文摘
抑制和删除从工作面矿尘是全球地下矿山的一个重要任务。本文进行了数值研究调查的影响通风粉尘分布的机制安排。的Woxi坑口湖南郴州矿业有限公司,中国,作为一个案例研究,采用一种广泛使用的far-pressing-near-absorption (FPNA)通风系统。基于气固两相流理论,利用程序ANSYS流利,三维气流迁移和尘埃扩散数值模型模拟。建立了计算流体动力学(CFD)模型被验证使用气流速度数据和粉尘浓度数据监控不同位置从操作煤矿。全面的敏感性研究调查的影响四个参数对除尘措施,包括压力空气管出口的距离从工作面( ),排气道入口的距离从工作面( ),紧迫的风量比实验室吸附空气卷(K),安装高度的空气管(H)。最优通风布局参数通过风场的模拟和尘埃的行为。结果表明,气流场中有四个区域,即射流区,再循环区,涡区和混合区压力和排气气流。所有四个参数被发现有一个重要的粉尘质量浓度的影响,和最优通风布局参数测定= 18米,= 3 m,K= 1.2,H= 1.6 m。
1。介绍
地下开采深度的增加和完全机械化开挖技术的发展,的灰尘污染变得越来越严重1]。据估计,灰尘在爆破作业的质量浓度可达到2×10−3公斤/米3,这是远远高于安全监管的值(2,3]。此外,铁矿石开采,二次破碎、装卸、运输也会产生很多灰尘。这些有害的粉尘颗粒分布广泛,从有限空间难以排出,从而危及地下从业者和造成严重的健康风险采矿设备(4,5]。大量的灰尘会导致严重的爆炸事故,高浓度矿尘是主要的威胁安全生产。此外,生产效率受到这些矿尘的影响是由于生产延误造成的上述工人受伤,设备故障和灾难性的事故6]。
提出了各种方法抑制矿尘,包括水喷雾、泡沫除尘系统、通风除尘系统(7,8]。在上述矿尘抑制方法,通风除尘系统(VDS)是使用最广泛的方法来消除地下尘土。VDS公司在实践中,发挥着至关重要的作用在稀释和删除许多地下矿山矿尘,确保一个安全,稳定,高效矿井生产(9,10]。尽管在VDS公司取得了很大的进步文学,通风条件和气流场没有调查,这是基本有效的VDS公司设计(11]。许多研究人员专注于气流迁移之间的交互和除尘效果。例如,Torano et al。12]研究了气流迁移的机理和灰尘通过梳理实验结果和仿真结果的行为。Candra et al。13]调查产生的粉尘弥散和一个有效的管理系统在地下工作面。Yu et al。14)建立了一个airflow-dust耦合模拟方法探讨粉尘在综采工作面开挖扩散机制。然而,一个全面的敏感性研究通风参数对粉尘分布的影响仍缺乏。同时,通风参数的优化VDS公司更有效的设计还没有调查。因此,迫切需要研究通风参数对粉尘分布的影响和优化通风参数在VDS公司设计一个更好的除尘措施。
在目前的研究中,Woxi坑口湖南郴州矿业有限公司有限公司是作为一个案例研究中,历史悠久的矿业和开采深度大(斜深度大于3000米,垂直深度大于1000米)。通风的问题尤为突出的Woxi坑口由于巷道层空间的复杂性。控制矿尘,各种方法都采用Woxi坑口,比如使用混合局部通风,增加空气供应地下巷道,并延长通风时间。尽管这些措施取得了一些改善除尘、通风成本显著增加了上述方法的应用。此外,除尘效率并不令人满意的由于缺乏法律上的理论研究地下隧道的通风和尘埃迁移。
本文程序ANSYS流利的使用调查各种通风参数对气流的影响迁移和除尘。基于气固两相流理论和欧拉方法,离散相模型是用来计算尘埃粒子的运动。尘埃混合通风的行为是研究在不同通风布置参数,然后更好的VDS公司设计的优化。本研究可以提供理论指导的深部开采通风Woxi坑口,可以轻松应用于地下矿山开采条件相似。
本文安排如下。部分2介绍了计算流体动力学(CFD)的基本理论用于数值模拟。部分3介绍了数值模型和仿真场景。确认和验证的数值建模部分所示4,其次是部分5介绍了结果和讨论。第六节总结本文的主要发现。
2。计算理论
除尘的数值模型是基于典型的气固两相流。灰尘体积分数为10%,离散相模型应用于计算尘埃行为(15,16]。气流,作为一个初级阶段,随着标准k-epsilon模型模拟。预测和跟踪的轨迹灰尘,使用离散模型。k-epsilon模式和离散模型的耦合进行了通过求解连续方程的第一阶段,直到收敛和离散模型然后设置跟踪行为的灰尘。
2.1。气流场的模型
气流在这个研究的数值模型是基于三个管理法律,包括质量守恒方程、动量方程、能量方程,可以定义如下17]: 在哪里是空气密度,是时间,是空气速度矢量,静态的压力,分子的粘度,是动态张量,和重力和外部体力吗传热系数,比热容,粘性耗散的能量。
巷道是一个典型的空气湍流,并使用最广泛的标准k-epsilon湍流模型采用模拟流动行为(18,19]。湍流动能,及其耗散率, ,可以从以下方程[获得20.]: 在哪里和表示生成湍流动能由于平均速度梯度和浮力,分别。表示波动扩张的贡献。的值 , , , ,和1.44、1.92、0.09、1.0和0.85,分别。
所有变量的收敛标准设置为纯,质量,动量, ,和确保一个适当的和可靠的收敛性。能量方程不激活由于巷道的空气是假定为粘性不可压缩,也没有热传递。
2.2。尘埃的行为模型
离散相模型遵循欧拉方法,连续相由n - s方程解决,第二阶段是分散在连续相(19]。分散的第二阶段,粒子与粒子之间的相互作用可以忽略,这是需要一个低体积分数不超过10%。尘埃颗粒的轨迹计算通过集成粒子上的力平衡。粒子的力平衡方程如下(17]: 在哪里和分别是粒子和流体相速度,空气的分子粘度,和是粒子的密度和流体相,是粒子直径,是一个额外的加速度项。表示阻力系数,定义为(17] 在哪里相对雷诺数和吗 , ,和是常数,适用于再保险的几个范围。
2.3。双向耦合模型
当计算粒子的轨迹,ANSYS流利的将跟踪,得到或者失去的质量和动量的粒子,这些数量可以合并在随后的连续相的计算。因此,连续相不仅影响离散相,还包含连续的粒子轨迹的影响(17]。如图1,这种双向耦合是通过交替求解离散和连续相方程在解决方案在这两个阶段已经停止改变。
2.3.1。质量交换
质量交换的离散相在ANSYS计算连续流畅的通过检查的变化一个粒子的质量当它穿过每一个控制体积的计算模型。质量变化计算(17]
2.3.2。动量交换
连续相的动量交换的离散相计算ANSYS流利的通过检查粒子的动量的变化,因为它通过每一个控制体积的计算模型。这种动力变化计算(17] 在哪里粒子的质量流率,是时间步,其他交互部队。
2.4。粉尘扩散机制
粉尘扩散深度挖掘结果的各种外部因素。在初始条件下,爆破所产生的粉尘,通过机械力挖掘得到一个初始速度。搬到巷道后,尘埃开始朝着风的方向流动的通风气流。在此期间,粉尘主要是受到力的影响从流体的阻力,浮力和自身重力20.]。为了便于理论分析,粉尘扩散可以简化为一维纵向扩散的力量来源。从t= 0年代,灰尘扩散与粉尘扩散的地方不断增加。扩散方程如下(20.]: 在哪里代表一个扩散系数,表示平均粉尘浓度,表示平均流速表示扩散时间。
3所示。数值模拟
3.1。模型几何和网格
考虑到实际情况在Woxi坑口矿业的脸,一个简化的物理模型(图成立2)。如图所示,三维计算模型由三部分组成,包括采矿巷道压力空气管向工作面注入了新鲜的空气,和排气道吸收被污染的空气。巷道是40米长,3.2米宽,3.15米高,导致9米的横截面2。直径的压力空气管和排气道是0.6米,和管道的中心轴之间的距离和地面1.8米。数值模型是由四面体非结构化网格与647994年网状元素使用Ansys ICEM软件。
(一)
(b)
网格独立测试是由产生三种不同网格大小,细网格(1238024个元素),介质网格(647994个元素)和粗网格(235675个元素)。发现细网格对结果没有明显的变化除了较高的计算成本与介质网格相比,至于粗网格,网格质量是有限的,很难提高,不能满足模型的要求。因此,媒介与647994个元素是可以接受的和可靠的电网,保证网格独立性。
3.2。模拟条件
考虑试验测试和工程情况下,气流迁移的边界条件确定如下:速度参数是用来控制空气管出口压力和排气道入口。的边界类型巷道出口设置为流出。无衬壁边界采用其他表面。至于尘埃粒子,“反映”的边界条件被选中的屋顶,地板,和道路的两边,而“逃”边界条件设置风道出口的压力,排气道入口,巷道出口。表1和2显示参数设置的连续相模型和离散相模型,分别和表3显示了参数设置的尘埃。
3.3。模拟的场景
除尘效果可受许多因素的影响。考虑到工程情况,选取了四个参数在本文中探讨影响除尘效果。研究参数的距离从工作面空气管出口压力( ),排气道入口的距离从工作面( ),紧迫的空气体积吸收空气体积的比率(K),安装高度的空气管(H)。介绍了这些参数,模拟范围进行了讨论。仿真场景如表所示4根据试验测试和工程经验。为了进行参数优化,序列的参数模拟。更具体地说,最优值可以通过例1例3,然后最优被用来模拟下一个参数的设置值,可以通过例4例7。最后,所有参数被选中,它被认为是作为最优参数。
3.3.1。的值和
的值和会影响风场的迁移和扩散的灰尘。如果该值的比较大,气流无法达到标题的脸。有效放电工作脸上的灰尘和火药,确保空气管不是毁在采矿爆破,的值和被设置为(梯度递增),(梯度递增),分别。表示对巷道截面的面积,约9米2在这篇文章中。
3.3.2。的价值K
紧迫的空气卷吸风量的比例有很大的影响在粉尘扩散。如果比例更高,这将导致再次扬起的尘埃落定,增加空气中的粉尘含量。然而,随着一个小比例,新鲜的空气是不够的稀释和排出灰尘。进行现场试验发现紧迫的风量是250米3/分钟。不同的价值观K获得通过改变吸收空气体积。的价值K设置为0.8∼1.2(0.2梯度递增)。
3.3.3。的价值H
通风管道的安装高度的有效性不仅取决于除尘,也方便的更换和维护。的价值H设置为1.4∼1.8(0.2梯度递增)。
4所示。模型验证和验证
验证仿真结果的气流场和尘埃的行为,一系列的网站测试设计和执行。如图2,空气速度在三个平面点,包括点(0.8米、1.0米),B点(2.4米、1.0米)和C点(1.6米、1.5米),与各种各样的Z坐标从标题的脸,包括5米、10米、15米,二十米,25米、30米,35米,测量并与仿真结果。气流速度被AR866A风速计测量。图3显示了仿真速度的比较和原位测量速度。它可以发现,仿真结果显示,与原位测量结果吻合很好。
5。结果与讨论
5.1。气流场的仿真结果
采矿工作面中的气流场模拟和分析。如数据所示4和5,新鲜的空气发出压力空气管出口转向挖掘面对更高的速度,形成典型的附着飞机领域。随着气流场前进,射流截面扩大。当喷射流体碰撞和反弹在标题的脸,周围的气流摇摆墙,组成了一个撞击飞机。
部分的旋转风顺着排气道侧墙和被吸进排气口然后退出巷道。相比之下,剩下的气流被飞机携入的场,形成涡流场风道出口的压力。然而,流场趋于相对稳定,由于风速的降低隧道空间逐渐远离风管。
为了进一步研究气流场迁移沿Z六点钟方向,速度分布分析了巷道截面从正面的脸,包括5米、10米、15米,25米、30米,35米。如图6,高速气流主要是形成在该地区附近的位置压力空气管和下面的区域的通风管道部分Z= 5米。在负压的影响下,气流速度约为2.013 - -4.027 m / s在该地区低于排气道。的部分Z= 10 m,气流形成速度梯度之间的2.829 m / s, 9.902 m / s地区附近的空气管的压力。气流分布类似于气流场的部分Z= 5米。的部分Z= 15米,空气喷射领域产生的压力空气管导致风道的压力,附近的一个相对较高的速度和最大速度可以达到13.95 m / s。的部分Z= 25米,Z= 30米Z= 35米,气流场的分布是相似的。在这种情况下,横截面的速度分布是均匀分布,最大速度观测到的底部排气道。在Z= 35米,气流充分发展的道路没有气流扰动的影响。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
5.2。敏感性分析
5.2.1。的影响在粉尘浓度
图7显示的影响(12米,18米,24米)的粉尘浓度= 3 m,K= 1.2,H= 1.6 m。如图所示,最大质量浓度为2.755×10−3公斤/米3当是12米,非常值高于安全监管。此外,灰尘扩散范围最远的12米 。所造成的压力空气管之间的短距离和工作面,导致太快尘埃流的共同作用下的高射流场和负压排风管道。在这种情况下,尘埃不能形成一个有效的回流,可以把污垢从地上起来。当增加到18米和24米,粉尘质量浓度降低一个数量级以上。然而,粉尘扩散的范围24 m是相对较高,这是由于压力空气管之间的长距离和工作面。在这种情况下,新鲜空气逐出风道的压力无法达到挖掘的脸,导致涡流的形成背后的喷气拐点。尘埃不能有效去除由于涡。粉尘浓度和扩散范围18米的都是最低的。这是因为的价值正是在有效范围内的射流。可以稀释高浓度粉尘和删除充分发展有效的气流场。因此,最优参数决心是18米。
(一)
(b)
(c)
5.2.2。的影响在粉尘浓度
图8显示的影响(1.5米、3.0米和4.5米)的粉尘浓度= 18米,K= 1.2,H= 1.6 m。它可以发现最大的粉尘浓度为1.61×10−3公斤/米3当是1.5米。这是因为排气道如此接近的矿业面临在工作面形成湍流。尘埃移动与湍流和巷道中传播。然而,当3 m,粉尘浓度降低到7.862×10吗−4公斤/米3,颗粒污染的地区是局限于前排气道的面积。因此,最优参数是3米。
(一)
(b)
(c)
5.2.3。的影响K在粉尘浓度
的影响K(0.8,1.0,1.2)的浓度粉尘是如图9当18米,3 m, H是1.6米。如图所示,灰尘在前面的部分道路被吸进排气道但大多数灰尘不稀释,当删除K是0.8。当紧迫的风量与吸收空气体积,粉尘浓度高,大量的灰尘留在巷道。这是因为新鲜空气的压力发出风道向工作面迁移。在迁移过程中,只有部分气流吸排气道,而另一部分继续朝着巷道出口,降低除尘的效果。粉尘浓度和扩散范围K= 1.2是最低的。因此,最优参数K是1.2。
(一)
(b)
(c)
5.2.4。H对粉尘浓度的影响
图10显示的影响H(1.4米、1.6米、1.8米)的粉尘浓度= 18米,= 3 m,K= 1.2。可以看出,当H是1.4米和1.8米,粉尘浓度和扩散范围高,大部分的灰尘留在巷道。然而,最大的粉尘浓度降低到7.862×10−4公斤/米3当H是1.6米,这表明大部分的灰尘被稀释,有效去除。因此,最优参数H是1.6米。
(一)
(b)
(c)
充分调查安排不同参数对除尘效率的影响,巷道的粉尘浓度在中间行呼吸区(y= 1.55 m)呈现在图11。作为显示在图11,工作面距离的增加,总粉尘浓度保持下降趋势。图(11日)显示当12米,粉尘浓度最高,可达2.755×10−3公斤/米3时,粉尘质量浓度大幅下降的距离工作面之间5米和13米。当18米和24米,粉尘浓度保持稳定的下降趋势,可以看到,什么时候18米,粉尘浓度是最低的。图11 (b)显示当是4.5米,粉尘浓度最高,当3 m,粉尘浓度为8.25×10−4公斤/米3,这是最低的。作为显示在图11 (c)和图11 (d)可以看出,粉尘浓度是最低的K是1.2,H是1.6米。
(一)
(b)
(c)
(d)
6。结论
基于气固两相流理论,一个airflow-dust耦合模型构建评估气流迁移和尘埃混合通风系统的行为。far-pressing-near-absorption (FPNA)建立了混合通风系统来模拟气流场的分布。结果表明,有四个区域的气流场,即射流区,再循环区,涡区和混合区压力和排气气流。其中,合理的混合区空气压力和排气气流形成的屏障,防止灰尘逃脱,发挥了重要作用在提高除尘效率的影响。
通过全面的敏感性研究,所有的四个参数,包括 , ,K,和H,有一个重要的粉尘质量浓度的影响。最优通风布局参数。得出的结论是,当18米,是3米,K是1.2,H是1.6米,粉尘浓度降低到安全标准,和除尘效果是最好的。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金(51504286和51504286),湖南省科技计划(2015 rs4004),和中国博士后科学基金会(2015 m572270)。