堀進切羽における吹き出し通気の最適化に関する研究

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九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

堀進切羽における吹き出し通気の最適化に関する研究

中山, 伸介

https://doi.org/10.11501/3175089

出版情報：Kyushu University, 2000, 博士（工学）, 論文博士バージョン：

権利関係：

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掘進切羽における吹き出し通気の最適化に関する研究

中山仲介

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第2章掘進切羽における流れの風速測定と観察・ 2・1 緒言・ 2・2実規模の模型における風速測定・・・・・・・・・・・・・・・ 5 2・2・1 実験装置・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5 2・2・2 実験方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 7 2・3風速の測定結果および考察・・・・・・・・・・・・・・・・・ 8 2・3・1風管距離が流れに及ぼす影響・・・・・・・・・・・・・ 8 2・3・2風管設置位置が流れに及ぼす影響・・・・・・・・・・・ 12 2・3・3鉱山における実測・・・ . . . . . ・・・・・ 20

2・4可視化実験・ . . . . . ・・・ 22

2・4・1実験装置および実験方法・ . . . . . ・・・・・22

2・4・2実験結果および考察・ . . . . . ・・・・・・・ 23

2・5結言・ . . . . . ・・・・・・ 25

第3章掘進切羽における空気の流れの数値解析と実験との比較・・・ 26 3・1 緒言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 26 3・2解析方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 26 3・2・1 支配方程式・ . . . . 26

3・2・2 境界条件・. . . . 28

3・2・3壁面噴流の計算精度の検証・ . . . . . ・・・ 20

3・3 数値解析と実験との比較および考察・・・・・・・・・・・・ :30 3・3・1解析条件・ . . . . 30

3・3・2 解析結果と実験結果との比較・・ . . . . 32

3・4 結言・・・・・・・・・・・・・・・・ . . . . 38 第4章掘進切羽における実際の通気技術上の問題の検討・・・・・・・ 39

4 • 1 緒言・

4・2 解析モデ、ルと解析条件・

4 ・ 3 数値解析の結果および考察・

QJ QJ 1i

、J、J、，、Ja-aA，.、，.、t

(5)

4・3・1風管距離が流れに及ぼす影響・ 4・3・2風管の直径が流れに及ぼす影響・ 4・3・3風量が流れに及ぼす影響・

4・4 結百・

第5章掘進切羽におけるメタンガスの室内実験・ 5 . 1 緒言 -

5・2 実験装置および実験方法・

ーj FO ハU A包

「hU FhU FD A斗 Aq Fhd

「hU

「ひ

「D Fhu

5・2・1 実験装置・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ . 55 5・2・2 実験方法および実験条件・・・・・・・・・・・・・・・ 57

5・3実験結果および考察・ . . . . . ・・・・・・・・・ 58

5 . 3・1 通気量とメタンガス惨出量が濃度分布に与える影響・・・ 58 5・3・2 切羽面近傍のメタンガス濃度と通気量との関係・・・・・ 61 5・4 結言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 65 第6章実際の掘進切羽におけるメタンガスの濃度分布・・・・・・・・ 66 6 . ]緒言・・・・ . . . . . ・・・66

6・2実測方法・ . . . . . ・・・・ 66

6・3解析方法・ . . . . . ・・・・ 67

6・4実測と数値解析の結果と考察・ . . . . . ・・・・・ 67

6・5結言・ . . . . . ・・・・・・ 78

第7章総括・ . . . . . ・・・・・ 79

参考文献・ . . . . . ・・・・・・・・81

謝辞・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 8f1

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第1章序論

1 . 1 本論文の背景と目的

坑道を掘進していく先端の作業場である掘進切羽は、他の箇所に比べて、周囲岩盤からのガスや熱の坑道内への流入および発破・機械掘削による粉じんの発生量が多い。これらの作業環境の悪化をもたらすガス、粉じんあるいは熱を安全なレベルまで希釈し掘進切羽の外に排除するために、掘進切羽では、通常、風管と局部ファンを組み合わせた通気法が用いられる。これまで、この通気技術に関して行われた研究は比較的多いが、掘進箇所における空気の流れが複雑で速度等の測定が困難であるため、種々の仮定に基づいた研究が多く、通気の流れ自体とそれに伴う問題を詳細に検討したものは少ない。従って、現在でもなお具体的な通気の技術的指針が確立されているとは言い難く、風管の位置や風量などの通気条件の設定は、ほとんど現場の経験のみによって決められているのが現状である。さらに、わが国の鉱山保安規則では、切羽面周辺の主としてガスを希釈・排除するための十分な風量を確保するために、風管の吹き出し口は切羽面から7m以内に設置するよう義務づけているが、これに関する科学的根拠はどこにも見い出すことはできない。

最近では発破による方法に加えて、機械掘削法も積極的に導入されるようになっているが、この変化も掘進切羽の通気においていくつかの問題を生じせしめている。

すなわち、そのひとつは強力な切削によってガスと粉じんの問題が共存することが多くなったことであり、また、大型機材の存在によって、風管設置個所が制限を受けること等の問題も生じている。すなわち、これまでの現場の経験や上述の保安規則に基づく通気法では、このような複雑な掘進切羽の環境を一定レベルに維持し管理することが困難となりつつある。このため今後ますます増えると予想されるこのような複雑な条件を有する掘進切羽において、適正な作業環境を実現するためには、

より合理的な技術的指針の確立が不可欠である。

本論文は、このような観点から、掘進切羽における通気法の中で最も広く採)8されている、吹き出し通気に関する基本的な技術指針を得るために行った研究をまとめたものである。本研究の問題は、次の2つに大別される。

第一は、吹き出し通気における吹き出し風量、風管設置個所等の基本的通気条件の違いが空気の流れに与える影響を、現場実測、室内実験および数値解析により明らかにすることであり、第二は掘進切羽で発生する主要なガスで、特に石炭鉱山において重要なメタンガスの濃度分布に対して通気条件の違いが及ぼす影響を現場片測、室内実験および数値解析により明らかにすることである。なお本研究では、特に断らなし\かぎりガスとしてはメタンのみを考えることにする。

1

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1 • 2 掘進切羽における空気の流れに関する従来の研究

月リ述のように、掘進切羽における流れは複雑であり、しかも風速の測定が困難であるなどの理由から、掘進切羽における局部通気に関する初期の研究は、主に流れの百T視化実験によるものが多い。吹き出し通気を行う掘進切羽における流れについての先駆的な研究としては、 1963年のSpence1)によるものがある。 Spenccは、煙を用いて掘進切羽の大型模型における流れを可視化する実験を行い、風管の位置の違いが流れのパターンに与える影響を検討した。さらに風管から吹き出したH寅流の速度が0となる点と吹き出し口との間隔(以下、到達距離と呼ぶ)は、坑道の水力等価直径(Oe)の4.5倍となるとしたD しかし、風管の直径・風量・坑道形状の違いが到達距離に与える影響等については調べておらず、実験結果の実際への適用については記述がない。

鈴木ら2)はアーチ型断面の掘進切羽の大型模型における風速の測定と煙による流線の観察を行ったが、流れのパターンについては詳細に議論していない。鈴木らはさらに小型の掘進切羽の水槽模型にアルミニウム粉末を入れて流れの可視化を行い、

この流れが上記の大型模型坑道と一致することを確認したが、風管の直径と流量の違いが流れのパターンに与える影響等を調べるまでには至っていない。

1964年、 Renner3)はアーチ型断面の掘進切羽の大型模型における空気の流れを煙を用いて観察し、風管が天井中央および天井の側壁側にある場合に到達距離が 5. 10e になることを示した。さらに円形の断面を有する水槽の模型を用いて、風管が断面の中心線上にある場合と壁面に接している場合の到達距離について調べ、それぞれ2.50eと5. OOeになることを示した。しかし、風管の直径と流量などの通気条件の違いが到達距離に及ぼす影響については明らかにしていないD

同年、 Sheila4)は、ポリスチレン微粒子をトレーサとして用いて、アーチ型断面の模型水槽の流れを可視化し、風管の位置・風管の直径・流量が循環領域と到達距離に与える影響を調査した。しかしながらこの実験で行われた可視化は坑道の'1'央断面のみであり、全体的な流れや細部の流れを詳細に検討するまでには至っていな

。、、BUV

この他、掘進切羽の可視化の研究として、 Taylor5)6)やKrause7)の研究があり、それぞれ4.50eと8.30eの到達距離を示しているが、上述の研究と同様に、流れの構

造に関する詳細な議論は見られない。

1978年、高木8) は、熱線式風速計を用いて矩形断面の小型模型の風速を測定し、

到達距離を調べた。この結果から、風管を天井の中央に設置した場合と天井の側府側に設置する場合の到達距離がそれぞれ5.560e， 6. 670eとなること、必要以上に吹き出し速度を増加させてもある距離以上離れた地点における速度の増加にはほとん

ど寄与しないこと、さらに模型坑道の壁面に枠を設置した場合の到達距離が枠がf い場合の約80%にまで低下することを示した。しかし、実際の掘進切羽での流れと

2

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の相似性については触れていないため、これらの結果をそのまま現場に適用するには不安が残る。

吹き出し式の局部通気を行う掘進切羽における風速を3次元的に測定した最初の研究として、 1984年のWesely9)の研究がある。 Weselyは実規模の掘進切羽模型を用いて熱線式風速計によって3方向の速度成分を測定し、流れの構造を調べた。さらに掘進切羽に設置されている機械類により、到達距離が長くなることなどを指摘した心しかし、測定した断面が少ないため、流れの構造が十分に解明されたとは言い難く、さらに風管の位置や風量などの通気条件の違いが流れのパターンに及ぼす影響についても検討が行われていない。

1・3 掘進切羽におけるガス・粉じん等の排除に関する従来の研究

掘進切羽におけるガスや粉じん等の排除に関する最初の研究として、 1959年の Leachらによる実験的研究10)11) がある。 Leachらは実際の掘進切羽や長壁式採炭切羽において、穿孔による粉じんや発破断、ガスの代わりに放射性元素や-酸化窒素ガスを瞬時に放出させ、その濃度を測定する方式による実験を行った凸またその結果を基礎として、風下の汚染帯の長さを、発生源からの距離の関数として表わす式を

提案したD しかし風管の位置や風量による影響についての詳細な検討はない。

1964年、 Sheila4)は水槽模型を用いて、掘進切羽で発生する発破後ガスや粉じんの挙動を模擬する実験を行った。切羽面上部からポリスチレン粒子を放出させ、切羽内に残留する粒子の個数と放出後の時間の関係、を調べた。しかし粉じんの粒径の違いによる影響や実験条件と現場の条件の違いについての検討もない。また、Sheil(ì は実際の掘進切羽において一酸化窒素を用いたパルス法により、掘進切羽内の発破後ガスの停滞量とガス放出後の時間の関係を示した。さらに切羽面手前に生じるli'rlj がガスの排除効果と密接な関係にあることを指摘した。しかし、一酸化窒素の放11'，

箇所の違いがガスの濃度分布に与える影響については調べていない。

実際の掘進切羽においてメタンガスを用いた最初の研究に Leach12)へ17)らの研究があり、切羽面の天井上部から放出されたメタンガスの濃度と、風管の位置や風主主およびガスレイヤの長さとの関係が求められている。しかし、メタンガスの濃度測定は天井に限定されているため、掘進切羽のメタンガスの濃度分布や通気による希釈効果を明らかにするまでには至っていない。

掘進切羽におけるメタンガス濃度分布を初めて調べた研究に、 Sullivanl8)らの研究がある。彼は数値流体力学的手法(Computational FJ uid Dynamics; CFD)をJ屈進切羽におけるメタンガスの濃度分布の解析に初めて応用し、 3次元的なメタンガスの濃度分布を調べている。しかし、与えた境界条件等が明らかでなく、また実験結果との比較も行われていない。

以上のように、従来の研究は流れやガスの濃度分布の概略を調べるだけにとどま

3

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っており、基本的な流れの構造や通気条件の違いがガス濃度に与える影響については詳細な検討が行われているとは言い難く、効果的な通気を行うための技術的指針を得るには不十分であると判断される。

1・ 4 本論文の構成

本論文は以上述べた研究の背景と目的に基づいて行った、吹き出し通気を行う掘進切羽おける空気の流れとメタンガスの濃度分布に関する研究をまとめたものであ

る。本論文の構成は次のようである。

第1章は序論であり、局部通気を行う掘進切羽における流れとガスや粉じんの排除に関する既往の研究を調査した。その結果として、流れの構造や通気条件の違いが空気の流れやガスの分布に及ぼす影響が十分に解明されていないこと、また適切な通気条件を求めるための技術指針が知られていないことなどを指摘した。さらに我が国における風管設置位置についての鉱山保安法の規則についての再検討が必要なことを指摘し、本論文の背景および目的を明示した。

第2章では、掘進切羽における流れの構造を明らかにするために行った実規模模型坑道における風速測定と、レーザーライトシートによる流れの可視化、および現場計測の結果を検討した。

第3章では、開発した数値流体力学プログラムによる解析結果と第2章で行った実験結果との比較を行い、本数値解析法による通気予測の有用性を示した。

第4章では、開発した数値流体力学プログラムを用いて、流れの数値解析を行い、実際の掘進切羽における基本的な流れの構造と、風量・風管直径、および切羽面とj品管のl吹き出し口との間隔(以下、風管距離とよぶ)などの通気条件の違いが流れの構造に与える影響を明らかにした。

第5章では、掘進切羽におけるメタンガスの基本的な濃度分布、およびメタンガスの渉出量と通気量の違いが濃度分布に与える影響を明らかにするために行った、

室内実験の結果について検討した。

第6章では、実際の石炭鉱山におけるメタンガスの濃度測定の結果と数値解析の結果を検討し、実際の掘進切羽におけるメタンガスの濃度分布を明らかにした。

第7章は、以上の研究の総括である。

4

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第2章掘進切羽における流れの風速測定と観察

2 • 1 緒言

掘進切羽においては、今後さらに掘進速度の増大や深度増加に伴うガス渉出量の増大、あるいは掘進機材使用の増加などに伴う通気条件の複雑化が進行することが予想され、そこで発生するガス、粉じん、熱等の挙動に大きな影響を与える空気の流れの構造を明らかにしておくことは、適切な通気法を求めるうえで不可欠である。

しかし、これまでに室内実験や現場での流れの可視化、および風速の測定がさまざまな研究者によって行われてきたにもかかわらず、それらの多くは部分的な観察と測定にとどまっており、流れの構造を詳細に把握するまでには至っていない九

そこで本章では、実規模の模型切羽を用いて、超音波風速計によって求めた、 3 次元の風速分布ならびに、非定常かっ3次元的な動きを観察するために行った、レーザーライトシートによる流れの可視化実験の結果について検討を行い、 J屈進切羽における空気の流れの構造および通気の条件の違いが流れのパターンに与える影響を明らかにする。さらに、実際の現場の流れを把握するために行った、鉱山の掘進切羽における流れの測定結果についても併せて検討する。

2 . 2 実規模の模型における風速測定

2 • 2・ 1 実験装置

]験は、資源環境技術総合研究所九州石炭鉱山技術試験センターにおいて行った山図2・lと写真2・1に実験装置の概要を示す。この装置は、高さ2.4m、敷rp!J� 2. ₈rn、

長さ14mであり、坑道軸方向にO. 5m間隔に設置した直径約O.02mの鉄ノミイブと、その上に被せた厚いビニールシートからなるD 切羽面に相当する面には、 j凪管から吹き出す噴流によるビニールシートの変形を防ぐためベニヤ板を使用している。この切羽面と風管出口の間隔Lは、風管を移動させることにより変化するD ファン(定絡500kW，風量1m3/s ) は、模型坑道の開放端近くに組んだアングルの台の上に設置

し、その吹き出し側に直径O.48mのビニール製の風管を取り付けている。なおこのビニール風管の吹き出し口には、噴流の方向を安定させるために長さ1m のブリキ板の筒を接続している。各測点の 3方向速度成分の測定には超音波風速計(カイジョー製:WA-390)を使用した口写真 2・2に示す風速計のプロープの全長は25cm，各l担11の受信部と送信部の間隔は 5cmであり、測定範囲はO�10m/s、測定精度は::!:2切である。

風管の吹き出し口に設置した風速監視用の無指向性熱式風速計(リオン製:^M-03)の測定範囲はO. 05�20 m/s、測定精度は::!:2弘である。

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(11)

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14m

図2・ 1 実験装置の概要

写真2・ 1 実規模模型坑道内部

写真2・2 超音波送受信フローブ

6

2.4m

x

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(12)

2・2・2 実験方法

図2・2 に切羽面に平行な断面上の測定点を示す。プローブの設置法は写真2・1 および写真2・2に示すようである。この超音波振動子から得られた3方向の風速の信号は、1つの測点につき毎秒1回の割合で、RS-232C回線を通してコンビュータに 30秒間取り込まれた。この 30秒間の風速の平均値をその測点の風速としたョ本実験では、まず風管距離の違いによる流れへの影響を調べるため、風管を天井の中央部に固定し、風管距離を5， 7， 10mと変えて測定を行った。実際の現場では、諸作業との関係、から風管が壁面から離れて設置されたり、設置する機材との関係、から風管が天井の中央に接していない場合もあるc そこで、天井と風管の間隔の違いによる流れへの影響を調べるため、図2・2に示すように、風管距離を7mに固定し、天井と風管上部の距離をo. 3mとした場合と、切羽面に向かつて右側の天井の隅に設直した場合の風速測定を行った。これらの測定条件をまとめて表2・1に示す今

寸.N

z

kl

^y

2.8 (unit:m)

・ measuring point 図2・2 測定断面(x-y断面)

(13)

表2・ 1 実験条件実験番号風管設置位置

L二 5m， H二Om

2 L= 7m， H=Om

3 L= 10m， H=Om

4 L= 7m， H=O. 3m

5 L= 7m，天井隅

L: 風管吹出し口と切羽面の間隔(風管距離)

H: 天井中央と風管上部の間隔、風管吹出し速度(=6.61m/s) 2・ 3 風速の測定結果および考察

2 . ^{3 ・ 1} 風管距離が流れに及ぼす影響

風管距離の違いが流れに与える影響を調べるために、風管を天井の中央部に固定し、風管距離を5m， 7m および10m に変えて測定を行った1)白まず、坑道中央鉛直断面の速度ベクトルを検討する。測定結果を、図2・3(²¹) ^"-'(c)に示す。

この結果によれば、掘進切羽の流れは、天井近傍を高速で通り過ぎる日責流、その噴流が切羽面の上部に衝突し下降する流れ、および床面付近を風管方向へ流れ去る戻りの流れに大別できる。風管距離が最も短い5mの場合では、これらの流れの速度が大きいため、切羽面の手前に比較的大きな渦が形成されている。この場合、この渦はガスの拡散という意味では有効に作用するが、粉じんやガスの発生量が多い場合には、この渦の中に取り込まれて循環する可能性があるものと考えられる円

これに対して風管距離が10mの場合では、切羽面付近の流速が比較的小さいため風管距離5mの場合に現れるような渦は見られない。したがって、これに似た夫|療の現場では切羽面で生じるガスや粉じんが渦の中に取り込まれ、循環することは比較的少ないと考えられる。

図2・3(b)に示す風管距離7m の場合では、切羽面に到達したl噴流は切羽面を比'1安的速い速度で下降しており、風管距離5mの測定結果によく似ている口

また、風管の下部をみると、いずれの測定結果においても戻りの流れはきわめて遅く、その向きはやや上を向いている。したがって、風管の周辺では他の箇所に比べてガスなどが停滞しやすい状況にあると考えられる。

さらに流れの分布の傾向を詳しく調べるため、切羽面に平行な断面における速度分布の検討を行う。風管距離が5mと10mの場合の速度分布は、それぞれ凶2・4と図2・5に示すようである。これらの測定結果において、上段の凶(21)は、坑道軌(x 軸)方向の速度(^1I) の等速度線図、下段の図(b)は絶対速度(

.J

u2+ν2+ w2 )の等速度線図である。なお、図(21)の白色(負)の領域は風管の吹き出し口から切羽面に向かう流れを、灰色 (正) を示す領域は切羽面から風管の方向へ戻る流れを去す。

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(14)

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(b) y = _l.4m (条件2: L=7m，日二Om)

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9

10

(c) y=l.4m (条件3: L=10m， H=Om) 図2・ 3 坑道中央鉛直断面の速度ベクトル

9

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x=O.lm

HO

x=O.lm

x=O.5m

x=l.Om

(a)坑道軸方向の速度u(m/s)

x=l.Om

x=5.0m

(b)絶対速度

.J

^u2+ν2⁺^w2^(m/s)

図2・4 切羽面に平行な断面における等速度線図(条件1 ^: L=5m、井巾央I1=üm)

x=6.üm

x=6.0m

(16)

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1]

(17)

これらの分布図から、切羽面の上部に衝突した噴流は、戻りの流れに転じた後、

井、左右の側壁、および床面付近を通り抜け、切羽面から離れるにしたがって徐々

に断面の下半分へと移る。さらに風管に近づくと、戻りの流れは速度を徐々に弱め、

断面全体が戻りの流れに占められる分布となるn また、戻りの流れの最大速度を司、

す部分は、切羽面から離れるにしたがって、床面近傍から断面中央、そして風管の下部近傍へと移動する。一例として x=lmの断面における戻りの流れの最大速度を比較すると、風管距離が10mの場合でO.8m/s程度であるのに対し、風管距離5mの場合では約]• 4m/ sの値を示している。

切羽面に比較的近い断面(x=O.1m， x=O. 5m)の速度分布を見ると、風管距離による流れのパターンの違いがよく現れており、風管距離が10mの場合には、戻りの流れは天井部の中央部にまで達している。この場合、天井近傍では噴流と戻りの流れが混じりやすい状況にあり、ガスなどの停滞が予想される。切羽面から最も遠い測定断面では、風管距離にかかわらず風管の両脇の速度はO.2m/s程度と小さい値を示しており、この部分にもガスの停滞が考えられる。

次に、図2・4(b)と図2・5(b)に示す絶対速度の等速度線図について検討を行う。

これらの結呆と、前述の速度 ( u) の分布を比較すると、断面の中央部付近において等速度線の形状に違いが見られ、その差異は切羽面に近いほど大きいことがわかる。これは、切羽面に近い断面では、噴流が向きを大きく変えて反転するため、鉛直(z軸)方向の速度変化が比較的大きいことを示している。両者の違いが最も大きく現れている、切羽面からO.1mの断面には、切羽面を下降する流れにより中央官r�

に最大値のピークがあり、その値は風管距離5mの場合で2.6m/s程度、風管距離10m の場合では約O.9m/sを示している口

以上の検討結果から、風管距離が短くなると切羽面まで噴流が届きやすくなるという点ではよいが、渦が生じやすいため、とくに粉じんの制御等については、不利になるものと考えられる。逆に風管距離が長すぎると噴流が切羽面まで届きにくくなる。

2・ 3・ 2 風管設置位置が流れに及ぼす影響

実際の現場では、風管を天井の中央だけでなく、天井の隅、あるいは天川から離して設置する場合がある。そこで、天井における風管の設置位置を変えて測定を行った結果について検討するD 風管距離は7m一定とし、風管の位置を前渇の図2・2 に示すように、天井の隅および天井中央部からO.3m吊り下げて設置した。

まず、風管を含む鉛直断面の速度ベクトル図の比較を行う。風管を天井の中央部からO. 3m垂直に離した場合の測定結果は図2・6(a)に示すようである円この結果によれば、風管が天井中央にある場合の測定結果 (図 2・3(b) ) に比べて、噴流の減衰が大きいため切羽面付近では比較的小さい速度を示しており、例えば切羽l国に最

12

(18)

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Distance from the face (m)

(b) y=2.0m (条件5: L=7m，天井隅)

図2・6 坑道鉛直断面の速度ベクトル

(19)

も近い測定断面(x=O.lm)の中央部の速度は、風管が天井中央部にある場合のおよそ1/4程度まで減少している。このような速度の低下は、噴流が天井から離れることにより、噴流と周囲の流体との問で行われる運動量の交換がより大きくなることを示しているD また、切羽面の天井近傍、風管の下部付近、および風管と天井の問では、速度は小さくまた向きが複雑であることから、現場ではこのような部分におけるガスなどの停滞に注意を要するものと思われるc

さらに、風管を天井の隅に設置した場合の鉛直断面(y=2.0m)の測定結果を示すと図2・6(b)のようになる。この結果から、日責流は壁面に沿って切羽面に向かうため、噴流の減衰は比較的小さいが、断面の下部においては、他の条件の測定結果に比べて複雑で遅い流れが見られる。

次に、空気と密度差のあるガスが比較的停滞しやすい天井や床面付近の流れのパターンについて調べる心代表的な例として、風管が天井の中央部、および天井の隅に設置された場合における天井および床面付近の水平断面の流れを示し、これについて検討を行うn

図2・7 (a)は、風管を天井中央に設置した場合の天井近傍(z=2.1m)の測定結果である。この図を見ると、前掲の中央鉛直断面の測定結果(図2・3(b))で示したように、風管から吹き出した噴流は、比較的大きい速度を保ちながら、切羽面に到達していることがわかる。しかし、風管の両端では流れは停滞ーしており、現場においてはガスなどの停滞が予想される。これに対して、図2・7(b)に示すような風管を井隅に設置した場合では、噴流が通り過ぎる領域で比較的大きい速度を示しているが、それ以外の部分では流れは停滞し、その向きは複雑であるD したがって、前者に比べると天井付近において、空気よりも軽いガスが停滞しやすい状況にあると考えられる口

次に、床面近傍の流れの分布の傾向について考察するο 風管を天井の中央に設慨した場合の床面付近(z=O.3m)における速度ベクトル図は、図2・7(c)に示すようである白この結果によれば、大部分の速度ベクトルは切羽面から風管へと向かう分布を示し、その大きさは坑道の中央部においてより大きいことがわかる。これによI して、風管が天井の隅にある場合の床面近傍では、図2・7(b)に示すように、関の上部と下部では、異なった流れの分布を示している。つまり、断面上部の仰IJ壁泣傍には切羽面に向かう比較的遅い流れが見られ、それよりもFの領域では、 )$1向きの比較的大きい戻りの流れが現れている。これは、この断面が切羽面に向かう流れと戻りの流れとの境界領域を横切っていることを示しているむこのことから、空気よりも重いガスが発生する現場では、前者に比べてガスの停滞に注意が必要であると

思われる口

次に、切羽面に平行な断面の速度分布を示し、流れの分布の傾向を比較する円風管を天井の中央に設置した場合、および天井の隅に設置した場合の測定結果を示すと、それぞれ図2・8と図2・9のようである。これらの闘において、 J二段は坑道軸

(20)

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1.8m

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2 3 4 5 6 7

Distance from the face (m)

(b) ^z= ^l.8m (条件4: L=7m，天井隅) 図2・7 坑道軸方向水平断面の速度ベクトル

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8

(21)

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16

(22)

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x (m)

x=O.lm

x=O.5m x=l.Om x=5.0m x=8.0m

(a)坑道軸方向の速度u ^(m/s)

x=O.5m xニ1.0m x=5.0m x=8.0m

(b)絶対速度

J

_〆+_v2₊_w2^(m/s)

図2・8 切羽面に平行な断面における等速度線図(条件2 ^: L=7m，天井中央， II=Om)

(23)

ト・4 αコ

1 7m _j

x

(m)

x=O.lm

(a)坑道軸方向の速度u ^(m/s)

(b)絶対速度

.J

1I2+ν2+ w2 ^(m/s)

図2・9 切羽面に平行な断面における等速度線図(条件4 ^: ^{L=7m，天井隅)}

(24)

方向速度(u )、下段は絶対速度(

..JU2 +ν2 + W2

)の等速度線図である。

まず、風管を天井に設置した場合の結果をみると、流れの分布の傾向は、前掲の風管距離が5mの場合の測定結果(図2・3(a))によく似ており、例えば断面の上部における分布については、切羽面から遠ざかるにしたがって、戻りの流れの領域が天井近傍から側壁へと移る様子が示されているヮ

方、風管が天井の隅に設置されている場合、前者とは大きく異なる速度分布を示していることが確認できる。切羽面に最も近い断面(図2・9(b)、x=O.lm)では、戻りの流れ(灰色)は、切羽面に向かう流れ(白色)を取り囲むように、天井、側僻および床面近傍に分布している。この戻りの流れは、切羽面から離れるにしたがって、天井の左側、床面の左隅および右側壁の下部付近に伸びる三日月状に分布し、

x=5mの断面では断面の左半分を戻りの流れが占めるようになる。また、このx=5m の断面における天井付近と床面付近には、前掲の水平断面の速度ベクトル(図2・

7(b)(d))において示したように、噴流と戻りの流れの境界領域があり、この部分において流れの停滞が見られるD さらに、各断面における絶対速度(

..Ju2 + v2 +)1/

) の等速度線図を比較すると、両者ともに、切羽面近傍(x=O. 1m)では、よく似た傾向を示しており、切羽面を下降する流れにより速度のピークが断面の中央付近に現れていることがわかる。

さらに、天井付近の流れを詳細に調べるため、天井近傍における各軸の速度、および絶対速度と、切羽面からの距離の関係について考察する。代表的な例として風管を天井の隅に設置した場合の結果を示すと図2・10のようである。この凶において、横軸は切羽面からの距離、縦軸は天井の中央からO. 1 m 垂直に離れた筒J�r (z=2. 3m)における速度U) V) Wおよび絶対速度を示す。

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Distance from the face (m)

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.Ju2+ν2+l112

図2・10 井付近の速度と切羽面からの距隣の関係、

(y=1.4m， z=2.3m: 条件4， L=7m，天井隅)

19

(25)

この結果によれば， _It\ずれの速度も切羽面から1m以内の部分では比較的大きい値を示すが、切羽面から離れるにしたがって徐々に低下し、切羽面から4m を越えるとO.2111/s程度まで減少する。

以上のことから、風管を天井から吊り下げて設置したり、天井の隅に設置したりすると、天井の中央部に設置する場合に比べて、天井や床面付近に流れの遅い領域が生じやすくなることが判明した。現場では、この点に注意して風管を設置する必要があるものと思われる。

2・ 3・ 3 鉱山における実測

実際の掘進切羽の流れは、室内実験の流れと比較して基本的な流れは一致すると思われるが、支保などの障害物や、壁面の凹凸の影響により細部においては異なるものと考えられる。従って、室内実験に加えて、実際の現場での流れを調べておく必要がある口そこで、住友金属(株)菱刈鉱山の本山坑の掘進切羽(40ML2SLW18BHO-2W)

において3次元の風速測定を行った口

掘進切羽の断面図と測定点は図2・11に示すようである口図中に示すように坑道の敷|隔は2.8m、高さは3. 5111である。天井中央に直径O. 6111のビニール風管が設置され、切羽と風管出口の間隔は7m、風管出口の中心部の風速は11.8m/ Sで測定期間中一定であった。測定の間隔は水平・垂直ともにO. 5111とした。最も低い測点は床面から0.2旬、最も壁に近い測点は壁からO.15m の位置にある。測定には、 3成分の風速

分布を得るために、前述の超音波風速計を用いた。

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図2・ 11 菱刈鉱山の掘進切羽の測定断面(y-z 断面)

20

(26)

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1

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Distance from the face (m)

(a)坑道軸方向鉛直断面の速度ベクトル(y=O.15m)

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Distance from the face (m)

⁷ ⁸

(b)坑道軸方向鉛直断面の速度ベクトル(y=1.65m)

4・〆 ^þ ^'

-

/

〆

(c)切羽面に平行な断面の速度ベクトル(x=O.5m)

図2・ 12 実際の現場における速度ベクトル(菱刈鉱山)

(27)

‘』

本測定によって得られた結果を示すと、図2・12のようになる、同図(a)は、壁面からO.15m離れた断面(y=0.15m)の速度ベクトルの図であり、同図(h)は坑道の中央鉛直断面(y

=

^l.65m)付近の速度ベクトル図であるロベクトルが描かれていない箇所は坑道形状の関係で測定ができなかった箇所であるべこの結果によれば、実験主における測定に比べると測点が粗く、傾向がつかみにくいが、切羽面に衝突した噴流が向きを大きく変え、戻りの流れとなる点や、噴流と戻りの流れの境界付近の流れが遅い点など、実規模実験で得られた測定結果とよく一致している。

図 2・12(c)は切羽面からO.5mの位置の切羽面に平行な断面の速度ベクトルであ

る。この結果から、この断面では大部分の流れは下降流であり、その向きはやや左に向いていることがわかる。左下方向に傾いた理由としては、風管の先端部の設置方向のずれなどが流れの方向に影響を及ぼしたものと考えられる口

2・ 4 可視化実験

2・ 4・ 1 実験装置および実験方法

次に、掘進切羽の非定常かっ3次元的な流れを観察するために、流れの可視化を行う。水槽模型の概略図を図2・13に示す。すなわち、高さとl幅がO.18mの正方形断面を有し、坑道部の長さがl.3mの水槽模型である。実際の掘進切羽のほぼ1/20 縮尺のこの水槽の天井中央部に、外径O. 0旬、内径O.03mのアクリル製の風管を設置する円水槽内の水は、坑道の後部からポンプを通って風管に送り込まれる。

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LASER LIGHT SHEET

図2・13 掘進切羽の水槽実験装置の概略

22

(28)

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:- 自 E圃ー圏直I

粒径7X 10一旬、比重1.05のポリスチレン粒子を予め水槽内に投入しておき、レーザーライトシートを切羽面の外側から水槽の中央鉛直断面に照射し、その断面上で光る粒子を水槽の真横から一服レフカメラで撮影する凸

実験の条件設定には、レイノルズ数を用い、この値が実際にほぼ一致するようにした。本実験で想定する現実の風管の直径と風速は、それぞれO.6m， 10m/s程度であり、一応の目安としてこの値を本実験の基準とした。以上のことを踏まえて設定した吹き出し流量は3.9X10-3m3/sとなる。

2・ 4・ 2 実験結果および考察

本実験では、風管の設置位置が流れのパターンに与える影響を調べるため、以に示すように風管の位置を3種類変えた場合の結果について検討する。

まず、風管を天井に固定し、風管距離を0.35m(実規模換算で7m) に設定した場合の坑道中央鉛直断面の流れを示すと写真2・3(a)のようになる。この結果によれば、切羽面まで直進した噴流が、切羽面の手前で向きを大きく転じて戻りの流れとなり、この流れの一部が噴流に取り込まれて反時計四りの渦を形成している。このような流れは、前掲の風管距離5mの場合の測定結果(図2・3 (^a) ) と一致する。

これに対して、写真2・3 (b)に示す風管距離O.7m (実規模換算で14m) の場合、

いくつもの小さい渦が生成と消滅を不規則に繰り返していることや、坑道下部の近傍を通り過ぎる戻りの流れが上下に大きく蛇行するなど、風速測定で得られた平均的な速度ベクトルでは観察できない現象が認められる。

次に、風管を天井からO.02m (実規模換算で0.4m)離した場合の中央鉛立断面の流れについて検討する。この場合の中央鉛直断面の流れは、写真2・3(c)に示すようである。この結果によれば、風管から出た噴流は、いったん天井付近まで上昇し

その後切羽面付近で下降するなど、複雑な動きを示している。また、前述の風管を天井に設置した場合に比べて、生成される渦の個数が少なく、その位置が明確でない等の違いが見られる。さらに床面付近をみると、戻りの流れは比較的遅く、その向きは複雑であることが認められる。

23

(29)

(a)風管距離L=O.85m， H=Om (実規模換算L=7m. H=Om)

(b) 風管距離L=O.7m， H=Ocm (実規模換算L=14m， H=Om)

(c)風管距離L=O.7m， HニO.02m (実規模換算L=14m， H=O.4m)

写真2・ 3 中央鉛直断面の流れの可視化写真

24

(30)

2 . 5 結 -

本章では実規模の模型坑道と現場における風速測定、及びレーザーライトシートによる流れの可視化実験を行い、掘進切羽の空気の基本的な流れの構造や流れのパターンに与える風管の位置の影響について論じた。その結果を要約すると次のようである。

( ¹ )風管の位置を種々変えて行った実験結果の検討を行い、天井近傍を高速に通り過ぎる噴流、その噴流が衝突し切羽面を降下する流れ、および床面付近を風管方向へ流れ去る戻りの流れから成る基本的な流れのパターンを3次元的に明らかにした。

( 2 )風管距離が流れのパターンに与える影響について考察を行い、切羽面近傍に

生じる渦の挙動が、ガスや粉じんなどの拡散と排除に大きな影響を与える可能性のあることを指摘し、この点に注意して風管を設置する必要のあることを示した。

( 3 )風管の設置位置と流れのパターンとの関係について検討した結果、風管を

井の隅に設置した場合に、天井と床面付近に流れの遅い領域が生じることを明らかにし、これらの領域に空気と密度差のあるガスが停滞する可能性のあることを示した。

( 4 )風管の設置位置にかかわらず、風管の両脇や上部付近の流れはきわめて遅く、

複雑であるわメタンガスなどの空気より軽いガスが発生する現場では、この部分にそれが停滞する可能性があるので、注意を要する。

25

(31)

第3章掘進切羽における空気の流れの数値解析と実験との比較

3 • 1 緒

第2章で行った種々の実験は、流れ場を明らかにするための有効な手段ではあるが、掘進切羽の流れ場が3次元的で複雑であることや種々の理由から、測定条件が限定されるという短所を有する。そこで、これらの実験結果にさらに検討を加え、

より多くの通気条件下における流れを明らかにするために、 3次元乱流の検討が可能な数値流体力学的手法(Computational Fluid Oynamics :CFD)を用いることにする凸

この方法は、定量的なデータを短時間に得ることができる有効な手法であるが、計算が容易でないため、これまで掘進切羽における空気の流れの解析に応用された例はきわめて少なく、実験値との詳細な比較検討を行ったものは皆無である。

一方、他の工学的分野ではこの手法と実験との比較や問題点の検討が数多く行われているだけでなく、今日では実験結果を補足するための重要なツールとして研究や開発に多用されている。鉱山の通気分野においても、この手法を測定が困難な掘進切羽における空気の流れや有害物質の挙動の予測に応用すれば、通気の技術的指針の確立に役立つ情報を得ることができるものと考えられる。例えば、この手法をメタンガスの濃度分布の解析に用いれば、濃度と風速の両方の分布データを得ることができるため、それらの関係を詳細に検言、Iすることができる。

このような意味から、掘進切羽における空気の流れやガスの流動を解析するための有力な下段として数値流体力学プログラムを開発し、これを用いて種々の問題を検討した。なお、このCFDプログラムについては、第6章において述べるように、

ガスの濃度分布も併せて解析が可能なプログラムを開発した。木章では、まずこのプログラムの内容について述べ、次いで前章に示した実験結果等との対比を行い、

精度を検討する。

3 • 2 解析方法

3・2・1 支配方程エ1

掘進切羽では、風管から吹き出す噴流によりその大部分が乱流場となる円このような空間において数値解析によりNavier-Stokes方程式 (以下N. S.方程式と略す) を解くために、本研究では乱流モデノレを用いる白乱流モデルには、現在まで] )J程式モデルや2)]程式モデル、応力方程式モデル、応力代数式モデノレ、LES (Lélrgc Eddy Simulation)と数多くのモデルが提案されている。これらのモデノレのlドで、レイノル

ズ応力を2個の変動の特性量に関する微分か程式を解くことによって求める2}J程式モデルは、比較的広い問題に適用され、良い結果を与えているのまた、この2)J

26

(32)

程式モデルの中では、 LaunderとSpalding 1)によって提案された、乱れのエネルギ

�kとその散逸率rを用いてレイノルズ応力を評価する、いわゆるk- Eモデルがよく用いられている。そこで、本研究においても、 k- Eモデルにより解析を行うこととする。

本解析に用いる基礎式は、式(3. 1)に示す連続の式と、式(3. 2) に示す�. S. }j程入およびk- Eの輸送方程式である。

学 +div(pu)

⁼0

ôt (3. 1)

。(ρ中)

17+div(ρ吋)

= div(r grad中)+S

^{(3. 2)}

ここにt 時間(S) ， u 速度ベクトル(m/s)，ρ :空気の密度(kg/m3)であり、式 (3. 2)のゆとそれぞれのゆに対するfと Sは表3・1に示すとおりである。表3・1 において、 lJ: X軸方向の速度(m/s)， ^{v :}y軸方向の速度(m/s)， ^w: z軸方向の速度(m/s)， μ :分子粘性係数(Pa's)， μ/ 循環粘性係数(Pa's)， P:圧力(Pa)， k

乱流エネルギー(m2/s2) ， E エネルギ一散逸率(m2 / S3)， Gk (Pa/ s) 散逸関数であり、 μIとGkはそれぞれ式(3.3) ，式(3. 4)で表すことができる。式中の定数であるCD，

σk ' σE' C1， C2は表3・2に示すLaunderら1)の値を用いる。

μI⁼CD

ρ

_k²j^ε (3. :3)

「lalla----」 \、ill--/ノ U 一 Z 『 U二U + W 一 X へ UコU/Illt\ +

川「J川「U一

「 U 十 V一 Z 司 U 三 U

/tll11\

+ 2 \1Illl-ノ V 一 X へ U ミ C + U 一 y へ UミC

/f-'Ill--\

十、111111》FIll--ノ2 川「バり『UミU

/11111\

+ \1111ノV一 y 「 U一角U

/till--s\

+ 2 \Il--ノ U 一 X ( UコU/l||\ ft1111くlil--L ウノお「Ill1111llし

G

・K 一一 μ'

(:3. 4)

次に、作成したプログラムの概要について述べる口前述したいくつかの基礎式は、

有限体積法により離散化し、 SIMPLE(Semi-implicit Method for Pressure-linked

Equations)を用いて、圧力場と速度場を解く。今回作成したプログラムは、倦Lúîか

らのガス惨出の計算が可能であること、ガスと空気の混合気体の密度と浮力を与慮にいれることができることなど、主にガスが発生する場合に、従来のプログラムに比べて適用範囲が広く、高い精度で計算できることが特徴である。

27

(33)

表3・1 それぞれのφに対するfと S

や r _S

11 μ，+μI ^δF

t註

v μ，+μI ^δF

み

Mノ μ，+μf ^8p

ぷき

k μ， + _6__

Gk-ρε

σ k

ε μ，+どL ^ε ^E“

σ

ε ^C]Gk ^t-C2P�

表3・2 それぞれの方程式に対する定数

σ k

C D

O. 09 l. ⁹²

C]

1. ₄₄

σ

ι C守

l.0 l. 3

3 _• _{2 ・ 2} 境界条件

掘進切羽のように凹凸のある壁面の境界条件として、これをそのまま取り入れるのは困難であるため、近似的な取り扱いとして、凹凸のない滑らかな壁面と仮定する。次式の壁面から第1点目の速度Uは、香月らの方法2)にならってニュートン訟によって求める。

U 1 ム

ー="':"'ln(y十E )

U， K

(3. 5)

ここに、 y〆+=y川U叫り'1μ1/μV， l叫tへ1=

F刀戸p

^， y:壁面に隣接するセルの引計.算格子点

擦速度(m/九S)， τw 壁面せん断応力(kg/m・S2)， E=9.7， K二0.42である。

時面上の乱流エネルギ�kとその散逸率εはLaunderら1)によれば、それぞれ式(3. 6)、式(3. 7)から求められる。

/(

r :

^J翠

〆r一 ι

(3. 6)

28

(34)

3UT一。一一

ε

(3. 7)

I噴流の吹き出口における乱流エネルギ�kとその散逸率Eの値は流れが、 kの生成・散逸に関して等方的であると仮定し、 Launder1)らにならってそれぞれ式C1. 8) と式 (3. 9)より定める。

kin = O.005u (3. 8)

ε = c ，.... 竺ぶ.:.

… 】 O.03R (3. 9)

ここに、 Uin 吹き出し口の噴出速度 (m/s)， CD 0.09， R:噴流吹き出し口の半径: (m)である口

3 _• 2・3 培面噴流の計算精度の検証

計算の精度を調べるため、J�ajara tnamらにより報告されている無限平板上の円形噴流の実験結果3)と本研究で用いた計算方法による計算結果を比較する。

計算のモデルは図3・1に示すようであり、 10m/sの速度一様の噴流が吹き/1\寸11'.(

径O.5mの風管を、高さ6m、長さ20mの一端の底面に設置し、 !隔Bを6mと3mの2 種類に変えて壁面噴流の計算を行う。図3・2は、計算領域の幅Bを3mおよび6rn

に設定した場合の、吹き出し口から5.7mにおける風管傾IJの壁面に垂直な速度分布区|

であ_る_。縦軸は_{、噴流}軸を_通り_風管から_x 離れ_た断面における速度U^zをその_{断面}_の最大速度Umで除した無次元速度を表しており、横軸は、壁面からの距離zを、速度=

がUm/2となる点の壁面からの距離bで除したものである。

m

図3・1 計算精度の検証モデル 29

(35)

まず、幅Bが3mと6mの場合のに/らの値を見ると、両者はよく一致している、

また、これらの値はRajaratnumの値とも、 b/zくO. 4以外でよく一致していることがわかる。これらのことから、 B=3m， 6m に対する値は、無限平板の場合と同様に取

り扱うことができ、かっその精度は十分であると判断される4)5)。

1 .1

0.9

0.8

世時

、。〈

�

。Simulation(8=3m) o Simulation(8=6m) .R笥jaratnam

ト否。

，.... 0.7

::5 ^0.6 7ミ0.5

コ0.4 � ())・

与』一^。f冒

0.3 0.2 0.1 0

o 0.2 0.4 0.6 0.8 b/z

同 _F _η

�

1.2 1.4 1.6 1.8 2

図3・2 噴流の軸方向速度と壁面からの距離の関係

3 • 3 数値解析と実験との比較および考察

3 • 3・1 解析条件

掘進切羽における流れの数値解析の結果を検証するため、第2章で得られた実験結果と比較し検討を行った6)。解析条件を表3・3に、本解析モデルと計算領域の分割図の一例をそれぞれ図3・3および図3・4に示す。また本解析では、噴流の吹き出し口における速度分布は1/7乗則で与えられるものと仮定した7)心吹き山しI!の各セルの位置と風速の関係、は、それぞれ図3・5と表3・4にノ戸すようであるr なお 1/7乗則を解析的に積分して求められる単位時間当たりの吹き出し量の合計と、各セルに離散化した速度の吹き出し量の合計との問には若干の差があるため、前ィ号の吹き出し量の合計に合致するように、両者の吹き出し量の合計の差を各セルに均等

に分配して修正する。

30

(36)

L 4m

z Duct

y

/

ー一一一一一一一一一一一一一一一_ 1.

図3・3 計算モデル

図3・4計算領域の分割(y-z断面)

表3・3 解析条件

解析番号風管設置位置 1 L二 5m，天井中央， H=Om 2 L= 7m，天井中央， H=Om

3 _L=10m， _{天井中央，} _トI=Om

4 L= 7m，天井中央， H=O. 3m 5 L= 7m，天井隅

L: 風管距離

日: 天井と風管との間隔

31

図3・5 1/7乗則に基づく吹き出し速度の_設定

表3・4 風管吹出し円における各セルの設定速度セル番号各セルの吹き!-H

し速度(m/_s)

6..426

2 5. 931

3 4.857

4 _6.149

5 _5.483

6 5. 7_{1 6}

7 _4.281

8 4.857

X

(37)

3 . 3・2 解析結果と実験結果との比較

風管距離が5m， 7m， 10mの場合における計算結果と実測結果を、それぞれ図3・6

~図3・8に示す。これらの図において、幽(21)は数値解析により得られた中央鉛l在

断面の速度ベクトルである。また、図(b)， (c)は切羽面に平行な断面における速度 ( u) の等速度線図であり、それぞれ実測と解析により得られた結果である勺

まず、中央鉛直断面における速度ベクトルについて検討する円実測により得られた結果(前掲の図2・3) との比較から、いずれの風管距離においても、速度ベクト

ルは解析結果においてやや大きいが、噴流が切羽面に衝突し、反転して床面を流れ去る基本的な流れのパターンは一致していることがわかる。一例として吹き出し口から2m離れた天井近傍における両者の速度を比較すると、風管距離5mの場合で19弘、

7mで14%、 10mで日程度の違いが見られる口実験で得られた結果の方が小さい理III としては、吹き出し口から吹き出す噴流の乱れが関係しているものと考えられる。

すなわち、天井から吊り下げられている風管が剛体でなく、また完全に固定されていないため、風管が静止した円筒形とは見なされないことから、風管の中を通り抜ける空気が不安定となることが主な理由であると考えられる。

次に、切羽面に平行な断面の速度 (u) の分布について検討する。風管距離が5m の場合における数値解析の結果をみると、切羽面から離れるにしたがって、戻りの

流れが中央部で徐々に盛り上がる分布を示しており、実験結呆をよく再現している口同様の傾向は風管距離が7mの場合でも見られ、両者ともにその程度は実験においてより大きいことが認められる。これは壁面が滑らかであると仮定した数値解析に比べて、実験での壁面の抵抗が大きく、そのため壁面近傍の速度が減じているためと考えられる。また、いずれの風管距離の場合でも、風管に最も近い断面では、床面に近い部分において実測と解析の問でやや相違が生じているのが認められる。この理由としては、風管に近い断面では噴流に取り込まれる流れの影響により複雑な流れとなり、他の断面に比べて計算や測定の精度が低下するためであろうと考えられる白風管距離が10mの場合においても、切羽面に近い断面で両右の流れの傾向は良く一致していることが理解できる。

以上の考察によれば、いずれの風管距離においても、数値解析の方が全体を辿じて大きい速度を示すが、流れの分布の傾向は両者ともよく似ており、その一致の程度は切羽面に近いほど大きいD

次に、図3・9に示すような風管が天井の隅にある場合の実験と解析により件られた結果の比較と検討を行う。この結果において図(a)は数値解析により得られた風符近傍の鉛直断面(y=2.0m)の速度ベクトルであるのまた、凶(b)， (c)はちIJ羽l師にifi.行な断面における速度(u) の等速度線図であり、それぞれ実測と解析によりねられた結果である。図 3・9(a)に示す解析により得られた速度ベクトル|刻によれば、 ;た:測結果(前喝の図2・6(b) ) に比べて、切羽面近傍における速度はいくぶん大きいが、

堀進切羽における吹き出し通気の最適化に関する研 究

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