礦山粉塵分布及擴(kuò)散規(guī)律研究進(jìn)展

馬旭峰，任小花，崔兆杰（.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司，遼寧鞍山4000；.濰坊科技學(xué)院，山東壽光6700；.山東大學(xué)，山東濟(jì)南5000）；

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礦山粉塵分布及擴(kuò)散規(guī)律研究進(jìn)展

馬旭峰1，任小花2，崔兆杰3
（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司，遼寧鞍山114000；2.濰坊科技學(xué)院，山東壽光262700；3.山東大學(xué)，山東濟(jì)南250100）；

摘要：對(duì)采礦粉塵分布及擴(kuò)散規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，研究表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，但是模擬可以給出更加詳盡的粉塵濃度、分布和擴(kuò)散規(guī)律數(shù)據(jù)，為有針對(duì)性地采取防塵措施、選擇除塵技術(shù)提供科學(xué)的理論依據(jù)，并對(duì)今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：粉塵；分布規(guī)律；擴(kuò)散規(guī)律；數(shù)值模擬

目前，許多生產(chǎn)活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生粉塵，尤其是礦山開采。我國(guó)大部分礦山已進(jìn)入露天凹陷開采階段，鉆眼、爆破、裝載、運(yùn)輸和堆場(chǎng)等環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生大量粉塵。礦山開采粉塵具有產(chǎn)塵量大、濃度高、范圍廣和危害大等特點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，礦山開采產(chǎn)生的粉塵粒徑小于10 μm占90%，粒徑小于5 μm的占86.3%[1]。研究表明，礦山開采職工長(zhǎng)期吸入粒徑小于5 μm的粉塵，尤其是粒徑小于2.5 μm的粉塵，會(huì)對(duì)職工身體產(chǎn)生嚴(yán)重危害[2]。這些微細(xì)粉塵一般都含有重金屬和致病菌，進(jìn)入人體后，會(huì)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、肺、心臟、血管等器官造成損害[3]。魏復(fù)盛等[4]研究了粉塵對(duì)人體呼吸系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明，粉塵粒徑小于10 μm，尤其是小于2.5 μm的占比越高，人體呼吸系統(tǒng)的發(fā)病率越高，小于2.5 μm粉塵的影響尤為顯著。Guo等人[5]的研究表明，粒徑小于2.5 μm的粉塵對(duì)心血管的危害要大于粒徑小于10 μm的粉塵。

可見(jiàn)，礦山防塵降塵勢(shì)在必行，而掌握粉塵的分布規(guī)律和擴(kuò)散規(guī)律對(duì)制定有效的防塵降塵措施具有重大意義。綜述了礦山粉塵分布和擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究成果，以期為開發(fā)有效防塵降塵技術(shù)提供理論支撐和科學(xué)依據(jù)。

1　　粉塵分布及擴(kuò)散規(guī)律

1.1粉塵分布及擴(kuò)散規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

人類很早就意識(shí)到粉塵的危害，國(guó)外研究學(xué)者對(duì)其分布規(guī)律研究開展較早。Hodkinson[6]進(jìn)行了風(fēng)巷中粉塵的彌散實(shí)驗(yàn)，得到了粉塵濃度沿風(fēng)向的變化曲線。Courtney等人[7]研究了呼吸性粉塵在巷道中的沉降規(guī)律，得到了巷道斷面呈中心對(duì)稱時(shí)粉塵沿程濃度分布的表達(dá)式。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)粉塵的分布和擴(kuò)散規(guī)律也進(jìn)行了詳細(xì)的研究，特別是1980年以來(lái)，人們對(duì)粉塵的危害有了更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，對(duì)粉塵的分布和擴(kuò)散規(guī)律研究也更加深入。徐景德等人[8]對(duì)粉塵運(yùn)移和濃度分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，風(fēng)速和塵源是決定粉塵分布的關(guān)鍵影響因素，得到了不同風(fēng)速下粉塵濃度沿距離的變化規(guī)律。劉榮華等人[9]研究了綜采工作面采煤機(jī)工作時(shí)粉塵在工作面的分布，結(jié)果表明，工作面風(fēng)速越小，粉塵的擴(kuò)散角越大。聶百勝等人[10]采用粉塵濃度測(cè)量?jī)x對(duì)山西晉城某煤礦綜采工作面進(jìn)風(fēng)巷、輔助回風(fēng)巷、主回風(fēng)巷3條巷道和工作面的全塵、PM10和PM2.5粉塵進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，3條巷道全塵、PM10和PM2.5粉塵的分布規(guī)律不同，工作面的PM2.5粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)。

可以看出，目前粉塵分布和擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)研究主要針對(duì)煤礦開采，對(duì)鐵礦開采粉塵的分布和擴(kuò)散研究較少。

1.2粉塵分布及擴(kuò)散規(guī)律的模擬研究

現(xiàn)階段研究認(rèn)為，粉塵粒子在氣體中的運(yùn)動(dòng)一般是由兩種簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)組合而成，一種是水平運(yùn)動(dòng)，一種是重力沉降運(yùn)動(dòng)，但其具體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)很復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)研究很難解釋清楚，因此，眾多研究學(xué)者轉(zhuǎn)向粉塵擴(kuò)散的模擬研究。

潘大勇[11]通過(guò)分析巷道中風(fēng)流和粉塵的特征，運(yùn)用氣固兩相流理論，在滑移-擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)上，建立了掘進(jìn)工作面粉塵分布和擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模型模擬，得到了粉塵濃度的模擬分布規(guī)律，研究表明，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果有很好的一致性，均相對(duì)誤差小于13.6%。王海橋等人[12]采用模擬軟件對(duì)巷道射流通風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行了CFD模擬研究，建立了紊流κ-ε數(shù)學(xué)模型，模擬結(jié)果表明，受限貼附射流起始段小于貼附自由射流起始段，射流完全貼附后，射流壁面軸心速度大于出風(fēng)口軸心速度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果較好。李月清[13]對(duì)粉塵在不同氣流中的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究，建立了靜態(tài)流、層流、湍流等狀態(tài)下的粉塵擴(kuò)散方程。馬云東等人[14]對(duì)單個(gè)粉塵的受力進(jìn)行分析，建立了粉塵顆粒的一般性運(yùn)動(dòng)方程，然后采用Lagrange法建立了湍流狀態(tài)下粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，最后采用Monte Carlo方法模擬了粉塵的擴(kuò)散軌跡，該研究成果對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵的抑塵具有參考價(jià)值。廖賢鑫等人[15]采用Fluent軟件對(duì)西石門鐵礦南二采區(qū)爆破后粉塵分布及擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，采場(chǎng)爆破后很快產(chǎn)生大量粉塵且濃度較高，粉塵的擴(kuò)散受風(fēng)流流場(chǎng)影響比較明顯，PM10沉降需較長(zhǎng)時(shí)間。劉毅等人[16]對(duì)唐山礦綜采工作面粉塵濃度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬，結(jié)果表明，模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相一致，說(shuō)明數(shù)值模擬可行。牛偉[17]和崔兆華[18]以綜放工作面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用Fluent軟件對(duì)粉塵濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，給出了工作面粉塵的分布和擴(kuò)散規(guī)律，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合，可以認(rèn)為，從空間模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分，到計(jì)算模型選擇和參數(shù)設(shè)置，再到計(jì)算機(jī)模擬，結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性，可為現(xiàn)場(chǎng)防塵抑塵提供依據(jù)。

以上研究主要限于二維數(shù)值模擬，具有一定的局限性，因此，有些研究者嘗試開展了粉塵分布和擴(kuò)散規(guī)律的三維數(shù)值模擬研究。

周剛等人[19]采用數(shù)值模擬對(duì)綜放工作面粉塵濃度的三維分布規(guī)律進(jìn)行了研究，建立了求解粉塵濃度空間分布規(guī)律的氣相湍流-顆粒相湍流雙流體封閉方程組的數(shù)學(xué)建模。楊勝來(lái)[20]通過(guò)分析綜采工作面流場(chǎng)及粉塵分布特點(diǎn)，提出了運(yùn)用氣-粒兩相流理論建立描述綜采工作面粉塵分布的數(shù)學(xué)模型，首先采用有限容積法求解微分方程組，建立和導(dǎo)出離散化方程，求解方程得到未知變量在空間的分布，然后采用SIMPL[21]算法編寫計(jì)算綜采工作面三維空間內(nèi)風(fēng)速和粉塵濃度的大型計(jì)算機(jī)程序，最后采用該程序模擬了綜采工作面粉塵的三維兩相紊流流動(dòng)，該程序還可以在任何給定條件下預(yù)報(bào)綜采工作面空間的粉塵分布。

2　　結(jié)論與展望

綜述了煤礦、鐵礦等工作面粉塵分布和擴(kuò)散規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，但是模擬可以給出更加詳盡的粉塵濃度、分布數(shù)據(jù)，可以彌補(bǔ)單一現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法預(yù)見(jiàn)性較弱的缺陷，有針對(duì)性地采取防塵措施，有效地降低工作面的粉塵濃度，為除塵提供科學(xué)的理論依據(jù)。

將比較成熟的采煤工作面粉塵分布和擴(kuò)散的數(shù)值模擬方法應(yīng)用于其他礦種粉塵的分布和擴(kuò)散研究，是未來(lái)研究方向之一；如何將數(shù)值模擬結(jié)果更好地用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)防塵除塵也是一個(gè)研究方向。

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中圖分類號(hào)：X75;TD714

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-0912（2016）01-0028-03

收稿日期（2015－06－03）

作者簡(jiǎn)介：馬旭峰（1960-），男，遼寧鞍山人，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：礦山開采技術(shù)和粉塵治理技術(shù)等。

Research progress on distribution and diffusion regularities of mine dust

MA Xufeng1,REN Xiaohua2,CUI Zhaojie3
（1.Ansteel Mining,Anshan 114000,China；2.Weifang University of Science and Technology,Shouguang 262700,China；3.Shandong University,Jinan 250100,China）

Abstract:The recent progress and achievements in the experiments and numerical simulations of mine dust distribution and diffusion are reviewed in this paper.The study shows that the experiment results are generally consistent with the simulation results.However,the simulations obtain the more detailed data of dust concentration, distribution and diffusion,which could provide scientific theoretical basis for taking effective dust prevention measures and selecting dust removal technologies.Additionally,the future development trends are prospected.

Keywords:dust;distribution;diffusion;numerical simulation