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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（DANTET 55R49）在流速为0.8米/秒和另一个是单向性膜探头的速度(DANTEC 55R31)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。3. 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。Navier Stokes 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，偏差仍然获得在10%以内。在中间地带流动是受风管端存在的影响。此外，二次流动是可以解释为什么增长的偏差达到20%。通过实验数据和数值结果的良好一致性既确保了网格的空间分辨率和对这种类型的模拟算法的使用上的适应性。 图2.尽头巷的方案：（a）正面图 和 （b）侧面图。 图3.数值模拟和实验值的Vz速度：（a）Z=4m;(b)Z=12m和(c)Z=18m。4. 参数化研究一旦数值模型已与实验数据进行了验证，不同的通风系统进行分析：吹，排气，和不同混合布局5。压力式通风涉及到新鲜风流朝尽头巷（见表1Blow6m）封闭面的方向驱动。另一方面，抽出式通风从工作区域（见表1Exh6m和Exh1m）中抽出受污染的空气。所有例子已经模拟了相同的几何结构布局，相对应于图4所示在缺少辅助管道的情况下。维修处通风的改进需要安装混合通风。混合通风，除了主要的管道，利用附近的封闭端辅助管道，配有风扇（见表1中Mix1至Mix3）。这个第二管道的目的是促使额外的流动在巷道内，但在相反方向上是关于主要管道，见图4。模拟一个48米长的尽头巷已使用85000单元格。主管的直径dm为0.6米和辅助直径daux为0.3米。一个体积流量Q为3.4立方米/秒的气流经过这个主要管道和一个体积流量Q为0.85立方米/秒的气流经过二次风道。在新鲜空气入口的表面，施加的均匀进口速度作为边界条件。在受污染的空气出口表面施加了一个静压。一个动力源泉期限是以模型的内部风扇在辅助管道内。其余部分的数值模型特征重叠的部分在验证章节会描述。5.死区域西班牙对矿山安全监管规定，应保证通风系统到煤矿的最小空气速度为0.2米/秒。死区是指那些地区，在这个值之下速度模块仍表1 通风系统和它们的效率 图4.巷道模型的参数化研究：(a)正面图和（b）顶面图 图5.死区的空间分布然存在。沿着巷道通过评估死区的分布，我们可以执行对不同通风系统的质量进行首次评估。由于采矿作业是在尽头巷（Z小）的封闭端附近进行，这个区域显示了最大的污染物浓度。因此，对空气的更新应该是这个区域的主要保证。图5显示了在每一个横截面对于不同通风系统检查的死区百分比。当申请一个没有辅助管道支持的抽出式通风系统时，在风管末端和封闭端之间这个区域没有空气的流动。这同样会发生在当空气抽出在封闭端（Exh1m）1米时，尽管停滞区域较小。当一个压入的辅助管道是可以使用的（Mix1和Mix3）时，这个区域的抽出式通风显示略有改善。相反，压入式通风系统的特色是事实上没有死区从巷道的封闭面到风管末端（Blow6m）。通过辅助管道的支持取得了一个额外的改进，（Mix2）。6.空气龄和有效性然而，通风质量建立在死区决定的基础上并不是适合的。有可能是不充分通风作为区域循环的结果，即使是速度超过0.2米/秒。此外，有多个研究，其中，通风系统的研究是基于当地空气密度的分析2,6,7. 图6.当地空气密度的空间分布当地的空气密度，是通过求解偏微分方程来计算的，正如Sandberg8建立。 式中Vi是在i方向上的平均速度，v和vt是层流和湍流的运动粘度，和是层流和湍流Schmidty数，分别地。当地为零的空气密度值施加在新鲜风流进口表面。 事前，很方便的，空气相对较低的平均密度为新鲜空气，尤其在封闭端的附近。在比较通风系统，当地空气密度的平均值对于巷道的每一个横截面来说都是可以评估的。图6显示了沿着这个巷道的所有先前系统的平均密度的演变。由于当地的平均密度为边界条件，只有那些在新鲜风流进口重叠处得系统才有可比性，也就是，在它们中的Blow6m和Mix2;和在它们中的Exh1m、Exh6m和Mix1和Mix3。通过分析图6我们发现最好的抽出式通风的性能是获得在封闭端（Exh1m）1米处进行抽出空气或者在2米处得到辅助管道得支持（Mix3）。当有无辅助管道情况下空气被抽出更高的距离时，由于空气密度的增加，工作面附近的区域充满了非常污浊的空气。但是，从新鲜空气进口到排风风管的所有情况下，流量的移位都是活塞式的，也就是说等速地平行于矿山轴。但是，对于压入式通风得到了更好的结果，如果风管末端更接近于工作面。根据Roos2通风系统的整体效率可以定义为： 其中是指当地出口段的平均密度，是指在整个巷道内的当地平均密度。一个完美的位移流将揭示出一种效率值为1和一个完美的混合流有一个效率值0.52。效率的定义允许任何通风系统的比较，不管新鲜风流进口段。 表1的最后一栏显示了研究系统获得的效率值。一个重要的大量当地高平均密度指示着低效率，因为它有可能在图6和表1的Mix1和Exh6m例子中观察到。其余如前面指出的情况下，表现出了在多数巷道中完美的位移流，因此效率接近于1。根据效率标准，最优的布局将在封闭面的1米处进行抽出空气，Exh1m。获得的最糟糕的效率是在工作面Mix1区域的25m处用混合布局进行抽出空气。7.爆炸危险性煤层含有由80%至99%甲烷构成的气体混合物。气体通风不足将导致瓦斯积聚到一定的数量以至于可以从采矿设备的火花中被点燃。因此，在研究通风系统质量方面有第三种选择，除了从死区和空气的密度方面。它由分析甲烷的色散组成。本章节论述了从甲烷的恒定流量速率Qch4=0.030立方米/秒的扩散而获得的结果通过在尽头巷的封闭面的压力式和抽出式通风（Exh6m y Blow6m）。该数值模型必须解决一个非稳态求解。稳定的解决方案被认为是完成了当所发出的质量流量作为删除的相同。每个国家都有不同的甲烷浓度许可限制，例如在德国为1%，在英国为1.25%，在法国为2%或者在西班牙为2.5%10。根据西班牙的安全规程，对抽出式和压力式这两个通风系统的比较是通过可燃性危险区域的分布来确定的，图7所示。据观察，该压入式模型显示这些区域的缺少，它们靠抽出式模型没有提供任何的可能性，为了避免靠近尽头巷（Z7m）封闭面的可能性风险。 图7.爆炸危险性区域的空间分布 图8.甲烷浓度等量线Z=0.5m：a压入式Blow6m和b抽出式Exh6m。图8显示了Z=0.5m的横截面的等浓度轮廓线。浮力效应和抽出式通风的低流速场一起导致了在巷道顶端部分瓦斯的积聚，图8b所示。压入式通风系统，图8a所示允许更好的甲烷稀释，当速度在靠近排放区有着更高的速度时。8.结论在实际矿井中的尽头巷内部进行的测量已确定了一个数值模型。根据该模型分析了三种不同标准的质量通风系统：从速度的分布开始分析了死区；从当地甲烷空气密度分布开始分析了效率；和从甲烷浓度的分布分析了其爆炸的危险性。所有这些标准都已经应用于在矿山深部共同使用的不同通风系统。前两个标准提供了相当类似的结果，但最明