不同通风系统在深部矿井中的数值及实验分析

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1、不同通风系统在深部矿井中的数值及实验分析摘要通风系统在地下运作中起着至关重要的作用。在实验和数值意义上，本文阐述了通风系统在煤矿的尽头处工作的研究。在一个真正的矿井巷道中采取的热丝测速仪的测量，已经被用来验证数值模型。已经有三种不同类型的通风系统进行了数值研究：吹，排气和混合通风。数值模型提供了详细的流场资料，空气的平均密度和甲烷的浓度。这一信息使通风系统的效率对比着不同的标准：停滞的区域，空气污染区域和爆炸危险区域。关键字：通风；煤矿；计算流体动力学；热丝测速仪；吹；排气；空气平均密度；爆炸危险区域。1.引言煤深度达1000米的地下矿

2、开采，产生了对人类最危险的工作环境之一。此外，甲烷和煤尘存在产生爆炸的危险。另外，在长期暴露于这些和其它空气污染物中有严重损害健康的危险性。在煤矿开采过程中有两种空气污染的主要原因：第一，二氧化碳从内燃机中排出来。第二，土壤中含有甲烷等气体。因此，甲烷，煤尘和其他污染物主要聚集在矿区，旁边的尽头封闭的一面。因此，它代表了风险最高领域。但是，通过通风系统引入新鲜空气，在矿井中的污染物最有效地减少了通过将其迅速稀释。为了达到目的，有必要连续不断和均匀地引入新鲜空气。区域通风不足的存在可能会产生污染物风险的积累。在某种程度上说，一个有效的通风

3、系统是显然需要的。长的通风管道，空气扩散器和风扇作为鼓风机或者抽风机工作构成了地下矿井通风系统。这些元素的主要目的是提供新鲜空气，更重要的是，除去包括污染物和粉尘的空气，以便能够避免污染物在工作面的积聚。无论工作条件的改善和工作的安全性都取决于通风系统消除有害污染物的能力。一个具有广泛承认的事实是通风系统是合适的，当它确保所有领域的平均流速在管理规定中。最近，出现了一种试图寻找进一步的限制性参数，当它要求评价通风系统的性能。一些作者们已经发现了这些因素在公共场所的应用，但还不能应用于地下矿井。通风质量是不能通过全局参数来完全量化的如换气

4、全局参数。一个参数例如地区速度系数的百分比不如这个给的模块（死区），它本身并不代表一个适当稀释的保证。在危险区域中的空气密度和当地污染物的浓度水平在量化通风质量方面会变为更好的参数。这项研究的目的是分析三个通风系统：排气、吹气和混合。无论是湿度还是传热效果都不在考虑范围之内。为了达到这个目的一个数值模型已经建立起来了。数值模型解决了流场（速度、压力、浓度、湍流、Y水平）和当地的空气密度。为了验证数值模型的流场，在实际矿井中取得了用热丝测速仪测的实验数据。通过分析死区和当地空气的密度是可以比较每个通风系统的优缺点的。同样，通过分析这些含有

5、高浓度的甲烷区域，爆炸的危险性也是可以确定的。这些结果是为了去除一些在不同通风系统流动型态上的光，同时建立一些趋势去设计一个通风系统。2.实验设置实验分析的目的是为了有足够多的措施来确认数值模型。这些措施已经在一个真实的煤矿巷道（巴雷多地下实验的五南巷道和培训中心在米耶雷斯，在西班牙的阿斯图里亚斯）如图1。这个巷道是一个拥有大约9平方米的quasisemicircular，总共48米长。直径0.6米的通风管道通往屋顶和平行于巷道。通风管道的终端放在6米的尽头巷的封闭端（图2）。这驱动气流的体积流量为3.39立方米每秒。在图1中还有两个直

6、径更小的二级管：一个是为了压缩空气，另一个是为了排水。图1.煤矿巷道一个IFA100空气指示器的热丝测速仪使用了两种不同类型的试样:一个是全方位的（DANTET55R49）在流速为0.8米/秒和另一个是单向性膜探头的速度(DANTEC55R31)0.5至20米/秒。热丝测量工作已经完成了在巷道封闭面和Z方向上为18米之间的不同横截面。52点进行了测量相应地均匀分布在每个横截面根据水平方向X上0.65米的间距，垂直方向Y上0.25的间距。1.数值模型验证以前的实验结果被使用于验证数值模型。因此，图1中几何领域已经再现了跟真实的死巷通风一样

7、的条件。压缩空气和排水的管道没有被考虑因为它们对低流场的影响。离散这个几何领域，图2，一个大约有50000个六面体单元的三维网格已经生成。在管底，给予一个Vz为12米/秒的流速和在巷道尽头处得顶部给予一个大气压力的条件。NavierStokes关于三维，稳定，不可压缩和等温流体的方程已经解决。为了计算湍流粘度已经选择了Spalart-Allmaras湍流模型的一个方程。公式中湍流粘度的好坏，和从经验公式中进行评估。Spalart-Allmaras提供了相当好的行为无论是在近壁区域还是在自由剪切流域。二阶逆风数值方法已经处于使用中。图3显

8、示了不同横截面Vz数值等速的轮廓，伴随着一些由风速计提供的速度为0.5米/秒的位置的实验值。如果这个速度在这个数值之内，那么应用的实验技术证明较高的错误率[4]。对于Z小于等于6和大于等于14米的区域，偏差