巷道型采場(chǎng)爆破粉塵質(zhì)量濃度分布及變化規(guī)律的數(shù)值模擬

蔣仲安，陳梅嶺, ，陳舉師

(1.北京科技大學(xué) 教育部金屬礦山高效開采與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.五礦安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司，安徽 六安，237400)

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，人口的劇增以及人類物質(zhì)生活水平的提高，社會(huì)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求越來越大。在礦產(chǎn)資源的地下開采過程中，爆破作業(yè)是不可缺少的工藝環(huán)節(jié)，爆破過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵，給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員身體健康和安全生產(chǎn)帶來了極大的威脅。爆破煙塵主要包括粉塵和有毒有害氣體，具有濃度高且不易排出的特點(diǎn)。爆破粉塵的來源可分為爆破準(zhǔn)備階段產(chǎn)生的粉塵、施爆階段產(chǎn)生的粉塵以及爆破后裝運(yùn)作業(yè)所產(chǎn)生的粉塵，其中施爆階段粉塵質(zhì)量濃度最高，危害也最大[1?4]。李樓鐵礦?200 m水平44號(hào)采場(chǎng)內(nèi)爆破作業(yè)時(shí)粉塵質(zhì)量濃度最高可達(dá)3 500 mg/m3，亟待采取有效的防塵降塵措施。因此，研究采場(chǎng)爆破作業(yè)時(shí)粉塵的運(yùn)移規(guī)律，掌握粉塵質(zhì)量濃度分布及變化特點(diǎn)，獲取通風(fēng)除塵設(shè)計(jì)的合理參數(shù)，探索降低采場(chǎng)爆破粉塵質(zhì)量濃度的控制技術(shù)，對(duì)于改善井下工人的作業(yè)環(huán)境、保障工人的身體健康具有十分重大的意義。

1 數(shù)學(xué)模型及控制方程的建立

1.1 氣固兩相流數(shù)學(xué)模型的建立

研究粉塵顆粒在氣流中的運(yùn)動(dòng)軌跡，掌握粉塵質(zhì)量濃度空間分布規(guī)律，本質(zhì)上屬于氣固兩相流的研究范疇。目前對(duì)氣固兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬有2種方法，一種是歐拉?歐拉法，也稱多相流法；另一種是歐拉?拉格朗日法，也稱顆粒軌道法。歐拉?拉格朗日法將氣體或液體看作背景流體，將另外一相看作離散分布于背景流體中的顆粒或粒子，用歐拉方法研究背景流體，用拉格朗日方法追蹤顆粒相的運(yùn)動(dòng)軌跡，目前應(yīng)用較多的離散相模型(DPM)本質(zhì)上屬于歐拉?拉格朗日法。

本文采用離散相模型(DPM)對(duì)巷道型采場(chǎng)爆破粉塵質(zhì)量濃度空間分布規(guī)律進(jìn)行模擬，首先采用SIMPLE算法計(jì)算連續(xù)相的流場(chǎng)速度、湍流動(dòng)能等參數(shù)；其次創(chuàng)建離散相噴射源，確定射流源的位置、尺寸、顆粒粒徑和初速度等；然后在拉格朗日坐標(biāo)下對(duì)顆粒群中的各個(gè)顆粒進(jìn)行軌道積分，在隨機(jī)軌道模型中，應(yīng)用隨機(jī)方法來考慮瞬時(shí)湍流速度對(duì)顆粒軌道的影響。

1.2 粉塵運(yùn)動(dòng)控制方程的建立

采場(chǎng)爆破粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)用拉格朗日法進(jìn)行求解。通過積分拉格朗日坐標(biāo)下顆粒作用力的微分方程來求解顆粒的軌道，在求解過程中，只考慮阻力和重力，其他作用力由于數(shù)量級(jí)很小可忽略不計(jì)，則顆粒相的作用力平衡方程為：

式中：t為顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)間；FD(u?up)為顆粒的單位質(zhì)量阻力；CD為阻力系數(shù)；u為流體相速度；up為顆粒運(yùn)動(dòng)速度；ρ為流體密度；ρp為顆粒密度；dp為顆粒直徑。

空氣流動(dòng)中顆粒的隨機(jī)軌道跟蹤通過確定氣流的瞬時(shí)速度來實(shí)現(xiàn)。在Fluent中采用隨機(jī)軌道模型來確定氣流的瞬時(shí)速度。顆粒軌跡控制方程為：

式中：τp為顆粒松弛時(shí)間。

考慮湍流對(duì)顆粒隨機(jī)性的影響時(shí)，氣流的瞬時(shí)速度可看作是平均速度與脈動(dòng)速度u′(t)之和，即：

細(xì)小顆粒在流動(dòng)區(qū)域中具有良好的跟蹤性，對(duì)于k?ε模型，顆粒的積分時(shí)間長(zhǎng)度可近似為氣流的拉格朗日積分時(shí)間長(zhǎng)度TL，即：

顆粒與流體的離散渦之間相互作用時(shí)，假定湍流渦團(tuán)中流體脈動(dòng)速度(u′)滿足高斯概率密度分布，則u′可表示為：

式中：ζ為服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)為當(dāng)?shù)孛}動(dòng)速度的均方根。

對(duì)于k?ε模型，假設(shè)當(dāng)?shù)赝牧鞲飨蛲?，則：

2 幾何模型的建立及求解

2.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

李樓鐵礦?200 m水平44號(hào)采場(chǎng)位于2號(hào)副井南側(cè)，與主要聯(lián)絡(luò)斜坡道毗鄰，工作斷面為三心拱，進(jìn)路寬度3.6 m，高度3.2 m，進(jìn)路內(nèi)中孔爆破位置風(fēng)速小于0.1 m/s，施工部位圍巖主要為閃長(zhǎng)巖，圍巖硬度f較大，f=10～12，巖體整體性好，局部為矽卡巖，巖石表面比較干燥，對(duì)粉塵捕捉能力較低。采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷斷面為三心拱，寬度為3.5 m，高度為3.2 m，聯(lián)絡(luò)巷斷面風(fēng)速為0.5 m/s，相對(duì)濕度為59.1%，溫度為23.9 ℃。

2.2 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

由于采場(chǎng)內(nèi)情況比較復(fù)雜，建模過程中完全復(fù)制采場(chǎng)比較困難，根據(jù)對(duì)李樓鐵礦?200 m水平44號(hào)采場(chǎng)相關(guān)尺寸的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，文中對(duì)巷道型采場(chǎng)爆破粉塵擴(kuò)散計(jì)算區(qū)間進(jìn)行如下假設(shè)：

(1) 將采場(chǎng)進(jìn)路及聯(lián)絡(luò)巷斷面視為標(biāo)準(zhǔn)三心拱，聯(lián)絡(luò)巷與采場(chǎng)進(jìn)路垂直相交；

(2) 聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)電纜電線、水管及壓風(fēng)管等設(shè)備由于尺寸較小，模型中不予考慮；

(3) 壓入式風(fēng)筒是采場(chǎng)內(nèi)通風(fēng)除塵設(shè)計(jì)的重要組成部分，應(yīng)完全考慮在內(nèi)；

(4) 采場(chǎng)爆破粉塵全部產(chǎn)生于施爆階段，暫不考慮爆破準(zhǔn)備階段及爆破后裝運(yùn)時(shí)產(chǎn)生的粉塵。

為了準(zhǔn)確地得到粉塵在采場(chǎng)內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律，計(jì)算中建立一個(gè)尺寸為10 m×3.6 m×2 m(長(zhǎng)×寬×高)的三心拱主體作為采場(chǎng)進(jìn)路計(jì)算區(qū)域，同時(shí)補(bǔ)充建立出連接采場(chǎng)進(jìn)路的上下風(fēng)向聯(lián)絡(luò)巷道，簡(jiǎn)化后使用GAMBIT 2.0建立巷道型采場(chǎng)三維幾何模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

2.3 邊界條件的設(shè)定及求解

根據(jù)李樓鐵礦?200 m水平44號(hào)采場(chǎng)的具體情況及相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型和FLUENT的數(shù)值模擬方法，并對(duì)區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)等調(diào)試，數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定如表 1所示[5?15]。

表1 計(jì)算模型參數(shù)Table 1 Defining calculation model parameters

圖1 巷道型采場(chǎng)三維幾何模型Fig.1 3D geometric model of roadway stope

3 數(shù)值模擬結(jié)果及對(duì)比分析

3.1 采場(chǎng)氣流流場(chǎng)分布規(guī)律

為研究采場(chǎng)內(nèi)氣流流場(chǎng)分布規(guī)律，分別在x，y，z方向上各截取至少1個(gè)平面，得出巷道型采場(chǎng)空間氣流流場(chǎng)分布情況。圖 2所示聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)速為 0.5 m/s時(shí)巷道型采場(chǎng)內(nèi)空間速度場(chǎng)分布。從圖2可以看出：

(1) 聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)風(fēng)速及風(fēng)向比較穩(wěn)定，采場(chǎng)進(jìn)路內(nèi)形成了比較明顯的漩渦流動(dòng)，且漩渦上游區(qū)域(右側(cè))風(fēng)速明顯高于漩渦下游區(qū)域(左側(cè))；

(2) 采場(chǎng)進(jìn)路隅角處通風(fēng)比較困難，左側(cè)隅角處通風(fēng)效果最差，基本形成了一個(gè)無風(fēng)區(qū)域；

(3) 在巷道斷面內(nèi)，由于巷道壁面的摩擦作用，壁面附近處風(fēng)速略低于巷道中心。

圖2 巷道型采場(chǎng)空間氣流流場(chǎng)分布Fig.2 Spatial air flow field distribution in roadway stope

3.2 采場(chǎng)爆破粉塵質(zhì)量濃度分布及變化規(guī)律

為研究爆破發(fā)生后粉塵在采場(chǎng)內(nèi)的濃度分布規(guī)律，取呼吸帶高度(Z=1.5 m)作為基準(zhǔn)平面，觀察該平面各個(gè)時(shí)間段的粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

圖3 巷道型采場(chǎng)呼吸帶高度斷面粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.3 Dust mass concentration distribution at breathing height of cross section in roadway stope

圖4 采場(chǎng)不同位置粉塵質(zhì)量濃度變化Fig.4 Dust mass concentration changing regularities in different position of stope

圖4所示為距工作面不同距離處巷道中央呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖3和4可以看出：

(1) 采場(chǎng)爆破發(fā)生后，在爆破沖擊波作用下，粉塵從工作面高速噴入采場(chǎng)內(nèi)；在漩渦流動(dòng)的作用下，粉塵逐漸向采場(chǎng)外方向擴(kuò)散；受距離工作面較近的回風(fēng)流的影響，進(jìn)路內(nèi)左側(cè)隅角處粉塵質(zhì)量濃度較高；

(2) 在采場(chǎng)進(jìn)路斷面方向，粉塵質(zhì)量濃度呈由左至右、由下至上降低的分布規(guī)律，這是由于漩渦上游風(fēng)速高于下游及粉塵顆粒的自身沉降作用所致。在進(jìn)路軸線方向，粉塵質(zhì)量濃度呈中間高，兩側(cè)低的分布態(tài)勢(shì)；

(3) 隨著時(shí)間的推移，進(jìn)路軸線上粉塵質(zhì)量濃度最大值逐步向采場(chǎng)外移動(dòng)，且數(shù)值逐步降低；采場(chǎng)內(nèi)粉塵在1 800 s內(nèi)基本全部排出，此時(shí)采場(chǎng)內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度保持在10 mg/m3以內(nèi)；

(4) 在距工作面1，2，3，5及10 m處，粉塵質(zhì)量濃度分別在20，30，40，70及100 s時(shí)達(dá)到最大值，分別為2 650，1 750，1 600，1 500和950 mg/m3。

3.3 捕捉壁面條件下粉塵質(zhì)量濃度變化規(guī)律

圖5所示為捕捉壁面條件下采場(chǎng)爆破后距工作面不同距離處粉塵質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律。比較圖4和圖5可以看出：捕捉壁面條件下采場(chǎng)內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律與反彈壁面相似，空間整體質(zhì)量濃度較之反彈壁面條件要低，且質(zhì)量濃度降低速率較快，采場(chǎng)內(nèi)粉塵在900 s內(nèi)基本全部排出。

3.4 不同風(fēng)速條件下粉塵質(zhì)量濃度變化規(guī)律

為了探究采場(chǎng)在不同供風(fēng)條件下粉塵質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律，保持其他參數(shù)不變，分別取聯(lián)絡(luò)巷入口風(fēng)速為0.5，1.0，2.0及4.0 m/s對(duì)采場(chǎng)爆破后粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律進(jìn)行模擬，并分別對(duì)聯(lián)絡(luò)巷回風(fēng)側(cè) 3 m處巷道中央呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖6所示為不同風(fēng)速條件下粉塵質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化規(guī)律。從圖6可以看出：

圖5 捕捉壁面條件下粉塵質(zhì)量濃度變化Fig.5 Dust mass concentration changing regularities under trap-wall condition

(1) 聯(lián)絡(luò)巷入口風(fēng)速越大，在進(jìn)路內(nèi)形成的漩渦流動(dòng)作用越強(qiáng)，粉塵整體質(zhì)量濃度越低，排出時(shí)間越短；

(2) 不同風(fēng)速條件下粉塵質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化規(guī)律基本一致，均為在某一時(shí)間點(diǎn)瞬間上升至最大值，然后隨時(shí)間推移緩慢降低；

(3) 當(dāng)風(fēng)速為0.5，1.0，2.0及4.0 m/s時(shí)，測(cè)點(diǎn)質(zhì)量濃度最大值分別為1 380，1 310，500及400 mg/m3，粉塵排出時(shí)間分別3 200，2 000，900及500 s；

圖6 不同風(fēng)速條件下粉塵質(zhì)量濃度變化Fig.6 Dust mass concentration changing regularities at different wind velocity

(4) 較大的風(fēng)速有利于粉塵顆粒的稀釋及排出，但同時(shí)也容易造成已沉降粉塵的二次飛揚(yáng)，綜合考慮粉塵質(zhì)量濃度與粉塵排出時(shí)間，可取聯(lián)絡(luò)巷入口風(fēng)速為2 m/s進(jìn)行通風(fēng)除塵設(shè)計(jì)。

3.5 壓入式通風(fēng)條件下粉塵質(zhì)量濃度變化規(guī)律

為加快采場(chǎng)爆破后粉塵排出速度，在聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)安裝壓入式局部通風(fēng)機(jī)，經(jīng)風(fēng)筒將新鮮風(fēng)流壓至工作面附近。圖7所示為壓入式通風(fēng)條件下采場(chǎng)進(jìn)路內(nèi)不同位置處粉塵質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化規(guī)律。從圖7可以看出：

(1) 壓入式通風(fēng)條件下粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律與未安裝通風(fēng)機(jī)時(shí)的相似，采場(chǎng)空間粉塵質(zhì)量濃度較之未安裝時(shí)有較大程度升高，粉塵排出時(shí)間大幅度降低；

(2) 采場(chǎng)空間粉塵質(zhì)量濃度最高可達(dá)16.5 g/m3，采場(chǎng)內(nèi)粉塵在160 s內(nèi)基本能全部排出；

(3) 壓入式通風(fēng)條件下不同位置處粉塵質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)時(shí)間相隔較短，在20 s附近達(dá)到最大值。

圖7 壓入式通風(fēng)條件下粉塵質(zhì)量濃度變化Fig.7 Dust mass concentration changing regularities under forced ventilation condition

3.6 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù) GBZ/T 192.1—2007《工作場(chǎng)所空氣中粉塵測(cè)定第1部分：總粉塵質(zhì)量濃度》以及相關(guān)文獻(xiàn)中的采樣點(diǎn)布置方法，在44號(hào)采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷回風(fēng)側(cè)3 m處布置測(cè)點(diǎn)，采用LD-5C型微電腦激光粉塵儀對(duì)采場(chǎng)爆破后粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比如圖8所示。從圖8可以看出：模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，粉塵質(zhì)量濃度分布及變化規(guī)律基本一致。但質(zhì)量濃度最大值發(fā)生點(diǎn)有所偏差，這是由于在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、模型建立及參數(shù)設(shè)置過程中均會(huì)出現(xiàn)一定誤差所造成的。通過對(duì)比分析，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，說明運(yùn)用離散相模型對(duì)巷道型采場(chǎng)爆破粉塵質(zhì)量濃度分布及變化規(guī)律進(jìn)行模擬是合適的。

圖8 粉末質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Fig.8 Comparison of dust mass concentration between field measurement and simulated model

4 結(jié)論

(1) 在采場(chǎng)進(jìn)路斷面方向，粉塵質(zhì)量濃度呈由左至右、由下至上降低的分布規(guī)律；在軸線方向，粉塵質(zhì)量濃度呈中間高，兩側(cè)低的分布態(tài)勢(shì)。隨著時(shí)間的推移，進(jìn)路軸線上粉塵質(zhì)量濃度最大值逐步向采場(chǎng)外移動(dòng)，且數(shù)值逐步降低。

(2) 捕捉壁面條件下采場(chǎng)內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律與反彈壁面相似，空間整體質(zhì)量濃度較之反彈壁面條件要低，且質(zhì)量濃度降低速率較快；因此采場(chǎng)內(nèi)可以通過加強(qiáng)壁面灑水等措施來加速粉塵的沉降。

(3) 聯(lián)絡(luò)巷入口風(fēng)速越大，在進(jìn)路內(nèi)形成的漩渦流動(dòng)作用越強(qiáng)，粉塵整體質(zhì)量濃度越低，排出時(shí)間越短。綜合考慮粉塵整體質(zhì)量濃度與粉塵排出時(shí)間，可取聯(lián)絡(luò)巷入口風(fēng)速為2 m/s進(jìn)行通風(fēng)除塵設(shè)計(jì)。

(4) 壓入式通風(fēng)條件下采場(chǎng)空間粉塵質(zhì)量濃度較之未安裝時(shí)有較大程度升高，粉塵排出時(shí)間大幅度降低。在工作面條件允許的情況下，可通過安裝壓入式通風(fēng)設(shè)備以加快爆破粉塵的排出。

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