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中图分类号婴墨兰 U D C 6 2 2 学校代码 Q 5 呈3 密级公珏 硕士学位论文 独头巷道掘进风流场分析及通风优化 S t u d yo f A i r F l o wF i e l d A n a l y s i sa n d V e n t i l a t i o n O p t i m i z a t i o ni nH e a d i n g F a c eR o a d w a yE x c a v a t i o n 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 张朝波 矿业工程 采矿工程 资源与安全工程学院 罗周全教授 论文答辩日期塑 生9 篁l 里答辩委员会主席垄吐 中南大学 2 0 1 4 年5 月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名日期韭年上月旦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名熬．圭鱼边 日期韭年上月上日 日 万方数据 摘要 独头巷道掘进风流场分析及通风优化 摘要爆破烟尘是矿山生产中所面临的主要危害之一，开采独头巷道 爆破掘进产生的烟尘，其危害往往高于一般工作地点和生活场所粉尘 的危害。因此，开展独头巷道风流场分析及烟尘排除研究，对于保障 矿山工作人员的身心健康具有重要现实意义。 本文依托“深部开采通风系统仿真模拟及优化”科研课题，综合 运用理论分析和数值模拟方法，采用几何建模软件G A M B I T 和计算流 体动力学软件F L U E N T ，针对凡口铅锌矿独头巷道爆破掘进所面临的 问题开展研究，主要研究内容及所取得的成果如下i 1 根据独头巷道空间流体的特性，做出合理假设，得到了流 场主控制方程。分别建立了压入式、抽出式和混合式通风风流场的三 维分析数值模型，以此为基础，得到了独头巷道压入式、抽出式和混 合式通风流场的风速分布，揭示了独头巷道风流流场的分区，验证了 选择混合式通风的合理性。 2 结合矿井通风系统立体网络图等资料和数值模拟分析的要 求，对独头巷道范围内的其他附属建筑进行省略或作简化处理，确定 通风优化模型的模拟区域。在此基础上，采用几何建模软件G A M B I T 建立了独头巷道的三维几何模型，并对模型进行网格划分等处理后， 导入F L U E N T 中设置相关参数并进行运算，形成独头巷道通风优化数 值模型。 3 运用正交试验设计方法，开展独头巷道局部通风效果影响 因素分析及通风方案优化，设计了两组正交试验，每组试验有9 个方 案。研究获得了各因素对通风效果的影响规律、程度大小以及各因素 的最优参数组合，确定了一个相对较优通风方案。 4 运用所建立的通风优化模型及F L U E N T 软件开展独头巷道掘 进通风数值模拟优化研究，揭示了计算区域的烟尘平均浓度及特定方 向的烟尘分布、爆破后烟尘在巷道空间的最大浓度随时间变化规律， 以及各因素的影响程度。在此基础上，确定另一个通风排尘相对优化 方案。然后将这个方案与用正交试验获得的较优方案进行对比分析， 确定最终的优化方案。 关键词独头巷道；烟尘；F L U E N T ；风流场；正交试验法 分类号T D 8 5 3 I I 万方数据 硕士学位论文 S t u d yo f A i rF l o wF i e l dA n a l y s i sa n dV e n t i l a t i o nO p t i m i z a t i o n i nH e a d i n gF a c eR o a d w a yE x c a v a t i o n A b s t r a c t S m o k ed u s tg e n e r a t e di nt h ee x c a v a t i o no fh e a d i n gf a c e r o a d w a yi s o n eo ft h eh a z a r d si nt h em i n i n gp r o c e s s ，w h o s eh a z a r di s m u c hh e a v i e ri nc o n t r a s tw i t ht h ed u s ti nt h eg e n e r a lw o r k i n gs i t e sa n d l i v i n gp l a c e s ．A sar e s u l t ，u s i n gn u m e r i c a lt o o l st or e s e a r c ht h ea i rf l o w f i e l da n dt h er e m o v a lo fs m o k ed u s to f h e a d i n gf a c er o a d w a ye x c a v a t i o n i so fg r e a ti m p o r t a n c ei nt h ep r o t e c t i o no fw o r k e r s ，b o t hp h y s i c a l l ya n d p s y c h o l o g i c a l l y ． C o m p r e h e n s i v e l yu s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o d sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d ，b a s e do nr e s e a r c h p r o j e c t S i m u l a t i o na n d O p t i m i z a t i o no fV e n t i l a t i o nS y s t e mi nD e e pM i n i n g ，g e o m e t r i cm o d e l i n g s o f t w a r eG A M B I Ta n dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r eF L I 厄N T w a se m p l o y e di nt h i sp a p e r , a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fs m o k ed u s tu n d e r h e a d i n gf a c er o a d w a ye x c a v a t i o ni nF a nK o ul e a d - z i n cm i n e ，t h er e s e a r c h b e l o ww a su n d e r t a k e n 1 S o m e h y p o t h e s e sw e r em a d ea c c o r d i n g t ot h ep r o p e r t i e so fa i r i nt h eh e a d i n gf a c er o a d w a ys p a c e ，a n dt h es p e c i f i cf o r mo fm a i nc o n t r o l e q u a t i o n so f a i rf l o wf i e l dw e r et h e no b t a i n e d ．B a s e do nt h ec o n s t r u c t i o n o ft h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l so ff o r c e dv e n t i l a t i o n ，e x h a u s tv e n t i l a t i o n ， m i x t u r ev e n t i l a t i o n ．1 1 1 ed i s t r i b u t i o no f v e l o c i t y o ft h ev e n t i l a t i o n m e t h o d sw e r eo b t a i n e d ，a n dt h ep a r t i t i o no fa i rf l o wf i e l dw e r er e v e a l e d ， t h ec o r r e c t n e s so f c h o o s i n gm i x t u r ev e n t i l a t i o nw a sv e r i f i e d ． 2 F i r s t l y , b a s e do nd a t as u c ha sm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mn e t w o r k d i a g r a m ，a c c o r d i n gt ot h en e e do fs i m u l a t i o n ，t h eh e a d i n gf a c er o a d w a y W a ss i m p l i f i e d ，a n dt h ea r e ao fs i m u l a t i o nw a st h e nd e t e r m i n e d ．S e c o n d l y , t h eg e o m e t r i cm o d e lo ft h eh e a d i n gf a c er o a d w a yw a sc o n s t r u c t e da n d m e s h e db yG A M B I T ．F i n a l l y , t h ef i l e sw e r ei m p o r t e di nF L U E N Ta n d t h ep a r a m e t e r ss e t ，t h en u m e r i c a lm o d e l so fh e a d i n gf a c e r o a d w a y v e n t i l a t i o no p t i m i z a t i o nw e r ef o r m e d ． 3 U s i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d , t h e5f a c t o r si n f l u e n c i n g h e a d i n gf a c er o a d w a yl o c a lv e n t i l a t i o nw e r ea n a l y z e d ，a n dt h er a n g e so f p a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e d ．T h e r e a f t e r , t h ei m p o r t a n c e f a c t o r st o v e n t i l a t i o ne f f e c ta n dw e r eo b t a i n e d ．ar e l a t i v e l yb e t t e rc o m b i n a t i o no f 1 1 1 万方数据 硕士学位论文 A b s t r a c t f a c t o r sw a sd e t e r m i n e d ． 4 U s i n gt h ee s t a b l i s h e dv e n t i l a t i o no p t i m i z a t i o nm o d e l sa n d F L U E N T ，t h er e s e a r c ho fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no p t i m i z a t i o no fh e a d i n g f a c er o a d w a ye x c a v m i o nW a sc a r r i e do u t ，t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no f s m o k ed u s ti nt h ec a l c u l a t i o na r e a ，t h ed i s t r i b u t i o no fs m o k ed u s ta l o n g s p e c i f i cd i r e c t i o n ，t h em a x i m u mc o n c e n t r a t i o no fs m o k ed u s ta f t e r b l a s t i n gi nt h ew h o l er o a d w a ys p a c e ．a n dt h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r s 。 O nt h i sb a s i s ，a n o t h e rr e l a t i v e l yb e t t e rv e n t i l a t i o nc a s ew a sd e t e r m i n e d a n dc o m p a r e dw i t ht h er e l a t i v e l yb e t t e rs o l u t i o no b t a i n e db yo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ．t h u st h ef i n a lo p t i m a lc a s ew a so b t a i n e d ． K e y w o r d s H e a d i n gF a c eR o a d w a y , S m o k eD u s t ，F L U E N T , A i rF l o w F i e l d ，O r t h o g o n a lE x p e r i m e n tM e t h o d C l a s s i f i c a t i o n 田D 8 5 3 I V 万方数据 硕士学位论文 目录 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A b s t r a c t ．⋯⋯⋯．⋯．．⋯．⋯．⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．I I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题的由来及研究目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 独头巷道掘进烟尘危害控制研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 气固两相流研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 - 3 独头巷道掘进烟尘风流场数值模拟研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯一8 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 独头巷道掘进风流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 2 ．1 主控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 烟尘风流场模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．2 ．1 压入式通风流场模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13 2 ．2 ．2 抽出式通风流场模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．3 混合式通风流场模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．3 风流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．3 ．1 压入式风流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 2 ．3 ．2 抽出式风流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 2 ．3 ．3 混合式风流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 通风优化模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．1 通风优化模型模拟区域确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2Q 6 山m I T 进行前处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 设置F L U E N T 计算模式及粘性模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 7 3 ．3 ．1 计算模式的设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．3 ．2 粘性模式的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．4 操作环境和烟尘设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 ．1 参考压力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．4 ．2 重力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 V 万方数据 硕士学位论文 目录 3 ．4 ．3 烟尘喷射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．4 ．4 烟尘的性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 0 3 ．5 边界条件设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．5 ．1 动量选项设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 ．3 0 3 ．5 ．2D P M 选项设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 3 ．6 求解及后处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 独头巷道局部通风方案正交试验优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．1 正交试验设计方法的简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．1 ．1 正交试验设计方法的主要概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．1 ．2 正交试验数据的分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．2 试验方案设计及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 ．1 试验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．2 ．2 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 2 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 独头巷道掘进通风方案数值模拟优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 8 5 ．1 模拟方案设定及基准方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．1 ．1 模拟方案设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．1 ．2 基准方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．2 模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．2 ．1 风速对烟尘浓度影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．2 ．2 高度对烟尘浓度影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．2 ．3 抽压比对烟尘浓度影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．2 ．4 距离对烟尘浓度影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．2 ．5 管径对烟尘浓度影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 5 ．3 单因素分析最佳组合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 6 结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 V I 万方数据 硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题的由来及研究目的和意义 矿产资源关系到我国铁路、建筑，航空航天等众多行业的发展，是我国国民 经济发展的重要物质保障【l - 2 】。然而，我国矿产资源的总体形势却不容乐观，很 多矿山的浅部矿产资源和易开采资源已经接近枯竭。据国务院2 0 1 3 年1 2 月3 日 公布的文件[ 3 1 ，在我国2 6 2 个资源型城市中，衰退型城市占据6 7 个，超过资源 型城市总数的1 ／4 ；此外，一部分资源型城市也开始在经济上摆脱了对资源的依 赖，因此涌现了相当数量的再生型城市1 4 1 。显然国内的矿产资源已经不能满足国 民经济的发展要求，直接导致我国对海外矿产资源的需求与日俱增，进口量更是 连年攀升【5 叫，如图1 ．1 所示，为1 9 9 9 年至2 0 0 9 年之间中国铁矿石进口总量、 全球铁矿石进口总量和中国／全球。进一步的资料表明，中国的石油海外依赖度 在2 0 1 2 年已经增至5 6 ．3 ％[ 7 1 ，铁矿石的海外依赖度则为3 5 ．5 ％。2 0 0 5 年到2 0 1 0 年，中国铁矿石的价格涨幅达到l1 6 ％，而同期的钢价指数涨幅仅为3 2 ％。海外 资源的依赖度大，已经严重制约了我国国民经济的发展【8 】。为了保障矿产资源对 我国国民经济发展的基础物质供应、维护国家的经济秩序，深部开采越来越成为 大多数企业的选择，我国很多主要的地下金属矿山都不断的在探索深部矿产资 源，不少矿山已经进入深部开采阶段一。1 。据统计，我国有三分之一的矿山即将 进入深部开采【1 2 1 。然而，国内许多矿山刚进入深部开采，技术起步晚，在深部开 采方面面临一系列的难题和问题【l 孓巧J 。在深部开采方面，国外进行探索起步比较 早，在深井环境控制方面取得了大量经验，取得了较多的成果I l 纠8 】。对于凡1 2 1 铅 锌矿而言，由于矿山开采时间长，同时开采的中段众多，开采深度大，使用的设 施设备种类复杂，通风问题已经成为矿山面临的主要问题之一I l 引。凡口铅锌矿面 临的问题主要体现在随着采场向下延伸，矿山进入到深部开采阶段，旧有的局 部通风方案在深部开采中已经难以适应1 2 0 l 。随着阶段的不断向下延伸，主溜井所 负担的卸矿中段越来越大，由卸矿引起的粉尘危害不可忽视；采矿凿岩、矿石的 二次破碎、装载及运输过程也会产生粉尘，已经对井下的环境造成了很大的影响。 此外，凡口铅锌矿采用爆破手段进行独头巷道掘进以及采矿作业，在这一过程中 产生大量的烟尘。深部开采过程中独头巷道常常长达几百米甚至上千米，产生的 烟尘在空间受限条件下不易排出，而长期处在烟尘浓度较高的工作地点会对工作 人员的健康造成很大损害1 2 1 - 2 3 】，因此有必要采取措施来抑制独头巷道烟尘的危 害；一定程度上烟尘已经成为妨碍矿山安全卫生生产以及正常施工的一大危害。 积极采用各种手段和措施缓解凡口铅锌矿深部采矿独头掘进爆破烟尘的危害已 经成为一件紧迫的事情。 万方数据 硕士学位论文1 绪论 莒 攀 V 稠 口 蚓 博 樯 举 呔 到 笠 图1 - 11 9 9 9 年- 2 0 0 9 年世界进口铁矿石情况 ，．、 零 V 黹 剞 删 Ⅱ 蝴 烬 奄 蝼 皿 哥 为此，本文针对凡口铅锌矿深部开采独头巷道爆破掘进烟尘使用局部通风方 法难以排除的问题，紧密结合“深部开采通风系统仿真模拟及优化“ 科研课题， 综合运用理论分析、现场探测和数值模拟等方法，以流体动力学理论 C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s 为基础，以几何建模软件G A M B I T 及数值分析软件F L U E N T 等工具为手段，开展凡口铅锌矿深部独头巷道爆破掘进烟尘排除的研究， 旨在改善矿山深部开采掘进通风问题，对矿山安全生产具有重要现实意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 独头巷道掘进烟尘危害控制研究现状 归纳起来，影响爆破后独头巷道内烟尘浓度变化的烟尘内部因素有其成分 密度 、粘附性 荷电性 以及粒径分布等。其外部因素有通风速度大小、方 向、空气的湿度、壁面的空间形态、粗糙程度等[ 2 4 1 。 降低独头巷道内烟尘 粉尘 的危害一般可以采用水雾降尘、空气幕隔绝烟 尘和个体防护、通风除尘【2 5 之9 1 等手段，这些方法的选择要视矿山的具体情况而定。 一般而言，综合使用这些方法可以最大限度地降低烟尘的危害。 1 水雾降尘 水雾降尘技术是根据空气动力学理论和斯蒂芬输送原理等相关的物理力学 原理，向漂浮在空气中的烟尘颗粒喷洒水雾，使烟尘颗粒的重量增加并在重力的 作用下沉降在独头巷道底部，从而达到降低烟尘浓度的目的。该技术的优点是装 置较小，携带方便，布置的地点比较灵活；原理比较简单，成本低；材料来源广， 不会造成环境的污染。其缺点是除尘的效率太低，因此在矿山的应用范围较为有 2 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 限。水雾降尘的技术关键是形成具有良好降尘效果的雾流，目前国内外相关的研 究已经比较少。查询中外文献可知，国外对用水雾抑制细微烟尘基础理论做过一 些研究，例如美国和前苏联分别进行了水滴冲击烟尘表面的动力学实验研究和水 的喷雾对空气流动及抑制烟尘作用的研究。 2 空气幕隔绝烟尘技术 空气幕隔绝烟尘技术在我国矿山已经得到较为广泛的应用【3 0 翔1 。这种技术主 要是利用条形风口吹出的条形空气射流，来隔离含有烟尘的气体与周围干净空 气，从而保证工作区的空气环境质量。 3 个体防护 按照安全生产规范，接触烟尘的工作人员佩戴有效的防护口罩。按照国家标 准生产的防护口罩，至少能够过滤工作场所9 0 ％的烟尘，从而大大减小烟尘对于 工作人员健康的危害【3 2 J 。 4 通风除尘 目前在矿山烟尘抑制方面应用最广泛的技术是通风除尘，其理论研究也最为 完善。 通风除尘是通过给独头巷道工作面 掘进迎头 提供新鲜空气来稀释和排除 巷道内的烟尘。当独头巷道掘进距离比较小时，可以通过引入相邻联络巷道的风 流来达到降低独头巷道内烟尘的目的。文献[ 3 3 ．3 5 1 研究了当联络巷道风速发生变 化时独头巷道烟尘浓度变化规律，验证了引入相邻联络巷道的风流迅速降低排除 巷道空间内的烟尘。一般而言，爆破后1 5 r a i n ，烟尘浓度就可以降低到令人满意 的程度。此外，还揭示了烟尘在独头巷道断面、沿独头巷道的分布规律。研究表 明，由于引入联络巷道风流进行除尘时，独头巷道内存在风流漩涡，过大的风速 会引起独头巷道内风流的紊乱程度过高，仅当联络巷道风速为2 m ／s 时独头巷道 烟尘排出所消耗的时间最短。 然而，当独头巷道掘进迎头与联络巷道之间的距离继续增大时，自然通风方 式开始变得不适用，这时应该考虑用局部通风机进行通风除尘。独头巷道局部通 风包括三种类型压入式通风、抽出式通风和混合式通风。 局部通风机压入式通风是利用设置在独头巷道外的局扇，通过通风管道将新 鲜空气压送至工作面，以供给独头巷道内足够新鲜空气的通风方式。其优点为 可以使用柔性风筒，安装比较方便；有效射程大且冲淡和排出炮烟的能力比较强； 工作面回风不通过通风机械，在有瓦斯涌出的工作面这种通风比较安全。缺点是 长距离巷道掘进排出炮烟需要的风量大，所排出的炮烟在巷道中随风流扩散蔓延 范围大、时间长，影响其它的区域，导致工作环境变差。采用压入式通风时，吸 风口应设在上风侧，风筒出口距工作面不得超过1 0m 。 3 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 局部通风机抽出式通风是指利用局部通风机经风筒抽出掘进工作面的乏风 和烟尘的通风方式。其优点是烟尘不易向其它巷道扩散，排出速度快，有利于保 障作业人员的身体健康和提高掘进效率，管理方便，控制可靠。其缺点是风流由 风筒末端吸入，通风效果较差；局部通风机安设在乏风中，乏风有局部通风机中 流过，安全性能较差。同时，抽出式通风必须使用硬质风筒，或带刚性骨架的可 伸缩风筒，成本高且适应性较差。采用抽出式通风时，排风口应设在下风侧，吸 风口距工作面的距离不得超过5m 1 3 6 ] 。 当掘进独头巷长度大于10 0r n 时，则应采用混合式通风，混合式通风是压 入式通风和抽出式通风的联合运用，它兼有压入式和抽出式的优点，其缺陷是 涉及的设备较多，管理比较困难。 按局部通风机和风筒的安装位置，混合式通风方式分长压短抽、长抽短压和 长压长抽三种。根据抽出式、压入式风筒口的位置关系，每种通风方式又分为前 抽后压和前压后抽两种布置方法。不同的混合式通风方式，各有自己的优缺点 见 表1 ．1 。 表1 - 1 混合式通风布置方法适用条件 布置方法适应条件 抽出式、压入式风筒到工作面的距离选择合理，可以取得较好的排尘效果， 前压后抽布置可以通过公式 1 - 1 和公式 1 - 2 确定 三压 2 ．0 ～3 ．o √一 1 ．1 L 抽- - - 7 ．0 8 ．o 店 1 ．2 式中， ￡压为压入式风筒到工作面的距离，m ； 三抽为抽出式风筒到工作面的距离，m ； 为S 为独头巷道净断面积，m 2 。 前抽后压布置的距离可以通过公式 1 3 和公式 1 - 4 确定 - L 抽 1 ．2 ．2 ．o 瓶 1 - 3 4 万方数据 硕士学位论文1 绪论 三压 4 ．0 ．5 ．o 垢 1 - 4 式中， ￡压为压入式风筒到工作面的距离，m ； 三抽为抽出式风筒到工作面的距离，m ； 为S 为独头巷道净断面积，m 2 。 实际工作中一般使用长抽短压前抽后压布置通风，压入风筒距工作面不得超 过1 0m ，抽出风筒应滞后压入风简5m 以上。 1 ．2 ．2 气固两相流研究现状 地下开采的矿山在独头巷道爆破后，独头巷道空间内充满了大量的含烟尘气 体。因此，若想通过数值方法来分析采场内的粉尘运动和迁移的情况，引入两相 流模型就成为必要。研究两相流或多相流有两种截然不同的观点第一种是把流 体视为连续介质而把颗粒群看成离散体系，进而研究其颗粒运行轨道、颗粒动力 学第二种是把流体视为连续介质而视颗粒群为拟连续介质或拟流体，并假定颗 粒群在计算区域内的速度和温度分布连续、输运性质等价鲫。 在流体动力学中，相即物质所处的状态。物质随着其温度不同可以有三种物 理状态之间转换固态、液态和气态。换言之，所有物质都存在三相。多相流 就是在流体流动中存在两种或两种以上不同相的物质的一种流体运动。因此，两 相流动可能是气相和液相的流动，固相和液相的流动，或气相和固相的流动。在 工程实际问题中，存在大量的多相流动。但是多相流系统中相的概念具有更为广 泛的意义。例如，相同材料的物质，即使都是固体颗粒，但是其尺寸不同，同样 视它们为不同的相，因为不同尺寸粒子的集合对流场有不同的动力学响应。 表1 ．2 给出了2 0 世纪中期以来，具有代表性的描述两相流 多相流 的观 点及经典模型1 3 引。 表1 ．22 0 世纪中期以来描述两相流 多相流 的观点及经典模型 5 万方数据 硕士学位论文1 绪论 1 单颗粒动力学模型 该模型是最早期发展起来同时也是最为简单的描述两相流 多相流 的模型。 单颗粒动力学模型忽略颗粒的存在对所研究区域内流体的流动影响，把流场看成 是已知的，只需要考虑互相无关联的单个颗粒在其中受到的力和运动，而不需要 考虑颗粒的脉动。F u c h s1 3 9 ] 描述的气溶胶力学理论和液．气两相流浓度场问题， 大致上都是基于这类观点的。 2 小滑移模型 小滑移模型的提出象征着两相流 多相流 模型开始完善。小滑移模型基于 颗粒连续介质概念，虽然考虑到流体与颗粒之间的滑移，但是同时认为颗粒的滑 移与其扩散漂移是同一个现象的两个不同方面。事实上，这不过是把多组分单相 流体的概念扩展到多相流体混合物中。然而它和完整的多流体模型不同，是颗粒 湍流模型封闭问题求解的最简单方法。 3 颗粒轨道模型 该模型在目前湍流气．固两相流动模拟中应用最为广泛。颗粒轨道模型在拉 格朗日坐标系内处理颗粒相，把颗粒相视为离散体系，并充分考虑气．固两相间 的相互作用，同时考虑颗粒与流体之间速度、温度存在大滑移，但是这些滑移被 认为与扩散漂移无关。其优点是计算储存的数据较小，便于模拟有复杂轨道的颗 粒相，同时颗粒相用拉格朗日处理法处理，可以避免产生伪扩散。其缺点是需要 全面地考虑颗粒的质量、动量和能量的湍流扩散，这一过程比较难以实现；而且 在复杂的流场内颗粒轨道计算的结果很难给出其连续颗粒的速度及浓度的空间 分布，不利于与实测的欧拉坐标中的颗粒场特性形成对照。 4 无滑移模型 该模型假定颗粒相与流体相达到动力平衡及热平衡，认为空间内颗粒与流体 时均速度与温度处处相等。在该模型中，颗粒扩散只相当于流体组分的扩散，因 此可以把颗粒与流体作为统一的流体来加以研究，是另一种简化的模型。 5 多流体模型 多流体模型的核心思路是并在欧拉坐标系下研究颗粒的运动，并把颗粒群看 作与流体互相渗透的拟流体或拟连续介质。该模型中分别考虑相间大滑移及颗粒 扩散，认为二者之间无直接联系，这就能够充分考虑到固相与气相的相互作用、 颗粒本身的湍流扩散和稠密悬浮体中颗粒碰撞的影响。该模型的优势在于可全面 考虑颗粒的湍流输运，并用相同的方式处理颗粒群及流体相，使得得到的数值模 拟结果易于与实测结果加以对照和检验。缺点是当颗粒群分组较多时，所需的计 算存贮空间过大，造成计算困难的不利影响。此外，用欧拉法处理颗粒相会产生 伪扩散。 6 万方数据 硕士学位论文1 绪论 目前，用于研究 两相流 多相流的方法有欧拉．拉格朗日方法和欧拉．欧 拉方法。 1 欧拉．拉格朗日方法 在该方法中，流体相被视为连续相，需要求解N ．S 方程，同时通过计算流 场中大量粒子的运动得到离散相。两相间具有动量、质量和能量的交换。即便当 m 。p e c i 舔≥I 砘咖，粒子运动轨迹的计算同样是独立的，在流体相计算的
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