何 磊 馬 銀 孫顯騰

(1.中國華冶科工集團(tuán)有限公司；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院)

大斷面深豎井施工通風(fēng)排煙數(shù)值模擬研究*

何 磊1馬 銀1孫顯騰2

(1.中國華冶科工集團(tuán)有限公司；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院)

為獲得大斷面井筒工作面爆破后排煙特性，以傳統(tǒng)公式計(jì)算得到的排煙所需風(fēng)量及工程實(shí)際條件為初始參數(shù)，應(yīng)用FLUENT軟件對風(fēng)量條件下通風(fēng)排煙過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，評價(jià)傳統(tǒng)計(jì)算公式的適用性。通過增大風(fēng)量參數(shù)作為模擬邊界條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定合理的風(fēng)量參數(shù)作為局部通風(fēng)機(jī)選型的依據(jù)。結(jié)果表明：對于φ10 m井筒，在傳統(tǒng)公式計(jì)算的風(fēng)量條件下，通風(fēng)達(dá)到規(guī)定的時(shí)間時(shí)，工作區(qū)域CO濃度仍高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高容許值，通風(fēng)時(shí)間需延長30%以上；進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型時(shí)，工作面所需通風(fēng)量取傳統(tǒng)公式計(jì)算數(shù)值的1.3倍為宜。結(jié)論為本溪思山嶺鐵礦副井施工通風(fēng)方案提供了依據(jù)。

豎井施工 通風(fēng)排煙 數(shù)值模擬 Fluent 需風(fēng)量

目前我國千米豎井施工時(shí)通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)均采用傳統(tǒng)的計(jì)算公式，獲取所需的最大風(fēng)量后，根據(jù)全程風(fēng)阻及風(fēng)壓等參數(shù)選擇風(fēng)機(jī)[1]。這些豎井的深度多在1 200 m以下，凈直徑一般小于8 m，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算設(shè)計(jì)的通風(fēng)方案一般滿足其通風(fēng)排煙的要求。本溪思山嶺鐵礦副井凈直徑為10 m，深1 503.9 m，施工時(shí)將面臨1 500 m長距離通風(fēng)排煙問題，目前尚無可借鑒的類似工程。因此，在該豎井施工方案設(shè)計(jì)時(shí)有必要對其通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，研究大直徑深豎井通風(fēng)排煙所需風(fēng)量及設(shè)備選型。鑒于近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬(CFD)方法進(jìn)行流體仿真研究得到了越來越多的應(yīng)用[2]。在氣體輸運(yùn)模擬方面， CFD方法也具有相當(dāng)?shù)目煽啃訹3-5]。因此,應(yīng)用FLUENT軟件建立該豎井模型并對不同條件下通風(fēng)排煙過程進(jìn)行模擬，從而為10 m凈直徑1 500 m 以上豎井的通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 數(shù)值模擬思路

以傳統(tǒng)公式得出的風(fēng)量值為參數(shù)數(shù)值模擬1 500 m 條件下通風(fēng)排煙情況，判斷該風(fēng)量可否滿足排煙需要。若不能滿足，則進(jìn)行風(fēng)量調(diào)整后選擇通風(fēng)機(jī)，再根據(jù)井筒深度1 500 m時(shí)的實(shí)際風(fēng)量條件進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證所選風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量能否滿足排煙要求。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

假定通風(fēng)氣流可視為不可壓縮流體，可忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱，同時(shí)假定壁面絕熱，等溫通風(fēng)；流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流,滿足Boussinesq 假設(shè)。描述黏性流體流動(dòng)的風(fēng)流模型由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程組成[6]。

連續(xù)性方程:

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中,ρ為密度，kg/m3;t為時(shí)間，s;uj為xj方向上空氣速度分量，m/s;ui為xi方向上空氣速度分量，m/s；p為壓力，Pa;si為動(dòng)量源項(xiàng)，考慮浮力，取si=gi(ρ-ρ0)，gi為xi方向上重力加速度分量，m/s2,ρ0為參考密度，kg/m3。

本數(shù)值模型中涉及到傳質(zhì)問題，氣體組分在流體內(nèi)質(zhì)量傳遞的關(guān)系表述為

(3)

式中，Ym為質(zhì)量分率；μe為等效動(dòng)力黏性系數(shù),Pa·s;δY為紊流Prandtl數(shù)，一般取1.0;Ws為時(shí)均組分的反應(yīng)率，kg/(m3·s)；其他符號意義同上。

2.2 幾何模型的建立與網(wǎng)格劃分

若對φ10 m深1 500 m豎井進(jìn)行完整建模，其劃分的網(wǎng)格數(shù)量將十分龐大，數(shù)值計(jì)算的效率將極為低下。鑒于鑿井期間的工作區(qū)域均在鑿井工作面及吊盤，因此，僅取井筒工作面往上100 m的空間為模擬區(qū)域(圖1)。吊盤位于工作面上方40 m位置，風(fēng)筒進(jìn)行簡化處理，出風(fēng)口位于工作面上方12 m，距離井壁0.2 m。利用GAMBIT軟件對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對于本系列模型分塊后采用Cooper(非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格)和TGird(混合網(wǎng)格)方式分別劃分，Cooper方式采用六面體單元，Tgird方式采用四面體網(wǎng)格單元。本模型Z軸正向?yàn)榇怪辫従ぷ髅嫦蚓诜较?，吊盤中心為X軸、Y軸坐標(biāo)原點(diǎn)，見圖1。

圖1 井筒底部100 m區(qū)域的物理模型

2.3 邊界條件與初始條件

2.3.1 進(jìn)口邊界

數(shù)值模型中包含一個(gè)進(jìn)口邊界，即壓入式局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的出風(fēng)口，邊界類型為velocity inlet，進(jìn)口邊界條件根據(jù)各模擬工況的風(fēng)量參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。豎井施工工作面所需風(fēng)量一般由炸藥量計(jì)算得出：

(4)

式中,Q為掘進(jìn)工作面實(shí)際需要的風(fēng)量，m3/min；A為掘進(jìn)工作面一次爆破值的最大炸藥用量，kg；t為規(guī)定的通風(fēng)時(shí)間，min。

計(jì)算得出所需風(fēng)量Q=792 m3/min。該參數(shù)作為傳統(tǒng)公式計(jì)算所得的風(fēng)量邊界條件。

2.3.2 出口邊界

出口的邊界條件設(shè)置為out flow類型。

2.3.3 固體壁面

井筒壁面為無滑動(dòng)壁面邊界。為了解決高雷諾數(shù)流動(dòng)與壁面附件黏性次層的銜接問題，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法[7]。

2.3.4 炮煙中有害氣體初始濃度

鑿井中使用的3層吊盤是爆破后炮煙擴(kuò)散的第一道障礙，因此,考慮第三層吊盤以下的井筒區(qū)域?yàn)榕跓煶跏紥仈S帶。根據(jù)設(shè)計(jì)裝藥量以及有害氣體生成量計(jì)算得到炮煙拋擲帶中CO質(zhì)量分率Cco=0.016 92。從以往施工經(jīng)驗(yàn)分析，爆破通風(fēng)后空氣中CO濃度達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)[8]，氮氧化物的濃度已降至國家標(biāo)準(zhǔn)的最高容許值以下。因此,本文以CO濃度作為分析對象。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 傳統(tǒng)公式計(jì)算風(fēng)量的適用性分析

根據(jù)傳統(tǒng)公式計(jì)算的思山嶺鐵礦副井施工1 500 m 時(shí)的所需風(fēng)量為792 m3/min，以該參數(shù)作為初始邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行后處理。為分析風(fēng)筒出風(fēng)口以下區(qū)域及出風(fēng)口到吊盤間區(qū)域的CO濃度分布，取Z=5 m、Z=20 m截面作為分析面；考慮人員在吊盤的工作區(qū)域，取Z=42 m、Z=46 m截面作為吊盤內(nèi)CO濃度分布分析面。為便于顯示井筒縱向全截面的CO濃度分布情況，取Y=0截面作為分析截面。

圖2為通風(fēng)30 min后井筒幾何模型各截面的CO濃度分布云圖，紅色區(qū)域即表示CO濃度超標(biāo)(大于30 mg/m3)?？梢?，出風(fēng)口以下區(qū)域CO濃度達(dá)標(biāo)，其他區(qū)域CO濃度仍超過標(biāo)準(zhǔn)值。為了量化分析CO濃度在空間的分布特性，在FLUENT后處理模塊中生成通風(fēng)30 min時(shí)井筒由下到上各截面的CO濃度曲線圖(圖3)。可見，通風(fēng)30 min后，CO濃度大體特征為距離鑿井工作面越遠(yuǎn)，CO濃度值越大。井筒工作面向上27 m范圍內(nèi)CO濃度低于30 mg/m3，這是由于風(fēng)流在有效射程和通風(fēng)時(shí)間內(nèi)對底部的炮煙可較快稀釋，而井筒底部近70 m段CO濃度均超過30 mg/m3，最大值達(dá)160 mg/m3，為最高容許濃度的5.3倍。炮煙拋擲帶不斷向井筒上部擴(kuò)散，當(dāng)風(fēng)量不足時(shí)，新鮮風(fēng)對炮煙平移輸運(yùn)作用變緩，風(fēng)筒出口以上的炮煙稀釋速度降低，因此，在規(guī)定的通風(fēng)時(shí)間內(nèi)井筒底部的CO濃度并未降至國家規(guī)定的濃度值以下。

延長通風(fēng)時(shí)間，分析CO濃度降至30 mg/m3所需的通風(fēng)時(shí)間。圖4為通風(fēng)30，35，40 min時(shí)Y=0 m截面CO濃度分布云圖?？梢?，通風(fēng)后35 min吊盤上部區(qū)域CO濃度尚未完全低于30 mg/m3，通風(fēng)40 min后井筒底部所有區(qū)域CO濃度均低于國家規(guī)定的最高容許值。因此，在傳統(tǒng)計(jì)算公式所得風(fēng)量條件下，工作面爆破后的通風(fēng)時(shí)間應(yīng)延長至40 min以上，即相對于規(guī)定的30 min通風(fēng)時(shí)間，實(shí)際需要的通風(fēng)排煙時(shí)間延長30%以上。

圖2 傳統(tǒng)計(jì)算風(fēng)量通風(fēng)30 min后井筒各截面CO濃度分布云圖

圖3 傳統(tǒng)計(jì)算風(fēng)量通風(fēng)30 min后各截面CO最大濃度值曲線

圖4 傳統(tǒng)計(jì)算風(fēng)量不同通風(fēng)時(shí)刻Y=0 m截面CO濃度分布云圖

3.2 風(fēng)量調(diào)整后的通風(fēng)排煙效果分析

通過上述的分析可知，對于φ10 m深1 500 m豎井施工，實(shí)際所需風(fēng)量應(yīng)增大調(diào)整，方可在規(guī)定時(shí)間完成通風(fēng)排煙。本文提出鑿井工作面壓入式通風(fēng)量增大系數(shù)k，即調(diào)整后的風(fēng)量應(yīng)增加至傳統(tǒng)公式計(jì)算風(fēng)量的k倍。對井筒深1 500 m條件下，初步取k=1.1～1.3計(jì)算新風(fēng)量值，依次模擬。當(dāng)k=1.3時(shí)，風(fēng)量仍不能滿足要求，則以0.1為增量繼續(xù)增加系數(shù)，直至計(jì)算達(dá)到要求。k取不同值時(shí)井筒各平面CO濃度最大值曲線見圖5。

圖5 不同風(fēng)量增大系數(shù)時(shí)井筒各截面CO濃度曲線

對比不同風(fēng)量條件下通風(fēng)排煙效果，通風(fēng)量每增加10%，距離工作面100 m范圍內(nèi)CO濃度最大值可降低40%以上。k=1.3時(shí)，即風(fēng)量為1 030 m3/min時(shí)，井筒底部工作區(qū)域的CO濃度可在30 min內(nèi)稀釋至30 mg/m3以下。因此，對于思山嶺鐵礦副井施工，應(yīng)以1 030 m3/min風(fēng)量參數(shù)作為風(fēng)機(jī)選型的依據(jù)。

根據(jù)新的風(fēng)量參數(shù)及通風(fēng)阻力、風(fēng)壓的計(jì)算，選用SDDY-Ⅲ-11.0型局部通風(fēng)機(jī)，通過其性能曲線確定井筒各深度的實(shí)際工況點(diǎn)，計(jì)算出井筒1 500 m時(shí)的實(shí)際風(fēng)量，并以該風(fēng)量參數(shù)為邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬。由于井筒到底時(shí)的條件為通風(fēng)最困難工況，可認(rèn)為該條件滿足排煙要求則井筒其他深度均可滿足要求。圖6為井深1 500 m時(shí)風(fēng)機(jī)通風(fēng)30 min后井筒各截面CO濃度分布云圖，井筒底部1 000 m內(nèi)CO濃度均降至30 mg/m3以下，吊盤工作區(qū)域CO濃度已降至15 mg/m3以下?？梢婏L(fēng)量調(diào)整后，在規(guī)定的通風(fēng)時(shí)間內(nèi)，可滿足排煙要求。

圖6 風(fēng)機(jī)通風(fēng)30 min后井筒各截面CO濃度分布云圖

4 結(jié) 論

(1)對于φ10 m深1 500 m豎井施工，傳統(tǒng)公式計(jì)算的風(fēng)量不能使得炮煙中CO濃度在計(jì)劃的時(shí)間內(nèi)降至國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的濃度以下，通風(fēng)排煙時(shí)間需延長30%以上。

(2)對于φ10 m深1 500 m豎井進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型時(shí)，工作面所需通風(fēng)量取傳統(tǒng)公式計(jì)算數(shù)值的1.3倍為宜。

(3)對于思山嶺鐵礦副井施工，通過數(shù)值模擬方法確定工作面所需風(fēng)量為1 030 m3/min，選用SDDY-Ⅲ-11.0型局部通風(fēng)機(jī)可保證在井筒各深度能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成通風(fēng)排煙任務(wù)。

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*北京市科技計(jì)劃重大科技成果轉(zhuǎn)化落地培育項(xiàng)目(編號：Z141100003514012)；財(cái)政部施工新技術(shù)研究與開發(fā)資金項(xiàng)目(編號：2013[235])。

2015-05-27)

何 磊(1986—)，男，工程師，碩士，100176 北京市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)康定街1號B2座。