掘进工作面混合式通风风流场数值模拟

掘进巷道混合式通风是一种特殊形式的巷道通风方式,研究其风速与瓦斯场分布的特征对于认识掘进工作面风流与瓦斯流动规律,搞好通风瓦斯技术管理工作,具有重要的意义。详细阐述了抽压混合式通风风流场结构,分3个切面绘制了长压短抽通风矢量图,建立模型进行Fluent数值模拟,并分析了压入式风筒回转中心附近风速结构与分布及抽出式风筒轴心线风速变化曲线。     

压入式掘进巷道风流粉尘运移规律及最佳压风量研究

掌握巷道内风流场局部特征和粉尘运移规律是解决巷道粉尘严重污染问题的理论前提。本文运用数值模拟与现场实测相结合的方法,利用FLUENT数值模拟软件对掘进巷道单压入式通风条件下的风流流场分布及粉尘运移规律进行了研究,并通过改变压风量得到了通风控尘效果最佳压风量;最后,通过现场实测验证了模拟结果的准确性。结果表明：掘进巷道在单压入式通风条件下,风流场可分为射流区、涡流区、回流区3个区域,其中风流速度变化在流场中主要呈现为射流区风速衰减较快,涡流区风速较小,回流区风速衰减较慢;粉尘运移过程中受风流影响较大,回流侧的粉尘质量浓度高于风筒侧,质量浓度超过350 mg/m³的粉尘主要集中在掘进机前方、涡流区域及回流侧;提高风筒压风量在一定程度上可以提高通风控尘的效果,但压风量过大会造成巷道内二次扬尘,当压风量为1 400 m³/min时,控尘效果最佳。     

某金属矿山掘进巷道局部降温模拟

针对某金属矿山井下深部独头作业面高温热害问题,以巷道实际的开拓设计建立几何模型,利用FLUENT软件模拟巷道内的温度场变化。模拟巷道采用压入式降温通风系统,通过改变模型中风筒送风风速和温度,探究通风降温参数与巷道温度的相互关系。并在现场进行试验,验证通风降温机组实际运行的效果。结果表明:送风距离一定时,如果风筒送风风速越高,则掘进巷道内环境温度越低,降温效果就越好;若采深较大且存在热涌水等放热量较大的局部热源,送风距离的增大会使风筒送入的冷风温度快速攀升;风筒选用可伸缩性材料,送风距离可调控,有利于在更低的经济成本下改善掘进面热环境。模拟和现场检测具有较好的一致性。     

压入式局部通风掘进巷道内热环境数值模拟研究

采用三维k-ε紊流模型,利用Fluent软件模拟了2种风筒送风方式下,压入式局部通风掘进工作面风流与巷道围岩的热交换过程,得到了掘进巷道内速度场、温度场以及人体热舒适指标(PMV～PPD)分布图.计算结果表明,边长为0.7m的风筒、风速6m/s和空气温度20℃的送风方式,较其它送风方式能为矿工提供更好的热舒适工作环境;在掘进巷道同一截面不同高度的温差小于3℃;在掘进巷道内人体活动区域预测平均投票数平均值低于0.5,预测不满意百分数平均值小于20%,靠近掘进巷道侧风速较大,人体有吹风感.在满足人体热舒适的条件下,采用较大直径送风筒和相对较低的送风速度的送风方式有利于气流组织对有害物质的稀释和排出.     

抽出式通风风流运动及粉尘运移规律数值模拟研究

为直观地了解抽出式通风风流运动规律,建立物理模型,设置边界条件对抽出式通风条件下巷道风流运动及粉尘运移规律进行了数值模拟,分别研究了X,Y,Z方向的速度、压力分布规律和不同粒径粉尘运移轨迹,结果表明:巷道内风速0.54m/s,较为稳定,风筒内风速较大,为23m/s左右,这与实际情况非常吻合,在截面X=5.2m处巷道内的风流方向朝向掘进头,风筒内的风流方向则由风筒入口朝向出口。巷道内的风速在整个模拟区段内几乎保持恒定,没有较大变化,而风筒内的风速则变化较大,在入口处最大,达40m/s,之后逐渐减小,然后稳定在23m/s左右。整个巷道均为正压,风筒内是负压,在这两股压力的共同作用下形成稳定的通风风流,风筒入口处负压最大,而后负压逐渐减小,但很快就维持在比较稳定的状态。抽出式通风时粉尘扩散较少,掘进面产生的粉尘全部都被吸入负压风筒,抽出式通风时更有利于控制巷道中特别是司机位的粉尘含量,保护司机等掘进机周围工人的身体健康。     

大断面模拟掘进巷道通风除尘系统数值分析

为研究大断面掘进巷道的通风除尘特点,在某大断面模拟巷道对压入式、抽出式及长压短抽式通风系统进行了实验,测量测点的沿程速度,进而分析大断面掘进巷道在不同通风方式下的风流场特征。用Fluent对各实验模型进行了仿真分析,结果表明实验和仿真结果的趋势一致;且由于掘进面太大,抽出式通风在一般抽风量下难以保证掘进面附近风速高于安全风速范围;而长压短抽式通风系统相对压入式通风系统巷道内涡流区小,除尘效率高;因此针对大断面掘进巷道,长压短抽通风系统被优先推荐使用。在此基础上对原长压短抽通风系统进行了数值优化,发现针对该大断面掘进巷道当压抽比为1.2左右、抽风筒高度为2 m左右、压风筒高度为4 m左右时除尘效果最佳。     

基于Fluent的独头巷道通风降温的数值模拟研究

基于独头巷道的特点和有限空间的受限贴附射流理论,建立了独头巷道压入式受限贴附射流通风降温的数学模型。采用Fluent软件对入风流在巷道内速度场的分布及在不同风速下巷道内的温度场的分布进行数值模拟。结果表明在风速为5m/s,送风温度为25 ℃时,较好的改善了巷道内的热环境。     

基于Fluent的独头巷道通风降温的数值模拟研究

基于独头巷道的特点和有限空间的受限贴附射流理论,建立了独头巷道压入式受限贴附射流通风降温的数学模型。采用Fluent软件对入风流在巷道内速度场的分布及在不同风速下巷道内的温度场的分布进行数值模拟。结果表明在风速为5m/s,送风温度为25℃时,较好的改善了巷道内的热环境。     

某矿采掘工作面通风降温措施及数值模拟研究

为定量分析高温矿井入风风量、风温对采掘工作面、采掘巷道内部的降温效果,针对某矿山新区井下采场和掘进作业面环境温度高的实际情况,依据巷道风流流动特性、热力学、流体力学等基础理论,应用Gambit软件建立采、掘作业面的气固两相流的热力学模型,并应用Fluent和Tecplot软件对不同通风降温方案进行数值模拟分析,结果表明:两个专用进风天井偏采场中央布置时通风降温效果更好,风温分布更均匀;提高入风口风速,能够有效降低采场温度;当采场截面风速为0.25m/s时,采场通风进口风温保持在22℃,采场风流温度恰好可降至28℃。     

基于综掘工作面除尘的压入式通风参数优化

为研究压入式通风系统下粉尘的分布规律,合理优化压入式通风系统以求达到更好的除尘效果。以某煤矿综掘工作面实际数据为参照建立压入式通风巷道的几何模型,并用ANSYS软件对其风流场以及风流场中煤尘分布规律进行模拟。通过对比模拟压入式风筒位于不同高度时巷道内粉尘的分布情况选择除尘效果最好的风筒位置。模拟结果显示:在压入式通风通风流场中煤尘浓度分布由高到低依次为涡流区、回流区、贴壁射流区。对该系统当压入式风筒位置位于距底板2.3 m时(整个巷道高度的2/3处)压入式通风除尘效果最好。     

综掘巷道大风量双压风筒下长压短抽除尘效果的模拟研究

煤矿井下大风量双压风筒综掘巷道具有产尘强度大、粉尘分散度高、巷道风速大等特点,严重威胁作业人员身心健康和矿井安全生产。为降低大风量综掘巷道粉尘浓度,基于CFD数值模拟软件建立了双压风筒综掘巷道物理结构,采用DPM模型,重点研究了单抽双压式通风下抽风筒入风口与巷道迎头之间的距离对掘进工作面粉尘运移规律的影响,分析了大风量双压风筒下长压短抽通风方式对司机位置作业环境的影响。结果表明：保持双压风筒出口距巷道迎头为4、5 m,压入风量为1 200 m³/min条件下,当抽风筒入口与巷道迎头之间的距离为8 m时,司机位置粉尘浓度为30～90 mg/m³,作业环境最佳。     

综掘工作面风筒最优布置数值模拟研究

针对掘进面生产期间风筒位置布置不合理造成粉尘浓度较高,利用数值模拟方法,研究抽出式、压入式、长压短抽式等通风方式中,掘进面风流和粉尘随风筒到掘进面距离的改变而变化规律,数值模拟结果表明：采用长压短抽式通风的掘进面,抽出式风筒口到掘进面的距离■,压入式风筒口到掘进面的距离L_y为■或■,最理想的距离■,■。模拟结果可为优化掘进面风筒布置、提高掘进面通风除尘提供一定的科学依据。     

基于FLUENT的掘进作业面通风降温数值模拟研究

掘进作业面是矿山开采的主要工作面之一,研究高温矿井掘进作业面通风降温,可为井下深部开采通风系统的设计提出理论依据。根据空气动力学、流体力学和传热学等理论,利用FLUENT软件,在不同送风风速下对巷道内的温度场的分布进行数值模拟研究。结果表明,送风风速是影响巷道内温度场分布的重要因素之一,巷道围岩温度为35℃,在入口风温为20℃,风速为6 m/s,模拟得到掘进迎头处的温度在26℃左右,在距离掘进2 m的区域内的温度都在28℃以下,基本满足安全规程要求,当风速增加到10 m/s时,可更有效的带走迎头岩壁的热量,通风降温效果越好。     

建井期间平巷冷风输送系统的冷损失

建井期间平巷掘进工作面局部降温系统多采用非保温风筒长距离输送冷风的方法,输送距离可达600 m。由于距离长输送过程中的冷量损失占总制冷量的比重较大,是影响降温系统投资、设计、运行管理的关键因素。为解决该项冷量损失的计算问题,针对建井期间水平巷道的掘进与通风系统尚未贯通的特点,基于风筒内、外风流及风流与围岩间热能的输运与守恒关系,构建了风筒内、外风流温度场的微分方程组;并将巷道内随通风时长变化的不稳定换热系数解析为沿巷道长度变化的空间分布函数,通过数值计算得到了风筒内外温度场的分布及输送过程中的冷量损失。进一步结合工程案例现场实测的结果,分析了降温系统送风风筒入口风温、通风时间与送风距离、送风量等主要设计参数对风筒、内外风流温度场及输送冷量损失的影响。并通过理论计算对比了该案例在通风时长为0,30,90,120,150 d,送风量为300,330,360 m~3/min,送风入口风温为16,18,20℃时系统的运行特征,结果表明围岩与风流的不稳定换热系数随通风时长增加而减小,并在通风90 d左右后基本达到稳定;受不稳定换热系数变化的影响,风筒内风流的温度沿风流方向增加较为明显;风筒外的风流温度变化随通风时间的增长逐渐变得平缓;系统的冷量损失约为制冷量的5%～9%;送风温度每降低2℃,冷量损失平均增大约5%;冷量损失大小与送风距离呈线性正比关系;通风风量每增大10%,冷量损失减小约4.5%。     

高温掘进巷道温度场影响因素分析研究

针对高温掘进巷道,通过数值模拟方法研究其温度场分布。建立数学模型,设定巷道壁面温度沿长度方向变化,得出降温前后巷道温度分布变化云图,与井下实测温度值进行比对。具体分析了风流温度、风量以及风筒位置对巷道温度场的影响。结果表明,降低巷道入风温度,巷道内温度明显降低,但会造成冷量分布不均,扩大巷道内部风流温差;增大风量可以扩大巷道内低温区域,但对巷道内温度的降低作用不大;调节风筒离工作面距离可以改善巷道内温度分布,降低巷道内风流温差。     

风流影响下的综掘工作面温度湿度场特性数值模拟

基于计算流体动力学(CFD)和矿井通风理论,以田陈煤矿7309综掘工作面为研究对象,建立了单一压入式通风系统条件下的综掘工作面几何模型。采用FLUENT软件对不同供风速度下综掘工作面三维空间内风流场、温度场及湿度场的分布特性及变化规律进行数值模拟。模拟结果表明:增加供风量对降低巷道温度有一定的作用,但对巷道内的湿度影响较小,当压风筒出口风速为16 m/s、风量为480 m3/min时,综掘巷道内的温度低于26℃,综掘机附近工作区域相对湿度保持在40%~57%之间,此时的供风参数满足煤矿安全规程要求。     

掘进巷道不同高宽比对风流传热影响的研究

掘进巷道在地下矿山开采过程中尤为常见,由于掘进过程中无法及时形成完整的通风网络,致使掘进巷道及工作面热害较为严重。尽管矿山掘进面热害治理的研究很多,但有关不同高宽比的掘进巷道与通风降温关系的研究较少。在通风条件相同下,运用Fluent数值软件模拟分析,通过改变掘进巷道的高宽比来研究其温度场分布的不同。结果表明,在温度为35℃的高温掘进面巷道中,采用压入式通风方式,入口风温为22℃可满足通风降温的要求;在相同送风量情况下,掘进面巷道的高宽比越大,通风降温效果越好,但同一断面上纵向温差也越大;通过改进掘进巷道高宽比可实现通风降温最优化,从而为巷道设计者提供了新的理论依据。     

掘进工作面不同通风方式的粉尘运移规律研究

为了解决掘进工作面粉尘污染严重的问题,运用COMSOL软件对某矿1019掘进工作面进行了几何模型构建,并基于k-ε湍流模型和流体流动颗粒跟踪模型,计算了在压入式和长压短抽通风方式下的速度切面、风流流线分布以及粉尘粒子的运移轨迹,分析了两种通风方式对粉尘粒子运移的影响,并研究了掘进工作面在两种通风方式下的粉尘运移规律。结果表明:压入式通风方式下,由压风筒将新鲜空气压入巷道内,迫使掘进工作面的粉尘随风流排出巷道,导致掘进机前方区域风流曲线非常密集形成多处涡流导致粉尘粒子在涡流处聚集,同时部分粉尘粒子沉淀在巷道底部,还有部分粉尘粒子沿右侧巷道壁面向后方移动,其控尘效果较差;长压短抽通风方式下,两风筒前方区域速度较大,且压风筒和抽风筒之间风流流线密集;压风筒吹出气流裹挟粉尘粒子移动,同时利用抽风筒的抽吸作用将粉尘粒子吸入排出巷道,与压入式通风方式相比长压短抽的降尘效果更好。     

掘进巷道风流流场和温度场数值模拟

针对长距离掘进巷道仿真模型中长度与高度、宽度比例不协调的问题,选取永川煤矿掘进工作面及附近50 m巷道区域为研究对象,采用CFD软件对巷道风流流场及降温前后温度场的分布及变化进行了模拟分析,结果表明:掘进工作面及巷道内风流速度整体上以风筒出口为界分为高速风流区和低速风流区。高速区风流速度较大(5~10 m/s),流场结构复杂并且衰减明显;低速区风流速度较小(1 m/s左右),衰减变化不明显。掘进巷道及工作面温度受风筒出口风流温度影响较大,容易产生巷道里端冷、外端热的风流"回头热"现象。掘进工作面及巷道流场模拟结果与实际吻合程度较高,但温度场模拟结果与实际有一定的差距。     

布风器在掘进工作面通风除尘中的应用模拟

为了从控制风流的角度协同解决掘进面通风除尘难题,设计使用布风器将传统的压入式风筒轴向直吹机掘工作面的送风方式改为沿巷道壁的径向风流。使用数值模拟对比分析了有无布风器条件下掘进面的通风除尘效果,通过试验研究了布风器不同出口断面积、安装角度时的通风除尘特性,结果表明:基于布风器通风时,巷道中的风流呈现出明显的旋转,大部分风速与主体风速相同,离掘进面越远粉尘浓度越低,大部分粉尘都被隔绝在了抽尘风筒的入口处附近,只有少量粉尘逸散出来,巷道内粉尘浓度较低,工作环境较好。距掘进头2 m以内时,使用布风器的通风方式时巷道中呼吸带的粉尘浓度高于不加布风器,但之后降低,而且在距离5 m左右时下降尤为明显,由900 mg/m3下降为540 mg/m3,距离掘进头23 m以后,粉尘浓度降为100 mg/m3以下。布风器安装角度为30°,出口断面积介于0.5~0.6 m2时,风量稳定风阻较小,有利于除尘和排除瓦斯,使矿井通风除尘达到较佳效果。