Эффективность изучения двухтактной системы вентиляции в шахте

Аннотация

X. Zhang, Y.  Zhang and J. C. Tien, The Efficiency Study of the Push-pull Ventilation System in Underground Mine Автономная вентиляция относится к системам, которые используются для подачи свежего воздуха в забоях и в тупиках, в том числе с использованием двухтактным устройством. Есть много преимуществ использования такой системы по сравнению с другими методами. Было показано, что для передовых забоев дольше, чем 30 м, вспомогательные вентиляторы являются единственными практически осуществимые средством доставки необходимых воздушных величин. Кроме воздушных величин, качество воздуха является еще одним важным вопросом для оценки эффективности вентиляции в подземных шахтах. Принуждающие и изнуряющие каналы, используемые в двухтактной системе тесно связаны с эффективностью вентиляции. Данная статья посвящена оценке эффективности двухтактной системы вентиляции с помощью двух методик, мертвой зоны и среднего возраста воздуха. С помощью технологии CFD, скорость воздуха и качество воздуха вычисляется и сравнивается в четырех различных случаях. Результаты оценки будут идентичны с помощью этих двух методов. Сделан вывод, что в двухтактной системе вентиляции, расположение принуждающего канала играет важную роль в эффективности вентиляции. Кроме того, когда позиция принуждающего канала определяется, должна быть задана конкретная позиция изнурительного канала, чтобы обеспечить лучшую эффективность вентиляции.

Введение

Шахтная вентиляции имеет решающее значение во всех подземных горных работах. Она обеспечивает шахтеров свежим воздухом, нужной температуры и влажности, и что более важно она удаляет загрязняющие вещества из шахты. Однако из-за увеличения сопротивления и утечки из остановок, основная система вентиляции может бать не способна вентилировать удаленные или более локальне подземные зоны, и вспомогательная вентиляция необходима, чтобы помочь главной системе вентиляции. Вспомогательную систему вентиляции обычно можно разделить на три основных типа, линии перемычки, вентиляторы и системы трубопроводов, и «внутренней секреции» воздухоочистители. Предыдущие исследования показали, что вентилятор и воздуховоды систем являются единственными целесообразными средствами из производства для требуемых расходов воздуха передових забоев с длиной более 30 м. Вентилятор-канал можно комбинировать принуждающими, изнуряющими или сочетанием системы из них. Учитывая, что вынуждающая система потенциально добавляет загрязняющие вещества в воздушный поток на рабочей поверхности, а также изнуряющая система может привести к неконтролируемой рециркуляции, более распространенным подходом является кметь двухтактную систему, как показано на рисунке 1. Сравнивая преимущества принуждающего и изнуряющего каналов, это двухтактная система вентиляции, особенно принуждающая система вытяжных перекрытий, на практике принята широко в механизированном процессе продвижения из-за следующих преимуществ.

Во-первых, вся стоимость системы (а) может быть дешевле, так как дешевле гибкий трубопровод, который может быть использован для принуждающего канала, который также легче транспортировать и позволяет обнаруживать утечки, с большей готовностью. Во-вторых, пылевой фильтр или система охлаждения может быть добавлена в вытяжной канал (а) для того, чтобы очищать воздух и держать комфортную среду для шахтеров. Наконец, в некоторых возникающих случаях, вспомогательные вентиляторы могут перестать работать, макет (а), тем не менее можно убедиться, что там все еще остается немного свежего воздуха на рабочей поверхности. Во вспомогательной двухтактной системе вентиляции где используется принуждающая система вытяжных перекрытий, свежий воздух поступает на рабочее место через принуждающий канал, проходит через рабочую зону, где происходит смешивание с загрязнителями воздуха, а затем из передовых забоев через выпускной канал после отфильтровывания пыли в очищающих устройствах в конце изнурительного канала. Многие факторы, такие как распределение загрязнителей воздуха на рабочем месте, подбор вентиляторов и воздуховодов, принуждающих и изнуряющих возможностей устройств и макета канала, все будет влиять на эффективность вентиляции.Эта статья сосредоточена только на эффекте макета воздуховодов.

Влияние двухтактной системы макета.Описание проблемы

В двухтактной системе вентиляции, поведение выдува воздушного потока через принуждающий проток в изнурительный канала зависит в большой степени от среды. Между тем, для двух двухтактных систем вентиляции на рисунке 1, рециркуляция или зона с низкой скоростью могут существовать в зависимости от компоновки воздуховодов, как показано на рисунке 2. Lf и Lе представляют расстояния между рабочей поверхностью и принуждающим выходным каналом и изнурительным впускного канала, соответственно. Таким образом, чтобы избежать местной рециркуляции, положение принуждающего канала и выпускного канала должны быть тщательно определены. Эффективный диапазон, который определяется как расстояние между выпускным каналом и местом, где скорость понижается до требуемой величины путем регулирования, имеет решающее значение в размещении вентиляционного канала. Чтобы соответствовать минимальным требованиям воздушного потока на рабочей поверхности, расстояние между входом воздуховода, или на выходом, и рабочей поверхности должна быть не менее эффективного диапазона.

Для форсирования канала, эффективная дальность полу-ограничивается струи может быть определены по формуле ниже:

Где: – является безразмерная эффективная дальность;

– является эффективная дальность, м;

– является коэффициент турбулентной;

– является средняя скорость обратного тока, в м/с;

– является скорость струи в розетку, в м/с;

– является площадь поперечного сечения дорожного полотна, в м2;

– является диаметр воздуховода, в м.

Нет сравнимого уравнения доступного для определения эффективного диапазона для изнуряющего канала в замкнутом пространстве, потому что ситуации сложнее. Ни теоретических, ни экспериментальных уравнений не было успешно использовано для определения эффективного диапазона. Единственный подход был бы с помощью компьютерного моделирования с использованием такого пакет как FLUENT для оптимизации изнуряющего расположения воздуховодов.

Геометрическая модель

Учитывая прямоугольный вход с 2,5 м в высоту и 3,5 м в ширину, используя вспомогательную двухтактную систему вентиляции с 0,6 м в диаметре принуждающего канала и 0,45 м в диаметре изнурительного канала. Обе протоки повесил параллельно каждого ребра на половине высоты между крышей и полом. Изнуряющий канал 30м в длину.Геометрия модели построена, как показано на рисунке 3. Чтобы избежать влияния на дальнем конце области потока, длина модели L установлена на 100 м. Lo представил области перекрытия.

Численное моделирование

Стандартная модель используется для расчета турбулентного распределения потока. Возраст воздуха, который определяется временем, так как газообразные элементы входят в область через впускное отверстие, вводится как важный показатель оценки в ограниченном пространстве среды. Поскольку уравнение для расчета возраста воздуха не доступны в свободной модели, то уравнение включено в симуляции CFD с помощью определяемых пользователем функций (UDF), которые разрабатываются в отдельный код, основанный на платформе FLUENT а затем компилируются в исполняемые функции в решающее устройство. Уравнение энергии не считается, потому что передача тепла игнорируется в этой симуляции. Плотность воздуха также предполагается постоянной. Уравнение переноса воздуха возраста имеет тот же вид стандартной модели, показанной ниже:

Где и плотность и скорость воздуха, соответственно.

Граничные условия

Свежий воздух подается на вход в форсированный канал со средней скоростью 12 м/с (или количеством воздуха 3,4 м 3/с), поставляемой к забою с температурой 300К (27°C). Затем загрязненный воздух поступает в изнуряющий канал со скоростью 12 м/с и поставляется из принуждающего канала. Давление на выходе дыхательных путей устанавливается равным атмосферному. Граничное условие для уравнения возрастания воздуха устанавливается в ноль на принуждающем входе воздуховода. Скорость скольжения не присутствует вдоль стен и протоков, что означает скорость потока устанавливаются в ноль.

Для упрощения моделирования, расстояние Lf (рис.3) между принуждающим выходным каналом и лицами постоянно на расстоянии 10 м на основе эффективных уравнений дальности (1) и (2). Четыре разных случая, в которых расстояние Le между изнурительным входной канал и лицами колеблется от 2 м до 5 м, 8 м и 12 м, предназначены и рассчитаны для сравнения. Результаты моделирования приведены и обсуждаются ниже. Эффект протоков макета на мертвой зоне Чтобы гарантировать здоровую и комфортную среду во время работы, по правилам добычи всегда установлена минимальная скорость движения воздуха на рабочем месте; скорости воздуха в области лица разные, но немного разнообразны. В данной работе, минимальное значение скорости устанавливается на 0,3 м / с. Это значение используется для оценки эффективности вентиляции с помощью метода мертвой зоны. Мертвые зоны определяются на тех регионах, где скорость находится под минимальным значением. Так как горнодобывающие операции выполняются в непосредственной близости от рабочего места, этот регион показывает большую концентрацию загрязняющих веществ. Таким образом, чтобы убедиться, что среда подходит для шахтеров, обновление воздуха должно быть обеспечено на этой области. По оценке формы и распределения мертвых зон »в этой области, можно оценить качество воздуха системы вентиляции.

На рисунке 4 показаны доли мертвых зон по кат-плоскости (нормальные для X-направления в модели), которые параллельны рабочей поверхности. При моделировании, расстояния между принуждающим выпускным каналом и рабочей поверхностью постоянны (т.е. Lf = 15 м). В то время как расстояние между выпускным каналом выпуска и рабочей поверхности является переменной (т.е. Le = 2, 5, 8, 12 м). Процент мертвой зоны определяется как площадь мертвой зоны, деленный на площадь всей секции. Во всех четырех случаях, процентное значение по той же схеме. В районе, недалеко от забоя, проценты не ниже, чем 10% до примерно 14 м от лица, затем внезапное увеличение на вершину, прежде чем он начинает падать. Это резкое увеличение площади низкой скорости является результатом области рециркуляции, образованной в области между плоскостью 14 м и 21 м. Процент мертвой зоны увеличивающийся с 10% до 60% означает резкое снижение эффективности вентиляции. Близкое изучение данных показывает, что область рециркуляции формируется в области перекрытия. Диапазон области определяется расположением воздуховода. Принуждающий выпускной канал определяет, где начинается рециркуляции, в то время как изнуряющий входной канал определяет, где заканчивается рециркуляции. Зона рециркуляции в областях перекрытия имеет худшую вентиляцию во всей области моделирования.

Влияние компоновки воздуховодов на воздушный возраст

Иногда скорость вентиляции сама по себе не расскажет всю историю, поскольку скорость воздуха может быть больше требуемого значения из-за рециркуляции, качество воздуха может не соответствовать установленным требованиям. Использование «возраста воздуха» может быть целесообразным и дополнить оценку системы. Много исследований по изучению местного среднего возраста воздухе было сделано ранее. Правящее уравнение возраста воздуха следует из характеристик уравнений переноса. На отверстиях для впуска воздуха возраст начинается с нуля, которое используется в качестве эталона или отправной точки. Затем увеличивается вдоль линий тока. Если есть рециркуляции или зона с очень низкой скоростью в потоке воздуха, то возраст воздуха будет выше в этом регионе по сравнению с районами вне зоны рециркуляции. На рисунке 5 показаны средние возраста воздуха на различных сечениях, в записи с горизонтальной осью, начиная с забоя. Вообще, по мере увеличения расстояния от забоя, воздушный возраст имеет тенденции к увеличению. Воздушный возраст неуклонно увеличивается с самого начала и быстрее на расстоянии 10 м, начиная выравниваться после достижения своего пика. Результаты показывают, что область рециркуляции формируется в области перекрытия в его диапазоне, определенном относительно положения обоих принуждающих и изнуряющих протоков. Принуждающий выпускной канал определяет, где начинается рециркуляции, в то время как изнуряющий входной канал определяет, где заканчивается рециркуляции. Кроме того, регион рециркуляции в области перекрытия имеет худший вентиляцию, где скорость воздуха низкая, а загрязненный воздух будет оставаться в этом регионе в течение длительного времен

Среди этих четырех случаев, случай возраста воздуха 5 м является кратчайшим на каждом поперечном сечении. Между плоскостями 10м и 34 м, возраст воздух в этой области возрастает от 105 с до своего локального максимального значения 166 с. Сразу после своего пика, она уменьшается, а затем продолжает идти вверх в поперечном сечении на 52 метров. В данной модели, 5 м корпус обеспечивает лучшую эффективность вентиляции, а затем 2 м, 8 м, и 12 метров.

Выводы

Численные модели используются для анализа эффективности вентиляции при четырех различных случаях. Система вентиляции оценивается с помощью двух различных критериев: анализа мертвых зон, основанных на распределении скоростей, и распределении локальных средних возрастов воздуха. Оба подхода дают сходные результаты. Для длинного тупика, используя двухтактную систему вентиляции, регион рециркуляции может быть сформирована в области перекрытия, и образованы плохие условия вентиляции. В районе, недалеко от забоя, только принуждающая система может определить, где начинается область рециркуляции. Компоновка изнуряющей системы имеет большое влияние на то где область рециркуляции заканчивается

Другой вывод заключается в том, что есть конкретное расстояние между изнуряющим впускным каналом и рабочей поверхностью, которое может обеспечить лучшую эффективность вентиляции. В данной работе, для четырех различных случаях, 2 м, 5 м, 8 м и 12 м, к.п.д. вентиляции почти такие же, как и при рассмотрении вопроса о скорости.Тем не менее, 5 м корпус обеспечивает лучшую эффективность вентиляции, рассматривая качество воздуха.

Список использованной литературы

1. Anon, 1999. Queensland Coal Mining Safety and Health Act 1999, 251p.
2. Bai, K S, 2005. Pump Fan and Fluid Mechanics, 274p. China Machine Press: Beijing, China. Bartak, M, Cermak, M, Clarke, J A, Denev, J, Drkal, F, Lain, M D, Mardonald, I A, Majer, M, and Stankov, P, 2001. Experimental and numerical study of local mean age of air, 7th International IBPAS Conference, pp 773-779 (Rio de Janerio, Brazil).
3. Karimipanah, T, and Awbi, H B, 2002. Theoretical and experimental investigation of impinging jet ventilation and comparison with wall displacement ventilation, Building and Environment, 37(12), pp 1329-1342.
4. McPherson, M J, 1992. Subsurface Ventilation and Environmental Engineering, 905p. Chapman and Hall: London.
5.Niu, B L, Qiu, H J, and Chen, Y X, 2006. Experimental study of dust removal technology with combined ventilation in heading face in gushuyuan mine, Mining Safety and Environmental Protection, 33(6), pp 44-46 (in Chinese).
6. Parra, M T, Villafruela, J M, Castro, F, and Me’ndez, C, 2006. Numerical and experimental analysis of different ventilation systems in deep mines, Building and Environment, 41, pp 87-93.
7. Wang, D M, 2008. Mine Ventilation and Safety, 355p. China University of Mining and Technology Press: Xuzhou, China.