人工通风对深凹露天矿风流场的影响：不同自然风速条件下的研究

本研究旨在探究不同自然风速条件下人工通风对深凹露天矿风流场的影响。通过采用数值模拟和实地观测相结合的方法，研究人员将分析不同风速条件下深凹露天矿的风流场特性，以及人工通风对其影响。研究结果将有助于深入理解自然风对矿山风场的影响，为人工通风系统的设计和改进提供科学依据。此外，对于提高深凹露天矿工作环境的安全性和舒适度，以及减少能源消耗等方面也具有一定的应用价值。通过本研究，有望为相关领域的学术研究和工程实践提供重要的理论支持和技术指导。

摘 要：为研究不同自然风速下人工通风对深凹露天矿风流场的影响，利用FLUENT对某深凹露天矿内的风流场进行了模拟研究。研究结果表明：当自然风速为2 m/s时人工通风前后坑内复环流体积减少不太明显；当自然风速为5 m/s时封闭圈以下复环流影响范围小，因此复环流体积减少也不明显；而当自然风速为3 m/s和4 m/s时，靠近背风坡的低压区和低速区显着变化，复环流体积减少明显。在自然风速较低或无风时空气交换率缓慢增加；当自然风速≥2 m/s时空气交换率均显着增加。与复环流的体积变化趋势基本一致，验证了人工通风方案的可行性，采取人工通风措施后深凹露天矿内的风流场均得到显着改善。

关键词：深凹露天矿 风流场 人工通风 自然风速 复环流 空气交换率

深凹露天矿采场的复环流结构是形成露天矿坑高污染的重要机制，一些专家对深凹露天矿的风流场进行了研究。杜翠凤等对来流风速和背风帮边坡角对复环流的影响进行了研究，得到复环流范围随边坡角和风速的增大而增大，但坑底风速也随之增大。王远等运用量纲和多元非线性回归对深凹露天矿复环流式通风进行了定性分析。Du Cuifeng等研究了深凹露天矿风流场空间形态的影响因素，并通过现场试验确立了影响范围的评价指标。杜翠凤等以首钢水厂铁矿为试验矿山进行流场分布模拟，得到复环流的范围宽度和中心厚度随风速的增加逐渐增大。但目前没有关于人工通风和自然风速对露天矿风流场影响方面的研究，因此本项目对人工通风和不同自然风速条件下深凹露天矿内风流场的变化进行研究，以改善露天矿坑的高污染作业环境。1 数值模型的建立1.1 几何模型的建立

将现场采掘计划图导入Ansys，依托交点绘出采场轮廓图并变为实体（图1）。对建立的模型并作如下假设：①露天矿长轴L=3 395 m，封闭圈以下坑深H=290 m；②忽略局部形状及常用设备对风流的影响；③风流不可压缩；④风流为定常流，不考虑温度变化；⑤风机设在巷道10 m处并设置边界条件；⑥在采场上方覆盖一个长方体的空气层作为进出口，由于矿山西南方向有高山坡，故空气层规格长×宽×高=4 000 m×2 000 m×1 000 m，且定为模型的x、y和z轴方向。测量时主导风向是西南风，设x轴负向的面为模型入口，x轴正向和y轴方向的两面及z轴正向为模型出口。

1.2 数学模型的建立

为了便于分析，使用非稳态流体通用控制方程：

式中，ρ为气体密度，kg/m3；ϕ为通变量，代表速度v、温度T、浓度C等；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

1.3 模型可靠性验证

按照实体矿山建立的模型与现场实测数据对比来验证模型的真实性。取试验当天地表风速3 m/s条件下的模型数据作为验证对象，将不同高度的平均风速与模型不同高度的风速作对比，得到12个不同高度下的风速测点平均差值为0.07 m/s，可认为该模型很好反映了该矿内部风流场的流动情况。

1.4 边界条件

考虑到矿山几何模型不规则，因此采用非结构化网格进行划分。划分的网格总数为1 358 180个，平均偏斜度为0.173 5。主要边界条件设置如下：巷道和风流入口均为速度入口，出口类型为压力出口，壁面设为无滑移，自然风速分别为2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s，因为模拟中存在着旋均匀剪切流、自由流（射流和混合层）和边界层流动，因此选用Realized kε模型。以10 m/s的通风风速，6 m2的巷道尺寸，2个巷道的最优方案为初始条件对人工通风和自然风速条件下深凹露天矿风流场的变化进行研究。

2 不同自然风速下人工通风对复环流的影响2.1 2 m/s风速时人工通风对复环流的影响

2 m/s风速时人工通风前后复环流变化见图2。

由图2（a）可知，自然风速为2 m/s时，人工通风前（上）xz平面复环流区域内负压区面积为88 892.2 m2，背风坡与封闭圈处均为高压区，导致中间形成低压区，低压区增大使反向气流增多。人工通风后（下）复环流区域内负压区面积为80 617.8 m2，负压区面积减小，则低压区范围减少，坑底到背风坡产生的反向风流也随之减少，复环流影响范围变少。坑底与背风坡的压差仍然存在，但复环流影响范围明显变小。

由图2（b）可知，人工通风前（上）xz平面复环流中心区域有最小风速0.306 6 m/s，反向风流最大风速为0.736 3 m/s。低速区出现在反向风流且分布范围广，在背风坡海拔约40 m处形成宽约385 m，厚约85 m的复环流结构。人工通风后（下）在背风坡海拔约45 m处形成宽约205 m，厚约55 m的复环流结构，复环流中心点高度稍有抬升，但宽度和厚度均明显减少，且矿坑内复环流形态结构发生明显变化。复环流区域向背风坡壁面贴近，低速区范围减少且主要集中在背风坡，复环流结构发生变化，双环状结构在坑底消失，复环流中心也整体上移，靠近封闭圈区域。

2.2 3 m/s风速时人工通风对复环流的影响

3 m/s风速时人工通风前后复环流变化见图3。

由图3（a）可知，自然风速为3 m/s时，人工通风前（上）xz平面复环流区域内最大压强为1.850 6 Pa，负压区面积为98 691.6 m2，背风坡与封闭圈处均为高压区，导致中间形成低压区，低压区的增多使反向气流也增多。人工通风后（下）复环流区域内最大压强为2.912 8 Pa，负压区面积为67 387 m2，复环流区域内负压区面积变小，坑底到背风坡产生的反向风流也越少，复环流影响范围也变小。且封闭圈和坑底间低压区消失，坑底高压区距背风坡更近且高压区向背风坡上侧移动，使低压区减少，此时复环流形成的动力主要是坑底到背风坡的压差，低压区向背风侧集中，复环流影响区域也向背风坡集中。

由图3（b）可知，人工通风前（上）xz平面在海拔约20 m处形成宽约295 m，厚约50 m的复环流结构，复环流中心区域有最小风速0.279 6 m/s，反向风流最大风速为1.174 2 m/s，低速区出现在反向风流且分布范围广。人工通风后（下）坑内复环流形态结构发生明显变化，复环流区域贴近背风坡壁面，低速区范围明显减少且主要集中在背风坡。复环流中心轴位置与2 m/s风速时相比明显抬升，靠近山坡西部的局部高压区消失，背风坡靠近西北边坡方向压力明显增大，形成复环流的压差减少，复环流结构变化明显。

2.3 4 m/s风速时人工通风对复环流的影响

4 m/s风速时人工通风前后复环流变化见图4。

由图4（a）可知，自然风速为4 m/s时，人工通风前（上）xz平面复环流区域内最大压强为2.392 6 Pa，负压区面积为91 392.2 m2；人工通风后复环流区域内最大压强为4.285 5 Pa，负压区面积为61 116.6 m2。因此人工通风后（下）封闭圈和坑底中间低压区消失，复环流区域内负压区面积变小，坑底到背风坡的反向风流也越少，坑底高压区距背风坡更近，使高压区影响区域变大且向背风坡上侧移动；低压区减少且仍向背风侧集中，故复环流影响区域向背风坡集中。

由图4（b）可知，人工通风前（上）xz平面在背风坡海拔约-40 m处形成宽约190 m，厚约60 m的复环流，复环流中心区域有最小风速0.240 1 m/s，反向风流最大风速为1.264 8 m/s，低速区同样出现在反向风流且分布范围广；人工通风后（下）坑内复环流形态结构变得不明显，西南方向高压区向中部移动，西北边坡压力明显降低，水平环状复环流减少。

2.4 5 m/s风速时人工通风对复环流的影响

5 m/s风速时人工通风前后复环流变化见图5。

由图5（a）可知，自然风速为5 m/s时，人工通风前（上）xz平面复环流区域内负压区面积为61 106.7 m2，封闭圈以下复环流区域不明显，封闭圈和坑底中间无低压区，复环流形成的动力主要是坑底到背风坡的压差。人工通风后（下）复环流区域内负压区面积为61 012.1 m2，与人工通风前相比，复环流形态和影响区域变化均不明显。低压区范围越小，坑底到背风坡产生的反向风流就越少，复环流影响范围也越小。

由图5（b）可知，人工通风前（上）xz平面复环流中心区域有最小风速0.287 9 m/s，反向风流最大风速为1.565 m/s，复环流形态结构不明显。人工通风后（下）复环流形态结构发生明显变化，低速区明显减少且主要集中在背风坡，复环流中心区域也整体上移，靠近封闭圈。

2.5 人工通风对复环流体积和负压区面积的影响

当自然风速分别为2、3、4、5 m/s时，人工通风前后复环流体积变化如表1所示。当自然风速为2 m/s时复环流体积减少量为16.08%，人工通风后复环流体积减少量并不明显，可能是外界风速偏低，对坑内复环流影响小；自然风速分别为3 m/s和4m/s时，复环流体积减少量分别为37.6%和37.2%，此时复环流现象明显且主要集中在背风坡附近，体积减少量明显；当自然风速为5 m/s时复环流体积减少量为6.0%，此时复环流多在封闭圈以外，因此体积减少量不明显。

当自然风速分别为2、3、4、5 m/s时，人工通风前后背风坡负压区面积变化如表2所示。在2 m/s风速时，人工通风后由于xz平面负压区面积减少，复环流形成动力减弱，因此复环流结构变化和体积减少也不太明显。在3 m/s风速时，人工通风后xz平面负压区面积减少明显，复环流形成动力明显减弱，靠近西北边坡压力增大，复环流中心轴在封闭圈以外，体积减少明显。人工通风后，4 m/s与3 m/s风速时复环流体积减少量相当，xz平面负压区减少均较多，复环流变得不明显且中心轴向上抬升。由于5 m/s风速时封闭圈以下复环流区域不大，因此人工通风后复环流体积和低压区减少并不明显。

3 不同自然风速下人工通风对空气交换率的影响

现场实测风速可知，白天风速中0～0.8 m/s占23%，0.8～1 m/s占16%，风速大于1 m/s占61%，可见白天风速大于1 m/s为主要情况，且1～2 m/s占比达47%。夜间地面风速为0～2 m/s，且绝大多数风速为0～0.3 m/s。由于在无风及低速风流条件下，坑内基本处于静风状态，复环流现象并不明显，因此选用空气交换率n来表示坑内气流交换，计算坑内空气交换率的变化。空气交换率n是指单位时间内由坑外进入坑内的量与矿坑空气量之比：

式中，n为空气交换率，次/d；Q为新风量，m3/s；V为坑内体积，计算可得为2.04×108m3。

Q为露天矿坑表面处流入内部的风流量Q1与人工通风措施的通风量Q2之和。Q1为流入矿坑表面速度与面积乘积，提取该面各单元格z轴方向速度vzi和面积Ai，再筛选出vzi＜0的数，使筛选出的各vzi与面积Ai相乘得出外界风流流入的流量ΣvziAi。Q2为通风机风速与巷道尺寸面积的乘积，为10×62×2=720 m3/s。

由表3可知，人工通风前后，深凹露天矿内空气交换率均随自然风速的增大而变大，且人工通风后不同自然风速下坑内空气交换率均呈增加的趋势。表明采取人工通风后坑内气体交换速度加快，同时加快污染物的排出。但在不同自然风速条件下坑内空气交换率变化幅度并不相同。由此可知人工通风后，当自然风速较低或无风时坑内空气交换率增幅均为0.1次/d左右，远低于较高风速（风速≥2 m/s）时的空气交换率，因此在无风或自然风速较低时，人工通风能加快坑内污染物的排出速率；当自然风速为2 m/s和5 m/s时空气交换率增幅较明显，表明人工通风后污染物的排出速率明显增加；而在自然风速为3 m/s和4 m/s时空气交换率增幅最明显，人工通风排出污染物的速率最大。由不同自然风速条件下空气交换率的变化可知，其与采取通风措施前后坑内复环流的体积变化趋势基本一致，也验证了人工通风方案的可行性，采取人工通风措施后使深凹露天矿内的风流场得到显着改善。

4 结论

（1）当自然风速为2 m/s时，人工通风前后复环流体积减少不太明显；当自然风速为5 m/s时，复环流区域多集中在封闭圈以上区域，封闭圈以下复环流影响范围小，因此复环流体积减少也不明显；而当自然风速为3 m/s和4 m/s时，靠近背风坡的低压区和低速区变化明显，复环流体积明显减少。

（2）在自然风速较低或无风时，人工通风能加快坑内污染物的排出；当自然风速为2 m/s和5 m/s时空气交换率增幅较明显，表明人工通风后明显加快污染物的排出；当自然风速为3 m/s和4 m/s时人工通风排出污染物的速率最大。

（3）由不同自然风速条件下空气交换率的变化规律可知，其与深凹露天矿内复环流的体积变化趋势基本一致，并验证了人工通风方案的可行性，采取人工通风措施后深凹露天矿内的风流场均得到显着改善。（作者：张瑞明， 魏丁一， 杜翠凤， 胡玉勤， 张宏光， 李彩盈 作者机构：山西工程职业技术学院；北京科技大学土木与资源工程学院；马钢(集团)控股有限公司南山矿业公司）

引用格式：张瑞明, 魏丁一, 杜翠凤, 胡玉勤, 张宏光, 李彩盈. 不同自然风速下人工通风对深凹露天矿风流场的影响. 金属矿山(8), 167-172.

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来源：金属矿山

编辑：莫 凌

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