Fluent在不同采矿方法下的采场通风模拟研究

翟建波，葛启发

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

1 前言

目前我国多数矿山的总风量超过总需风量，风量得不到合理利用，尤其是回采作业工作面不能确保有效安全通风。随着矿山开采规模的增大和加深，开展对矿井通风系统优化及按需通风技术研究变得越来越重要。

采场通风随各种采矿方法及其采准结构形式不同而变化。根据各种采矿方法的结构特点，采场通风可以归纳为巷道型或硐室型采场通风、有出矿底部结构采场通风和无底柱分段崩落法采场通风3大类[1]。

目前，在我国的设计和研究工作中，对采场通风的描述往往比较定性化，与实际通风工况差距明显，对现场的理论指导不足，而采场作为井下作业人员相对集中的区域，其通风环境好坏直接关系到人员的身心健康和生命安全，因此，需要利用现代化的技术手段对采场通风进行定量化的研究，从而了解采场通风的风流特性及效果，为采场通风设计和研究提供理论依据，对矿井通风系统优化为按需通风研究奠定基础。

2 Fluent软件

2.1 Fluent软件介绍

Fluent软件是国内外流行的CFD软件，采用基于完全非结构化网络的有限体积法，包含基于压力的分离求解器、基于压力的耦合求解器、基于密度的隐式求解器、基于密度的显式求解器，可用于模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流场。广泛应用于航空航天、旋

转机械、高速列车、汽车、能源、石油化工和冶金等领域[2]。

2.2 Fluent软件在矿山通风的应用

矿山通风风流主要是指巷道风流，巷道风流多属紊流。目前，普遍采用紊流模型为雷诺应力模型和涡粘模型，工程中使用较为广泛的是涡粘模型。涡粘模型分为零方程模型、一方程模型及双方程模型。双方程湍流模型能够比较准确地模拟各种复杂流动，而且计算量也在工程可以接受的范围，由于比较详细地考虑了紊流结构的一些特点，它不但可以用于剪切应力占主导地位的紊流，如挡板阻隔、通道的转折和突然扩大等局部结构附近的风流结构，而且可用于巷道风流流动。目前在流体流动、传热物质研究领域应用最广泛的是双方程模型中k-ε模型。

Fluent软件提供了3种双方程k-ε模型：标准k-ε模型，RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型。标准k-ε模型是目前使用最广泛的紊流模型；RNGk-ε模型主要应用于旋转机械，解决旋转坐标系下的流动问题；Realizablek-ε模型主要用于射流、大分离、回流、大空间通风等问题[3]。

随着计算机技术的推广和多学科交叉的发展，Fluent软件在矿山通风方面的应用大量学者也进行了研究，聂晓邺[4]对掘进作业面的通风降温研究得出高温矿井风速的增加可以有效改善作业面温度环境，达到通风降温效果。龚剑[5]等对掘进巷道的粉尘运移规律进行研究，得出在压入式通风情况下，粉尘在1 200s时基本排出。姚荐达等[6]对煤矿U型通风工作面模拟，得出工作面风速分布图，雷诺数分布图，对确定工作面通风参数有着重要参考价值。蒋仲安[7]等对巷道型采场爆破粉尘质量浓度的分布及变化规律的研究，与现场实测数据基本一致，证实了Fluent软件模拟结果的可靠性，对改善采场空间内粉尘及通风除尘设计有着重要意义。姚锡文等[8]对大倾角综放工作面通风降尘系统研究，Fluent模拟结果可以得出上行通风和下行通风的人行道空间的粉尘质量浓度，最优的排尘风速，与实测数据对比分析也证明了其结果的准确性，对设计和现场作业都可以提供理论指导。

3 案例分析

3.1 研究对象和目的

本文的研究对象为谷家台铁矿分层进路充填法、大冶铁矿分段空场嗣后充填法和普朗铜矿自然崩落法3个矿山的3种不同采矿方法的采场通风。通过ANSYS workbench环境下的Geometry建立3种采矿方法的采场几何模型，通过meshing划分网格后，应用Fluent软件模拟采场通风环境，了解采场风速场等，最终为采场通风提供理论依据。

Fluent软件模拟分析分为问题定义、前处理和求解过程、后处理过程3部分。主要流程包含：确定模拟目的、确定计算域、创建代表计算域的几何实体、设计并划分网络、设置物理问题(物理模型、材料属性、域属性、边界条件等)、定义求解器(数值格式、收敛控制等)、求解并监控、查看计算结果、修订模型。

3.2 几何模型构建

DesignModeler作为ANSYS workbench下的一个子模块，其功能主要是进行几何处理，构建几何模型。

谷家台铁矿分层进路充填法示意图见图1。对采场形状进行适当简化，采场布置与实际布置相似，巷道长度按实际尺寸设置，巷道形状为半圆下接矩形的类三心拱，宽×高为4.2m×3.6m，采场进路长×宽×高为50m×5m×5m，回风天井的直径为2m。Geometry建立的几何模型尺寸与实际尺寸比例为1∶1。几何模型见图2。

大冶铁矿分段空场嗣后充填采矿法示意图见图3。对大冶铁矿采场形状进行适当简化，采场布置与实际布置相似，巷道长度按实际尺寸设置，巷道形状为半圆下接矩形的类三心拱，宽×高为3.5m×3.6m，采场宽×高为15m×15m，每个回采步距按7.5m设置。Geometry建立的几何模型尺寸与实际尺寸比例为1∶1，见图4。

普朗铜矿自然崩落法示意图见图5。对普朗铜矿采场形状进行适当简化，仅考虑出矿水平的通风，采场布置与实际布置相似，巷道长度按实际尺寸设置，巷道形状为半圆下接矩形的类三心拱，宽×高为4.2m×3.9m，出矿穿脉长100m，每隔7.5m布置一个出矿进路，出矿进路长为10m，同侧出矿进路相隔15m，出矿穿脉中部布置采场溜井和回风天井，天井直径为2m，溜井直径为3m。Geometry建立的几何模型尺寸与实际尺寸比例为1∶1，见图6。

图1 分层进路充填法示意图

图2 分层进路充填法采场几何模型

3.3 确定参数和边界条件

根据矿山实际工作情况及相关实测数据，确定数值模拟采用非耦合隐式算法，湍流方程为标准k-ε模型，能量方程和离散相模型关闭，采用SIMPLEC算法，离散格式采用一阶迎风格式，收敛标准为10-3。

谷家台铁矿分层进路充填法边界条件设定为：分段巷道进风口为模型的入口边界，类型为Velocity- inlet，速度2.04m/s，即风量30m3/s；分段巷道出风口为模型的出口边界1，类型为Pressure outlet，压力为0；所有巷道壁面边界条件类型为NO Slip；盘区1的回风井出口为模型的出口边界2，类型为Pressure outlet，压力为-10Pa；盘区2的回风井出口为模型的出口边界3，类型为pressure outlet，压力为-10Pa。采场模型的入口边界为穿脉巷道一侧，类型为Velocity- inlet，另一侧为出口边界，类型为Outflow；风筒入口边界为出风口处，类型为mass- flow。

大冶铁矿分段空场嗣后充填法边界条件设定为：分段巷道、凿岩巷道、回风巷道分别设置inlet 1、inlet 2、inlet 3，分段巷道和上阶段出矿巷道分别设置出风口outlet 1、outlet 2；其中inlet的type为velocity- inlet，inlet 1为3m/s，inlet 2为1m/s，inlet 3为2m/s；outlet的type为pressure- outlet，outlet 1为-5Pa，outlet 2为-15Pa。

普朗铜矿自然崩落法边界条件设定为：出矿穿脉两侧分别设定为inlet 1，inlet 2，回风天井设置为outlet，其中inlet 1、inlet 2的type为velocity- inlet，outlet为outflow。inlet 1和inlet 2风速都为0.5m/s。

设定材料属性为Air，密度为1.225kg/m3，粘性系数为1.789 4×10-5Pa·s。

湍流参数采用湍流强度I及水力直径DH的方式确定，I及DH可以采用下列公式进行计算：

式中：S——风流断面面积，m2；

C——流体与固体接触周长，m。

式中：ReH——按水力直径DH计算得到的雷诺数，ReH=V/v；

V——联络道断面的平均风速，m/s；

v——空气的运动粘性系数，通常取1.5×10-7m2/s。

图4 分段空场嗣后充填法几何模型

3.4 模拟结果分析

3.4.1 谷家台铁矿分层进路充填法模拟结果分析

谷家台铁矿模拟结果见图7。通过图形分析得出：回风天井处风流最大，多数巷道通风状况较好，但采场进路、采场调车巷道和溜井联络道附近通风状况不良。

为了进一步了解通风不良区域的通风状况，需要研究采场进路的通风状况，考虑采场长度对通风有较大的影响，因此，后续工作会对不同长度的采场进路进行单独模拟分析研究。

3.4.2 大冶铁矿分段空场嗣后充填法模拟结果分析

模拟结果见图8。通过图形分析得出：一支新鲜风流由分段巷道右侧进入后，依次进入右侧和中间出矿穿脉巷道，再通过出矿进路进入采场，在吹洗工作面后，一部分风流向采场上部区域，一部分风流经左侧的出矿进路回流到左侧出矿穿脉；另一支新鲜风流由凿岩巷道进入，径直流向采场端部，并逐渐扩散，在遇到阻碍后一部分向上回流至回风巷道，一部分向下涡流后，一部分回流至出矿进路，另一部分回流至回风巷道。在采场的下分段可能会出现炮烟密集区，无法排除，此外，污风通过出矿进路回风也不符合采场通风要求，而模型中inlet 3可以不设定，因为其风流不会经过采场，对采场通风模拟结果不产生影响。

通过对以上结果分析，对模型边界条件进行修改，从而改善采场通风效果，具体操作条件如下：inlet 1风速保持不变，inlet 2风速减少至0.5m/s，outlet 1设定为wall，即考虑inlet 1的新鲜风流全部进入采场，同时避免在出矿水平形成风流短路现象出现。模拟结果如图9所示。

通过图形分析得出：采场通风状况明显改善，但在采场上分段左上角和采场下分段右侧中部以及凿岩巷道刚进入采场的两侧等区域会形成污风汇集区，因为该区域风速低于0.15m/s，不利于炮烟和粉尘的排出。随着采场逐渐向右侧推进，采场下分段右侧中部和凿岩巷道刚进入采场的两侧区域通风都会得到改善，消除这些炮烟密集区，但采场上分段左上角区域的炮烟不利于排出，在充填作业时如果涉及到该区域，应提前做好通风，消除其潜在危险。

图5 自然崩落法示意图

图6 自然崩落法几何模型

图7 分层进路充填法模拟结果

图8 分段空场嗣后充填法模拟结果

图9 优化后大冶铁矿采场模拟结果图

3.4.3 普朗铜矿自然崩落法模拟结果分析

模拟结果见图10。通过图形分析得出：出矿穿脉内的风流稳定，全部超过0.15m/s，而在出矿进路，通风状况不良，仅在出矿进路巷道的迎风侧边帮位置风流超过0.15m/s，在逆风侧区域形成涡流区域，通风状况最差，而在回风天井位置风流达到最大值5.76m/s。

通过对以上结果分析，应在出矿进路中安装局扇改善通风状况，考虑放矿漏斗中含有炮烟，采用压入式通风不利于排出炮烟，应采用抽出式通风方式。

4 结论

应用ANSYS workbench下的子模块DesignModeler构建3种不同采矿方法下的采场几何模型并进行网格划分，应用Fluent软件设定参数和边界条件模拟分析不同采矿方法下的采场通风，得出不同采矿方法下采场风速分布图等模拟结果。

通过对模拟结果的分析得出：①分层进路充填采矿法采场通风中除采场进路、采场调车道和溜井联络道附近通风状况不良外，其它巷道通风状况良好，满足通风要求；②分段空场嗣后充填法采场通风模拟发现了采场通风状况不良的巷道，通过改变通风条件(即改变边界条件)重新模拟获知了良好的通风效果，为通风系统优化提供了理论依据；此外，还可获知大空间采场中污风(含炮烟和粉尘)的聚集区域，在后续充填作业或其它工种作业涉及到该区域时应提前做好通风，消除潜在危险；自然崩落法采场通风模拟得知通风状况不良区域为出矿进路巷道，如果要更好地排出放矿漏斗中所含有的炮烟，应采用安装局扇的方法。

总之，Fluent软件成功模拟了不同采矿方法下的采场通风状况，并提供了一些定量的数据分析，为以后矿井通风系统优化及按需通风技术研究奠定了一定的理论基础。

[参考文献]

[1] 《采矿设计手册》编写组.采矿设计手册(矿床开采卷下)[M].北京：中国建筑工业出版社，1989.

[2] 李明高，等.ANSYS 13.0流场分析技术及应用实例[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3] 闫小康，王利军.Fluent软件在通风工程中的应用[J].煤矿机械，2005，(11).

[4] 聂晓邺.基于Fluent的掘进作业面通风降温数值模拟研究[J].采矿技术，2015，(6).

[5] 龚 剑，胡乃联,等.掘进巷道压入式通风粉尘运移规律数值模拟[J].有色金属，2015，(1).

图10 自然崩落法模拟结果图

[6] 姚荐达，丁 勇.回采工作面风场Fluent模拟分析研究[J].能源与环境，2012，(1).

[7] 蒋仲安，陈梅岭,等.巷道型采场爆破粉尘质量浓度分布及变化规律的数值模拟[J].中南大学学报(自然科学版)，2013，(3).

[8] 李 锋.基于Fluent的硐室采场粉尘浓度分布规律模拟研究[D].青岛:青岛理工大学，2010.