超長巷道炮掘時粉塵分布規(guī)律研究

賀光會

(山西晉城煤業(yè)集團寺河礦)

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超長巷道炮掘時粉塵分布規(guī)律研究

賀光會

(山西晉城煤業(yè)集團寺河礦)

為確定長距離爆破掘進工作面粉塵運移規(guī)律，以指導(dǎo)防塵系統(tǒng)設(shè)計，依托某礦1100掘進工作面，建立1∶1幾何模型進行CFD模擬，測算空氣流場和粉塵運動邊界條件。根據(jù)湍流模型適用性和空氣流場分布特征，優(yōu)選RNGk-ε湍流模型模擬1100掘進工作面空氣流場，算得空間內(nèi)粉塵體積分數(shù)小于10 %，因此選用離散相模型模擬爆破空間粉塵非穩(wěn)態(tài)運動。最終獲得距掘進面60 m范圍內(nèi)粉塵擴散、粒徑沉降和濃度時間變化規(guī)律：粉塵濃度沿垂向分布有明顯分界，濃度隨垂高在0.5～4 m遞增而降低，粉塵濃度沿縱向先升高而后降低；粒徑為10 μm以下粉塵均勻分布于空間，沉降量沿縱向呈“減少—增高—減少—增高”趨勢，10～200 μm粉塵則呈“減少—增高—減少”趨勢，15～200 μm粉塵幾乎完全沉降；爆破后5 min內(nèi)粉塵濃度急劇下降，5～50 min粉塵濃度下降緩慢，高濃度區(qū)長時間停留在距工作面40 m之內(nèi)，不沿巷道運移；距工作面10～20 m形成的空氣渦流區(qū)是影響粉塵擴散、沉降和濃度變化的重要因素。爆破期間在距工作面20，25 m處，分別采用AKFC-92A采樣器和CCHZ-1000全自動粉塵測量儀監(jiān)測粉塵濃度，實測值與模擬值基本相符，模擬結(jié)果可靠。

長距離掘進 爆破 粉塵運移 數(shù)值模擬

礦山開拓中爆破掘進是主要手段之一。爆破作業(yè)時產(chǎn)生的粉塵是井下作業(yè)的主要塵毒來源，粉塵長時間滯留在空氣中，嚴重污染作業(yè)環(huán)境。特別是在工作面附近的一段巷道，爆破瞬間產(chǎn)生的大量粉塵在風(fēng)筒射流作用下運動狀態(tài)相當復(fù)雜。為有針對性的采取防塵措施，改造通風(fēng)系統(tǒng)，改善作業(yè)環(huán)境，有必要了解這一過程粉塵顆粒擴散、粉塵粒徑沉降和粉塵濃度的時間變化規(guī)律。

目前對爆破過程中粉塵運動規(guī)律的研究主要有廖賢鑫、蔣仲安[1-3]，李鋒等[4]利用fluent分析了采場爆破后粉塵及有害氣體的擴散行為。鄭炳旭等[5]提出了利用正態(tài)分布無邊界式粉塵擴散模式預(yù)測粉塵濃度的方法，可對爆破過程粉塵的擴散進行數(shù)值預(yù)測，并給出了爆破產(chǎn)塵量及爆破產(chǎn)生煙云體積的計算方法。許秦坤等[6]認為爆破產(chǎn)塵粒度、產(chǎn)塵濃度與爆破對象和爆破工藝有關(guān)。王繼峰[7]給出了爆破空間千克炸藥需風(fēng)量的計算方法。李懷宇[8]分析了露天礦爆破初期粒子行為，基于“粒子法”建立了粉塵運動的數(shù)學(xué)模型，對爆破粉塵的初期運動行為進行了模擬計算。孫佳等[9]針對露天爆破粉塵的運動行為，提出了粒子系統(tǒng)概念，將爆破產(chǎn)塵過程分為3個時期，針對各個時期粉塵行為特點建立了相應(yīng)模型算法，并進行了實時模擬。以上對爆破產(chǎn)塵運移規(guī)律的研究多是針對采場和處于自由空間的露天礦山，且沒有考慮粒子的空間分布狀態(tài)。本文將基于有限空間的掘進作業(yè)面，系統(tǒng)、全面模擬分析爆破產(chǎn)塵濃度擴散及濃度時間變化規(guī)律，同時分析不同粒徑粉塵的空間分布及沉降狀態(tài)，能夠更好地反映出爆破過程粉塵的運移規(guī)律，為防塵系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 巷道布局及通風(fēng)情況

該礦區(qū)中1100斜坡道的巷道布置如圖1所示，巷道掘進方式為巖巷爆破掘進，局部通風(fēng)系統(tǒng)采用2×37 kW的局部通風(fēng)機送風(fēng)，其中一臺向工作面送風(fēng)，另一臺向鄰近硐室送風(fēng)，供風(fēng)參數(shù)如表1。

圖1 1100斜坡道巷道布置

風(fēng)筒出口位置平均風(fēng)速/(m/s)面積/m2風(fēng)量/(m3/s)合計風(fēng)量/(m3/min)工作面2.330.18840.4396硐室2.370.13250.314045.216

2 湍流模型選擇與幾何模型建立

2.1 湍流模型選擇

結(jié)合1100斜坡道掘進工作面氣流旋轉(zhuǎn)運動的特點，綜合考慮計算精度和求解效率因素，通過對比分析各種湍流模型的特點及適用性，決定采用RNGk-ε湍流模型對基本控制方程進行封閉，在標準k-ε湍流模型的基礎(chǔ)上，增加ε方程約束。

通過修改湍流黏度，充分考慮了平均流動中的旋流及旋轉(zhuǎn)流動，能更好地處理高應(yīng)變率及軌跡彎曲較大的流動，輸運方程[10]為

k方程

(1)

ε方程：

(2)

2.2 爆破參數(shù)計算與多相流模型選擇

爆破空間的粒子運動屬于多相流運動，目前針對多相流運動的模擬fluent中提出的數(shù)值模型主要有基于歐拉-拉格朗日法的DPM模型，以及基于歐拉-歐拉法的VOF模型、Mixture模型和Eulerian模型3種模型[11]。通常情況下，當粒子的體積分數(shù)超過10%時，宜用歐拉-歐拉法對粒子云狀態(tài)進行追蹤；當粒子的體積分數(shù)小于10%時，采用歐拉-拉格朗日法對粒子運動進行追蹤。為了選擇適當?shù)亩嘞嗔髂Ｐ陀糜?100斜坡道爆破工作面粉塵運動狀態(tài)數(shù)值模擬，對相關(guān)參數(shù)計算如下[5]。

2.2.1 爆破參數(shù)計算與多相流模型確定

(1)爆破煙云量計算。

(3)

式中，A為周邊構(gòu)件爆破的炸藥量，將掏槽眼、輔助眼、周邊眼以及底眼所用炸藥量累計,得到本次爆破所用炸藥量為46.35 kg；Vs為爆破開巖生成的煙云量，m3。

(2)單位體積結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的粉塵量。

qb=149(ak1)2k2=241.84g/m3，

(4)

式中，a為結(jié)構(gòu)物單位炸藥消耗量，取3次爆破平均值1.30 kg/m3；k1、k2分別為結(jié)構(gòu)物炸藥能量利用系數(shù)、材料產(chǎn)塵系數(shù)，對于地下巖體，k1、k2分別取0.98，1.0。

(3)根據(jù)本次爆破炸藥消耗量和結(jié)構(gòu)物單位炸藥消耗量,確定爆破結(jié)構(gòu)體積為

(5)

(4)爆破直接破碎建筑物粉塵

Qb=qbvb=8 621.60g.

(6)

(5)爆破初期塵源粉塵濃度

(7)

(6)粉塵粒子的初始速度

(8)

式中，S為斷面積，取20.66 m2；τ為粉塵噴射時間，取2 s。

(7)粉塵質(zhì)量流率計算

Qm=cvS=4.314kg/s.

(9)

(8)炮煙流量

Qy=Sv=797.48m3/s.

(10)

(9)粉塵流量

Qc=Qm/ρc=0.001 598m3/s,

(11)

式中，ρc為爆破巖體密度，kg/m3。

(10)爆破產(chǎn)生粉塵體積分數(shù)

(12)

可見，爆破產(chǎn)生粉塵的體積分數(shù)小于10%，故應(yīng)采用DPM模型進行計算。

2.2.2 顆粒運動方程

對于粉塵顆粒通過積分作用力微分方程得出運動軌道，由于運動過程中視質(zhì)量力、升力及熱泳力相對于重力和曳力數(shù)量級較小，可忽略不計。因此在笛卡爾坐標系下，顆粒作用力平衡方程[12]為

(13)

(14)

式中，u為氣流速度，m/s；up為顆粒運動速度，m/s；gx為重力加速度，m/s2；ρp為顆粒密度，kg/m3；FD(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量曳力;CD為曳力系數(shù)；dp為顆粒直徑，m。

通過確定氣流的瞬時速度來跟蹤顆粒的隨機軌道，可以考慮顆粒的湍流擴散，顆粒軌道控制方程為

(15)

2.3 幾何模型建立

在對巷道沿程風(fēng)速測定過程中發(fā)現(xiàn)，距工作面45 m之后巷道風(fēng)速基本保持不變，且由于作業(yè)強度主要密集在工作面附近，因此選取60 m巷道進行CFD模擬分析即可滿足需要。模型巷道尺寸為：寬5.1 m，高4.6 m，半圓拱形，坡度為8.1°。風(fēng)筒距工作面距離21.8 m，由于到達風(fēng)筒出口風(fēng)量小，風(fēng)筒口發(fā)生變形，直徑近似為420 mm。風(fēng)筒中心距右?guī)? m，距底板4.3 m。在距工作面25 m處有一硐室，硐室長21 m，寬4.6 m，高4.4 m。硐室配有直徑約490 mm風(fēng)筒，風(fēng)筒中心距右?guī)?.5 m，距底板4.3 m，據(jù)此建立幾何模型(圖2)，爆破作業(yè)面在X=0處。

圖2 1100斜坡道工作面幾何模型

3 爆破粉塵運移CFD模擬分析

3.1 DPM模型條件指定

根據(jù)2.2得到的參數(shù)和2.3節(jié)建立的模型，結(jié)合1100斜坡道爆破工作面實際條件，對用于粉塵運動模擬的DPM模型條件設(shè)置如表2所示。

3.2 爆破粉塵擴散規(guī)律分析

為得到粉塵在巷道空間內(nèi)垂直方向及縱向的擴

散情況，分別在爆破后第30和第50 min對巷道內(nèi)的粉塵濃度分布情況進行模擬，得到粉塵濃度分布曲線如圖3、圖5所示，粉塵濃度分布云圖如圖4、圖6所示。

從圖3可以看出，隨著垂直高度在0～0.5 m遞增，粉塵濃度遞減，且垂高為0.5 m處濃度最高，距地表4 m處濃度最低，垂直方向上不同高度處粉塵濃度有明顯分界，這是因為大顆粒粉塵自重較大，不易隨氣流浮動，只在較低的水平內(nèi)運動；而呼吸性粉塵受風(fēng)流擾動作用強烈，均勻分布于空間中，因此巷道頂部粉塵濃度較低。如圖4，沿巷道縱向60 m范圍內(nèi)，隨著距離工作面加大，粉塵濃度先升高而后降低；粉塵濃度升高段距工作面10～20 m，屬于風(fēng)筒射流形成渦流控制區(qū)域，風(fēng)流變化劇烈使得粉塵難以沉降，距離工作面40 m后粉塵濃度明顯降低，并維持在較為均勻的水平。

從圖5、圖6可以看出，爆破50 min后粉塵在垂直方向分布、沿程分布與30 min基本一致，但整體濃度有所下降，這表明爆破掘進過程中，雖然空間內(nèi)粉塵濃度隨時間延長逐漸降低，巷道空間內(nèi)粉塵濃度的擴散規(guī)律保持不變。對比圖3和圖5、圖4和圖6可知，爆破后30和50 min，距工作面10～20 m粉塵濃度始終為整個空間的最高區(qū)域，沒有明顯擴散趨勢。

表2 離散相模型主要參數(shù)

3.3 爆破粉塵粒徑沉降規(guī)律分析

以往在對粉塵沉降規(guī)律的模擬上，多以顆粒軌跡形式來表述顆粒沉降狀態(tài)[11-12]，對于存在旋轉(zhuǎn)渦流的流場，顆粒軌跡混亂，無法清楚的表述顆粒的空間分布和沉降狀態(tài)。本文采用點顆粒的形式對粉塵的空間分布及沉降進行追蹤，在爆破50 min后以顆粒形式顯示不同粒徑粉塵在空間的分布狀態(tài)。由于前期試驗發(fā)現(xiàn)粒徑為90 μm以上粉塵沉降數(shù)量較少，因此將粒徑為90～200 μm的顆粒用中間徑145 μm來統(tǒng)一表示。經(jīng)模擬得到顆粒空間分布狀態(tài)如圖7～圖9所示。

圖3 30 min不同高度處粉塵濃度分布

圖4 30 min粉塵沿程濃度分布(X方向)

圖5 50 min不同高度處粉塵濃度分布

圖6 50 min粉塵沿程濃度分布(X方向)

圖7 粒徑為145 μm (90～200 μm) 粉塵空間分布狀態(tài)

圖8 粒徑為10～90 μm粉塵空間分布狀態(tài)

如圖7，粒徑為90～200 μm的粉塵沒有在空間內(nèi)浮動，幾乎完全沉降，在風(fēng)筒底部約距工作面10～20 m處沉降量相對較少。如圖8，粒徑為10～90 μm粉塵中粒徑為15 μm以下的粉塵，長時間懸浮于距離工作面40 m以內(nèi)空間(該段空氣流場變化較為劇烈)，40 m以后則基本沉降；粒徑在15 μm以上的粉塵幾乎完全沉降。總體來看，在這一粒徑區(qū)間的粉塵沉降量大于懸浮量。如圖9，粒徑在10 μm以下的粉塵均勻分布于沿程空間各點，沉降數(shù)量及空間分布數(shù)量均較多，可見小顆粒粉塵受氣流干擾劇烈，易隨空氣飄動。這些微細粉塵大范圍、長時間懸浮于空氣中，且懸浮高度均達到了呼吸帶高度，給人體造成巨大危害，因此應(yīng)加強小顆粒粉塵抑制措施。

圖9 粒徑為10 μm以下粉塵空間分布狀態(tài)

為了更清楚地分析顆粒的沉降狀態(tài)，將空間內(nèi)的粉塵粒徑等級按<10 μm、10～30 μm、30～50 μm、50～70 μm、70～90 μm、90～200 μm(以145 μm代表)劃分，并對距工作面60 m范圍內(nèi)不同等級顆粒的沉降數(shù)量進行統(tǒng)計。

如圖10所示。距離工作面60 m范圍內(nèi)，粒徑在10 μm以下的粉塵沿程沉降數(shù)量最多。沉降量總體在距工作面10 m以內(nèi)，10～20 m，20～40 m，40 m 之后4個區(qū)間內(nèi)對應(yīng)呈“減少—增高—減少—增高”的趨勢。對于粒徑為10～30 μm，30～50 μm，50～70 μm，70～90 μm，90～200 μm的粉塵沉降量總體在距工作面20 m以內(nèi)，20～25 m，25 m之后3個區(qū)間內(nèi)對應(yīng)呈“減少—增高—減少”的趨勢，且在距工作面25 m以后，粉塵沉降量基本呈線性下降。在15～20 m段，10～200 μm粉塵沉降量較少，是因為該段正處于風(fēng)筒射流形成的漩渦附近，渦流效應(yīng)造成二次揚塵，使得漩渦附近粉塵沉降量減少。

3.4 爆破粉塵濃度時間變化規(guī)律分析

爆破過程粉塵的運動是一個非穩(wěn)態(tài)過程，經(jīng)模擬得出爆破后1～50 min的粉塵濃度變化如圖11所示。從圖11中可以看出，在爆破t=1 min后，距工作面60 m之內(nèi)的掘進空間粉塵濃度較高，基本在200 mg/m3以上；40 m之后粉塵濃度相對較低，沿程巷道各點粉塵濃度隨著距工作面距離增加呈逐漸下降的趨勢。1～5 min粉塵濃度急劇下降，在距離工作面10～20 m空間粉塵濃度相對較高。

圖10 不同粒徑粉塵縱向沉降規(guī)律

爆破后5～50 min，巷道沿程粉塵濃度隨時間延長降低趨勢較爆破初期相對減弱，距離工作面40 m以后粉塵濃度長時間維持在相對較低的標準，明顯低于距工作面40 m以內(nèi)區(qū)域，并基本不再變化。巷道10～20 m粉塵濃度則仍維持在相對較高水平。

由此分析，爆破初期在瞬間拋射動力作用下，粉塵短時間充滿整個掘進空間，使得初期粉塵濃度偏高。在1～5 min，大顆粒粉塵由于自重作用迅速沉降，使得這一時間段內(nèi)粉塵濃度迅速降低。相反，小顆粒粉塵由于易隨空氣運動則長時間懸浮，因此5 min之后粉塵濃度呈緩慢下降的趨勢。在爆破掘進粉塵濃度隨時間變化的整個過程中，由于風(fēng)筒出口附近形成了渦流卷吸控制區(qū)，使得粉塵運動紊亂、劇烈，不易沉降。在距工作面10～20 m粉塵濃度長時間維持在較高的標準。高濃度區(qū)域沒有沿著巷道擴散運移的趨勢，長時間停留在距 工作面40 m之內(nèi)?？梢姡F(xiàn)有的通風(fēng)條件下，在爆破之后較長時間內(nèi)，粉塵濃度仍維持在較高水準，需通過提高作業(yè)面供風(fēng)量或采用輔助降塵措施來控制粉塵。

圖11 粉塵濃度分布隨時間變化

圖12為距工作面20及25 m處粉塵濃度隨時間變化的模擬結(jié)果，為了驗證模擬結(jié)果的可靠性，在充分防護前提下距工作面20，25 m 處分別用AKFC-92A采樣器、CCHZ-1000全自動粉塵測定儀測量粉塵濃度。放炮時間為11∶36，20 m處測點開始測量時間為11∶44，25 m處測點開始測量時間為11∶48，以后每隔若干時間測量一次，測量結(jié)果如表3所示。

由此可見，對于距工作面20 m及25 m處粉塵濃度的模擬結(jié)果與實測得到的粉塵濃度變化規(guī)律基本相符，可以認定數(shù)值模擬得出的結(jié)論可靠。

4 結(jié) 論

(1)粉塵擴散規(guī)律。粉塵濃度隨地表垂高距離增高而降低，并有明顯分界，距地表0.5 m處粉塵濃度最高， 4 m處粉塵濃度最低。沿巷道縱向，粉塵濃度先升高而后降低，升高段距工作面10～20 m，高濃度區(qū)域沒有明顯擴散趨勢。

圖12 20 m、25 m處粉塵濃度隨時間變化

(2)粉塵粒徑沉降規(guī)律。粒徑為10 μm以下粉塵均勻分布于空間，沉降量沿縱向呈“減少—增高—減少—增高”趨勢，10～200 μm粉塵則呈“減少—增高—減少”趨勢，粒徑為10～15 μm粉塵長時間懸浮于距離工作面40 m以內(nèi)空間，40 m以后則基本沉降，15～200 μm粉塵幾乎完全沉降。

(3)粉塵濃度時間變化規(guī)律。在爆破后1～5 min，大顆粒粉塵迅速沉降，使得粉塵濃度急劇下降，5 min之后粉塵濃度緩慢下降。距工作面10～20 m粉塵濃度長時間維持在較高的標準，在距工作面20，25 m處粉塵濃度的模擬結(jié)果與實測變化規(guī)律基本相符。

表3 20，25 m處粉塵濃度時間變化實測值

(4)距掘進面10～20 m形成的空氣渦旋是粉塵擴散、粒徑沉降和濃度時間變化規(guī)律發(fā)生突變的重要影響因素，這一區(qū)間粒徑為10～200 μm沉降量偏少，粉塵濃度長時間較高，因此應(yīng)在此處加強噴霧降塵強度或利用除塵風(fēng)機進行抽吸，亦或通過改變風(fēng)筒的布置方式，調(diào)整空氣流場分布，以避免空氣渦流場出現(xiàn)。

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Dust Distribution Law of Super-long Roadway in the Process of Digging and Blasting

He Guanghui

(Sihe Coal Mine,Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group)

In order to analyze the dust migration laws and guide the design of dust control system in long-distance blasting excavation roadway,based on the 1100 excavation face in a metal mine,a 1∶1 geometric model is established to conduct the CFD simulation,to analyze the air flow field and boundary conditions.According to the model applicability and the air flow field distribution characteristics,the RNG k-ε turbulence model is selected to simulate the air flow field in 1100 excavation working face,the simulation results show the dust volume fraction in the blasting space is low than 10%,which determines that using the discrete phase model to simulate the dust unsteady movement in the blasting space is suitable.The dust diffusion law,dust sedimentation law and dust concentration changing law are obtained in the scope of 0～60 m nearby the excavation face.The results show that the dust concentration decreases when the height increases from 0.5 to 4 m,and the dust concentration distribution has a obvious demarcation in the vertical direction,along the roadway,the dust concentration firstly increases and then decreases.The dust particle with the diameters under 10 μm is evenly distributed in the space,and the sedimentation quantity shows a trend of "decrease-increase-decrease-increase" along the roadway,while for the dust particles with diameters of 10～200 μm,the sedimentation quantity shows a trend of "decrease-increase-decrease".Dust particles with diameters of 15～200 μm almost completely settle.In the early blasting operation within 5 min,the dust concentration along the roadway sharply decreased,and gently decreases with 5～50 min.The high concentration area stays within 0～40 m and dose not migrate along the roadway.The migration laws show that 10～20 m is the air dust jet vortex area which strongly affects dust diffusion,sedimentation and concentration variation.In order to investigate the precision of the simulation results,during the blasting period,the AKFC-92A Dust Sampler and the CCHZ-1000 Automatic dust detector are set up at 20 m and 25 m to detect the dust concentration.The actual measurement values are basically consistent with the simulation values,which indicates the simulation results is reliable.

Long-distance roadway,Blasting,Dust migration,Numerical simulation

2016-06-26)

賀光會(1975—)，男，工程師，048205 山西省晉城市。