高海拔礦山掘進(jìn)面長壓短抽式通風(fēng)粉塵分布數(shù)值模擬

龔 劍 胡乃聯(lián) 林榮漢 崔 翔

(金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

高海拔礦山掘進(jìn)面長壓短抽式通風(fēng)粉塵分布數(shù)值模擬

龔 劍 胡乃聯(lián) 林榮漢 崔 翔

(金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

為了研究高海拔礦山的粉塵污染難題，以西藏自治區(qū)某銅多金屬礦為工程背景，通過對比試驗的方法確定高海拔礦山粉塵顆粒的主要粒徑分布范圍；根據(jù)氣固兩相流理論，運用FLUENT軟件對長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)的效率、最佳壓入風(fēng)量以及最優(yōu)抽吸比進(jìn)行數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場測試結(jié)果對比分析。研究結(jié)果表明：長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)在1 200 s時基本排出全部粉塵，壓入風(fēng)量取150 m3/min，抽吸比取0.9最為合適，同時數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際變化規(guī)律基本一致，除塵效率達(dá)到90%以上，此時巷道內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度保持在0.5 mg/m3以內(nèi)。

高海拔礦山 掘進(jìn)巷道 長壓短抽 粉塵分布 數(shù)值模擬

掘進(jìn)工作面是井下作業(yè)最大的產(chǎn)塵源之一，在鉆孔、爆破及裝巖過程中都會產(chǎn)生大量粉塵；同時由于獨頭巷道通風(fēng)距離長，通風(fēng)條件差，致使粉塵濃度高且不易排出[1]。大量囤積于掘進(jìn)巷道內(nèi)，高濃度的粉塵對安全生產(chǎn)及人體健康構(gòu)成極大威脅，往往會導(dǎo)致塵肺病的發(fā)生[2-4]。對各工種塵肺病患病率調(diào)查的數(shù)據(jù)顯示掘進(jìn)工人塵肺病患病率最高[5]，因此掘進(jìn)巷道的粉塵污染需要予以重視。而對于高海拔礦山來說，由于具備極強的環(huán)境特殊性，其低氧低壓的氣候條件已造成設(shè)備及工人的大幅降效，對人體健康造成慢性傷害，高海拔礦山掘進(jìn)工人若長時間在缺氧且布滿粉塵的空氣狀況下工作，患上職業(yè)病的概率會大幅增加，對身體會造成不可逆的危害。因此，高海拔礦山掘進(jìn)工人的健康面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，研究高海拔礦山掘進(jìn)巷道的粉塵分布規(guī)律及變化特點，掌握通風(fēng)除塵設(shè)計的方法及參數(shù)，探索粉塵濃度的控制技術(shù)，對于改善井下作業(yè)環(huán)境和減少工人健康威脅具有十分重要的意義?；诖耍狙芯恳晕鞑刈灾螀^(qū)某銅多金屬礦為工程背景，通過對比試驗的方法得出高海拔礦山的粉塵分布特性，并根據(jù)氣固兩相流理論建立出掘進(jìn)巷道內(nèi)采用長壓短抽通風(fēng)時粉塵運移規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，模擬出粉塵的運動軌跡與濃度變化規(guī)律，并將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比，驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，為高海拔礦山的粉塵治理提供依據(jù)。

1 粉塵對比試驗

1.1 工程背景

西藏自治區(qū)某銅多金屬礦采用斜坡道開拓，傾角為8°，總長800 m，巷道斷面為三心拱，寬4.2 m，高3.7 m，其中4 470 m中段存在大量的掘進(jìn)斷面，風(fēng)流受阻，導(dǎo)致通風(fēng)不暢，粉塵不能及時有效排出；同時礦石與廢石的提升運輸采用礦車來實現(xiàn)，礦車發(fā)動機為柴油驅(qū)動，需要耗費大量的氧氣，由于氧氣供應(yīng)不足，致使尾氣的排放量成倍增加，由此帶來的直接危害就是空氣中細(xì)顆粒物濃度的增大。因此，一方面4 470 m中段掘進(jìn)工作面由于獨頭巷道通風(fēng)不暢而導(dǎo)致粉塵分布集中，另一方面尾氣的大量排放致使粉塵濃度明顯增大，二者的共同作用導(dǎo)致掘進(jìn)巷道粉塵污染十分嚴(yán)重。

1.2 粉塵對比

為了研究高海拔礦山的粉塵特性，選取三山島金礦作為對比礦山進(jìn)行對比試驗。三山島金礦大氣壓力與氧氣含量均為標(biāo)準(zhǔn)值，可以與巨大的海拔高差與高海拔氣候條件形成強烈對比效應(yīng)。選取某一相似掘進(jìn)巷道，采用多通道激光塵埃粒子計數(shù)器按照同樣的測量方法對測點進(jìn)行相同的編號，在掘進(jìn)斷面爆破一段時間后進(jìn)行粉塵濃度測量，可得到如圖1所示的粉塵濃度對比數(shù)據(jù)。

圖1 粉塵濃度對比數(shù)據(jù)

由圖1可以看出，隨著與掘進(jìn)斷面距離的增大，粉塵總體上均呈逐漸降低的趨勢。通常情況下，將粒徑大于10 μm的粉塵顆粒稱為細(xì)塵，小于10 μm的粉塵顆粒稱為微塵，粒徑越小，對人體危害性越大。測量數(shù)據(jù)顯示高海拔礦山的粉塵污染構(gòu)成中微塵濃度遠(yuǎn)大于細(xì)塵濃度，平原礦山與之相反，細(xì)塵濃度大于微塵濃度。高海拔礦山的細(xì)塵濃度較小，而平原礦山的細(xì)塵濃度要遠(yuǎn)大于高海拔礦山的細(xì)塵濃度，也大于同等條件下產(chǎn)生的微塵濃度，因此細(xì)塵是平原礦山在爆破后的主要粉塵來源，微塵是高海拔礦山粉塵產(chǎn)生的主要來源，二者的主要差異在于粉塵產(chǎn)生的粒徑不同。由于高海拔礦山井下缺氧十分嚴(yán)重，導(dǎo)致掘進(jìn)斷面處的氧氣供給量嚴(yán)重不足，炸藥的不完全爆破以及燃油的不完全消耗使得微塵的濃度急劇增加。而平原地區(qū)供氧充足，炸藥與燃油的氧化作用充分，掘進(jìn)斷面在爆破后只會使微塵濃度小幅度增加。因此，高海拔礦山最主要的粉塵污染為粒徑小于10 μm的微塵顆粒，可直接導(dǎo)致塵肺病。為了降低微塵對職工的危害性，根據(jù)高海拔礦山掘進(jìn)巷道通風(fēng)方式的特點，選取長壓短抽通風(fēng)方式進(jìn)行除塵效果的數(shù)值模擬。

2 幾何模型的建立及參數(shù)設(shè)定

2.1 力學(xué)控制方程

粉塵在空氣中的運動規(guī)律可運用氣固兩相流理論進(jìn)行研究，通常采用歐拉-拉格朗日法將氣體看作背景流體，將粉塵看作離散分布于空氣中的顆粒，運用氣體流動控制方程組，采用三維不可壓非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型求解[6-8]，方程組可表示為

事實上，一般情況下，慎眾，主要還是難在不敢做自己，怕落個不合群、不識相或假清高、假正經(jīng)之類的名聲，因而討人嫌、招人恨，說到底還是修養(yǎng)不到，私心雜念在作怪。元人王冕，不從權(quán)貴，不隨世俗，窮隱村野，唯抱貞心，其《墨梅題圖詩》云：“吾家洗硯池頭樹，朵朵花開淡墨痕。不要人夸顏色好，只留清氣滿乾坤?！?/p>

(1)

(2)

式中，GK為湍動能變率；k為湍動能，m2/s2；ε為湍動能耗散率，m2/s2；μ為層流黏性系數(shù)，Pa·s；μt為湍流黏性系數(shù)，Pa·s；ρ為氣體密度，kg/m3；ui為流體在X方向上的速度，m/s；C1ε、C2ε、σk和σε為常數(shù)，分別取1.44、1.92、0.09、1.0和1.3。

粉塵的運動軌跡與受力狀況運用拉格朗日法進(jìn)行求解，在拉格朗日坐標(biāo)系下對顆粒受力的微分方程積分，由于其他作用力可忽略不計，故只考慮重力及氣體阻力，得到化簡后的粉塵顆粒平衡方程為

(3)

式中，d為粉塵粒徑，mm；ρp為粉塵密度，kg/m3；ρg為氣體密度，kg/m3；Cd為氣體阻力系數(shù)；vg為氣體運動速度，m/s；vp為粉塵運動速度，m/s；g為加速度。

2.2 幾何模型的建立

由于4 470 m掘進(jìn)巷道現(xiàn)場情況較為復(fù)雜，若將所有因素全部考慮，不利于模型的建立與網(wǎng)格的劃分，需要對掘進(jìn)巷道粉塵分布計算域做出以下假設(shè)：①掘進(jìn)巷道內(nèi)電纜電線等雜物由于對粉塵沉降影響不大，模型中不予考慮；② 掘進(jìn)巷道為標(biāo)準(zhǔn)三心拱巷道，巷道斷面始終保持一致；③長壓短抽式風(fēng)筒是巷道內(nèi)通風(fēng)除塵的重要組成部分，建模中考慮在內(nèi)；④掘進(jìn)斷面爆破粉塵全部產(chǎn)生于爆破階段，不考慮起爆前及爆破后裝運時產(chǎn)生的二次揚塵；⑤掘進(jìn)巷道模型內(nèi)只考慮動量傳輸，忽略熱傳導(dǎo)。

基于上述假設(shè)，根據(jù)4 470 m掘進(jìn)巷道的實際情況對其內(nèi)部幾何條件合理簡化，使用GAMBIT建立出掘進(jìn)巷道的幾何模型并劃分網(wǎng)格，掘進(jìn)巷道尺寸為50 m×4.2 m×3.7 m，頂部為三心拱構(gòu)造，風(fēng)筒直徑均為0.5 m，風(fēng)筒中心距地面2.3 m，壓風(fēng)風(fēng)筒出口距離掘進(jìn)面12 m，出風(fēng)風(fēng)筒吸風(fēng)口距離掘進(jìn)面5 m，如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)巷道三維幾何模型

2.3 邊界條件

根據(jù)4 470 m掘進(jìn)巷道的實際情況以及相應(yīng)實測數(shù)據(jù)，將幾何模型導(dǎo)入FLUENT中設(shè)置求解類型與邊界條件等參數(shù)[9-15]。需要說明的是，由粉塵對比試驗得出高海拔礦山主要的粉塵污染為粒徑小于10 μm的微塵顆粒，因此設(shè)定的顆粒直徑應(yīng)不大于10 μm，參數(shù)設(shè)定如表1所示。

3 模擬結(jié)果及分析

經(jīng)過迭代計算，以呼吸帶高度(1.5 m)為基準(zhǔn)面，長壓短抽式通風(fēng)條件下各時間段的粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律如圖3所示。圖4為掘進(jìn)巷道不同位置的呼吸帶高度處粉塵質(zhì)量濃度隨時間的變化關(guān)系。

從圖3與圖4可以看出：

(1)由于爆破沖擊波的作用，掘進(jìn)斷面在爆破瞬間產(chǎn)生大量粉塵，高速噴入巷道并向外擴散，掘進(jìn)斷面附近逐漸聚集大量高濃度粉塵。在射流作用下，粉塵緩慢向進(jìn)路內(nèi)左側(cè)隅角處移動，并由回流帶出巷道。

(2)在掘進(jìn)巷道進(jìn)路斷面方向，由于粉塵顆粒自身的沉降作用以及風(fēng)流的漩渦運動，粉塵質(zhì)量濃度呈現(xiàn)由右至左，由上至下升高的分布規(guī)律。

表1 計算模型參數(shù)設(shè)定

(3)隨著時間的推移，巷道進(jìn)路軸線上粉塵質(zhì)量濃度最大值逐步向出口移動，且數(shù)值總體呈逐步降低趨勢，在距離掘進(jìn)面不同截面處的粉塵質(zhì)量濃度都是迅速上升到最高濃度，然后隨時間推移緩慢降低。在距掘進(jìn)面1，20，30，40及50 m處，粉塵質(zhì)量濃度分別在60，110，270，400及560 s時達(dá)到最大值。

(4)60～600 s時間內(nèi)，巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度降幅較大，而600～1 200 s則下降緩慢。巷道內(nèi)的粉塵在1 200 s時基本全部排出，此時巷道內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度保持在0.5 mg/m3以內(nèi)。

3.2 不同壓入風(fēng)量對粉塵運移的影響

為了研究掘進(jìn)巷道在不同風(fēng)量條件下粉塵質(zhì)量濃度隨時間的變化規(guī)律，在其他參數(shù)保持不變的條件下，壓入風(fēng)量分別取100、150、200和250 m3/min對爆破后的粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行模擬，在通風(fēng)時間為300 s時呼吸帶高度水平截面上粉塵質(zhì)量濃度分布云圖如圖5所示。由圖5可以看出：①在壓入風(fēng)量大于抽出風(fēng)量的客觀條件下，不同壓入風(fēng)量條件下粉塵運動規(guī)律基本一致，均在上升為最大值后緩慢減少；②隨著壓入風(fēng)量的增大，巷道中的風(fēng)速變快，粉塵從掘進(jìn)面向外沿程傳播的距離更大，空間分布更分散，因此粉塵質(zhì)量濃度也更低；③由于粉塵粒徑偏小，沉降效果并不明顯，而當(dāng)風(fēng)量為200和250 m3/min時，巷道內(nèi)粉塵形成二次飛揚，當(dāng)風(fēng)量為100 m3/min時，排塵時間過長。因此，綜合考慮粉塵濃度與排塵時長，當(dāng)壓入風(fēng)量為150 m3/min時，不僅保持粉塵濃度較低，且排塵效果較好。

圖3 各時間段粉塵質(zhì)量濃度變化規(guī)律

圖4 巷道不同位置粉塵質(zhì)量濃度變化

圖5 不同風(fēng)量條件下粉塵質(zhì)量濃度變化

3.3 不同抽吸比對粉塵運移的影響

保持其他參數(shù)不變，設(shè)置抽吸比分別為0.5、0.7、0.9、1.1和1.3，在通風(fēng)時間為300 s時呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度的變化分布如圖6所示。由圖6可以看出：①在壓風(fēng)量一定的條件下，隨著抽吸比的增大，巷道中粉塵濃度隨之減小，抽吸比大于1時，粉塵質(zhì)量濃度明顯下降，而抽吸比小于1時，0.9抽吸比的排塵效果優(yōu)于抽吸比為0.7和0.5；②由于高海拔礦山的特殊條件，考慮到巷道內(nèi)氧氣含量以及大氣壓力等問題，抽吸比不能大于1，否則極易形成缺氧負(fù)壓區(qū)。綜合考慮選取抽吸比為0.9，既可滿足采場的環(huán)境要求，也能取得較好的降塵效果。

圖6 不同抽吸比粉塵質(zhì)量濃度變化

4 現(xiàn)場試驗結(jié)果

將通風(fēng)除塵系統(tǒng)按要求布置完畢，取壓入風(fēng)量為150 m3/min、抽吸比為0.9，按照圖1所示同樣距離的測點，采用多通道激光塵埃粒子計數(shù)器對掘進(jìn)巷道應(yīng)用長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)前后的粉塵質(zhì)量濃度測量并對比，每個測點進(jìn)行3次測量并取平均值，得到的數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 應(yīng)用通風(fēng)除塵系統(tǒng)前后粉塵濃度對比

由圖7可以看出，應(yīng)用通風(fēng)除塵系統(tǒng)后，掘進(jìn)巷道粉塵質(zhì)量濃度最大值為1.6 mg/m3，最小值僅為0.5 mg/m3，與應(yīng)用通風(fēng)除塵系統(tǒng)前相比，除塵效率最高達(dá)到91.5%，最小值也在83%以上，粉塵質(zhì)量濃度得到了大幅降低，說明長壓短抽通風(fēng)方式能很好地改善掘進(jìn)面粉塵質(zhì)量濃度高的問題。同時將圖3的數(shù)值模擬結(jié)果與圖7的實測結(jié)果比較，可以看出數(shù)值模擬的粉塵質(zhì)量濃度變化規(guī)律基本上與實測數(shù)據(jù)變化規(guī)律相符，粉塵質(zhì)量濃度均保持在0.5 mg/m3左右，因此驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

(1)通過粉塵對比試驗得出了平原地區(qū)的粉塵粒徑以大于10 μm的細(xì)塵顆粒為主，而高海拔礦山粉塵的主要污染源為粒徑小于10 μm的微塵顆粒，更小粒徑的粉塵具有更大的危害性，因此高海拔礦山的粉塵污染更為嚴(yán)重。

(2)長壓短抽式通風(fēng)除塵系統(tǒng)在掘進(jìn)巷道進(jìn)路斷面方向時，粉塵質(zhì)量濃度呈現(xiàn)由右至左，由上至下升高的分布規(guī)律，在距離掘進(jìn)面不同截面處的粉塵質(zhì)量濃度都是先升高后降低，粉塵在1 200 s時基本全部排出，此時巷道內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度保持在0.5 mg/m3以內(nèi)。

(3)長壓短抽式通風(fēng)除塵系統(tǒng)的壓入風(fēng)量取150 m3/min較為合適，風(fēng)量過大會形成二次揚塵，風(fēng)量過小會延長排塵時間，而由于高海拔礦山的特殊條件，將除塵系統(tǒng)的抽吸比取為0.9，既可滿足環(huán)境要求，也能取得較好的降塵效果。

(4)長壓短抽式通風(fēng)除塵系統(tǒng)的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際變化規(guī)律基本一致，說明該除塵系統(tǒng)可以改善高海拔礦山的作業(yè)環(huán)境，使粉塵濃度大幅降低，同時也驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，因此可將數(shù)值模擬的結(jié)果作為理論依據(jù)參考。

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(責(zé)任編輯 石海林)

NumericalSimulationofDustDistributionwithFar-pressing-near-absorptionVentilationinanExcavationRoadwayofHigh-altitudeMine

Gong Jian Hu Nailian Lin Ronghan Cui Xiang

(StateKeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducation，Beijing100083，China)

In order to study the issue of severe dust pollution in high-altitude mine,and taking a poly-metallic ore in Tibet autonomous region as the engineering background,the comparative experiments were carried out to identify the main particle size distribution in high-altitude mine and the theory of gas-solid two-phase flow was used to make numerical simulation on the efficiency of far-pressing-near-absorption(FPNA) ventilation,the best volume of pressed wind and the optimal ratio of absorption air volume to pressed air volume with FLUENT software.The simulation results were contrasted with the on-site tests.The results indicated that the dust was almost ejected at 1 200 s with FPNA system.The best volume of pressed wind was 150 m3/min and the optimal suction ratio was 0.9.Meanwhile,the simulation results were basically consistent with the on-site data with the dust collection efficiency of more than 90%.At this time,the dust mass concentration in the excavation roadway was maintained within 0.5 mg/m3.

High-altitude mine,Excavation roadway,Far-pressing-near-absorption(FPNA),Dust distribution,Numerical simulation

2014-09-30

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB01B04)，長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(編號：IRT0950)。

龔 劍(1987—)，男，博士研究生。

TD 714

A

1001-1250(2014)-12-203-06