溜井放礦沖擊氣流流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

湯民波,姚貴佳,李義杰,陳 亮

(1.湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 株洲 412000； 2.江西瑞林稀貴金屬科技有限公司， 江西 宜春 336000； 3.江西理工大學(xué)， 江西 贛州 341000)

綜合技術(shù)

溜井放礦沖擊氣流流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

湯民波1,姚貴佳2,3,李義杰3,陳 亮3

(1.湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 株洲 412000； 2.江西瑞林稀貴金屬科技有限公司， 江西 宜春 336000； 3.江西理工大學(xué)， 江西 贛州 341000)

為了認(rèn)識(shí)溜井卸礦沖擊氣流的基本規(guī)律及有效控制溜井粉塵污染，基于流體力學(xué)對(duì)溜井卸礦時(shí)沖擊氣流形成過(guò)程進(jìn)行理論分析，推導(dǎo)出沖擊氣流與卸礦高度關(guān)系式。運(yùn)用FLUENT模擬分析了溜井卸礦過(guò)程中的沖擊氣流流場(chǎng)分布、壓力場(chǎng)分布以及各個(gè)溜井口產(chǎn)生的氣流隨時(shí)間的變化，結(jié)果表明：溜井放礦過(guò)程中，放礦體前端正壓和后端負(fù)壓力值不斷增加，溜井內(nèi)的活塞效應(yīng)明顯；溜井內(nèi)部氣流流場(chǎng)可分為涌入氣流區(qū)域、反向氣流區(qū)域、渦流區(qū)域、沖擊氣流區(qū)域；隨著放礦體下落，各支岔溜井口依次產(chǎn)生最大的沖擊氣流，并且隨著放礦高度的增大而增加。

溜井； 沖擊氣流； 流場(chǎng)； 數(shù)值模擬

1 前言

隨著井下機(jī)械化程度的提高，礦山通過(guò)溜井的礦石量大大增加，所以大斷面、高落差的溜井成為今后溜井系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。溜井卸礦時(shí)由于受到溜井細(xì)長(zhǎng)空間的限制，溜井內(nèi)的空氣在下落的破碎礦石的壓縮下，形成類似于活塞的運(yùn)動(dòng)，卸礦高度的增加使溜井內(nèi)的空氣急劇壓縮并產(chǎn)生更大的動(dòng)壓，進(jìn)而生成更加強(qiáng)大的沖擊風(fēng)流，風(fēng)流夾帶著粉塵通過(guò)支岔溜井和卸礦硐室形成更大范圍的擴(kuò)散，嚴(yán)重污染卸礦硐室及周圍巷道，甚至污染整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)[2～5]。為了認(rèn)識(shí)溜井沖擊氣流的基本規(guī)律及有效控制溜井粉塵污染，基于流體力學(xué)原理，對(duì)沖擊氣流形成過(guò)程進(jìn)行理論分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2 溜井放礦沖擊氣流理論

2.1 溜井放礦物理模型與假設(shè)

真實(shí)的溜井系統(tǒng)卸礦是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，首先溜井系統(tǒng)(尤其是高溜井系統(tǒng))的特點(diǎn)是斷面小、細(xì)長(zhǎng)，溜井主體與多個(gè)中段的支岔溜井口相連；并且溜井礦石下落過(guò)程中會(huì)與溜井壁碰撞或礦石與礦石之間相互碰撞，礦石下落過(guò)程是不規(guī)則的加速運(yùn)動(dòng)，在這樣的環(huán)境中產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題非常復(fù)雜，由于礦石下落的高速性及空間的約束性，溜井沖擊氣流的研究與航空及列車進(jìn)出站的動(dòng)力學(xué)研究有很多相似之處，同時(shí)也有很大的差異。

礦石在下落過(guò)程中，速度時(shí)刻都在增大，在放礦體后端形成的負(fù)壓不斷增大，形成誘導(dǎo)風(fēng)流，溜井外的氣體由上方井口進(jìn)入溜井內(nèi)。同時(shí)放礦體下方壓力不斷升高，形成活塞風(fēng)流，其中因?yàn)橄虏苛锞趬毫π∮诹锞畠?nèi)壓力，小部分氣體被擠推繼續(xù)沿溜井向下，而大部分氣體從支岔溜井口沖出形成沖擊氣流，并隨之帶出大量的粉塵，從而對(duì)整個(gè)井下通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響和污染，溜井內(nèi)活塞風(fēng)流場(chǎng)與礦石下落速度的關(guān)系具體情況如圖1所示，礦石下落瞬時(shí)速度為Vt，礦石后側(cè)溜井內(nèi)風(fēng)流流速為V0，支岔溜井口沖擊氣流風(fēng)速為V1，支岔溜井口下方氣流風(fēng)速為V2，定義垂直向下的方向?yàn)樗俣鹊恼较颉?/p>

2.2 溜井放礦沖擊氣流計(jì)算模型

根據(jù)流體力學(xué)原理可知，空氣繞過(guò)放礦體流動(dòng)為繞流運(yùn)動(dòng)。圖2中，將每次放礦的礦石作為一個(gè)分散的整體，稱之為放礦體，簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體，V0為放礦體下落的速度，S0為放礦體的橫斷面積，l0為放礦體的整體特征長(zhǎng)度，S為溜井?dāng)嗝婷娣e，V為巷道內(nèi)活塞風(fēng)速，W為放礦體與溜井壁之間的環(huán)狀空間中氣流對(duì)于巷道壁的速度，S1為支岔口斷面積，V1為支岔口沖擊氣流速度。在dt時(shí)間內(nèi)，放礦體在溜井內(nèi)排開(kāi)的空氣體積為S0V0dt，而在放礦體下方，部分空氣被放礦體推動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)，總體積為SVdt，放礦體經(jīng)過(guò)支岔口時(shí)，體積為S1V1dt氣體從溜井口沖出，形成沖擊氣流，剩余氣體部分繼續(xù)向下，部分通過(guò)放礦體與井巷壁之間的環(huán)狀空間逆向流走，其體積為(S-S0)Wdt。根據(jù)氣體流動(dòng)的連續(xù)性方程可得[6～10]：

圖1 礦石在溜井中下落的活塞風(fēng)模型圖

圖2 放礦體在溜井中下落的簡(jiǎn)化計(jì)算模型

S0V0dt=SVdt+(S-S0)Wdt

(1)

且SVdt=S1V1dt+SV2dt

(2)

在放礦體與溜井壁之間的環(huán)狀空間中向放礦體上方流動(dòng)的氣流相對(duì)于放礦體的速度為：

(3)

式中：α——放礦體相對(duì)溜井的阻塞比。

礦石從高處墜落在重力作用下速度越來(lái)越快，根據(jù)伯努利方程，由溜井內(nèi)斷面2—2與斷面3—3之間氣流相對(duì)放礦體運(yùn)動(dòng)的伯努利方程為：

(4)

將式(3)代入上式，可得：

(5)

式中：P3——放礦體下落前方壓力，Pa；

P2——放礦體下落后方壓力，Pa；

ξ3——?dú)饬饔煞诺V體下方溜井段進(jìn)入環(huán)狀空間的進(jìn)口局部阻力系數(shù)；

ξ2——反向氣流進(jìn)入放礦體上方溜井出口局部阻力系數(shù)；

λ0——反向氣流的沿程阻力系數(shù)，kg/m3；

l0——放礦體的高度，m；

dh——環(huán)狀空間水力直徑，m；

ρ——空氣密度，kg/m3。

根據(jù)放礦體氣候伯努利方程可得：

(6)

式中:ξ1——溜井井口的局部阻力系數(shù)；

λ——溜井沿程阻力系數(shù)，kg/m3；

l12——放礦體的后方距離溜井口的長(zhǎng)度，m；

l34——放礦體的前方距離溜井口的長(zhǎng)度，m；

l——溜井高度，m；

d——溜井水力直徑，m。

式(6)與式(5)對(duì)比可得：

(7)

根據(jù)伯努利方程：

(8)

則式(8)可簡(jiǎn)化為：

ξV2=ξα(V0-V)2

(9)

(10)

由于礦石在溜井內(nèi)做落體運(yùn)動(dòng)(忽略摩擦撞擊影響)，因此:

(11)

式中：H——卸礦高度，m。

將公式(10)、(11)代入(2)可得支岔溜井口風(fēng)速為：

(12)

礦石下落過(guò)程中放礦體前后的壓力分布：

(13)

由此可知，當(dāng)放礦體在溜井內(nèi)做落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，支岔溜井口沖擊氣流大小與卸礦高度有關(guān)[11]；且放礦體前端壓力始終高于放礦體后端壓力，放礦體前后壓力差隨卸礦高度的增加而增大，進(jìn)而影響溜井沖擊氣流風(fēng)速大小。

3 溜井放礦沖擊風(fēng)流數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 幾何模型及邊界條件

溜井為直徑4m圓柱體，溜井高度為250m，每50m為一個(gè)中段，每個(gè)中段有支岔溜井口與溜井相連，假設(shè)每次放礦所有礦石為一個(gè)分散的整體，整體直徑為2.5m，礦石下落加速度為9.8m/s2，入口邊界為壓力入口在井筒上方，出口邊界為壓力出口在井筒下方各支岔溜井口。溜井內(nèi)為不可壓縮氣流。

3.2 模擬實(shí)驗(yàn)及分析

3.2.1 各時(shí)間點(diǎn)壓力云圖

分別提取在放礦體下落過(guò)程中1、2.6、4、5、5.9、6.5s和6.9s等7個(gè)相對(duì)具有代表性時(shí)刻的溜井內(nèi)壓力場(chǎng)分布，并以溜井中軸線為路徑分布50個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)各時(shí)刻溜井內(nèi)壓力，并截取z=0截面放礦體前后壓力分布圖，如圖3和圖4。

圖3 1～5s時(shí)放礦體前后溜井內(nèi)壓力云圖

圖4 1～5s時(shí)溜井內(nèi)壓力散點(diǎn)分布曲線

從圖3和圖4可以看到在溜井放礦過(guò)程中，隨著放礦體下落速度的增加，放礦體前端正壓和后端負(fù)壓力值不斷增加，并且影響范圍越來(lái)越大，放礦體前后的壓力差愈來(lái)愈大，因此溜井內(nèi)的活塞效應(yīng)愈加明顯，下部支岔溜井的沖擊氣流將會(huì)越來(lái)越大。由圖4看到在4s這條曲線上，溜井內(nèi)放礦體前后壓力差超過(guò)800Pa，到達(dá)5.9s時(shí)壓力差達(dá)到1.6kPa。此時(shí)也是底部支岔溜井口沖擊氣流最強(qiáng)烈的時(shí)候。

從圖5和圖6可以看到，在溜井放礦過(guò)程中6.5s和6.9s時(shí)，放礦體下落到+50m以下，因其下部沒(méi)有出口，所以氣流從放礦體側(cè)面沖出形成反向氣流，可以看到放礦體下方的溜井內(nèi)正壓力在短時(shí)間內(nèi)急劇增加，達(dá)到3～4kPa，而且?guī)缀醴植加谡麄€(gè)下部溜井內(nèi)，而于放礦體后端負(fù)壓相對(duì)前端正壓要小很多，而且負(fù)壓范圍要小很多，但總體來(lái)看，在這一時(shí)刻溜井內(nèi)放礦體前后壓力差達(dá)到6kPa。另外由于反向氣流向上沖出，使放礦體后端小范圍內(nèi)氣壓上升，在+100m標(biāo)高和+50m標(biāo)高處溜井內(nèi)均為正壓。

圖5 5.9～6.9s時(shí)放礦體前后溜井內(nèi)壓力云圖

圖6 6.5、6.9s時(shí)溜井內(nèi)壓力散點(diǎn)分布曲線

3.2.2 各時(shí)間點(diǎn)速度云圖

分別提取1、2.6、4、5、5.9、6.5s和6.9s等7個(gè)相對(duì)具有代表性的時(shí)間點(diǎn)時(shí)溜井沖擊氣流流場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，并且截取了z=0時(shí)刻各溜井口速度云圖，如圖7至圖13所示。

(1)1s時(shí)刻速度云圖及流場(chǎng)圖。由圖7可以看出，放礦體在下落1s時(shí)，放礦體正處于+200m標(biāo)高以上較遠(yuǎn)處，溜井內(nèi)放礦體下方壓力開(kāi)始增加，在+200m標(biāo)高溜井口開(kāi)始形成氣流，風(fēng)速大概在1m/s左右；同時(shí)放礦體后端開(kāi)始產(chǎn)生負(fù)壓。

圖7 z=0時(shí)刻各溜井口速度云圖(1s)

圖8 z=0時(shí)刻各溜井口速度云圖(2.6s)

(2)2.6s時(shí)刻速度云圖及流場(chǎng)圖。由圖8可以看出，放礦體在下落2.6s時(shí)，放礦體正處于+200m標(biāo)高上方附近，+200m標(biāo)高溜井口沖擊氣流明顯加大，達(dá)到約9m/s，+150m溜井口氣流受到上部放礦體影響，產(chǎn)生氣流。

(3)4s時(shí)刻速度云圖及流場(chǎng)圖。由圖9可以看出，放礦體在下落4s時(shí)，放礦體下落至+200m標(biāo)高至+150m標(biāo)高之間，此時(shí)+150m標(biāo)高溜井口產(chǎn)生的沖擊氣流較2.6s時(shí)速度明顯增大，達(dá)到約16m/s，同時(shí)在+100m標(biāo)高溜井口開(kāi)始產(chǎn)生氣流,風(fēng)速也達(dá)到3m/s，溜井口支岔溜井轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)均產(chǎn)生明顯渦流區(qū)域，而在+200m標(biāo)高的溜井口，此時(shí)產(chǎn)生涌入的氣流，風(fēng)速大概為6m/s。

圖9 z=0時(shí)刻各溜井口速度云圖(4s)

(4)5s時(shí)刻速度云圖及流場(chǎng)圖。由圖10可以看出，放礦體在下落5s時(shí)，放礦體下落至+150m標(biāo)高至+100m標(biāo)高之間，此時(shí)+50m標(biāo)高支岔溜井口開(kāi)始產(chǎn)生氣流，風(fēng)速約為5m/s，+100m標(biāo)高溜井口沖擊風(fēng)流最大，達(dá)到約23m/s。同時(shí)+150m標(biāo)高和+200m標(biāo)高溜井口產(chǎn)生涌入氣流，風(fēng)速約為6m/s，在+150m標(biāo)高支岔溜井下側(cè)拐角處產(chǎn)生渦流區(qū)域。

圖10 z=0時(shí)刻各溜井口速度云圖(5s)

(5)5.9s時(shí)刻速度云圖及流場(chǎng)圖。由圖11可以看出，放礦體在下落5.9s時(shí)，放礦體下落至+100m標(biāo)高至+50m標(biāo)高之間，此時(shí)沖擊風(fēng)流最大的是+50m標(biāo)高支岔溜井口，風(fēng)速達(dá)到約33m/s。+100m以上的3個(gè)支岔溜井均產(chǎn)生涌入氣流，+150m標(biāo)高和+200m標(biāo)高溜井口風(fēng)流較穩(wěn)定，風(fēng)速在約5～6m/s。

圖11 z=0時(shí)刻各溜井口速度云圖(5.9s)

(6)6.5s時(shí)刻速度云圖及流場(chǎng)圖。由圖12可以看出，放礦體在下落6.5s時(shí)，放礦體下落至+50m標(biāo)高以下，此時(shí)+50m標(biāo)高溜井口沖擊氣流最大，達(dá)到約23m/s，較5.9s時(shí)風(fēng)速有所下降，該處沖擊風(fēng)流的組成中一部分為在+50m標(biāo)高以下的溜井內(nèi)產(chǎn)生反向的沖擊氣流，另一部分為從上部溜井口涌入的氣流。此時(shí)，由于受反向氣流影響，溜井內(nèi)放礦體后側(cè)壓力有所升高，所以+100m標(biāo)高溜井口氣流由涌入氣流轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊氣流，風(fēng)速為1.5m/s。

圖12 z=0時(shí)刻各溜井口速度云圖(6.5s)

(7)6.9s時(shí)刻速度云圖及流場(chǎng)圖。由圖13可以看出，放礦體在下落6.9s時(shí)，放礦體到溜井最底部，已停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)+50m標(biāo)高溜井口沖擊氣流最大達(dá)到約22m/s。由于在+50m標(biāo)高以下的溜井內(nèi)氣流反向，溜井內(nèi)氣壓不斷增大，+100m標(biāo)高溜井口風(fēng)速約4m/s，上部溜井口的涌入風(fēng)流基本開(kāi)始穩(wěn)定，約在4m/s，氣流分布規(guī)律與6.5s時(shí)基本相似。

圖13 z=0時(shí)刻各溜井口速度云圖(6.9s)

通過(guò)對(duì)以上溜井放礦各時(shí)刻溜井內(nèi)沖擊氣流產(chǎn)生的變化規(guī)律的研究，溜井內(nèi)部氣流流場(chǎng)可分涌入氣流、反向氣流、渦流、沖擊氣流等4個(gè)區(qū)域，其中涌入氣流區(qū)域主要為放礦體后端溜井中心軸線至上部溜井口；反向氣流區(qū)域主要為放礦體四周與溜井壁之間空隙；渦流區(qū)域?yàn)榉诺V體尾端近壁面和支岔溜井口拐角處內(nèi)側(cè)等區(qū)域；沖擊氣流區(qū)域?yàn)榉诺V體前端至下部溜井口。

3.2.3 各時(shí)間點(diǎn)溜井口風(fēng)流分析

為了研究在溜井放礦過(guò)程中，各個(gè)溜井口產(chǎn)生的氣流隨時(shí)間的變化，在用FLUENT 進(jìn)行模擬的過(guò)程中對(duì)每個(gè)溜井口設(shè)置了速度監(jiān)控，并分別提取1、2.6、4、5、5.9s和6.5s等6個(gè)相對(duì)具有代表性的時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如表1。

從表1和圖14可以看到，在溜井放礦過(guò)程中，不同高度的支岔溜井口沖擊風(fēng)流與時(shí)間的關(guān)系，從圖14中可以看出隨著放礦體下落，各支岔溜井口依次產(chǎn)生最大的沖擊氣流，并且隨著放礦高度的增大而增加。+200m標(biāo)高溜井口在2.6s后沖擊氣流達(dá)到最大，此后該溜井口氣流均以從井口外向溜井內(nèi)涌入的氣流為主，+150m標(biāo)高支岔溜井口在4s后達(dá)到最大的沖擊氣流，此后該溜井口也產(chǎn)生涌入氣流，+100m標(biāo)高支岔溜井沖擊氣流達(dá)到最大約在5s之后，此時(shí)沖擊氣流大小達(dá)到約23m/s，在6s時(shí)，+100m標(biāo)高支岔溜井口產(chǎn)生涌入氣流，+50m標(biāo)高溜井口沖擊氣流達(dá)到最大，風(fēng)速約為34m/s，此處也是整個(gè)溜井中達(dá)到的最大沖擊氣流。當(dāng)放礦體下落至+50m標(biāo)高以下，溜井內(nèi)產(chǎn)生反向氣流，溜井內(nèi)壓力變大，+50m標(biāo)高和+100m標(biāo)高溜井口均受反向氣流影響，+100m標(biāo)高溜井口產(chǎn)生約1.5m/s的沖擊氣流，+50m標(biāo)高溜井口產(chǎn)生約22m/s的沖擊氣流，較5s時(shí)有所下降。6.9s時(shí)溜井內(nèi)氣壓增大，+100m標(biāo)高溜井口沖擊氣流受其影響更加明顯，沖擊氣流達(dá)到4.5m/s，+50m標(biāo)高溜井口沖擊氣流速度變化不大，溜井上部支岔溜井口涌入氣流速度基本穩(wěn)定在4m/s。

表1 溜井口風(fēng)流風(fēng)速表

圖14 各溜井口風(fēng)流風(fēng)速曲線圖

4 結(jié)論

通過(guò)理論與模擬相結(jié)合的方法對(duì)溜井卸礦時(shí)沖擊氣流進(jìn)行了分析研究，得出了以下結(jié)論。

(1)溜井放礦過(guò)程中，隨著放礦體下落、速度的增加，放礦體前端正壓和后端負(fù)壓力值不斷增加，并且影響范圍越來(lái)越大，放礦體前后的壓力差愈來(lái)愈大，因此溜井內(nèi)的活塞效應(yīng)愈加明顯。

(2)當(dāng)放礦體下落到一定深度時(shí)，由于其下部沒(méi)有出口，氣流則從放礦體側(cè)面沖出形成反向氣流，放礦體下方的溜井內(nèi)正壓力在短時(shí)間內(nèi)急劇增加，可達(dá)到3～4kPa，且?guī)缀醴植加谡麄€(gè)下部溜井內(nèi)。

(3)溜井內(nèi)部氣流流場(chǎng)可分為涌入氣流區(qū)域、反向氣流區(qū)域、渦流區(qū)域、沖擊氣流區(qū)域4個(gè)區(qū)域，其中涌入氣流區(qū)域主要為放礦體后端溜井中心軸線

至上部溜井口；反向氣流區(qū)域主要為放礦體四周與溜井壁之間空隙；渦流區(qū)域?yàn)榉诺V體尾端近壁面和支岔溜井口拐角處內(nèi)側(cè)等區(qū)域；沖擊氣流區(qū)域?yàn)榉诺V體前端至下部溜井口。

(4)隨著放礦體下落，各支岔溜井口依次產(chǎn)生最大的沖擊氣流，并且隨著放礦高度的增大而增加。

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Numerical simulation study on impact airflow field in chute drawing

In order to understand the basic law of impact air flow and control the dust pollution effectively in orepass, the impact air flow formed during chute unloading was analyzed based on hydrodynamics, and the relation of impact air flow and unloading height was deduced. The impact airflow field distribution, pressure field distribution and the changing rule of air flow with time at each chute mouth during chute unloading were simulated by using FLUENT software. The results showed that during chute drawing the front positive pressure and rear negative pressure of ore drawing increased, and the piston effect in chute was obvious. The airflow field in orepass can be divided into inrush area, reverse area, eddy current region and impact air flow area. With the downfall of ore the largest impact air flow formed at each diversion chute mouth in turn and it increased with the increasing of drawing height.

chute; impact air flow; flow field; numerical simulation

TD521+.1

A

2017-02-23

湯民波(1987-)，男，河南南陽(yáng)人，碩士，講師，主要從事工業(yè)安全與衛(wèi)生、礦業(yè)工程專業(yè)教學(xué)與科研工作。

1672-609X(2017)03-0057-06