高空溜井卸矿冲击风速模拟研究

张 见，李义杰，肖利民

高空溜井卸矿冲击风速模拟研究

张 见1，李义杰2, 3，肖利民2, 3

(1.铜陵有色金属集团股份有限公司安庆铜矿，安徽 安庆市 246131；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；3.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012)

为有效控制高溜井冲击气流，通过理论分析得出高溜井卸矿时冲击风速大小的主要影响因素有矿石卸载量、下落深度、矿块大小、溜井断面及溜井阻力系数等。以某矿单一高溜井为研究对象，利用Fluent软件模拟了矿石下落深度对溜井冲击气流的影响，结果表明冲击风速和气压与矿石下落深度呈正相关。

高空溜井;冲击气流;数值模拟;下落高度

矿车向溜井内卸矿时，由于溜井内只有上下出口，矿石在溜井中下落的过程中会使溜井内的空气产生气流，气流会将溜井内矿石产生的粉尘冲击至各中段的支岔溜井，增加了溜井附近巷道内的粉尘浓度，极大地降低了井下空气质量[1-3]。矿体在运动过程中造成溜井内气体发生扰动，产生不稳定状冲击风速，扰动的气流进一步引起壁内粉尘运动。因此，矿体颗粒在溜井内的运动是溜井粉尘的激发源，是研究和治理溜井内粉尘的基础。

1 溜井冲击风速

当众多矿石固体颗粒在溜井内自由下落时，假定单位时间内矿石固体颗粒作为非压缩球体，且各固体颗粒之间相互发生撞击等作用，则球体产生的正面阻力由式（1）计算[4-5]。

由于矿石在竖直方向的投影面积S占溜井全断面4%~15%，令S/(S−)=，取0.04167~0.1765。

当矿石固体颗粒以加速度沿井内壁面下落至深度时，则在该点的速度可近似为(2)1/2，因矿石固体颗粒与井内空气在坐标轴上属相对运动，故可近似认为绕过矿石固体颗粒的空气其速度为u=(2)1/2。依据能量守恒定律，井内因矿体运动而产生的前部阻力h与流体所拥有的能量属于等价关系。将u代入（式1）中：

式中，为下落深度，m。

矿石固体颗粒下落深度逐渐增大，井内空气扰动越激烈，当矿石固体颗粒下落至最低点时，井内空气扰动达到最强烈时刻，在该时刻井内空气沿卸矿口冲出时，流体需冲破阻碍而造成能量损耗，最终随时间的推移和运动距离的增大而消耗殆尽。在这个过程中，流体运动以瞬态形式存在，而其造成的能量损耗为：

式中，为溜井内冲击气流速度，m/s；为溜井口局部通风阻力系数；d/d为惯性阻力，随时间变化而变化，当冲击风速达到最大时，d/d=0 。

依据空气动力学可知，井内空气因矿体颗粒运动而拥有的能量与其冲破阻碍而造成的能量损耗属于等价关系，故h=h，则：

由式（4）可知，影响高溜井卸矿时冲击风速大小的要素主要有矿石卸载量、下落深度、矿块大小、溜井断面及溜井阻力系数等。

2 溜井冲击风流模拟

为了降低溜井卸矿时产生的冲击风速及粉尘浓度，需客观深入了解溜井落矿所产生的冲击气流及气压，而流体的运动是一个非常复杂的过程，通常需要在一定的假设条件下，建立某种数学模型，使用数学表达式去描述其可能的运动规律。然而，面对求解数学表达式得到的大量数据，需要采用一种直观的方式去展示以供分析，而Fluent流体力学软件拥有科学计算可视化功能，拥有将数据信息转换成图像、图形信息的重要手段。

2.1 模型构建与假定

真实的溜井系统内壁面凹凸不平，粗糙程度随空间而不断发生变化，断面尺寸不一，加之矿石在溜井内运动时，矿石与矿石、矿石与壁面之间时常发生碰撞，导致矿石运动杂乱无章，分散程度参差不一，因此模拟真实的溜井系统具有很大的困难。

以矿山实际溜井情况为基础上，为便于研究，通过模型的简化，在注重重要问题而忽视次要问题的前提下，建立了一个合理科学的溜井系统，并采取以下简化措施。

（1）溜井壁面近似光滑，形状为垂直均匀的三维立体柱状。支岔溜井口与各中段相通，且溜井形状不随时间而变化。

（2）下落的矿石做加速度为9.81 m/s2的自由落体运动，且位于溜井井筒中心位置，不与溜井内壁接触撞击。

（3）各中段溜井出口处的巷道风速对系统的影响可忽略。

并假定：

（1）假定井内流体处于不具压缩性的理想化状态，风流黏性力不因矿石固体颗粒运动而产生做功现象；

（2）井内空气不携带热源，井内壁面不产生热交换作用，围岩不产生能量变化；

（3）井内空气黏性系数以标量处理，同时符合各向同性，空气运动为稳定状紊流，符合Boussinesq[5-6]。

2.2 溜井卸矿模拟结果及分析

本次模拟以某金属矿井下单一高溜井为研究对象，该溜井直径为4 m，深300 m，采用4 m3铲运机向溜井内卸矿，矿石最大块度直径为600 mm。该溜井与−280，−340，−400，−460，−510，−580 m中段等6个中段相通，主要中段高度为60 m。为方便模拟，将溜井系统进行了简化处理，模拟时将矿石简化为矩形体，矿石固体颗粒平均厚0.6 m，颗粒垂直长度为7 m。数值模拟计算时，矿石固体颗粒处在井内中心位置，从最上一中段−280 m以自由落体方式向下运动至最下一中段。

为便于分析，截取矿石固体颗粒在运动或接近各中段支岔溜井口时的速度平面图像和压力平面图像进行分析，典型模拟见图1。

根据图1、图2可知，伴随着矿石在溜井内下落深度的递增，矿石前部气体受挤压作用而产生高压力区，矿石后部区域由于诱导作用带动空气向前运动而形成负压区。因此在矿石前后形成了一个明显的压力梯度，梯度大小与下落深度呈正比关系。当溜井内矿石到达或接近各支岔溜井口时，其冲击气流速度和压力各不相同，其中在−340 m中段的冲击气流风速及冲击气压为最小，最下−580 m中段为最大，故可知矿石固体颗粒运动深度递增，其井内气流所获得的能量越多，气压值和冲击风速值也递增，即溜井冲击风速和风压与下落深度呈正相关。

提取溜井各支岔口速度及压力模拟数据进行直观分析，建立以中段标高为横坐标，冲击气流压力、冲击气流速度为纵坐标的曲线分析图如图3、图4所示。

图1 矿石下落到达或接近支岔溜井口时的速度云图

图2 矿石下落到达或接近中段支岔溜井口时的压力云图

图3 各卸矿口的冲击气压变化趋势

图4 各卸矿口的冲击气流速度变化趋势

根据图3、图4分析可知，矿石颗粒运动深度越深，在其接近各支岔溜井口时所造成的冲击气流和压力值均在上升。从−340～−580 m中段，矿石下落时在各个中段的支岔溜井口处所形成的冲击风速值分别为1.57，3.33，5.38，6.66，7.55 m/s，冲击气压分别为15.3，47.7，88.6，129.1，188.2 Pa，数据明显呈递增趋势。模拟数据说明，高溜井卸矿时对其下部各中段的风源质量和风速方向造成了不可忽视的影响，虽然冲击气压影响相对较小，但其所产生的冲击风速不容忽视，特别是冲击风流速度随矿石下落深度的增大而增大。溜井冲击风速和风压与矿石下落深度呈非线性关系且正相关。卸矿过程中会产生大量的粉尘，含尘气流将跟随冲击风速，从上部中段卸矿口大量涌入到下部中段运输巷道内，污染下部中段进风风源质量。

综合上述分析，溜井卸矿是溜井内粉尘产生的激发源，其产生的冲击气压和粉尘对矿井正常作业具有一定干扰。

3 结 论

（1）理论分析可知，高溜井卸矿时冲击风速大小的影响因素主要有矿石卸载量、下落深度、矿块大小、溜井断面及溜井阻力系数等。

（2）溜井冲击风速和风压与下落深度呈非线性关系且正相关。

（3）溜井卸矿是溜井内粉尘产生的激发源，控制卸矿粉尘浓度利于井下安全生产。

[1] 陈 亮,邬长福,陈祖云,等.溜井卸矿冲击气流影响因素模拟分析[J].矿业研究与开发,2016(3):83-87.

[2] 王 明.高溜井粉尘产运机理与时空分布特征及控制技术研究[D].北京:北京科技大学,2017.

[3] 洪昌寿,李向阳,胡鹏华,等.铀矿山竖井罐笼运行活塞效应研究及其应用[J].采矿技术,2014,14(1):59-62+71.

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[7] 李义杰.矿山地下巷道活塞风特性及对通风系统稳定性影响研究[D].赣州:江西理工大学,2018.

(2019-05-23)

张 见(1988—)，湖北随州人，工程师，主要从事采矿技术研究与管理，Email: 245974703@qq.com。