D0L:10.13374/h.issn1001-053x.2011.05.003 第33卷第5期 北京科技大学学报 Vol.33 No.5 2011年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2011 高寒矿井穿脉巷道掘进炮烟扩散规律的数值模拟 陈赞成”杨鹏2)区吕文生》 何磊” 门瑞营) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)北京联合大学，北京100101 ☒通信作者，E-mail:pyang(@usth.edu.cm 摘要根据高寒矿井穿脉巷道掘进的实际参数建立数值模型，分块划分计算网格，依据掘进进尺和风筒口距掘进工作面的 距离，利用Fut流体分析软件对不同工况条件下的炮烟扩散规律进行数值模拟.模拟结果表明：随着风筒口距掘进工作面 的距离增加，C0排除的速度越慢：通风时间与穿脉长度和风筒口到掘进工作面的距离有一定的函数关系. 关键词地下采矿：通风：烟气：扩散：数值分析 分类号TD72 Numerical simulation on the diffusion law of blasting fume during roadway tun- neling across a vein in an alpine mine CHEN Zan--cheng',YANG Peng☒，L0 Wen-sheng',HE Lei,MEN Rui-ying》 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Union University,Beijing 100101,China Corresponding author,E-mail:pyang@ustb.edu.cn ABSTRACT According to the actual parameter of across vein roadway tunneling in alpine mine,the numerical simulation was set up,and the computation grids were piecemeal-divided.Referring to the tunneling footage and the distance between venting duct and heading face,the diffusion law of blasting fume under different operating modes was simulated by the Fluent fluid analysis software. The simulation results show that the slower the preclusion speed of CO is,the longer the distance between venting duct and heading face,and the ventilation time has a certain functional relationship between the length of across vein roadway and the distance from ven- ting duct to heading face. KEY WORDS underground mining:ventilation:fume:diffusion:numerical analysis 高寒矿井在开采过程中受到低气压、温差大等 通风的规律.到目前为止，应用Fluent模拟矿井局 高原气候影响，给矿山通风带来诸多不利因素.高 部通风规律已成为一种成熟的科学研究手段0. 寒地区大气氧分压低，井下人员进行强度较高的体 然而，井下独头掘进施工中的通风问题，不仅影响着 力劳动时，呼吸量大大增加，吸入的有害气体随之增 掘进施工进度，更重要的是严重影响井下作业人员 多，对作业工作人员的身体健康危害很大-习.井下 的安全与健康.因此，研究高寒井下独头巷道掘进 独头巷道掘进爆破时，产生的有毒有害气体主要包 爆破后，炮烟扩散分布规律有着十分重要的意义. 括CO、NO、NO2、H2S和SO2等.苏利军等在文 献B]中以费克定律为基础，得出了炮烟扩散过程 1工程概况 中有毒气体浓度的时空分布表达式，并且讨论了可 锡铁山铅锌矿地处西部高原地区.矿床最初设 能出现的炮烟停滞的炮烟浓度计算方法.王海桥等 计为地下平酮溜井开拓，采矿方法以无底柱崩落法 在文献46]中应用CFD模拟矿井巷道通风流动 为主，现已改进为有底柱分段空场法为主.自建矿 规律，从理论上得出了巷道有限空间受限贴附射流 投产以来，井下通风方式主要采用自然风压、中央进 收稿日期：2010-0506 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(No.2007BAB18B02)
第 33 卷 第 5 期 2011 年 5 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 5 May 2011 高寒矿井穿脉巷道掘进炮烟扩散规律的数值模拟 陈赞成1) 杨 鹏1，2) 吕文生1) 何 磊1) 门瑞营1) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 北京联合大学，北京 100101 通信作者，E-mail: pyang@ ustb． edu． cn 摘 要 根据高寒矿井穿脉巷道掘进的实际参数建立数值模型，分块划分计算网格，依据掘进进尺和风筒口距掘进工作面的 距离，利用 Fluent 流体分析软件对不同工况条件下的炮烟扩散规律进行数值模拟． 模拟结果表明: 随着风筒口距掘进工作面 的距离增加，CO 排除的速度越慢; 通风时间与穿脉长度和风筒口到掘进工作面的距离有一定的函数关系． 关键词 地下采矿; 通风; 烟气; 扩散; 数值分析 分类号 TD72 Numerical simulation on the diffusion law of blasting fume during roadway tunneling across a vein in an alpine mine CHEN Zan-cheng1) ，YANG Peng1，2) ，L Wen-sheng1) ，HE Lei 1) ，MEN Rui-ying1) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Union University，Beijing 100101，China Corresponding author，E-mail: pyang@ ustb． edu． cn ABSTRACT According to the actual parameter of across vein roadway tunneling in alpine mine，the numerical simulation was set up，and the computation grids were piecemeal-divided． Referring to the tunneling footage and the distance between venting duct and heading face，the diffusion law of blasting fume under different operating modes was simulated by the Fluent fluid analysis software． The simulation results show that the slower the preclusion speed of CO is，the longer the distance between venting duct and heading face，and the ventilation time has a certain functional relationship between the length of across vein roadway and the distance from venting duct to heading face． KEY WORDS underground mining; ventilation; fume; diffusion; numerical analysis 收稿日期: 2010--05--06 基金项目: 国家科技支撑计划资助项目( No． 2007BAB18B02) 高寒矿井在开采过程中受到低气压、温差大等 高原气候影响，给矿山通风带来诸多不利因素． 高 寒地区大气氧分压低，井下人员进行强度较高的体 力劳动时，呼吸量大大增加，吸入的有害气体随之增 多，对作业工作人员的身体健康危害很大［1--2］． 井下 独头巷道掘进爆破时，产生的有毒有害气体主要包 括 CO、NO、NO2、H2 S 和 SO2 等． 苏 利 军 等 在 文 献［3］中以费克定律为基础，得出了炮烟扩散过程 中有毒气体浓度的时空分布表达式，并且讨论了可 能出现的炮烟停滞的炮烟浓度计算方法． 王海桥等 在文献［4--6］中应用 CFD 模拟矿井巷道通风流动 规律，从理论上得出了巷道有限空间受限贴附射流 通风的规律． 到目前为止，应用 Fluent 模拟矿井局 部通风规律已成为一种成熟的科学研究手段［7--10］． 然而，井下独头掘进施工中的通风问题，不仅影响着 掘进施工进度，更重要的是严重影响井下作业人员 的安全与健康． 因此，研究高寒井下独头巷道掘进 爆破后，炮烟扩散分布规律有着十分重要的意义． 1 工程概况 锡铁山铅锌矿地处西部高原地区． 矿床最初设 计为地下平硐溜井开拓，采矿方法以无底柱崩落法 为主，现已改进为有底柱分段空场法为主． 自建矿 投产以来，井下通风方式主要采用自然风压、中央进 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.05.003
·522· 北京科技大学学报 第33卷 风两翼抽出式的通风方式.随着锡铁山铅锌矿进一 布均匀，模型边界条件描述如下 步对矿产资源的大力开发，井下开采各个中段逐渐 (1)进口边界：数值模型中的进口边界有两个， 增多，开拓工作量也日益增加，从而造成矿山每个中 即局扇风口和水平运输大巷风流进口，局扇风口风 段都有独头巷道掘进工程.锡铁山铅锌矿独头巷道 速为l0m·s,边界类型为速度入流(velocity in- 采用普通的钻爆法进行巷道掘进，巷道掘进采用六 let),紊流动能为： 边形掏槽，炮孔采用连续装药，钻孔平均深度为 hin =ain (1) 2.2m.通过对独头巷道掘进时炮烟扩散规律的深 入研究，以促使管理人员和矿山工作人员合理的安 式中：a为系数，取0.005；v为风速. 排作业时间，提高独头巷道的掘进效率. 紊流动能耗散率为： =Cki /0.015D. (2) 2计算模型 式中：C,为实验常数，取0.09：D.为风管当量直径， 2.1物理模型 m. 为进行数值模拟，需要建立各种不同的物理模 (2)出口边界：水平运输巷道出口的边界条件 型，其共同点是都包含穿脉独头巷道及水平运输大 设置为出流(out flow)类型. 巷，穿脉巷道高2.5m,宽2.4m,风筒直径为 (3)固体壁面：巷道边壁及工作面均为无滑动 600mm,水平运输大巷的长度为50m.穿脉巷道掘 壁面边界.为了解决高雷诺数流动与壁面附件黏性 进时炸药为膨化硝铵炸药，每次消耗量为41~ 的衔接问题，采用标准壁面函数. 43kg.爆破后炮烟抛掷长度为23.6m.C0气体初 (4)其他条件：水平运输大巷的环境温度及新 始质量浓度为0.0129mg·m-3.各模型的不同点是 风温度为291K. 风筒口距离掌子面的距离和穿脉独头巷道长度有所 2.4网格划分 不同.穿脉独头巷道物理模型如图1所示 利用GAMBIT软件对物理模型进行网格划分. 模型将采用分块划分的方式进行，如图2所示，模型 掌子面 划分为六块.块1、3、4和6采用非结构网格方式划 风流 穿脉独头巷道 出口 分，选用六面体网格单元，块2和5采用混合网格方 水平运输大巷 式划分，选用四面体网格单元. 风简出口 水平运输大巷 一风流进口 图1穿脉独头巷道物理模型图 Fig.1 Physical model of a blind roadway across a vein 2.2数学模型 由于研究的数值模拟流体为大气及有害气体， 故流动可视为不可压流，选用分离式求解器.由于 图2分块划分网格 需要考察有害气体随时间的变化在空间的浓度分 Fig.2 Six bodies divided for mesh generation 布，本模拟启用非稳态求解，选择一阶隐式.对于黏 性模型，选用湍流模型(k-epsilon).爆破后气体温 3数值计算分析 度较高，与巷道空气存在热交换，对气体扩散有一定 影响，因此模拟考虑能量交换，启用能量方程，在此 3.1风筒口到掌子面的距离对炮烟扩散的影响 过程中只是气体温度的略微升高，但不会改变气体 独头巷道工作面局扇风筒口随着爆破进尺到掌 的浓度.忽略有害气体间及有害气体与空气的化学 子面的距离越来越远，一般架设风筒时将风筒口布 反应，采用无化学反应的组分输运模型. 置在距离掌子面10m以内，2762m水平一次爆破进 2.3边界条件 尺2.5m.因此，架设完风筒后进行的三次爆破过程 独头巷道局扇通风排除炮烟过程的数值模拟在 中，风筒口到掌子面距离(L)分别为12.5、15和 以下合理的假定条件下进行，流体为不可压缩、非稳 17.5m.本节重点研究各个爆破进尺后炮烟中C0 态紊流，满足Boussinesq假设，假定风筒进口风速分 气体扩散的一般规律.气体的扩散与巷道的风流特
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 风两翼抽出式的通风方式． 随着锡铁山铅锌矿进一 步对矿产资源的大力开发，井下开采各个中段逐渐 增多，开拓工作量也日益增加，从而造成矿山每个中 段都有独头巷道掘进工程． 锡铁山铅锌矿独头巷道 采用普通的钻爆法进行巷道掘进，巷道掘进采用六 边形 掏 槽，炮孔采用连续装药，钻孔平均深度为 2. 2 m． 通过对独头巷道掘进时炮烟扩散规律的深 入研究，以促使管理人员和矿山工作人员合理的安 排作业时间，提高独头巷道的掘进效率． 2 计算模型 2. 1 物理模型 为进行数值模拟，需要建立各种不同的物理模 型，其共同点是都包含穿脉独头巷道及水平运输大 巷，穿 脉 巷 道 高 2. 5 m，宽 2. 4 m，风 筒 直 径 为 600 mm，水平运输大巷的长度为 50 m． 穿脉巷道掘 进时炸药为膨化硝铵炸药，每 次 消 耗 量 为41 ～ 43 kg． 爆破后炮烟抛掷长度为 23. 6 m． CO 气体初 始质量浓度为 0. 012 9 mg·m － 3 ． 各模型的不同点是 风筒口距离掌子面的距离和穿脉独头巷道长度有所 不同． 穿脉独头巷道物理模型如图 1 所示． 图 1 穿脉独头巷道物理模型图 Fig． 1 Physical model of a blind roadway across a vein 2. 2 数学模型 由于研究的数值模拟流体为大气及有害气体， 故流动可视为不可压流，选用分离式求解器． 由于 需要考察有害气体随时间的变化在空间的浓度分 布，本模拟启用非稳态求解，选择一阶隐式． 对于黏 性模型，选用湍流模型( k-epsilon) ． 爆破后气体温 度较高，与巷道空气存在热交换，对气体扩散有一定 影响，因此模拟考虑能量交换，启用能量方程，在此 过程中只是气体温度的略微升高，但不会改变气体 的浓度． 忽略有害气体间及有害气体与空气的化学 反应，采用无化学反应的组分输运模型． 2. 3 边界条件 独头巷道局扇通风排除炮烟过程的数值模拟在 以下合理的假定条件下进行，流体为不可压缩、非稳 态紊流，满足 Boussinesq 假设，假定风筒进口风速分 布均匀，模型边界条件描述如下． ( 1) 进口边界: 数值模型中的进口边界有两个， 即局扇风口和水平运输大巷风流进口，局扇风口风 速为 10 m·s － 1 ，边界类型为速度入流( velocity inlet) ，紊流动能为: kin = αin v 2 ( 1) 式中: αin为系数，取 0. 005; v 为风速． 紊流动能耗散率为: εin = Cμ k 2 /3 in /0. 015De ( 2) 式中: Cμ 为实验常数，取 0. 09; De 为风管当量直径， m． ( 2) 出口边界: 水平运输巷道出口的边界条件 设置为出流( out flow) 类型． ( 3) 固体壁面: 巷道边壁及工作面均为无滑动 壁面边界． 为了解决高雷诺数流动与壁面附件黏性 的衔接问题，采用标准壁面函数． ( 4) 其他条件: 水平运输大巷的环境温度及新 风温度为 291 K． 2. 4 网格划分 利用 GAMBIT 软件对物理模型进行网格划分． 模型将采用分块划分的方式进行，如图 2 所示，模型 划分为六块． 块 1、3、4 和 6 采用非结构网格方式划 分，选用六面体网格单元，块 2 和 5 采用混合网格方 式划分，选用四面体网格单元． 图 2 分块划分网格 Fig． 2 Six bodies divided for mesh generation 3 数值计算分析 3. 1 风筒口到掌子面的距离对炮烟扩散的影响 独头巷道工作面局扇风筒口随着爆破进尺到掌 子面的距离越来越远，一般架设风筒时将风筒口布 置在距离掌子面 10 m 以内，2762 m 水平一次爆破进 尺 2. 5 m． 因此，架设完风筒后进行的三次爆破过程 中，风筒口到掌子面距离( Lm ) 分别为 12. 5、15 和 17. 5 m． 本节重点研究各个爆破进尺后炮烟中 CO 气体扩散的一般规律． 气体的扩散与巷道的风流特 ·522·
第5期 陈赞成等：高寒矿井穿脉巷道掘进炮烟扩散规律的数值模拟 ·523· 征有必然联系，三个爆破进尺后工作面的风流结构 体检测仪所检测的C0质量浓度结果完全一致：采 如图3所示. 用四合一气体检测仪测量爆破后22min时，风筒口 到掌子面区域的C0质量浓度较L.=12.5m时高 19> 4~9mgm3;当Lm=17.5m时，区域C0质量浓度 L=175m 高于18mgm-3. 四种情况下，距掌子面1m截面的C0质量浓度 6.59x 510 在连续通风条件下随时间的衰减特征如图5所示. L=15.0m 6 C0质量浓度的衰减总体特征近似，C0质量浓度与 33 65 0 通风时间的关系接近指数曲线，通风始末该截面CO 99x 33×10 平均质量浓度在L=17.5m情况时最大，各时刻的 L.=l2.5m 52xi01 质量浓度值平均为Lm=10m工况下的1.8倍.可 见，风筒口到掌子面距离对C0气体排除的影响 图3独头巷道风的流动图 Fig.3 Wind flow in the blind roadway 较大 250- 图3数值计算结果表明，风筒出口距工作面迎 头的距离为12.5m和15m时独头巷道形成一个涡 200 =L=10.0m -L=12.5m 流区，而距离为17.5m时产生的涡流区域有两个 L=150m 射流不能到达迎头，在巷道迎头形成涡流区，而且涡 L.=17.5m 100 流区的流动方向与射流区的流动方向相反，与文 献5]实验观察的流动方向一致：另一涡流区出现 50 在有效射程区域.理想的排烟风流为新鲜风携带有 害气体向同一方向运移，而迎头涡流的产生不利于 10 15 20 25 通风时间min 炮烟的排除.图4为风筒口距离掌子面不同距离条 图5CO质量浓度随时间衰减特征图 件下，爆破22min后y=1.6m(距底板1.6m截面 Fig.5 Weakening characteristic of CO mass concentration along with 处)巷道横向截面C0气体的质量浓度. time 设巷道空间内任意一点的质量浓度低于20 65 mgm3时为炮烟排除任务结束，则根据数值模拟的 L=10.0m L=125m 质量浓度场数据，计算Lm>10m时通风所需时间与 2 Lm=10m时所需通风时间的比值c,将c定义为通 风时间系数，c与L的函数关系如图6所示 1.22m L=15.0m .=175m c=0.032L+0.636 1.18 mg.m 1.14 图4爆破22min后y=1.6m截面C0的质量浓度分布 Fig.4 Mass concentration distribution of CO after blasting for 22 min 1.06 at y=1.6m 1.02 2 13 1415161718 由图4可知：随着风筒口距离掌子面距离(L) 风筒口到掌子面距离，Lm 的增加，C0排除越慢，Lm=12.5m时风筒风流射程 图6各种工况下通风所需时间图 能够达到掌子面，与Lm=10m时的效率相当；当Lm Fig.6 Ventilation time needed under each kind of operating mode 大于15m时变化较为明显，爆破后22min时，风筒 口到掌子面区域的C0质量浓度较Lm=12.5m时高 随着风筒口距离掌子面越远，通风时间系数c 4~8mgm3;当Lm=17.5m时，此区域C0质量浓 变大，c与L的线性关系为 度高于20mg°m3.模拟结果与现场采用四合一气 c=0.032Lm+0.636,10m≤Lm≤17.5m(3)
第 5 期 陈赞成等: 高寒矿井穿脉巷道掘进炮烟扩散规律的数值模拟 征有必然联系，三个爆破进尺后工作面的风流结构 如图 3 所示． 图 3 独头巷道风的流动图 Fig． 3 Wind flow in the blind roadway 图 3 数值计算结果表明，风筒出口距工作面迎 头的距离为 12. 5 m 和 15 m 时独头巷道形成一个涡 流区，而距离为 17. 5 m 时产生的涡流区域有两个． 射流不能到达迎头，在巷道迎头形成涡流区，而且涡 流区的流动方向与射流区的流动方向相反，与文 献［5］实验观察的流动方向一致; 另一涡流区出现 在有效射程区域． 理想的排烟风流为新鲜风携带有 害气体向同一方向运移，而迎头涡流的产生不利于 炮烟的排除． 图 4 为风筒口距离掌子面不同距离条 件下，爆破 22 min 后 y = 1. 6 m( 距底板 1. 6 m 截面 处) 巷道横向截面 CO 气体的质量浓度． 图 4 爆破 22 min 后 y = 1. 6 m 截面 CO 的质量浓度分布 Fig． 4 Mass concentration distribution of CO after blasting for 22 min at y = 1. 6 m 由图 4 可知: 随着风筒口距离掌子面距离( Lm ) 的增加，CO 排除越慢，Lm = 12. 5 m 时风筒风流射程 能够达到掌子面，与 Lm = 10 m 时的效率相当; 当 Lm 大于 15 m 时变化较为明显，爆破后 22 min 时，风筒 口到掌子面区域的 CO 质量浓度较 Lm = 12. 5 m 时高 4 ～ 8 mg·m － 3 ; 当 Lm = 17. 5 m 时，此区域 CO 质量浓 度高于 20 mg·m － 3 ． 模拟结果与现场采用四合一气 体检测仪所检测的 CO 质量浓度结果完全一致: 采 用四合一气体检测仪测量爆破后 22 min 时，风筒口 到掌子面区域的 CO 质量浓度较 Lm = 12. 5 m 时高 4 ～ 9 mg·m － 3 ; 当 Lm = 17. 5 m 时，区域 CO 质量浓度 高于 18 mg·m － 3 ． 四种情况下，距掌子面1 m 截面的 CO 质量浓度 在连续通风条件下随时间的衰减特征如图 5 所示． CO 质量浓度的衰减总体特征近似，CO 质量浓度与 通风时间的关系接近指数曲线，通风始末该截面 CO 平均质量浓度在 Lm = 17. 5 m 情况时最大，各时刻的 质量浓度值平均为 Lm = 10 m 工况下的 1. 8 倍． 可 见，风筒口到掌子面距离对 CO 气体排除的影响 较大． 图 5 CO 质量浓度随时间衰减特征图 Fig． 5 Weakening characteristic of CO mass concentration along with time 设巷道空间内任意一点的质量浓度低于 20 mg·m － 3 时为炮烟排除任务结束，则根据数值模拟的 质量浓度场数据，计算 Lm ＞ 10 m 时通风所需时间与 Lm = 10 m 时所需通风时间的比值 c，将 c 定义为通 风时间系数，c 与 Lm的函数关系如图 6 所示． 图 6 各种工况下通风所需时间图 Fig． 6 Ventilation time needed under each kind of operating mode 随着风筒口距离掌子面越远，通风时间系数 c 变大，c 与 Lm的线性关系为 c = 0. 032Lm + 0. 636，10 m≤Lm≤17. 5 m ( 3) ·523·
·524· 北京科技大学学报 第33卷 3.2不同穿脉长度条件下的炮烟扩散特征 得到穿脉进尺20~60m工况下，C0质量浓度最大 随着独头巷道的不断向前掘进，掌子面爆破后 值小于20mg·m-3的时间分别为20、22、23、26和 炮烟从抛掷带排除到回风巷的行程越大，通风时间 27min.通风时间与穿脉进尺长度线性相关，如图9 越长.掌子面爆破25min后距底板1.6m截面C0 所示 气体质量浓度分布云图如图7、图8所示 表1各时刻z=20m,x=-20m截面C0的平均质量浓度值 Table 1 Average mass concentration of CO at the :=20m,x=-20 m section 爆破后通风 C0质量浓度/(mgm3) 时间/min 穿脉20m穿脉30m穿脉40m穿脉50m穿脉60m 20m 30m 20 13.3 25.7 33.1 73.6 102.8 21 10.4 20.5 25.9 64.5 104.7 3 8.1 20.9 51.3 84.0 23 6. 12. 16. 40. 67.4 吧用 24 5.0 3 28. 52.1 图7进尺20m和30m条件下C0的质量浓度分布图 25 1 37.6 Fig.7 Mass concentration distribution of CO at the footages of 20 m 26 15. and 30m 24.9 18.6 28 1.9 3.9 5.7 8.5 15.3 市 1.4 3.1 4.6 7.2 12.5 +321 30 1.1 2.4 3.7 6.1 10.1 87 40m 50m 60m 28 y02x+172 526 ,24 mg.m 22 图8进尺40、50和60m时C0的质量浓度分布 Fig.8 Mass concentration distribution of CO at the footages of 40 m, 290 20 304050 6070 50m and 60m 穿脉掘进进尺m 图9穿脉进尺与炮烟排除时间的关系图 根据分析研究可知采用压入式通风排除炮烟的 Fig.9 Relationship between the footage across the vein and the blas- 特点是：风筒口到掌子面之间区域的炮烟排除迅速， ting fume vented time 风筒口到穿脉巷道出口间区域中炮烟扩散过程缓 慢.由图7、图8可知，穿脉进尺20、30和40m时爆 穿脉进尺长度与排除炮烟所需时间线性关系表 破后25min内C0气体质量浓度能降至20mgm-3, 示为 而进尺50m和60m时穿脉近一半的区域C0质量 t=(0.2x+17.2)c,20m≤x≤60m (4) 浓度超出规定的标准.巷道中C0质量浓度最后达 当风筒口距离掌子面10m,穿脉掘进过程中的 到规定标准的是穿脉与水平运输大巷交叉口的区 各进尺长度下排除炮烟所需的时间可由此式估计 域.各时刻模型z=20m及x=-20m截面（距底板 由通风时间系数c与风筒口到掌子面距离的关 1.6m截面处)的C0平均质量浓度值如表1所示， 系，结合式(4)，可得到穿脉巷道在掘进过程中排烟 风筒布设于大巷与穿脉巷道交叉口处 所需的通风时间： 由表1可知，随着穿脉的延伸，所需排除炮烟的 rt=(0.2x+17.2)c,20m≤x≤60m 时间加长.在巷道交叉口处C0平均质量浓度降低 至20mg°m-3.利用Fluent软件中面的平均速度模 c=0.032L.+0.636,10m≤L.≤17.5m5) 块对各时刻巷道中C0质量浓度最大值进行统计， 式(5)可应用于计算风筒口在各个位置时，各穿脉
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 3. 2 不同穿脉长度条件下的炮烟扩散特征 随着独头巷道的不断向前掘进，掌子面爆破后 炮烟从抛掷带排除到回风巷的行程越大，通风时间 越长． 掌子面爆破 25 min 后距底板 1. 6 m 截面 CO 气体质量浓度分布云图如图 7、图 8 所示． 图 7 进尺 20 m 和 30 m 条件下 CO 的质量浓度分布图 Fig． 7 Mass concentration distribution of CO at the footages of 20 m and 30 m 图 8 进尺 40、50 和 60 m 时 CO 的质量浓度分布 Fig． 8 Mass concentration distribution of CO at the footages of 40 m， 50 m and 60 m 根据分析研究可知采用压入式通风排除炮烟的 特点是: 风筒口到掌子面之间区域的炮烟排除迅速， 风筒口到穿脉巷道出口间区域中炮烟扩散过程缓 慢． 由图 7、图 8 可知，穿脉进尺 20、30 和 40 m 时爆 破后 25 min 内 CO 气体质量浓度能降至 20 mg·m － 3 ， 而进尺 50 m 和 60 m 时穿脉近一半的区域 CO 质量 浓度超出规定的标准． 巷道中 CO 质量浓度最后达 到规定标准的是穿脉与水平运输大巷交叉口的区 域． 各时刻模型 z = 20 m 及 x = － 20 m 截面( 距底板 1. 6 m 截面处) 的 CO 平均质量浓度值如表 1 所示， 风筒布设于大巷与穿脉巷道交叉口处． 由表 1 可知，随着穿脉的延伸，所需排除炮烟的 时间加长． 在巷道交叉口处 CO 平均质量浓度降低 至 20 mg·m － 3 ． 利用 Fluent 软件中面的平均速度模 块对各时刻巷道中 CO 质量浓度最大值进行统计， 得到穿脉进尺 20 ～ 60 m 工况下，CO 质量浓度最大 值小于 20 mg·m － 3 的时间分别为 20、22、23、26 和 27 min． 通风时间与穿脉进尺长度线性相关，如图 9 所示． 表 1 各时刻 z = 20 m，x = － 20 m 截面 CO 的平均质量浓度值 Table 1 Average mass concentration of CO at the z = 20 m，x = － 20 m section 爆破后通风 时间/min CO 质量浓度/( mg·m － 3 ) 穿脉 20 m 穿脉 30 m 穿脉 40 m 穿脉 50 m 穿脉 60 m 20 13. 3 25. 7 33. 1 73. 6 102. 8 21 10. 4 20. 5 25. 9 64. 5 104. 7 22 8. 1 16. 3 20. 9 51. 3 84. 0 23 6. 3 12. 9 16. 9 40. 7 67. 4 24 5. 0 10. 2 13. 7 28. 9 52. 1 25 3. 9 8. 0 11. 1 21. 5 37. 6 26 3. 0 6. 3 8. 9 15. 4 24. 9 27 2. 4 5. 0 7. 1 11. 3 18. 6 28 1. 9 3. 9 5. 7 8. 5 15. 3 29 1. 4 3. 1 4. 6 7. 2 12. 5 30 1. 1 2. 4 3. 7 6. 1 10. 1 图 9 穿脉进尺与炮烟排除时间的关系图 Fig． 9 Relationship between the footage across the vein and the blasting fume vented time 穿脉进尺长度与排除炮烟所需时间线性关系表 示为 t = ( 0. 2x + 17. 2) c， 20 m≤x≤60 m ( 4) 当风筒口距离掌子面 10 m，穿脉掘进过程中的 各进尺长度下排除炮烟所需的时间可由此式估计． 由通风时间系数 c 与风筒口到掌子面距离的关 系，结合式( 4) ，可得到穿脉巷道在掘进过程中排烟 所需的通风时间: t = ( 0. 2x + 17. 2) c， 20 m≤x≤60 m {c = 0. 032 Lm + 0. 636， 10 m≤Lm≤17. 5 m ( 5) 式( 5) 可应用于计算风筒口在各个位置时，各穿脉 ·524·
第5期 陈赞成等：高寒矿井穿脉巷道掘进炮烟扩散规律的数值模拟 ·525· 巷道进尺长度下爆破所需通风时间. ventilation flow field in heading face.China Saf Sci J,2003,13 (1):68 4结论 (王海桥，施式亮，刘荣华，等.独头巷道射流通风流场C℉D模 拟研究.中国安全科学学报，2003,13(1)：68) 穿脉掘进至15m时采用扩散通风方式，在 [5] Wang HQ,Shi SL,Liu R H,et al.Features and parameters cal- 30min通风时间内能达到规定的质量浓度标准：穿 culation of flowing field of foreing type restrained wall-attached jet. 脉进尺到20m时采用扩散通风方式排除炮烟在规 J Heilongjiang Inst Sci,2001 (4):4 定时间内不能完成，应增设局部通风设备，架设局扇 (王海桥，施式亮，刘荣华，等.压入式受限贴附射流流场特征 风筒；排烟所需通风时间与穿脉进尺长度、风筒口的 及参数计算.黑龙江科技学院学报，2001(4)：4) [6] Wang H Q,Shi S L,Liu R H,et al.Numerical simulation study 布置位置密切相关，穿脉巷道越长，风筒口到掌子面 on ventilation flow field of wall-attached jet in heading face.Chi- 距离越长，所需通风时间越长.本文系统研究了不 na Coal Soc,2004,29(4):425 同工况条件下，穿脉巷道在局扇强制通风条件下的 (王海桥，施式亮，刘荣华，等.独头巷道附壁射流通风流场数 炮烟扩散规律，同时推导出井下炮烟扩散规律的具 值模拟研究.煤炭学报，2004,29(4)：425) 体公式. [7]Liu Y,Jiang Z A,Cai W,et al.Numerical simulation of the dust movement rule in fully-mechanized coal faces.I Unis Sci Technol 参考文献 Beijing,2007,29(4):351 [Tang Z X,Yang P,Lii W S,et al.Grey clustering evaluation of (刘毅，蒋仲安，蔡卫，等.综采工作面粉尘运动规律的数值模 plateau underground working environment based on index pretreat- 拟.北京科技大学学报，2007,29(4)：351) ment.J Univ Sci Technol Beijing,2010,32(3):282 [8]Liu L M,Du C F.Numerical simulation on natural wind pressure (唐志新，杨鹏，吕文生，等.基于指标预处理的高原地下矿工 of eastern mining well in Daye iron mine.Met Mine,2010 (2):30 作环境灰色聚类评价.北京科技大学学报，2010,32(3)： (刘连美，杜翠凤.大治铁矿东采矿井自然风压的数值模拟计 282) 算.金属矿山，2010(2)：30) [2]Tang Z X.Yang P,Li WS,et al.Study on the underground gas 9] Chen Y.Numerical simulation and efficiency research of curved concentration standard for highland mines.Met Mine,2009 (5): diffuser of fan installations used in mine.Coal Mine Mach,2009, 152 30(7):42 (唐志新，杨鹏，吕文生，等.高原地下矿井下气体浓度标准探 (陈勇.矿井通风机扩散简数值模拟与研究.煤矿机械，2009， 讨.金属矿山，2009(5)：152) 30(7):42) B]Su L J,Lu W B.Technique during construction of underground [10]Wang C L,Wu C.Numerical simulation of piston based on mo- tunnel.Blasting,2000,17 (1):1 tion wind due to mine conveyance reference frame.China Coal (苏利军，卢文波。地下巷道钻爆开挖过程中炮烟扩散及通 Soe,2007,32(8):838 风.爆破，2000,17(1)：1) (王从陆，吴超。基于移动参考框架的矿内运输工具活塞风 4]Wang H Q,Shi S L,Liu R H,et al.CFD simulation study on jet 数值模拟.煤炭学报，2007,32(8)：838)
第 5 期 陈赞成等: 高寒矿井穿脉巷道掘进炮烟扩散规律的数值模拟 巷道进尺长度下爆破所需通风时间． 4 结论 穿脉 掘 进 至 15 m 时 采 用 扩 散 通 风 方 式，在 30 min通风时间内能达到规定的质量浓度标准; 穿 脉进尺到 20 m 时采用扩散通风方式排除炮烟在规 定时间内不能完成，应增设局部通风设备，架设局扇 风筒; 排烟所需通风时间与穿脉进尺长度、风筒口的 布置位置密切相关，穿脉巷道越长，风筒口到掌子面 距离越长，所需通风时间越长． 本文系统研究了不 同工况条件下，穿脉巷道在局扇强制通风条件下的 炮烟扩散规律，同时推导出井下炮烟扩散规律的具 体公式． 参 考 文 献 ［1］ Tang Z X，Yang P，Lü W S，et al． Grey clustering evaluation of plateau underground working environment based on index pretreatment． J Univ Sci Technol Beijing，2010，32( 3) : 282 ( 唐志新，杨鹏，吕文生，等． 基于指标预处理的高原地下矿工 作环境灰色聚类评价． 北京科技大学学报，2010，32 ( 3 ) : 282) ［2］ Tang Z X，Yang P，Lü W S，et al． Study on the underground gas concentration standard for highland mines． Met Mine，2009( 5) : 152 ( 唐志新，杨鹏，吕文生，等． 高原地下矿井下气体浓度标准探 讨． 金属矿山，2009( 5) : 152) ［3］ Su L J，Lu W B． Technique during construction of underground tunnel． Blasting，2000，17( 1) : 1 ( 苏利军，卢文波． 地下巷道钻爆开挖过程中炮烟扩散及通 风． 爆破，2000，17( 1) : 1) ［4］ Wang H Q，Shi S L，Liu R H，et al． CFD simulation study on jet ventilation flow field in heading face． China Saf Sci J，2003，13 ( 1) : 68 ( 王海桥，施式亮，刘荣华，等． 独头巷道射流通风流场 CFD 模 拟研究． 中国安全科学学报，2003，13( 1) : 68) ［5］ Wang H Q，Shi S L，Liu R H，et al． Features and parameters calculation of flowing field of forcing type restrained wall-attached jet． J Heilongjiang Inst Sci，2001( 4) : 4 ( 王海桥，施式亮，刘荣华，等． 压入式受限贴附射流流场特征 及参数计算． 黑龙江科技学院学报，2001( 4) : 4) ［6］ Wang H Q，Shi S L，Liu R H，et al． Numerical simulation study on ventilation flow field of wall-attached jet in heading face． J China Coal Soc，2004，29( 4) : 425 ( 王海桥，施式亮，刘荣华，等． 独头巷道附壁射流通风流场数 值模拟研究． 煤炭学报，2004，29( 4) : 425) ［7］ Liu Y，Jiang Z A，Cai W，et al． Numerical simulation of the dust movement rule in fully-mechanized coal faces． J Univ Sci Technol Beijing，2007，29( 4) : 351 ( 刘毅，蒋仲安，蔡卫，等． 综采工作面粉尘运动规律的数值模 拟． 北京科技大学学报，2007，29( 4) : 351) ［8］ Liu L M，Du C F． Numerical simulation on natural wind pressure of eastern mining well in Daye iron mine． Met Mine，2010( 2) : 30 ( 刘连美，杜翠凤． 大冶铁矿东采矿井自然风压的数值模拟计 算． 金属矿山，2010( 2) : 30) ［9］ Chen Y． Numerical simulation and efficiency research of curved diffuser of fan installations used in mine． Coal Mine Mach，2009， 30( 7) : 42 ( 陈勇． 矿井通风机扩散筒数值模拟与研究． 煤矿机械，2009， 30( 7) : 42) ［10］ Wang C L，Wu C． Numerical simulation of piston based on motion wind due to mine conveyance reference frame． J China Coal Soc，2007，32( 8) : 838 ( 王从陆，吴超． 基于移动参考框架的矿内运输工具活塞风 数值模拟． 煤炭学报，2007，32( 8) : 838) ·525·