大断面掘进压入式风筒最佳高度的数值模拟-朱红青

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1、第14卷第1期安全与环境学报Vol.14No.12014年2月JournalofSafetyandEnvironmentFeb.,2014文章编号:1009-6094(2014)01-0025-04拟则采用标准κ-ε双方程模型,总体模型包括质量守恒方[5-6]程、动量守恒方程、湍动能方程和能量耗散率方程。大断面掘进压入式风筒ui＊x=0最佳高度的数值模拟iuiuj1puiuj=-+v+朱红青,朱帅虎,贾国伟xjρxixjxjxi(1)(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京100083)κuivtκuiujuj=+v+-εxixiσκxixj

2、xixi摘要:为了确定大断面掘进工作面压入式风筒的最佳安设高度,采εu2ivtκεuiujujε用数值模拟方法分别模拟了风筒中心距底板6m、4.5m、3m、2m以及x=+C1εv+-C2εixiσεxiκxjxixiκ风筒安设于洞室顶部时,通风20min后爆破炮烟(CO)的稀释效果,并式中ui、uj分别为xi和xj方向的平均速度分量;p为平均压求解了各种风筒布置情况下不同断面的通风死区比例。结果表明,通力;ρ为空气密度;v为层流黏度;vt为湍流黏度;κ为湍动能;风排烟效果最差的情况为风筒固定于侧帮距底板6m时,其次为风筒固定于侧帮距底板4.5m时,

3、再次为风筒固定于顶部中央时,风筒固ε为能量耗散率。定于侧帮距底板2m时CO在巷道内的呼吸带高度沿程浓度分布与风湍流黏度计算式为筒距底板3m时差别不大,但风筒中心距底板2m时容易造成掘进工κ2vt=Cμ(2)作面上隅角炮烟和粉尘的积聚。因此,大断面掘进工作面压入风筒最ε佳安设高度为3m。式(1)和(2)中常数设定为:C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=关键词:安全工程;掘进通风;大断面;压入式风筒;数值模拟;通风死0.09,σκ=1.0,σε=1.3。区比例1.2物理模型中图分类号:U453.5文献标识码:A根据洞室基本参数建立全尺寸计算模型,

4、见图1。模型相DOI:j.issn.1009-6094.2014.01.007关参数见表1。模型中,风筒入口设置为速度入口(风速9.60引言m/s),右边界(除去风筒入口)设定为风流出口,其他边界设定2为固壁条件。为确保模拟结果中风流流场的准确性,在进行网煤矿井下掘进工作面断面面积一般为10～20m,考虑吊格划分时,风筒单元格尺寸为0.1m,巷道单元格尺寸为1m。挂方便及节省空间等因素,风筒一般悬挂于侧帮或掘进工作采用Fluent软件分别模拟风筒中心距底板6m、4.5m、3面巷道顶部。风筒悬挂高度对掘进工作面有害气体和粉尘的m和2m以及风筒安设于洞

5、室顶部时,通风20min对爆破产[1]快速有效排除有重要影响。王晓珍研究了煤巷掘进过程中生的有害气体(主要为CO)的稀释效果。为便于设置掘进工风筒悬挂高度对全尘和呼吸性粉尘浓度分布规律的影响,得作面CO初始体积分数,在模型中划分了炮烟抛掷带[7],解算出在4m×3m断面情况下,风筒悬挂高度为2～2.2m时掘进前利用Patch方法对该区域CO体积分数进行初始化。[2]工作面通风除尘效果最好。徐昆伦研究了风筒位于巷道侧为了分析各种风筒布置情况下掘进工作面的通风有效帮和顶部时掘进工作面的瓦斯浓度分布,与风筒位于巷道顶性,利用Fluent求解各断面处通风死

6、区比例。通风死区定义[8-9]部相比,风筒固定于侧帮更容易引起瓦斯积聚。与煤矿井下为流场中风速低于最小值的区域。根据“水工建筑物地掘进工作面相比,水电站尾水洞或尾水调压室等地下工程洞下开挖工程施工规范”中规定的巷道内最低风速不得小于室掘进断面较大(经典断面10m×9m,断面形式为城门洞0.15m/s,模拟中设定断面风速小于0.15m/s处为通风死区。形),风筒悬挂时不仅要考虑通风排烟和除尘效果,还要考虑吊挂施工的便利,即风筒悬挂的最佳高度问题,而关于大断面掘进工作面风筒最佳悬挂高度的研究很少。目前,掘进工作面多采用压入式通风方式,而独头掘进工作面压

7、入式通风实际上是一种受限射流,当风筒布置于巷道图1掘进工作面模型(纵剖面与横剖面)[3-4]侧帮时,则称为受限附壁射流。研究大断面掘进工作面Fig.1Simulationmodelofdrivingface压入式风筒最佳悬挂高度问题对于大断面掘进工作面通风设表1模型相关参数施布置具有重要的理论指导意义。Table1Modelparameters1模型建立与基本参数设定名称数值断面形式城门洞形1.1数学模型尺寸(长×宽×高)/m80×10×9配风量/(m3·min-1)1468洞室内有害气体的浓度是随时间变化的,即其稀释扩散过程是非稳态过程,因此本文

8、采用非稳态求解器求解,湍流模风筒直径/m1.8风筒出口距工作面距离/m10炮烟抛掷带长度/m66＊收稿日期:2013-05