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一种新型地下矿井间歇通风系统的仿真
Jundika C. Kurnia a,b，Agus P. Sasmitoa,c,*，Arun S. Mujumdara,d
a 矿物金属与材料技术中心，新加坡国立大学工程驱动1号，新加坡117576，新加坡
b 阿拉伯联合酋长国阿布扎比马斯达尔市马斯达尔科学和技术研究所机械工程 邮政信箱54224
c 加拿大麦吉尔大学矿业与材料工程系3450 魁北克省蒙特利尔大学街弗兰克道森亚当斯大厦15房间H3A2A7，加拿大
d 加拿大魁北克省Sainte-Anne-de-Belleveu湖岸路111号麦吉尔大学生物资源工程系H9X3V9，加拿大
* 通讯作者：加拿大麦克吉尔大学矿业与材料工程系3450 大学街弗兰克道森亚当斯大厦，加拿大H3A2A7，蒙特利尔115室。 电话： 1 514 398 3788; 传真： 1 514 398 7099。
电子邮件地址：kurnia.jc@gmail.com（JC Kurnia），agus.sasmito@mcgill.ca（AP Sasmito）。
文章信息
文章历史：
2012年10月16日收到 2014年1月28日以修订形式收到 2014年3月7日接受 2014年4月1日在线提供
摘要
随着许多国家能源成本的增加和碳税的实施，经济高效的矿井通风系统已经成为地下矿山运营中非常理想的选择。 在这项研究中，提出了一种新型的间歇式气压通风系统，并通过模拟进行评估，目的是降低能源成本，同时将采矿工作面的甲烷水平保持在允许水平以下。 进行参数研究以调查各种因素对这种新型间歇通风系统的有效性和性能的影响，特别是间歇期，空气流速和多个出口喷嘴以及用于空气流动的间歇式开关阀门的应用控制。 通过所提出的方案，显示出有意义的节能和空气处理要求是可能的。
关键词:节能 间歇式 甲烷控制 矿井通风 安全
1 简介
在地下采矿作业期间（尤其是地下煤矿），大量甲烷释放到面部区域。 几十年来，这种危险的温室气体被认为是全球地下矿山灾害的主要原因之一。 已经报道了几起与死亡地下煤矿中存在甲烷有关的重大事故和事故（Torano等，2009）。 为消除此类事故和意外，就必须有良好的通风系统。 根据美国的规定，甲烷浓度应该保持在3％V/V以下，而在其他国家，甲烷浓度要求更低：德国1％，英国1.25％，法国2％，西班牙2.5％(Noack，1998）。 预计这些要求将来会越来越严格。
现在安装在地下煤矿的大多数通风系统会供应过量的新鲜空气，以确保当地法规要求的甲烷浓度安全。 雷迪（2009）的一项研究透露，高达60％的矿山运营成本是由矿山通风成本造成的，突出了为了将新鲜空气带到地下矿井的不同位置而大量的电力消耗的能量。 随着许多国家能源成本的增加和碳税的实施，矿山通风系统能确保地下矿山的安全和生产环境，同时保持最低的能源使用和运行成本，已经成为采矿业的迫切需要。 因此，按需通气的概念受到了相当大的关注（Tuck等人，2006; Allen和Keen，2008年; 奥康纳2008）。 这个概念背后的想法很简单：仅在需要时才向某个位置提供足够的新鲜空气。 然而，该系统在地下矿井中的应用将需要复杂的控制系统和先进的监测装置和传感器。
随着实验设计和研究的进行，数值模拟已经在地下矿井矿井通风系统设计和检测中发挥了重要作用。 建模允许以非常低的成本进行创新。 在第一批进行计算流体动力学（CFD）建模的研究人员中，Heerden和Sullivan（1993）分别研究地下矿井的通风量，甲烷排放量和扬尘量。 他们检查了活跃矿区连续采煤机周围的通风气流模式及其对甲烷和尘埃分布的影响。 接下来的研究是由Srinivasa等人（1993）进行的。 通过利用商业上可用的CFD工具，他们调查了长壁工作面上的流动和尘埃运动。 Uchino 和Inoue（1997）通过使用来自全尺度航向和比例模型的实验数据首先验证了地下矿井通风的CFD模型。Tomata等人(1999)对该模型进行了扩展研究. Nakayama 等人（1999）通过利用CFD软件LA-SAR95 / 98调查采煤工作面瓦斯分布，开展了类似的研究。 他们的模型预测与实验测量的对应物达到了较好的一致性。Wala等人(2003, 2007) 为长壁开采以及房柱短壁开采开发了CFD模型，并使用从实验室规模设置获得的实验数据验证了他们的模型。 他们扩展他们的研究包括洗涤器运作在工作面通风的影响 (Wala等人,2008)。
Canoo（2004）利用欧拉两相流模型去预测复杂矿井的尘埃运动。 另一个计算研究是通过Parra等（2006）进行。 在验证了他们的模型之后，他们调查了一个死巷中的两个额外通风系统情况：吹气和排气。Hargreaves 和Lowndes（2007年）通过数值研究了连续采矿机的掘进对地下采矿工作面流动特性的影响。Zheng 和 Tien（2008）对采矿工作面的柴油颗粒物分散进行了CFD模拟，并考察了吹灰和排气通风系统在降低采矿工作面DPM浓度方面的性能。Torano等人（2009年，2011年）进行了数值研究，以评估采矿区的甲烷和粉尘行为，并用从西班牙的一个地下矿山获得的实验数据进行验证。 最近，Sasmito等（2013）报道了一项数值研究，检查了各种辅助通风设备，以提供更好的结果同时保持低能耗。
在本研究中，提出了一种新颖的、新颖的间歇式气流通风系统，并通过模拟的方法对其进行了仿真，以降低能源成本，同时在允许的水平下保持采煤工作面的甲烷水平。一种计算流体动力学(CFD)方法，被利用于研究间歇式流动通风系统在矿井隧道内的流动行为和甲烷扩散规律。在我们的物理模型中，甲烷从10个来源（10times;10cm2）中均匀地释放出来，其中矿物流速为0.05m3s-1。通过参数化研究，探讨影响该新型间歇式通风系统效能和性能的各种因素的影响: 间歇性周期，空气速度，以及使用间歇性开关阀进行气流控制的多处喷嘴的应用。值得注意的是，目前的采矿法规只涉及稳定的行情。 因此，如果拟采用的方案得以实施，则可能需要对当地采矿法规进行修改。
2 数学公式
针对典型的矿井隧道，开发了一种三维地下煤矿模型，这是目前最简单和最常用的地下煤矿（请参考图1）。 矿井隧道长36米，宽3.6米，高2.9米。 直径0.6米的通风管道悬挂在距离道路1.9米高的地方，距隧道墙0.6米。 它与采矿面的距离为6米。
图1 地下矿井隧道与通风管道
2.1控制方程
在隧道流量中，同时出现质量，动量，能量和物种运输。 甲烷从采矿工作面的特定离散源中释放出来，并由通风气流分散。 质量，动量和物种的守恒方程可以表示为
（1）
（2）
（3）
（4）
其中rho;是流体密度，U是流体速度，p是压力，tau;是粘性应力张量，g是重力加速度，cp是流体的特定热量，keff是有效流体热量，T是温度，是物种i (O 2, CH 4)的质量分数。是物种i的有效扩散系数，mu;t是湍流粘度，Sct为紊流施密特数，Prt为紊流普朗特数。
2.2本构关系
流体的粘性应力张量可以表示为
， （5）
其中mu;是流体的动力粘度，rho;是流体密度，I是一阶或二阶单位张量，k是湍流动能。
在隧道中，由氧、水汽和甲烷组成的三元混合物(x i)被解决。该物种之间的相互作用是在不可压缩的理想气体定律的混合密度下得到的
(6)
其中R是通用气体常数，M是指由下式给出的混合物摩尔质量:
（7）
这里，M是物种i的摩尔质量。 氮的质量分数计算如下
（8）
摩尔分数xi与质量分数有关，由下式给出
（9）
流体混合物的粘度由下式计算
（10）
其中x i，j是物种i和j的摩尔分数
（11）
与法规/法律中常用的浓缩单元一致，本文中的甲烷浓度以％v / v表示。 另外，风扇功率计算为
（12）
其中是入口处的压力升高，是风扇的体积流量。 应该指出的是，实际的风扇功率会因风扇效率而有所不同。
2.3湍流模型
湍流模型是表示地下环境中流动行为的关键部分（Versteeg和Malalasekera，1995）。在选择适当的湍流模型时，将来自各种湍流模型（即Spalart-Allmaras，k-ε，k-omega和RSM）的流动行为与Parra等人（2006）的实验数据进行比较（参见表1 ）进行。为了简洁起见，湍流模型验证的细节可以在我们以前的工作中看到（Kurnia等，2014a和Kurnia等，2014b）。在此，工程领域中应用最广泛的模型是k-ε模型，因为它可以用R2在CFD模型和实验数据0.96之间给出合理的良好预测;此外，目前研究的兴趣并不在于具体位置的流动细节，而是为了设计目的在采矿隧道中的整体流动行为。简而言之，k-ε模型考虑了求解湍动能k和它的耗散速率ε的二方程模型，它与湍流粘度相结合。该模型给出为（Wilcox，1993）
（13）
（14）
在上面的方程式中，代表由于平均速度梯度产生的湍流动能，c1和c2是常数，和分别是k和ε的湍流普朗特数，而是由下式给定的湍流粘度
（15）
、、、和的值分别为1.44、1.92、0.09、1和1.3。
表1 用实验数据验证各种湍流模型的数值结果
|
测量点(见Parraet等人2006) |
采矿工作面距离(m) |
Spalart-Allmaras湍流（错误%） |
标准k-epsilon（错误 %） |
标准k-omeg（错误，%） |
雷诺压力模型（RSM） （错误，%） |
|
1 |
4 |
43 |
33 |
63 |
37 |
|
1 |
12 |
51 |
48 |
90 |
13 |
|
1 |
18 |
51 |
51 |
81 |
13 |
|
2 |
4 |
36 |
44 |
56 |
5 |
|
2 |
12 |
28 |
31 |
60 |
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