某铜矿斜坡道入口成雾控制研究

高 进 孔 浩

(大冶有色金属有限责任公司丰山铜矿)

某铜矿斜坡道入口成雾控制研究

高 进 孔 浩

(大冶有色金属有限责任公司丰山铜矿)

某铜矿斜坡道近地表段成雾现象时有发生，给矿山行车和生产安全带来隐患。采用基于自由射流理论的空气幕引射流技术，改变原有的空气流动方向，破坏成雾条件，用流体力学软件分析空气幕周边空气流场的空间分布特点。结果表明，合适的空气幕可有效控制斜坡道入口成雾现象。

斜坡道 成雾现象 空气幕 数值模拟

矿山斜坡道作为矿井的主要运输道，一般设计为进风通道。实际上，由于通风动力系统、自然风压和行车等诸多条件的影响，斜坡道的风流方向在特定的条件下可能出现冬、春季反风。如果风速较小，斜坡道上无轨柴油汽车产生的汽车尾气和扬尘难以及时稀释和排走，会在斜坡道井口段成雾，从而降低可见度，严重威胁行车安全和工人的身体健康。为确保行车安全、提高效率，控制斜坡道近地段的成雾十分必要，具有重要的现实意义。采用空气幕对风流方向进行干预的研究涉及到众多领域[1-5]，本文采用基于自由射流理论的空气幕引射流措施增加斜坡道的进风量，破坏成雾条件，从而达到成雾控制的效果。

1 矿山概况

某铜矿分南、北2个矿带，年生产能力为60万t。采用竖井和斜坡道联合开拓，上部中段高50 m，深部中段高60 m。主、副井位于北缘矿带下盘；井底车场为环型运输方式；南缘矿带为脉外双巷环形布置，采用下向分段碎石胶结充填法；北缘矿带为下盘单巷布置，采用壁柱式上向分层尾砂充填法；采场采用柴油铲运机运输，较长距离的独头作业面采用电动铲运机运输；矿井采用副井和斜坡道进风，南、北缘回风井回风的双对角式通风系统，新鲜风流经过副井和斜坡道(有时反风)、井底车场、石门、南北矿带沿脉巷道、采场人行进风天井、工作面、采场回风充填天井、上中段回风平巷、中段回风石门、南北回风井，污风排到地表[6]。

2 斜坡道入口成雾控制

2.1 理论基础

成雾控制的理论基础是自由射流理论。自由射流是一种不受边界限制，在大空间内自由射出的风流。紊流射流运动微分方程式可表达为

(1)

式中，x为横坐标，m；y为纵坐标，m；u为横向速度，m/s；v为纵向速度，m/s；c为试验常数，无因次比例系数。

基于自由射流理论构建的矿用空气幕运行效果与众多因素相关，包括空气幕的安装方式、出口断面积、射流风机的叶片角度等[7]。

2.2 方案设计

由于矿山生产的持续推进，改变了原通风系统设计的部分条件，导致通风系统能力不足，出现冬季斜坡道反风现象。在冬、春季节，由于温度和湿度的原因，这种反风情况会导致斜坡道入口处起雾，不利于矿山安全生产。为此，设计了斜坡道内双风机并联空气幕装置，采用2台风机联合运转的工作模式，风机均为K45-6-NO.12型矿用轴流通风机，并联运转。为有效组织风机出口风流，特设计了连接风机的空气幕供风器，供风器出口的尺寸为2.00 m×0.52 m(宽×高)。由于该矿山的斜坡道是车辆出入的通道，设计空气幕装置时需要考虑其对行人和运输的影响。设计的空气幕位置选择在离斜坡道入口50～100 m处的巷道两侧，见图1。

2.3 流场模拟

采用FLUENT计算流体力学软件，根据图1的物理模型构建数值模拟计算模型，在确定相关边界条件下，模拟了空气幕在2台风机全开的情形下的气流空间组织情况，见图2。

图1 斜坡道入口处空气幕安装示意(单位：mm)

图2 空气幕工作时的风流组织

从图2可以看出，空气幕全开后，由于风机的射流作用，改变了原有的风流组织形式，加大了风流的扰动，也改变了风流的方向，从而破坏了原有的斜坡道入口段的成雾条件，从而有效控制成雾。

3 效果分析

由于空气幕采用2台K45-6-NO.12型风机并联联合运转方式，其运行状态包括2台全开、单开一台和关闭状态。根据安装空气幕后的实际情况进行风量测定，现场测定数据见表1。

从表1可以看出，不同的空气幕运转状态对于斜坡道过风量的增加具有较大的影响。这种风量的变化会改变斜坡道入口段的空气流动形式及焓湿状态，从而可以有效控制成雾条件。

表1 空气幕不同状态下的斜坡道风量参数

4 结 论

(1)安装空气幕后不会影响斜坡道的正常的通行功能。

(2)空气幕的状态可以通过并联风机的开启台数进行调节，进而调节风量。

(3)空气幕的运转改变了原风流空间组织形式，加大了风流的扰动，有效破坏了斜坡道入口段成雾条件，从而达到控制成雾的目的。

[1] 赵 玲，蒋仲安.循环型空气幕多机联合隔断巷道风流效果的分析[J]．中南大学学报：自然科学版，2013，44(10)： 4238-4243.

[2] 刘 杰，杨胜强，郭记伟，等．矿用空气幕研究现状及展望[J]．煤矿安全， 2013，44(2)： 204-206.

[3] 聂 文，程卫民，于岩斌，等．全岩机掘面压风空气幕封闭除尘系统的研究与应用[J]．煤炭学报， 2012，37(7)： 1165-1170.

[4] 王海宁，牛忠育，吴彦军．矿用空气幕控制井下循环风流的应用研究[J]．矿业研究与开发， 2010(1)： 84-87.

[5] 黄金星．矿用隔尘气幕机的研究[J].矿业安全与环保，2013，40(1)：56-60.

[6] 柴 立，杜贵文．丰山铜矿-320～-440 m中段开采工程可行性研究报告[R]．北京：中国恩菲工程技术有限公司，2014.

[7] 刘雅俊,葛少成,刘 剑.风幕集尘风机及短路流场的数学模型的研究[J].中国安全科学学报,2002,12(1):69-72.

2015-05-13)

高 进(1976—)，男，主任工程师，工程师，435232 湖北省阳新县富池镇。