进行数值模拟分析，评价传统计算公式的适用性。通过增大风量参数作为模拟边界条件进行数值计算，根据计算结果确定合理的风量参数作为局部通风机选型的依据。结果表明：对于φ10 m井筒，在传统公式计算的风量条件下，通风达到规定的时间时，工作区域CO浓度仍高于国家标准规定的最高容许值，通风时间需延长30%以上；进行风机选型时，工作面所需通风量取传统公式计算数值的1.3倍为宜。结论为本溪思山岭铁矿副井施工通风方案提供了依据。

竖井施工 通风排烟 数值模拟 Fluent 需风量

目前我国千米竖井施工时通风方案的设计均采用传统的计算公式，获取所需的最大风量后，根据全程风阻及风压等参数选择风机[1]。这些竖井的深度多在1 200 m以下，净直径一般小于8 m，传统经验公式计算设计的通风方案一般满足其通风排烟的要求。本溪思山岭铁矿副井净直径为10 m，深1 503.9 m，施工时将面临1 500 m长距离通风排烟问题，目前尚无可借鉴的类似工程。因此，在该竖井施工方案设计时有必要对其通风系统进行分析，研究大直径深竖井通风排烟所需风量及设备选型。鉴于近年来计算机技术的发展，利用计算流体力学数值模拟(CFD)方法进行流体仿真研究得到了越来越多的应用[2]。在气体输运模拟方面， CFD方法也具有相当的可靠性[3-5]。因此,应用FLUENT软件建立该竖井模型并对不同条件下通风排烟过程进行模拟，从而为10 m净直径1 500 m 以上竖井的通风方案的设计提供依据。

1 数值模拟思路

以传统公式得出的风量值为参数数值模拟1 500 m 条件下通风排烟情况，判断该风量可否满足排烟需要。若不能满足，则进行风量调整后选择通风机，再根据井筒深度1 500 m时的实际风量条件进行数值模拟，验证所选风机提供的风量能否满足排烟要求。

2 数值模型的建立

2.1 数学模型

假定通风气流可视为不可压缩流体，可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；流动为稳态紊流,满足Boussinesq 假设。描述黏性流体流动的风流模型由连续性方程和动量方程组成[6]。

连续性方程:

(1)

动量方程：

(2)

式中,ρ为密度，kg/m3;t为时间，s;uj为xj方向上空气速度分量，m/s;ui为xi方向上空气速度分量，m/s；p为压力，Pa;si为动量源项，考虑浮力，取si=gi(ρ-ρ0)，gi为xi方向上重力加速度分量，m/s2,ρ0为参考密度，kg/m3。

本数值模型中涉及到传质问题，气体组分在流体内质量传递的关系表述为

(3)

式中，Ym为质量分率；μe为等效动力黏性系数,Pa·s;δY为紊流Prandtl数，一般取1.0;Ws为时均组分的反应率，kg/(m3·s)；其他符号意义同上。

2.2 几何模型的建立与网格划分

若对φ10 m深1 500 m竖井进行完整建模，其划分的网格数量将十分庞大，数值计算的效率将极为低下。鉴于凿井期间的工作区域均在凿井工作面及吊盘，因此，仅取井筒工作面往上100 m的空间为模拟区域(图1)。吊盘位于工作面上方40 m位置，风筒进行简化处理，出风口位于工作面上方12 m，距离井壁0.2 m。利用GAMBIT软件对物理模型进行网格划分。对于本系列模型分块后采用Cooper(非结构网格)和TGird(混合网格)方式分别划分，Cooper方式采用六面体单元，Tgird方式采用四面体网格单元。本模型Z轴正向为垂直凿井工作面向井口方向，吊盘中心为X轴、Y轴坐标原点，见图1。

图1 井筒底部100 m区域的物理模型

2.3 边界条件与初始条件

2.3.1 进口边界

数值模型中包含一个进口边界，即压入式局部通风机风筒的出风口，边界类型为velocity inlet，进口边界条件根据各模拟工况的风量参数进行设置。竖井施工工作面所需风量一般由炸药量计算得出：

(4)

式中,Q为掘进工作面实际需要的风量，m3/min；A为掘进工作面一次爆破值的最大炸药用量，kg；t为规定的通风时间，min。

计算得出所需风量Q=792 m3/min。该参数作为传统公式计算所得的风量边界条件。

2.3.2 出口边界

出口的边界条件设置为out flow类型。

2.3.3 固体壁面

井筒壁面为无滑动壁面边界。为了解决高雷诺数流动与壁面附件黏性次层的衔接问题，采用标准壁面函数法[7]。

2.3.4 炮烟中有害气体初始浓度

凿井中使用的3层吊盘是爆破后炮烟扩散的第一道障碍，因此,考虑第三层吊盘以下的井筒区域为炮烟初始抛掷带。根据设计装药量以及有害气体生成量计算得到炮烟抛掷带中CO质量分率Cco=0.016 92。从以往施工经验分析，爆破通风后空气中CO浓度达到国家标准时[8]，氮氧化物的浓度已降至国家标准的最高容许值以下。因此,本文以CO浓度作为分析对象。

3 模拟结果及分析

3.1 传统公式计算风量的适用性分析

根据传统公式计算的思山岭铁矿副井施工1 500 m 时的所需风量为792 m3/min，以该参数作为初始边界条件进行数值模拟，并对模拟结果进行后处理。为分析风筒出风口以下区域及出风口到吊盘间区域的CO浓度分布，取Z=5 m、Z=20 m截面作为分析面；考虑人员在吊盘的工作区域，取Z=42 m、Z=46 m截面作为吊盘内CO浓度分布分析面。为便于显示井筒纵向全截面的CO浓度分布情况，取Y=0截面作为分析截面。

图2为通风30 min后井筒几何模型各截面的CO浓度分布云图，红色区域即表示CO浓度超标(大于30 mg/m3)。可见，出风口以下区域CO浓度达标，其他区域CO浓度仍超过标准值。为了量化分析CO浓度在空间的分布特性，在FLUENT后处理模块中生成通风30 min时井筒由下到上各截面的CO浓度曲线图(图3)。可见，通风30 min后，CO浓度大体特征为距离凿井工作面越远，CO浓度值越大。井筒工作面向上27 m范围内CO浓度低于30 mg/m3，这是由于风流在有效射程和通风时间内对底部的炮烟可较快稀释，而井筒底部近70 m段CO浓度均超过30 mg/m3，最大值达160 mg/m3，为最高容许浓度的5.3倍。炮烟抛掷带不断向井筒上部扩散，当风量不足时，新鲜风对炮烟平移输运作用变缓，风筒出口以上的炮烟稀释速度降低，因此，在规定的通风时间内井筒底部的CO浓度并未降至国家规定的浓度值以下。

延长通风时间，分析CO浓度降至30 mg/m3所需的通风时间。图4为通风30，35，40 min时Y=0 m截面CO浓度分布云图。可见，通风后35 min吊盘上部区域CO浓度尚未完全低于30 mg/m3，通风40 min后井筒底部所有区域CO浓度均低于国家规定的最高容许值。因此，在传统计算公式所得风量条件下，工作面爆破后的通风时间应延长至40 min以上，即相对于规定的30 min通风时间，实际需要的通风排烟时间延长30%以上。

图2 传统计算风量通风30 min后井筒各截面CO浓度分布云图

图3 传统计算风量通风30 min后各截面CO最大浓度值曲线

图4 传统计算风量不同通风时刻Y=0 m截面CO浓度分布云图

3.2 风量调整后的通风排烟效果分析

通过上述的分析可知，对于φ10 m深1 500 m竖井施工，实际所需风量应增大调整，方可在规定时间完成通风排烟。本文提出凿井工作面压入式通风量增大系数k，即调整后的风量应增加至传统公式计算风量的k倍。对井筒深1 500 m条件下，初步取k=1.1～1.3计算新风量值，依次模拟。当k=1.3时，风量仍不能满足要求，则以0.1为增量继续增加系数，直至计算达到要求。k取不同值时井筒各平面CO浓度最大值曲线见图5。

图5 不同风量增大系数时井筒各截面CO浓度曲线

对比不同风量条件下通风排烟效果，通风量每增加10%，距离工作面100 m范围内CO浓度最大值可降低40%以上。k=1.3时，即风量为1 030 m3/min时，井筒底部工作区域的CO浓度可在30 min内稀释至30 mg/m3以下。因此，对于思山岭铁矿副井施工，应以1 030 m3/min风量参数作为风机选型的依据。

根据新的风量参数及通风阻力、风压的计算，选用SDDY-Ⅲ-11.0型局部通风机，通过其性能曲线确定井筒各深度的实际工况点，计算出井筒1 500 m时的实际风量，并以该风量参数为边界条件进行数值模拟。由于井筒到底时的条件为通风最困难工况，可认为该条件满足排烟要求则井筒其他深度均可满足要求。图6为井深1 500 m时风机通风30 min后井筒各截面CO浓度分布云图，井筒底部1 000 m内CO浓度均降至30 mg/m3以下，吊盘工作区域CO浓度已降至15 mg/m3以下。可见风量调整后，在规定的通风时间内，可满足排烟要求。

图6 风机通风30 min后井筒各截面CO浓度分布云图

4 结 论

(1)对于φ10 m深1 500 m竖井施工，传统公式计算的风量不能使得炮烟中CO浓度在计划的时间内降至国家标准规定的浓度以下，通风排烟时间需延长30%以上。

(2)对于φ10 m深1 500 m竖井进行风机选型时，工作面所需通风量取传统公式计算数值的1.3倍为宜。

(3)对于思山岭铁矿副井施工，通过数值模拟方法确定工作面所需风量为1 030 m3/min，选用SDDY-Ⅲ-11.0型局部通风机可保证在井筒各深度能在规定时间内完成通风排烟任务。

[1] 崔云龙．建井工程手册[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

[2] 王福军．计算流体力学分析—CFD软件原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2004．

[3] 王晓玲，陈红超，刘雪朋，等．引水隧洞独头掘进工作面风流组织与CO扩散的模拟[J]．水利学报，2008，39(1)：121-127．

[4] 韩占忠，王 敬，兰小平．流体工程仿真计算[M]．北京：北京理工大学出版社，2004．

[5] 王英敏．采空区场流安全理论及其研究的新进展[J]．中国安全科学学报，2005(12)：85-87．

[6] 郭鸿志，张欣欣，刘向军.传输过程数值模拟[M]．北京：冶金工业出版社， 1998．

[7] Launder B E, Spalding D B. The numerical computation of turbulent flows [J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,1974,3(2):269 - 289.

[8] 陈国山.矿井通风与防尘[M].北京：冶金工业出版社，2015.

*北京市科技计划重大科技成果转化落地培育项目(编号：Z141100003514012)；财政部施工新技术研究与开发资金项目(编号：2013[235])。

2015-05-27)

何 磊(1986—)，男，工程师，硕士，100176 北京市经济开发区康定街1号B2座。