不同自然风速下人工通风对深凹露天矿风流场的影响_张瑞明.pdf

不同自然风速下人工通风对深凹露天矿 风流场的影响 张瑞明 1 魏丁一 2 杜翠凤 2 胡玉勤 2 张宏光 3 李彩盈 21 （1. 山西工程职业技术学院， 山西 太原030009； 2. 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083； 3. 马钢集团控股有限公司南山矿业公司， 安徽 马鞍山 243000） 摘要为研究不同自然风速下人工通风对深凹露天矿风流场的影响， 利用FLUENT对某深凹露天矿内的风 流场进行了模拟研究。研究结果表明 当自然风速为2 m/s时人工通风前后坑内复环流体积减少不太明显； 当自然 风速为5 m/s时封闭圈以下复环流影响范围小， 因此复环流体积减少也不明显； 而当自然风速为3 m/s和4 m/s时， 靠 近背风坡的低压区和低速区显著变化， 复环流体积减少明显。在自然风速较低或无风时空气交换率缓慢增加； 当 自然风速≥2 m/s时空气交换率均显著增加。与复环流的体积变化趋势基本一致， 验证了人工通风方案的可行性， 采取人工通风措施后深凹露天矿内的风流场均得到显著改善。 关键词深凹露天矿风流场人工通风自然风速复环流空气交换率 中图分类号TD72文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -08-167-06 DOI10.19614/ki.jsks.201908028 Influence of Artificial Ventilation on Wind Flow Field in Deep Sunken Open-pit Mine under Different Natural Wind Speeds Zhang Ruiming1Wei Dingyi 2 Du Cuifeng 2 Hu Yuqin2Zhang Hongguang 3 Li Caiying22 （1. Shanxi Engineering Vocational College， Taiyuan 030009， China； 2. School of Civil and Resources Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China； 3. Nanshan Mine Company， Magang Group Holding Co. Ltd.， Maanshan 243000， China） AbstractIn order to investigate the influence of artificial ventilation on the wind flow field in deep open pit mine under different natural wind speeds，FLUENT was used to simulate the wind field in deep sunken open-pit mine. The results show that the volume of recirculation flow before and after artificial ventilation is not obvious when natural wind speed is 2 m/s. The range of recirculation flow below the closed loop is small when natural wind speed is 5 m/s，so the reduction of recirculation flow is not obvious. The low-pressure zone and the low-speed zone near the leeward slope change significantly when natural wind speed is 3 m/s and 4 m/s， and recirculation flow decreases obviously. The air exchange rate increases slowly when natu- ral wind speed is low or no wind. The air exchange rate is significantly increased when natural wind speed is not less than 2 m/s. This is basically consistent with the volume change trend of recirculation flow，which verifies the feasibility of artificial ventilation scheme. The wind flow field in the deep sunken open-pit mine was significantly improved after artificial ventilation measures were adopted. KeywordsDeep sunken open-pit mine， Wind flow field， Artificial ventilation， Natural wind speed， Recirculation flow， Air exchange rate 收稿日期2019-07-04 基金项目国家重点研发计划项目编号 2018YFC0604605， 国家自然科学基金项目编号 51274023。 作者简介张瑞明 （1967） ， 男， 副教授。通讯作者杜翠凤 （1966） ， 女， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 518 期 2019 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 518 August 2019 深凹露天矿采场的复环流结构是形成露天矿坑 高污染的重要机制， 一些专家对深凹露天矿的风流场 进行了研究。杜翠凤等 ［1］对来流风速和背风帮边坡 角对复环流的影响进行了研究， 得到复环流范围随边 坡角和风速的增大而增大， 但坑底风速也随之增大。 王远等 ［2-3］运用量纲和多元非线性回归对深凹露天矿 复环流式通风进行了定性分析。Du Cuifeng等 ［4-6］研 究了深凹露天矿风流场空间形态的影响因素， 并通 167 ChaoXing 金属矿山2019年第8期总第518期 过现场试验确立了影响范围的评价指标。杜翠凤 等 ［7］以首钢水厂铁矿为试验矿山进行流场分布模拟， 得到复环流的范围宽度和中心厚度随风速的增加逐 渐增大。但目前没有关于人工通风和自然风速对露 天矿风流场影响方面的研究， 因此本项目对人工通 风和不同自然风速条件下深凹露天矿内风流场的变 化进行研究， 以改善露天矿坑的高污染作业环境。 1数值模型的建立 1. 1几何模型的建立 将现场采掘计划图导入Ansys， 依托交点绘出采 场轮廓图并变为实体 （图1） 。对建立的模型并作如 下假设 ①露天矿长轴L3 395 m， 封闭圈以下坑深 H290 m； ②忽略局部形状及常用设备对风流的影 响； ③风流不可压缩； ④风流为定常流， 不考虑温度 变化； ⑤风机设在巷道10 m处并设置边界条件； ⑥在 采场上方覆盖一个长方体的空气层作为进出口， 由 于矿山西南方向有高山坡， 故空气层规格长宽 高4 000 m2 000 m1 000 m， 且定为模型的x、 y和 z轴方向。测量时主导风向是西南风， 设x轴负向的 面为模型入口， x轴正向和y轴方向的两面及z轴正向 为模型出口。 1. 2数学模型的建立 为了便于分析， 使用非稳态流体通用控制方 程 ［8］ ∂ （ρϕ） /∂tdiv （ρuϕ） -div （Γgradϕ） S，（1） 式中，ρ为气体密度， kg/m3；ϕ为通变量， 代表速度v、 温度T、 浓度C等； Γ为广义扩散系数； S为广义源项。 1.3模型可靠性验证 按照实体矿山建立的模型与现场实测数据对比 来验证模型的真实性。取试验当天地表风速3 m/s条 件下的模型数据作为验证对象， 将不同高度的平均 风速与模型不同高度的风速作对比， 得到12个不同 高度下的风速测点平均差值为0.07 m/s， 可认为该模 型很好反映了该矿内部风流场的流动情况。 1. 4边界条件 考虑到矿山几何模型不规则， 因此采用非结构 化网格进行划分。划分的网格总数为1 358 180个， 平均偏斜度为0.173 5。主要边界条件设置如下 巷 道和风流入口均为速度入口， 出口类型为压力出口， 壁面设为无滑移， 自然风速分别为2 m/s、 3 m/s、 4 m/s 和5 m/s， 因为模拟中存在着旋均匀剪切流、 自由流 （射流和混合层）和边界层流动， 因此选用Realized k- ε模型。以10 m/s的通风风速， 6 m2的巷道尺寸， 2个 巷道的最优方案为初始条件对人工通风和自然风速 条件下深凹露天矿风流场的变化进行研究。 2不同自然风速下人工通风对复环流的影响 2. 12 m/s风速时人工通风对复环流的影响 2 m/s风速时人工通风前后复环流变化见图2。 由图2 （a） 可知， 自然风速为2 m/s时， 人工通风 前 （上） xz平面复环流区域内负压区面积为88 892.2 m2， 背风坡与封闭圈处均为高压区， 导致中间形成低 压区， 低压区增大使反向气流增多。人工通风后 （下） 复环流区域内负压区面积为80 617.8 m2， 负压 区面积减小， 则低压区范围减少， 坑底到背风坡产生 168 ChaoXing 张瑞明等 不同自然风速下人工通风对深凹露天矿风流场的影响2019年第8期 的反向风流也随之减少， 复环流影响范围变少。坑 底与背风坡的压差仍然存在， 但复环流影响范围明 显变小。 由图2 （b） 可知， 人工通风前 （上） xz平面复环流中 心区域有最小风速0.306 6 m/s， 反向风流最大风速为 0.736 3 m/s。低速区出现在反向风流且分布范围广， 在背风坡海拔约40 m处形成宽约385 m， 厚约85 m的 复环流结构。人工通风后 （下） 在背风坡海拔约45 m 处形成宽约205 m， 厚约55 m的复环流结构， 复环流 中心点高度稍有抬升， 但宽度和厚度均明显减少， 且 矿坑内复环流形态结构发生明显变化。复环流区域 向背风坡壁面贴近， 低速区范围减少且主要集中在背 风坡， 复环流结构发生变化， 双环状结构在坑底消失， 复环流中心也整体上移， 靠近封闭圈区域。 2. 23 m/s风速时人工通风对复环流的影响 3 m/s风速时人工通风前后复环流变化见图3。 由图3 （a） 可知， 自然风速为3 m/s时， 人工通风前 （上） xz平面复环流区域内最大压强为1.850 6 Pa， 负 压区面积为98 691.6 m2， 背风坡与封闭圈处均为高压 区， 导致中间形成低压区， 低压区的增多使反向气流 也增多。人工通风后 （下） 复环流区域内最大压强为 2.912 8 Pa， 负压区面积为67 387 m2， 复环流区域内负 压区面积变小， 坑底到背风坡产生的反向风流也越 少， 复环流影响范围也变小。且封闭圈和坑底间低 压区消失， 坑底高压区距背风坡更近且高压区向背 风坡上侧移动， 使低压区减少， 此时复环流形成的动 力主要是坑底到背风坡的压差， 低压区向背风侧集 中， 复环流影响区域也向背风坡集中。 由图3 （b） 可知， 人工通风前 （上） xz平面在海拔 约20 m处形成宽约295 m， 厚约50 m的复环流结构， 复环流中心区域有最小风速0.279 6 m/s， 反向风流最 大风速为1.174 2 m/s， 低速区出现在反向风流且分布 范围广。人工通风后 （下） 坑内复环流形态结构发生 明显变化， 复环流区域贴近背风坡壁面， 低速区范围 明显减少且主要集中在背风坡。复环流中心轴位置 与2 m/s风速时相比明显抬升， 靠近山坡西部的局部 高压区消失， 背风坡靠近西北边坡方向压力明显增 大， 形成复环流的压差减少， 复环流结构变化明显。 2. 34 m/s风速时人工通风对复环流的影响 4 m/s风速时人工通风前后复环流变化见图4。 169 ChaoXing 金属矿山2019年第8期总第518期 由图4 （a） 可知， 自然风速为4 m/s时， 人工通风前 （上） xz平面复环流区域内最大压强为2.392 6 Pa， 负 压区面积为91 392.2 m2； 人工通风后复环流区域内最 大压强为4.285 5 Pa， 负压区面积为61 116.6 m2。因 此人工通风后 （下） 封闭圈和坑底中间低压区消失， 复环流区域内负压区面积变小， 坑底到背风坡的反 向风流也越少， 坑底高压区距背风坡更近， 使高压区 影响区域变大且向背风坡上侧移动； 低压区减少且 仍向背风侧集中， 故复环流影响区域向背风坡集中。 由图4 （b） 可知， 人工通风前 （上） xz平面在背风 坡海拔约-40 m处形成宽约190 m， 厚约60 m的复环 流， 复环流中心区域有最小风速0.240 1 m/s， 反向风 流最大风速为1.264 8 m/s， 低速区同样出现在反向风 流且分布范围广； 人工通风后 （下） 坑内复环流形态 结构变得不明显， 西南方向高压区向中部移动， 西北 边坡压力明显降低， 水平环状复环流减少。 2. 45 m/s风速时人工通风对复环流的影响 5 m/s风速时人工通风前后复环流变化见图5。 由图5 （a） 可知， 自然风速为5 m/s时， 人工通风前 （上） xz平面复环流区域内负压区面积为61 106.7 m2， 封闭圈以下复环流区域不明显， 封闭圈和坑底中间无 低压区， 复环流形成的动力主要是坑底到背风坡的压 差。人工通风后 （下） 复环流区域内负压区面积为61 012.1 m2， 与人工通风前相比， 复环流形态和影响区域 变化均不明显。低压区范围越小， 坑底到背风坡产生 的反向风流就越少， 复环流影响范围也越小。 由图5 （b） 可知， 人工通风前 （上） xz平面复环流 中心区域有最小风速0.287 9 m/s， 反向风流最大风速 为1.565 m/s， 复环流形态结构不明显。人工通风后 （下） 复环流形态结构发生明显变化， 低速区明显减 少且主要集中在背风坡， 复环流中心区域也整体上 移， 靠近封闭圈。 2. 5人工通风对复环流体积和负压区面积的影响 当自然风速分别为2、 3、 4、 5 m/s时， 人工通风前 后复环流体积变化如表1所示。当自然风速为2 m/s 时复环流体积减少量为16.08， 人工通风后复环流 体积减少量并不明显， 可能是外界风速偏低， 对坑内 复环流影响小； 自然风速分别为3 m/s和4m /s时， 复 环流体积减少量分别为37.6和37.2， 此时复环流 现象明显且主要集中在背风坡附近， 体积减少量明 显； 当自然风速为 5 m/s 时复环流体积减少量为 6.0， 此时复环流多在封闭圈以外， 因此体积减少量 不明显。 当自然风速分别为2、 3、 4、 5 m/s时， 人工通风前 后背风坡负压区面积变化如表2所示。在2 m/s风速 时， 人工通风后由于xz平面负压区面积减少， 复环流 形成动力减弱， 因此复环流结构变化和体积减少也 不太明显。在3 m/s风速时， 人工通风后xz平面负压 区面积减少明显， 复环流形成动力明显减弱， 靠近西 北边坡压力增大， 复环流中心轴在封闭圈以外， 体积 减少明显。人工通风后， 4 m/s与3 m/s风速时复环流 体积减少量相当， xz平面负压区减少均较多， 复环流 变得不明显且中心轴向上抬升。由于5 m/s风速时封 闭圈以下复环流区域不大， 因此人工通风后复环流 体积和低压区减少并不明显。 3不同自然风速下人工通风对空气交换率的 影响 现场实测风速可知， 白天风速中 0～0.8 m/s 占 170 ChaoXing 23， 0.8～1 m/s占16， 风速大于1 m/s占61， 可见 白天风速大于1 m/s为主要情况， 且1～2 m/s占比达 47。夜间地面风速为0～2 m/s， 且绝大多数风速为 0～0.3 m/s。由于在无风及低速风流条件下， 坑内基本 处于静风状态， 复环流现象并不明显， 因此选用空气 交换率n来表示坑内气流交换， 计算坑内空气交换率 的变化。空气交换率n是指单位时间内由坑外进入 坑内的量与矿坑空气量之比 n243 600Q/V，（2） 式中， n为空气交换率， 次/d； Q为新风量， m3/s； V为坑 内体积， 计算可得为2.04108m3。 Q为露天矿坑表面处流入内部的风流量Q1与人 工通风措施的通风量Q2之和。Q1为流入矿坑表面速 度与面积乘积， 提取该面各单元格z轴方向速度vzi和 面积Ai， 再筛选出vzi＜0的数， 使筛选出的各vzi与面积 Ai相乘得出外界风流流入的流量ΣvziAi。Q2为通风机 风速与巷道尺寸面积的乘积， 为10622720 m3/s。 由表3可知， 人工通风前后， 深凹露天矿内空气 交换率均随自然风速的增大而变大， 且人工通风后 不同自然风速下坑内空气交换率均呈增加的趋势。 表明采取人工通风后坑内气体交换速度加快， 同时 加快污染物的排出。但在不同自然风速条件下坑内 空气交换率变化幅度并不相同。由此可知人工通风 后， 当自然风速较低或无风时坑内空气交换率增幅 均为0.1次/d左右， 远低于较高风速 （风速≥2 m/s） 时 的空气交换率， 因此在无风或自然风速较低时， 人工 通风能加快坑内污染物的排出速率； 当自然风速为 2 m/s和5 m/s时空气交换率增幅较明显， 表明人工通 风后污染物的排出速率明显增加； 而在自然风速为3 m/s和4 m/s时空气交换率增幅最明显， 人工通风排出 污染物的速率最大。由不同自然风速条件下空气交 换率的变化可知， 其与采取通风措施前后坑内复环 流的体积变化趋势基本一致， 也验证了人工通风方 案的可行性， 采取人工通风措施后使深凹露天矿内 的风流场得到显著改善。 4结论 （1） 当自然风速为2 m/s时， 人工通风前后复环流 体积减少不太明显； 当自然风速为5 m/s时， 复环流区 域多集中在封闭圈以上区域， 封闭圈以下复环流影 响范围小， 因此复环流体积减少也不明显； 而当自然 风速为3 m/s和4 m/s时， 靠近背风坡的低压区和低速 区变化明显， 复环流体积明显减少。 （2） 在自然风速较低或无风时， 人工通风能加快 坑内污染物的排出； 当自然风速为2 m/s和5 m/s时空 气交换率增幅较明显， 表明人工通风后明显加快污 染物的排出； 当自然风速为3 m/s和4 m/s时人工通风 排出污染物的速率最大。 （3） 由不同自然风速条件下空气交换率的变化 规律可知， 其与深凹露天矿内复环流的体积变化趋 势基本一致， 并验证了人工通风方案的可行性， 采取 人工通风措施后深凹露天矿内的风流场均得到显著 改善。 参 考 文 献 杜翠凤， 白旭青.深凹露天矿内复环流影响因素的数值模拟 ［J］ . 矿业研究与开发， 2013， 33 （1） 84-87. Du Cuifeng， Bai Xuqing.Numerical simulation of effect factors of re- circulation in deep open pit ［J］ .Mining Research and Development， 2013， 33 （1） 84-87. 王远， 杜翠凤， 靳文波， 等.深凹露天矿复环流决定参数准则方 程式的建立 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （5） 1365-1372. Wang Yuan， Du Cuifeng， Jin Wenbo， et al.Establishment of criteri- on equation for decision parameter of recombination circulation in deep sunken open - pit mine［J］ .Journal of China Coal Society， 2018， 43 （5） 1365-1372. Wang Yuan， Du Cuifeng， Jin Wenbo， et al.Key factor analysis and model establishment of variation of rock face temperature in a deep open-pit mine ［J］ .Journal of Central South University， 2018， 25 （7） 1786-1798. Du Cuifeng， Jin Wenbo， Wang Yuan.Experimental study on influen- tial factors of spatial morphology of compound circulation in deep- open surface mines ［J］ .Revista de la Facultad de Ingeniera， 2017， 32 （16） 999-1008. Du Cuifeng， Jin Wenbo， Wang Puyu.Experimental study on ua- tion inds of central point and region of complex circulation ［J］ . Boletn Tcnico， 2017， 55 （20） 257-266. 2019年第8期 ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ 张瑞明等 不同自然风速下人工通风对深凹露天矿风流场的影响 171 ChaoXing ［6］ ［7］ ［8］ 金属矿山2019年第8期总第518期 Du Cuifeng， Jin Wenbo， Zuo Ying.Numerical simulation and experi- mental study on distribution and evolution law of inversion layer in deeply sunken open pit mines［J］ .Gummi Fasern Kunststoffe， 2016， 69606-611 杜翠凤， 赵云， 李永新.深凹露天矿采场内流场分布规律的试 验与数值模拟 ［J］ .东北大学学报自然科学版， 2014， 35 （6） 875- 879. Du Cuifeng， Zhao Yun， Li Yongxin.Numerical simulation and ex- perimental study on distributions of flow field in stope of deep sunk- en open- pit mines［J］ .Journal of Northeastern UniversityNatural Science， 2014， 35 （6） 875-879. 王文才， 魏丁一， 王振涛， 等.基于Fluent的矿井活塞风动力效应 研究 ［J］ .工业安全与环保， 2017， 43 （9） 29-31. Wang Wencai， Wei Dingyi， Wang Zhentao， et al.Research of mine wind power piston effect based on fluent ［J］ . Industrial Safety and Environmental Protection， 2017， 43 （9） 29-31. （责任编辑石海林） 172 ChaoXing