扁平硐室粉塵運動規(guī)律的實驗研究

狄長江，王孝東，戴曉江，畢春杰，李凌峰，黃福順

（1. 昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2. 山西壺化集團，山西 長治 046000）

扁平硐室粉塵運動規(guī)律的實驗研究

狄長江1，王孝東1，戴曉江1，畢春杰1，李凌峰1，黃福順2

（1. 昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2. 山西壺化集團，山西 長治 046000）

為解決扁平硐室粉塵濃度高的問題，獲取通風除塵設計的合理參數(shù)，依據(jù)扁平硐室的通風機理，結(jié)合氣固兩相流的質(zhì)量和動量方程，建立了扁平硐室的實驗模型，并對粉塵的分布規(guī)律進行實驗研究。研究結(jié)果表明:硐室平均風速、硐室面壁的灑水范圍以及硐室的采場寬度是影響扁平硐室粉塵濃度分布的3個主要因素。在通風除塵設計中，最優(yōu)排塵風速以3 m/s最合適；對爆破點周圍0.45 m范圍內(nèi)的面壁進行灑水可以提高除塵效果；同時，當采場寬度大于0.85 m時，工作面風流很微弱，粉塵濃度上升為1 320 mg/m3。

扁平硐室；受限流條件；粉塵分布；影響因素；氣固兩相流

0 前 言

扁平型硐室采場是指采場高度與大巷高度一致，但采場的寬度卻比大巷的寬度大幾倍甚至十幾倍。利用房柱法開采薄礦體等就屬于這種類型［1］。扁平型硐室的風流由供風巷進入采場，形成一個體積逐漸擴大的主風流，其采場的粉塵不能被主風流直接帶出，而是由誘導風流逐漸轉(zhuǎn)換排出［2］。由于硐室型采場的風流排出比較緩慢，是地下礦井開采通風網(wǎng)絡中比較困難的區(qū)域［3］。對于地下開采的礦產(chǎn)資源，利用爆破開采是不可缺少的開采手段，而爆破過程中產(chǎn)生的大量粉塵則嚴重影響扁平型硐室采場的工作條件，危害一線員工的身體健康［4］。在開采通風過程中，由于通風布置不合理，會使爆破產(chǎn)生的高濃度炮煙和粉塵難以排出，影響地下開采的順利進行［5］。

目前，國內(nèi)外的很多專家學者對采場除塵進行了大量研究，一般通過加強通風排塵效果、增加噴霧灑水、密閉塵源等相關方式進行降塵除塵目標［6］。目前采用的這些方式只能在一定程度上降低粉塵濃度，由于現(xiàn)代化開采技術方式的不斷更新，利用原有方法進行降塵不能完全滿足國家相關行業(yè)的衛(wèi)生標準要求，急需在理論上和實踐上進行相關研究，得到降塵除塵更有效的方式［7］。

1 扁平型硐室采場的通風機理

由于采場入、排風口位置不同，使硐室中形成不同的射流形式，射流型式不同，對通風的進程有直接影響，所需風量也不同。對于不同類型的扁平硐室，采場正常工作下的所需風量，可按下列統(tǒng)一公式進行計算［8］。

式中 Q——硐室通風的風量，m3/s；

V——表示硐室空間體積，m3；

A——硐室中一次爆破的炸藥量，kg；

j——通風空間較大一側(cè)的硐室體積與硐室總體積之比。對稱射流型采場，j = 0.5；非對稱射流型采場，j = 0.5 ～ 1.0；半邊射流采場，j = 1.0；

K——紊擴散系數(shù)。

其中紊擴散系數(shù)K的計算如下：

式中 v1——扁平硐室主風流區(qū)；

v2——為回流區(qū)；

V——硐室空間。

其中根據(jù)扁平硐室的幾何特征，可以求得：

n——受限程度系數(shù)；

s——入風口到硐室某斷面的距離，m；

b0——入風口寬度的1/2，m；

a——射流的結(jié)構(gòu)參數(shù)；

s1m——自由擴張段的長度，m；

s2——受限擴張段長度，m。

2 氣固兩相流控制方程的建立

1） 質(zhì)量連續(xù)方程［9］

式中 ε——體積分數(shù)；

ρ——密度；

2） 動量方程

下標m≠n=f，s，即二者取不同相（如當取m=f時，則n=s ），f、s分別代表氣相、固相。

式中pf——流體壓力，Pa；

β——曳引力系數(shù)；

τm——粘性應力Pa；

τm——脈動應力，Pa；

3 實驗參數(shù)的測定方法及測點布置

3.1 實驗模型的建立

根據(jù)中國云南某礦山硐室采場的大小情況，對扁平型硐室采場粉塵運移計算區(qū)間進行適當簡化，依據(jù)相似原理構(gòu)建工作面巷道的實際模型，見圖1。

其中，入風巷道為三心拱寬0.26 m，高0.257 m，其中腰高0.169 m，拱高0.088 m，斷面積S0=1.072 m2；采場長度3.5 m，寬度1.176 m，高度0.294 m?，F(xiàn)場實測入風巷道中風速為0.6 m/s，壓強為101 kPa。

圖1 扁平型硐室采場三維幾何模型及測點布置

3.2 實驗參數(shù)測定方法

實驗所需測定的參數(shù)主要包括風速和粉塵質(zhì)量濃度。其中，風速的測定采用AM-4836型多功能風速儀，測定過程利用熱敏探頭正對風流方向，待風速儀顯示屏上數(shù)值穩(wěn)定后，讀取風速值。粉塵濃度利用LD-5C（L）型粉塵儀進行測定，在測得相關數(shù)據(jù)后及時清理儀器上的粉塵，降低測量誤差［10］。

3.3 實驗參數(shù)測點布置

根據(jù)硐室采場相似模型布置情況，在空間內(nèi)布置風速測點及粉塵濃度測點，每個測點均進行3次以上的數(shù)據(jù)測定，并取平均值進行比較分析，使測量值盡量接近于真實［11］。

1） 風速測點布置

根據(jù)扁平型硐室采場模型的幾何尺寸，結(jié)合紊流射流通風流場的理論基礎，在硐室模型內(nèi)部選取10個測試斷面，每個斷面布置4×3個風速測點對風速進行測定。各風速測點的具體布置如圖2所示。

圖2 風速測點布置示意

2） 粉塵濃度測點布置

在硐室采場模型內(nèi)部選取4個測試斷面，每個斷面布置4×3個粉塵濃度測點，測點布置參照風速測點布置圖。從硐室采場工作壁面方向開始，測試斷面上的測點距作業(yè)壁面的距離分別為0.05，0.3，0.55，0.8 m，每個斷面測點間距為0.6 m。相似實驗模型粉塵濃度的測點布置如圖3所示。

圖3 粉塵濃度測點布置

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 粉塵濃度分布

實驗過程中取進風風速為1.0 m/s對硐室模型空間粉塵濃度分布進行詳細測定，圖4為不同硐室斷面內(nèi)粉塵濃度最大值的沿程分布情況［12］。

圖4 不同采場斷面內(nèi)粉塵濃度的沿程變化

根據(jù)圖4所示，并結(jié)合圖3粉塵濃度測點布置示意圖可知：

1） 隨著粉塵從工作面位置向模型空間噴射出來，使得距出塵面最近測點的濃度值達到最大。隨后，粒徑較大的粉塵受重力作用影響，其下降速度明顯，容易被壁面和底面捕捉。而剩下的部分主要是呼吸性粉塵，徑粒分布較小，沉降速度較慢，能夠在模型內(nèi)飄移很長時間［17］。

2） Y = 1.45 m，Y = 2.05 m，Y = 2.65 m斷面上的粉塵在沿程范圍內(nèi)形成波浪式的運動軌跡，并且隨沿程的延長呈現(xiàn)出下降的趨勢；說明模型內(nèi)的粉塵受主風流和反向回流的轉(zhuǎn)換擴散作用而分成兩個部分，一部分粉塵由主風流排出，導致粉塵濃度下降；另一部分粉塵在模型內(nèi)循環(huán)流動，從而在不同斷面測點上出現(xiàn)高低起伏的粉塵濃度值。Y = 0.85 m斷面上的粉塵在沿程方向上出現(xiàn)緩慢的下降趨勢，由于此斷面處于硐室背風面的偶角部分，其風流很微弱，是整個硐室中排出粉塵最困難的區(qū)域。

4.2 不同參數(shù)條件下扁平硐室粉塵濃度分布

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查并查閱相關文獻資料可知，硐室平均風速和硐室采場的寬度是影響扁平硐室粉塵濃度分布的2個主要因素［13］。通過改變各粉塵影響因素的參數(shù)條件，對扁平硐室不同位置的粉塵濃度進行詳細測定并對比分析，研究各因素對粉塵濃度分布的影響規(guī)律。

4.2.1 不同平均風速下硐室的粉塵濃度分布

在硐室入風口的風速為1.5，2，2.5，3，3.5 m/s時，扁平硐室內(nèi)的平均風速分別為0.2，0.35，0.40，0.55，0.70 m/s。對在不同平均風速條件下扁平硐室的Z = 0.075 m與Y = 2.05 m平面交線上不同位置的粉塵濃度進行詳細測定，并對其變化趨勢整理，如圖5所示。

圖5 不同平均風速下硐室粉塵濃度的沿程變化

1） 隨著粉塵從工作面位置向模型空間噴射出來，使得距出塵面最近測點的濃度值達到最大。隨后，粒徑較大的粉塵顆粒在重力作用影響下降速度明顯，較容易被底面和壁面吸附。其余的部分則主要是呼吸性粉塵，徑粒相對較小，沉降速度較慢，能夠在實驗模型內(nèi)漂浮很長時間。

2） Y=1.45 m，Y=2.05 m，Y=2.65 m斷面上的粉塵在沿程范圍內(nèi)形成波浪式的運動軌跡，并且隨沿程的延長呈現(xiàn)出下降的趨勢；說明模型內(nèi)的粉塵受主風流和反向回流的轉(zhuǎn)換擴散作用而分成兩個部分，一部分粉塵由主風流排出，導致粉塵濃度下降；另一部分粉塵在模型內(nèi)循環(huán)流動，從而在不同斷面測點上出現(xiàn)高低起伏的粉塵濃度值。Y=0.85m面上的粉塵在沿程方向上出現(xiàn)緩慢的下降趨勢，由于此面處于硐室背風面的偶角部分，其風流很弱，是整個扁平硐室中除塵最困難的部分。

4.2.2 不同采場寬度條件下硐室的粉塵濃度分布

在金屬礦山地下開采中，隨著開采工作的不斷進行，工作面在不斷向前推進，扁平硐室的寬度也在不斷增加，風流到達工作面變得困難，給排塵工作帶來嚴重影響［14］。根據(jù)該金屬礦山的爆破參數(shù)，炮孔排距0.8 m，間距1.2 m，孔深為2 m，并結(jié)合實際成產(chǎn)能力，合理設定模型采場寬度Y分別為0.65，0.75，0.85，1，1.1 m，在其他開采條件不變的情況下，設置入風口風速為3 m/s，對不同采場寬度下扁平硐室的Z = 0.075 m與Y = 2.05 m平面交線上的粉塵濃度進行測定，并得到在不同位置的粉塵濃度［15］，如圖6所示。

圖6 不同采場寬度下硐室粉塵濃度沿程變化

從圖6可以得到以下幾個方面。

1）隨著入口風速變化時，硐室內(nèi)的粉塵濃度分布大體呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，但扁平硐室內(nèi)的風流受到反射分流的影響，在距離為0.2 m時，風速為1.5 m/s時粉塵濃度為1633 mg/m3小于2.0 m/s時的粉塵濃度1724 mg/m3。

2）扁平硐室的平均風速在0. 2～0. 55m/s范圍內(nèi)，風速越大，在Z=0.075 m與Y=2.05 m平面的交線上粉塵濃度越低。在距離工作面0.4 m處，由于此處在硐室背風面的偶角部分，其風流很微弱，是整個扁平型硐室中除塵最困難的部分，此處的粉塵濃度最大，當入風口風速為3 m/s時，粉塵濃度為2 680 mg/m3。

5 結(jié) 論

1）根據(jù)對建立的扁平硐室模型的對應點進行風流測定，得到的相關數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實際情況基本吻合，說明進行相似實驗具有可行性，模型的建立可用。

2）由于垂直于硐室工作壁面方向上的距離增加，硐室區(qū)域內(nèi)粉塵濃度規(guī)律在沿程范圍內(nèi)形成了波浪式的運動軌跡；在硐室背風面的偶角區(qū)域，存在一個小面積的流轉(zhuǎn)風流，其風流很小，基本接近為0.05 m/s，是整個采場中通風除塵最困難的區(qū)域。

3）扁平硐室的平均風速和硐室采場的寬度是影響扁平硐室粉塵濃度分布的兩個主要因素。相對較大的風速有利于扁平硐室的通風除塵，但如果風速過大超過一定限度會導致已經(jīng)沉降的粉塵在采場中重新漂浮，造成二次污染，實驗結(jié)果顯示3 m/s的風速除塵效果較好。隨著開采不斷向前推進，采場寬度大于0.85 m時，通風越來越困難，給硐室除塵帶來嚴重影響。

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Experimental Research on Dust M igration in Flat-type Chamber Stope under the Condition of M im ited Jet

DI Changjiang1，WANG Xiaodong1，DAI Xiaojiang1，BI Chunjie1，LI Lingfeng1，HUANG Fushun2
（1. Faculty of Land Resources Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming， Yunnan 650093， China； 2. Shanxi Huhua group， Changzhi， Shanxi 046000， China）

To solve the problem of high dust concentration of the fat chamber， fnd out the distribution of dust and obtain reasonable parameters to design the ventilation and dust removal system， the experimental model of flat chamber is build according to the ventilation mechanism of fat chamber， combined w ith the quality of the gas-solid two phase fow and the momentum equation. The results show that the chamber mean w ind velocity、water spraying range and w idth of the chamber stope are three main factors that affect the distribution of dust concentration in the fat chamber. In the design of ventilation and dust removal， the optimal dust exhausting w ind speed is 3 m/s； water spraying the face of the chamber w ithin 0.45 m of the blasting point can improve the effect of the dust removal； At the same time， when the w idth of the chamber stope is greater than 0.85 m， the dissolute of the working face is very weak， the dust concentration increased to 1 320 mg/m3.

Flat chamber； Restricted fow conditions； Distribution of dust； Infuencing factor； Gas-solid two phase fow

TF122

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.051

2016-07-18

中國博士后科學基金項目（2015M582779XB）

狄長江（1991-），男，陜西渭南人，碩士研究生，研究方向：礦業(yè)工程，手機：15587099316，E-mail：455791183@qq.com；通信作者：王孝東（1977-），男，云南華寧縣人，博士后，博士后研究人員，研究方向：礦井通風安全工程，數(shù)字化礦山，手機：18860794416；E-mail：angiaoongwxd@163.com.