壓入式通風(fēng)條件下巷道斷面形狀對獨(dú)頭巷道氡濃度影響研究

劉 欣 袁艷平 鄧志輝 曹曉玲 孫亮亮

壓入式通風(fēng)條件下巷道斷面形狀對獨(dú)頭巷道氡濃度影響研究

劉 欣 袁艷平 鄧志輝 曹曉玲 孫亮亮

（西南交通大學(xué) 成都 610031）

對某獨(dú)頭巷道排氡通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，探究了壓入式通風(fēng)條件下不同巷道斷面形狀對獨(dú)頭巷道氡濃度水平和分布規(guī)律的影響，結(jié)果表明：各斷面形狀巷道下濃度均滿足壓入式通風(fēng)下濃度分布規(guī)律，但濃度向外擴(kuò)散方式由于巷道斷面形狀不同而各異；氡容易在巷道斷面形狀中具有尖銳拐角的地方積聚；半圓拱形巷道通風(fēng)排氡效果最好，不規(guī)則形效果最差，不規(guī)則形斷面的巷道在工作面區(qū)域和整體區(qū)域的氡濃度要比半圓拱形高出30%-40%。

壓入式通風(fēng)；獨(dú)頭巷道；巷道截面形狀；氡；數(shù)值模擬

0 引言

氡是一種氣態(tài)的天然放射性元素，無色無味，化學(xué)性質(zhì)極不活潑。經(jīng)過較長時間或者大劑量的輻射，能使肺部細(xì)胞因受到電離刺激而發(fā)生癌變，從而導(dǎo)致肺癌[1]。據(jù)調(diào)查，氡氣污染在肺癌誘因中僅次于吸煙，排在第2位?？諝庵械碾奔s有77%來自大地氡的釋放[2]。氡主要從巖石、土壤和建材析出，而土壤和巖石正是礦井的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，氡很容易從地下和巖壁釋放到空氣中，從而危害到井下工作人員的身體健康。獨(dú)頭巷道由于只有一個出口，井下的有毒氣體和粉塵很容易聚集，而且在煤礦的掘進(jìn)過程中，由于巖體的破碎，掘進(jìn)工作面還會有大量的氡析出，獨(dú)頭巷道中氡污染相較于其他巷道更為嚴(yán)重。就目前而言，加強(qiáng)井下通風(fēng)換氣仍然是控制礦井下氡氣最理想的手段[3]。獨(dú)頭掘進(jìn)巷道的通風(fēng)方式主要有壓入式、抽出式和壓抽混合式三種，壓入式由于控制簡單、成本較低等原因而被廣泛使用。

國內(nèi)一些學(xué)者已經(jīng)對影響?yīng)氼^巷道污染物濃度分布規(guī)律的一些因素進(jìn)行了一系列研究。高建良等[4]研究了風(fēng)筒出口位置對瓦斯分布的影響，發(fā)現(xiàn)出口離掘進(jìn)迎頭越近，瓦斯量越少；朱紅青[5]等人利用數(shù)值模擬手段研究了大斷面掘進(jìn)工作面壓入式通風(fēng)風(fēng)筒的最佳安設(shè)高度，結(jié)果表明大斷面掘進(jìn)工作面壓入風(fēng)筒最佳安裝高度為3m；王春霞等[6]研究了送風(fēng)風(fēng)速對掘進(jìn)巷道內(nèi)瓦斯和粉塵分布規(guī)律的影響，提出風(fēng)筒風(fēng)速不宜過大也不宜過小，應(yīng)該控制在26m/s左右，可以達(dá)到最好的通風(fēng)效果；這些學(xué)者研究對象只局限于瓦斯、粉塵和炮煙，而對危害較大、物理性質(zhì)與瓦斯、粉塵等迥異卻又容易被忽視的氡的分布規(guī)律并未進(jìn)行研究。

對于獨(dú)頭巷道內(nèi)氡濃度水平的研究國內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者開始關(guān)注。Perrier[7]等建立了隧道空間換氣次數(shù)對氡及子體濃度影響的數(shù)學(xué)模型；El-Fawal[8]等根據(jù)建立的風(fēng)量、風(fēng)壓與氡及子體的聯(lián)合解算模型，對巷道和工作面區(qū)域內(nèi)的氡及子體濃度進(jìn)行了預(yù)測；葉勇軍等[9,10]研究了壓入式通風(fēng)獨(dú)頭巷道內(nèi)氡及其子體濃度的計(jì)算模型和分布規(guī)律，提出氡及氡子體濃度會隨著巖壁析出率和風(fēng)流流動距離的增大而增大，隨通風(fēng)量增大而減少；張宇軒[11]推導(dǎo)出了壓入式通風(fēng)下獨(dú)頭巷道的最小排氡及排氡子體風(fēng)量的計(jì)算公式，并分析了濃度分布規(guī)律。但是他們的研究只停留在了理論推導(dǎo)和模擬演算，將獨(dú)頭巷道簡化為二維結(jié)構(gòu)，無法得到具體的濃度分布情況，并且他們只針對一種斷面形狀的巷道進(jìn)行了研究，對于其他斷面形狀下氡濃度分布的不同并未進(jìn)行探究。不同斷面形狀的巷道在使用通風(fēng)手段對巷道內(nèi)的氡進(jìn)行稀釋和排除時，空間內(nèi)的流場分布也不同，自然在排氡通風(fēng)效果上也產(chǎn)生了差異，目前對于巷道斷面形狀對獨(dú)頭巷道氡濃度分布影響的研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道，為此有必要進(jìn)行研究。本文以壓入式作為通風(fēng)方式，建立多種斷面形狀的巷道模型，探究不同斷面形狀的巷道在壓入式通風(fēng)時的氡濃度水平和分布規(guī)律。

1 物理模型

我國巷道常用的斷面形狀是梯形和直墻拱形（如半圓拱形、圓弧拱形、三心拱形，簡稱拱形），其次是矩形，只有在某些特定的巖層或者地壓情況下，才會選用不規(guī)則形（如半梯形）、封閉拱形、橢圓開或者圓形。幾種常見的斷面形狀如圖1所示。

圖1 常見巷道斷面形狀

巷道斷面面積的大小決定了巷道開挖土方量的多少，即決定了巷道開挖的成本大小，同時也為了保證通風(fēng)空間的體積一定，在建立多種形狀的巷道模型時需保證巷道截面面積大小一致。選一個25m長的巷道作為研究對象，斷面面積為5m，采用壓入式進(jìn)行通風(fēng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)氡的析出率為2.25Bq/(m2·s)，送風(fēng)口風(fēng)速為7m/s，送入的新風(fēng)中不含有氡。送風(fēng)口距離工作面8m，風(fēng)管懸掛在巷道右側(cè)距離墻壁10cm處。

根據(jù)常見的巷道斷面形狀，分別建立了矩形、梯形、不規(guī)則形、半圓拱形和圓形五種巷道斷面形狀的模型來進(jìn)行研究。矩形斷面巷道通風(fēng)模型如圖2所示。

圖2 矩形斷面巷道通風(fēng)模型示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

整個空間內(nèi)的氣流組織形式是湍流流動，采用標(biāo)準(zhǔn)的模型建立控制方程組?？刂品匠倘缦拢?/p>

質(zhì)量守恒方程：

式（1）中，是密度，是時間，是速度矢量，源項(xiàng)S是加入到連續(xù)相的質(zhì)量。

動量守恒方程：

式（2）中，為作用在流體微元體上的壓力（靜壓）；為因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力張量；為作用在流體微元體重力體積力；為包含了作用在流體微元體其他外部體積力和其他的模型相關(guān)源項(xiàng)。

能量守恒方程：

式（3）、（4）中，為流體微團(tuán)的總能，k為有效導(dǎo)熱系數(shù)，J為組分的擴(kuò)散通量；h為組分的焓，方程右邊的前三項(xiàng)分別為由于導(dǎo)熱、組分?jǐn)U散和粘性耗散所引起的能量傳遞。S為由于化學(xué)反應(yīng)引起的放熱和吸熱，或代表其他自定義的熱源項(xiàng)。

組分質(zhì)量守恒方程：

式（5）中，Y為組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，J為組分的擴(kuò)散通量，R為系統(tǒng)內(nèi)部單位時間內(nèi)單位體積通過化學(xué)反應(yīng)消耗或生成該種組分的凈生成率，S為通過其他方式（如異相反應(yīng)、相變）所生成該種組分的凈生產(chǎn)率以及自定義的其他質(zhì)量源項(xiàng)。

2.2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

根據(jù)試驗(yàn)建立模型，模型示意圖如圖2所示。在實(shí)際情況中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)會持續(xù)不斷的析出氡氣體，在模擬中，將巷道表面析出氡的過程轉(zhuǎn)化為離壁距離很?。?0mm）的空氣層中的源項(xiàng)，即假設(shè)各表面空氣層中在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的氡量等于實(shí)際各表面析出的氡量。使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對巷道內(nèi)部流場空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分。各表面空氣壁面使用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

2.3 邊界條件設(shè)置

3 模擬驗(yàn)證

某獨(dú)頭巷道位于銅鈾共生氧化礦石的3號礦體內(nèi)，巷道寬為2m，高為2.5m，長度為25m，天井高度為12.5m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)氡的析出率為2.25Bq/(m2·s)，工作面區(qū)域氡初始濃度為2.59×104Bq/m3。實(shí)驗(yàn)采用壓入式通風(fēng)方式，使用一臺5.5kW軸流式風(fēng)機(jī)和直徑300mm的膠布風(fēng)筒送風(fēng)，在風(fēng)口風(fēng)速分別為7m/s、10.3m/s和17m/s下進(jìn)行試驗(yàn)。扇風(fēng)機(jī)安裝在有新鮮風(fēng)流負(fù)壓通風(fēng)的平巷內(nèi)，每次實(shí)驗(yàn)前對風(fēng)源處空氣氡的濃度進(jìn)行測量，濃度分別為999Bq/m3、1258Bq/m3和1036Bq/m3。風(fēng)筒口距離工作面10.5m，送風(fēng)量分別為29.82m3/min、43.8m3/min、73m3/min。觀測點(diǎn)位于距離工作面2m處回風(fēng)流中的工作面區(qū)域中。試驗(yàn)布置圖如圖1所示。

根據(jù)上述條件建立模型對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬得到的觀測點(diǎn)結(jié)果分別與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對。比對結(jié)果如表1所示。

圖3 某獨(dú)頭巷道通風(fēng)排氡試驗(yàn)布置圖

表1 模擬結(jié)果對比表（10-18kmol/m3)

從上表我們可以看出，采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算出來的結(jié)果很好地吻合了試驗(yàn)值和計(jì)算值，誤差大小均在20%范圍內(nèi)。證明了建模方法及參數(shù)設(shè)置的合理性，可用于壓入式通風(fēng)條件下獨(dú)頭巷道氡濃度的研究。

4 結(jié)果分析

由于氡對人體的危害主要是通過呼吸作用進(jìn)入肺部造成肺癌，所以呼吸帶處的氡濃度應(yīng)盡可能保持在較低的水平。呼吸帶一般距離巷道底板1.5m左右。各模型1.5m高度處氡濃度分布云圖如圖4所示。各模型雖然斷面形狀不同，但是濃度分布均符合壓入式通風(fēng)的濃度分布規(guī)律。不同的是各外形在巷道中部的分布規(guī)律稍有不同。不規(guī)則形和梯形在巷道中部濃度在向外延伸時呈現(xiàn)中間低左右兩側(cè)高的規(guī)律，矩形則為左高右低，圓形為右高左低，半圓拱形在向外擴(kuò)散的過程中一開始濃度右高左低，在距離出口14m左右的地方左右濃度分布規(guī)律發(fā)生改變，在后半段呈現(xiàn)左高右低趨勢。而且我們可以明顯看出矩形和不規(guī)則形在巷頭工作面區(qū)域的濃度要高于其他形狀。說明斷面形狀不同，巷頭區(qū)的濃度水平也有所差異。

圖4 各模型1.5m高度處濃度分布云圖

距離工作面1m處截面濃度分布云圖如圖5所示。對工作面區(qū)域中心做切面后我們可以發(fā)現(xiàn)，無論是哪一種斷面形狀的巷道，氡濃度水平均呈現(xiàn)出從風(fēng)口處向邊緣遞增的規(guī)律。拐角處的濃度較其他區(qū)域而言較高，表示拐角處的氡容易積聚，不容易被排出，而且基本呈現(xiàn)出拐角角度越小，濃度越高的特點(diǎn)。圓形由于拐角較少而且角度較大，整體而言氡積聚現(xiàn)象表現(xiàn)的不太明顯。與此形成對比的是不規(guī)則形和梯形，由于斷面圖形存在銳角，氡在拐角處積聚現(xiàn)象較為明顯。同時我們還發(fā)現(xiàn)半圓拱形頂部出現(xiàn)了氡的部分聚集區(qū)域，這可能是因?yàn)橥L(fēng)形成的渦旋區(qū)較小，通風(fēng)無法有效作用在頂部區(qū)域，導(dǎo)致頂部氡出現(xiàn)了積聚現(xiàn)象。

圖5 各模型距離工作面1m處截面濃度分布云圖

各斷面形狀巷道沿縱向濃度分布如圖6所示。在壓入式通風(fēng)條件下，各模型濃度均表現(xiàn)為巷道出口處濃度最高，隨著距離出口距離的增加，濃度呈線性快速降低，在距離巷道出口17-19m的位置處濃度逐漸平穩(wěn)降低。同時我們發(fā)現(xiàn)不規(guī)則形斷面的巷道濃度整體比其他形狀要高。在巷道出口處半圓拱形和圓形斷面的濃度最低，在巷道工作面附近半圓拱形最低。

圖6 各模型縱向濃度分布圖

工作面區(qū)域是井下主要的工作區(qū)域，井下人員主要在這個區(qū)域內(nèi)從事生產(chǎn)活動，我們以距離巷頭工作面2m以內(nèi)的區(qū)域作為工作面區(qū)域。工作面區(qū)域內(nèi)氡濃度反映了井下人員在工作時所能接觸到的氡量。整體區(qū)域內(nèi)氡濃度反映了機(jī)械通風(fēng)對巷道整體的排氡效果。我們以工作面區(qū)域內(nèi)氡平均濃度和整體區(qū)域氡平均濃度作為指標(biāo)對各通風(fēng)形式的通風(fēng)效果進(jìn)行分析。各模型濃度如圖7所示。我們可以看出，五種巷道斷面形狀的工作面區(qū)域氡濃度水平由高到低依次為：不規(guī)則形>矩形>梯形>圓形>半圓拱形，整體區(qū)域氡濃度水平由高到低依次為：不規(guī)則形>梯形>矩形>圓形>半圓拱形?？偟膩碚f不規(guī)則形巷道斷面通風(fēng)排氡效果最差，半圓拱形效果最好。工作面區(qū)域氡濃度最大濃度大小為3.52×10-19kmol/m3，最小為2.48×10-19kmol/m3，最大比最小多了42.12%。整體區(qū)域氡濃度最大濃度大小為6.08×10-19kmol/m3，最小為4.65×10-19kmol/m3，最大比最小多了30.83%，從這個角度看巷道斷面形狀對巷道內(nèi)的氡濃度水平影響很大。但是當(dāng)我們只研究矩形、梯形、半圓拱形和圓形這四種巷道形狀時，我們發(fā)現(xiàn)工作面區(qū)域最大濃度比最小濃度只多了17.42%，整體區(qū)域最大濃度比最小濃度多了9.38%。說明規(guī)則的巷道斷面對巷道內(nèi)的氡濃度水平影響并不大。在設(shè)計(jì)巷道斷面時，在滿足安全和技術(shù)條件的要求下應(yīng)該盡可能選擇較為規(guī)則的斷面，避免設(shè)計(jì)不規(guī)則形狀斷面的巷道。由于半圓拱形截面在排氡通風(fēng)效果方面優(yōu)于其他形狀，設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量選擇。

圖7 各模型工作面區(qū)域與整體區(qū)域濃度圖

5 結(jié)論

壓入式通風(fēng)情況下，雖然巷道斷面形狀不同，但是濃度均滿足壓入式通風(fēng)下的分布規(guī)律，濃度由外向內(nèi)呈線性快速降低，在距離出口17-19m處下降速率放緩，濃度逐漸穩(wěn)定。巷道中部的濃度向外擴(kuò)散方式由于巷道斷面形狀不同而各異。

對工作面區(qū)域截面進(jìn)行分析我們發(fā)現(xiàn)，無論是哪一種斷面形狀的巷道，氡濃度水平均呈現(xiàn)出從風(fēng)口處向邊緣遞增的規(guī)律。而且存在拐角處氡容易積聚這個現(xiàn)象，拐角角度越小，氡越容易積聚，在進(jìn)行巷道設(shè)計(jì)時應(yīng)該盡量避免拐角角度過小。

半圓拱形通風(fēng)排氡效果最好，不規(guī)則形效果最差。不規(guī)則形斷面的巷道在工作面區(qū)域和整體區(qū)域的氡濃度要比半圓拱形高出30%-40%。形狀規(guī)則的斷面對巷道內(nèi)氡濃度水平影響差別較小。在滿足安全與技術(shù)條件下，基于排氡通風(fēng)考慮，設(shè)計(jì)巷道時應(yīng)優(yōu)先選擇半圓拱形或者其他規(guī)則形狀的巷道斷面，盡量不選或者少選不規(guī)則形。

[1] 陳遠(yuǎn)華,吳國祥.煤礦中的氡危害與預(yù)防措施[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1992,(4):29-33.

[2] 廉國斌,廖韓林,金華,等.地下工程中氡氣的危害與防護(hù)措施[J].中國輻射衛(wèi)生,2014,23(2):143-144,147.

[3] 張泉根.地下工程的防氡通風(fēng)[J].地下空間,1987,(2): 53-61.

[4] 高建良,吳妍,羅娣.風(fēng)筒出口位置對掘進(jìn)工作面瓦斯分布的影響[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2009,9(1):160-163.

[5] 朱紅青,朱帥虎,賈國偉.大斷面掘進(jìn)壓入式風(fēng)筒最佳高度的數(shù)值模擬[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2014,14(1):25-28.

[6] 王春霞,徐文,彭斌.風(fēng)筒風(fēng)速對瓦斯及粉塵分布規(guī)律的影響[J].煤炭技術(shù),2015,34(11):136-138.

[7] Frédéric Perrier, Patrick Richon, Jean-Christophe Sabroux.Modelling the effect of air exchange on 222 Rn and its progeny concentration in a tunnel atmosphere[J]. Science of the Total Environment, 2004,350(1):136.

[8] El-Fawal M M. Mathematical modeling for radon prediction and ventilation air cleaning system requirements in underground mines[J]. Journal of American Science, 2011,7(2):389-402.

[9] 葉勇軍,丁德馨,王立恒,等.壓入式通風(fēng)獨(dú)頭巷道內(nèi)氡及其子體濃度的計(jì)算模型與其分布規(guī)律[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,46(5):1799-1805.

[10] 葉勇軍,丁德馨,周星火,等.壓入式通風(fēng)獨(dú)頭巷道內(nèi)氡及氡子體的濃度分布特征[C].中國核學(xué)會年會,2011.

[11] 張宇軒.不同通風(fēng)方式下鈾礦獨(dú)頭巷道的最小排氡和排氡子體風(fēng)量的理論研究[D].衡陽:南華大學(xué),2016.

Study on the Influence of Section Shapes of Roadway on Radon Concentration in Blind Roadway under Forcing Type Ventilation

Liu Xin Yuan Yanping Deng Zhihui Cao Xiaolin Sun Liangliang

( Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

In this paper, the radon concentration and distribution of a blind roadway under exhaust ventilation mode is simulated by using FLUENT software. The simulation result is in good agreement with the experimental data. We studied the effects of different Section shapes of roadway on the radon concentration and distribution with forced ventilation. The results indicate that the concentration and distribution of radon in the tunnel with various section shapes conforms to the concentration and distribution law under forcing type ventilation, but the way of concentration diffusion is different; Radon is easy to accumulate in the Section shape of roadway with a sharp corner; The effect of radon removal in the shape of semicircular arch is the best, and the effect in the shape of irregular shape is the worst. In the working area and the whole area, the radon concentration in the tunnel with irregular cross-section is 30%-40% higher than the semicircle arch.

Forcing type ventilation; Blind roadway; Section shape of roadway; Radon; Numerical simulation

TD711

A

1671-6612（2018）02-119-06

建筑環(huán)境與能源高效利用四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2015TD0015）

劉 欣（1992-），男，在讀碩士研究生，E-mail：184765210@163.com

袁艷平（1973-），男，博士后，教授，E-mail：ypyuan@home.swjtu.edu.cn

2018-01-08