煤礦三維可視化粉塵污染擴(kuò)散規(guī)律研究

沈 斌，周子涵，劉新蕾，秦憲禮，王洪粱

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究國(guó)家級(jí)專(zhuān)業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150022)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們愈發(fā)重視職業(yè)衛(wèi)生健康，而煤礦作為職業(yè)危害因素眾多的生產(chǎn)單位，也成為人們研究的重點(diǎn)。粉塵危害是煤礦的典型職業(yè)危害因素之一，中國(guó)煤礦塵肺病防治基金會(huì)數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)塵肺病報(bào)告人數(shù)已超72萬(wàn)人，其中，62%集中在煤炭行業(yè)這一高發(fā)區(qū)，超過(guò)44萬(wàn)人[1]。當(dāng)前，每年死于塵肺病的煤礦工人數(shù)遠(yuǎn)高于同期生產(chǎn)事故死亡人數(shù)，煤礦塵肺病防治形勢(shì)十分嚴(yán)峻。

在采煤機(jī)械化水平不斷提高的同時(shí)，井下工作面的粉塵產(chǎn)生量也越來(lái)越大。在無(wú)防塵措施條件下，綜采工作面的粉塵濃度可以達(dá)到2 500～3 000 mg/m3，即使采取除塵措施，一些工作面的工作條件粉塵濃度也可達(dá)到1 000 mg/m3以上，大大超過(guò)國(guó)家有關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，不僅嚴(yán)重威脅著煤礦工人的安全和健康，還有煤塵爆炸危險(xiǎn)。采取有效措施降低綜采工作面粉塵濃度是煤礦急需解決的問(wèn)題[2]。要取得較好的防塵效果，首先要對(duì)粉塵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有所了解。

從20世紀(jì)中葉開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外眾多科研工作者對(duì)數(shù)字化礦井通風(fēng)管理軟件進(jìn)行了深入、持續(xù)的研究，并取得了豐碩的科研成果。目前，應(yīng)用較為廣泛的是澳大利亞Chasm公司開(kāi)發(fā)的三維可視化礦井通風(fēng)模擬軟件Ventsim[3]。該軟件以其方便的建模、合理的風(fēng)路模擬和風(fēng)機(jī)選型在通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化以及火災(zāi)模擬方面的運(yùn)用較多，而在粉塵模擬、爆炸物擴(kuò)散模擬、污染源追蹤方面運(yùn)用較少。本文以龍煤集團(tuán)雙鴨山礦業(yè)有限公司東榮三礦為研究對(duì)象，以礦井三維通風(fēng)系統(tǒng)為研究平臺(tái)，開(kāi)展井下主要產(chǎn)塵地點(diǎn)的粉塵擴(kuò)散規(guī)律研究，為粉塵防治提供理論指導(dǎo)。

1 東榮三礦三維礦井通風(fēng)系統(tǒng)建立

依據(jù)東榮三礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，應(yīng)用Ventsim三維仿真系統(tǒng)，建立東榮三礦的現(xiàn)場(chǎng)三維通風(fēng)模型。具體過(guò)程如下：①將CAD格式的礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖在計(jì)算機(jī)上改繪成單線(xiàn)圖；②將單線(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)圖導(dǎo)入 Ventsim軟件，構(gòu)筑礦井通風(fēng)系統(tǒng)平面圖；③ 將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的巷道斷面尺寸、標(biāo)高、支護(hù)方式等基本數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)軟件，由軟件自動(dòng)生成該礦的三維立體巷道模型；④將通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)阻力測(cè)定獲得的礦井通風(fēng)參數(shù)，例如巷道風(fēng)阻、通風(fēng)設(shè)施、主要通風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)等輸入三維通風(fēng)模型中，建立該礦的三維通風(fēng)系統(tǒng)；⑤通過(guò)運(yùn)行“風(fēng)流模擬”檢查礦井整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，對(duì)誤差較大的巷道及地點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整[4]。東榮三礦三維礦井通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 東榮三礦三維礦井通風(fēng)系統(tǒng)

2 粉塵污染物模擬條件假設(shè)

因井下污染源的發(fā)生地點(diǎn)、發(fā)生方式，以及粉塵擴(kuò)散方向隨機(jī)，Ventsim軟件借助現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，通過(guò)兼容dxf數(shù)據(jù)，三維立體建模，可對(duì)井下粉塵、爆破排煙和柴油機(jī)排放物等空氣污染源進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)散模擬，從而為礦山安全管理人員和技術(shù)人員提供必要的數(shù)據(jù)支持，以輔助礦井安全管理和生產(chǎn)決策。在機(jī)械化生產(chǎn)提高的背景下，煤礦作業(yè)場(chǎng)所中粉塵的來(lái)源主要有采煤工作面、掘進(jìn)工作面、施工硐室等部位，本文依據(jù)東榮三礦的實(shí)際情況，進(jìn)行選擇。

2.1 污染源產(chǎn)生地點(diǎn)的選擇

2.1.1 綜采工作面

綜采工作面是煤礦井下產(chǎn)塵最大的地點(diǎn)，其產(chǎn)塵量高達(dá)總產(chǎn)塵量的60%[5]。東榮三礦當(dāng)前主要開(kāi)采區(qū)域是東部采區(qū)，采煤工作面及備用工作面相對(duì)集中，需要考慮其相互間的影響， 因此，將東三16層一片備面、東三16層二片采煤工作面和東三14層一片備面、東三14層二片采煤工作面、東三14層三片備面等采煤工作面作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.1.2 掘進(jìn)工作面

掘進(jìn)巷道是井下重要的生產(chǎn)系統(tǒng)之一，其產(chǎn)塵量?jī)H次于采煤工作面，而由于獨(dú)頭掘進(jìn)巷道的特殊性，其通風(fēng)方式必須采用局部通風(fēng)，目前井下常用的掘進(jìn)巷道通風(fēng)方式有壓入式通風(fēng)、抽出式通風(fēng)和混合式通風(fēng)，若能通過(guò)模擬掌握不同通風(fēng)方式下粉塵的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律，將有助于制定有效的通風(fēng)排塵和除塵方案[6]。因此，本文選擇與綜采工作面相近的北部采區(qū)掘進(jìn)工作面1、北部采區(qū)掘進(jìn)工作面2和北部采區(qū)掘進(jìn)工作面3進(jìn)行研究。

2.2 粉塵擴(kuò)散參數(shù)設(shè)置

本文根據(jù)選取的研究地點(diǎn)及東榮三礦井下實(shí)際條件，在對(duì)采煤工作面與掘進(jìn)工作面進(jìn)行模擬時(shí)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)定為相同的值，主要針對(duì)粒徑在5 μm以下的呼吸性粉塵進(jìn)行研究，具體參數(shù)如表1所示。

3 粉塵擴(kuò)散模擬結(jié)果及規(guī)律分析

3.1 采煤工作面數(shù)據(jù)分析

本文主要針對(duì)采取降塵措施前后的粉塵濃度數(shù)據(jù)、擴(kuò)散路徑及由于粉塵濃度過(guò)高而發(fā)生爆炸導(dǎo)致爆炸物擴(kuò)散的影響范圍及影響時(shí)間進(jìn)行研究。

3.1.1 粉塵擴(kuò)散路徑及濃度變化分析

當(dāng)東三16層二片采煤工作面和東三14層二片采煤工作面產(chǎn)生粉塵后，粉塵在通風(fēng)管網(wǎng)內(nèi)迅速擴(kuò)散，因此，若不能確定粉塵的擴(kuò)散范圍和影響時(shí)間，將對(duì)井下生產(chǎn)和作業(yè)人員的健康造成嚴(yán)重威脅[7]。如圖2為粉塵擴(kuò)散路徑。

經(jīng)過(guò)Ventisim軟件進(jìn)行粉塵動(dòng)態(tài)模擬，得到了粉塵路徑各點(diǎn)的濃度數(shù)據(jù)，如圖3所示。粉塵產(chǎn)生后，大量的污染氣流迅速進(jìn)入東三16層二片膠帶道，導(dǎo)致東三16層二片膠帶道的粉塵濃度在1 750 s的時(shí)間內(nèi)迅速接近采煤面的粉塵濃度，隨時(shí)間推移，東三采區(qū)軌道巷在2 000 s左右開(kāi)始出現(xiàn)粉塵并且濃度迅速增長(zhǎng)，在2 250 s左右，粉塵隨風(fēng)流進(jìn)入東三采區(qū)回風(fēng)總排期間粉塵增長(zhǎng)速率出現(xiàn)幾次小幅波動(dòng)，最終達(dá)到峰值4.6 mg/m3。

3.1.2 采取降塵措施后，粉塵擴(kuò)散路徑及濃度變化分析

根據(jù)以上模擬結(jié)果，在東三采區(qū)回風(fēng)總排設(shè)置粉塵監(jiān)視器，在采取降塵措施前后，粉塵均在2 250 s時(shí)出現(xiàn)在東三采區(qū)回風(fēng)總排巷中，如圖4所示。

圖4 東三采區(qū)采區(qū)回風(fēng)總排濃度對(duì)比

圖5為東三14層三片備面粉塵濃度對(duì)比圖，由圖5可知，與東三14層二片采煤工作面相鄰的東三14層三片備面也會(huì)受到強(qiáng)烈影響，通過(guò)增長(zhǎng)模擬時(shí)間可以看到，粉塵在約4 800 s左右出現(xiàn)，兩條折線(xiàn)幾乎重合，粉塵擴(kuò)散速率一致，降塵前后只有濃度峰值差。在沒(méi)有外部條件改變的情況下，粉塵擴(kuò)散速率與粉塵濃度無(wú)關(guān)，采煤面產(chǎn)塵點(diǎn)的粉塵濃度只會(huì)影響其回風(fēng)側(cè)串聯(lián)巷道的濃度峰值。

3.2 掘進(jìn)工作面中串聯(lián)風(fēng)路對(duì)粉塵擴(kuò)散的影響分析

模擬結(jié)果表明，如果北部掘進(jìn)工作面1與北部掘進(jìn)工作面2同時(shí)作業(yè)，掘進(jìn)工作面2的風(fēng)機(jī)回風(fēng)會(huì)對(duì)掘進(jìn)工作面1回風(fēng)巷粉塵濃度造成較大影響。通過(guò)在北部采區(qū)軌道大巷布置傳感器，檢測(cè)得到粉塵數(shù)據(jù)如圖6所示。北部掘進(jìn)工作面2產(chǎn)生的粉塵與鄰近掘進(jìn)工作面1產(chǎn)生的粉塵于北部采區(qū)軌道大巷交匯，最后于北部采區(qū)膠帶大巷排出。北部掘進(jìn)工作面1產(chǎn)生粉塵在1 450 s時(shí)開(kāi)始在北部采區(qū)軌道大巷出現(xiàn)，在1 500 s之前，北部采區(qū)軌道大巷的粉塵完全來(lái)源于北部掘進(jìn)工作面1，濃度為4.3 mg/m3。隨著北部掘進(jìn)工作面2粉塵風(fēng)流的加入，粉塵擴(kuò)散速率發(fā)生區(qū)段性變化，在濃度峰值達(dá)到8.2 mg/m3時(shí)趨于穩(wěn)定。北部掘進(jìn)工作面2產(chǎn)塵所經(jīng)歷風(fēng)路與北部掘進(jìn)工作面1發(fā)生串聯(lián)，串聯(lián)后的北部采區(qū)軌道大巷粉塵濃度顯著增加，但并非串聯(lián)兩巷道粉塵濃度之和，經(jīng)核實(shí)與巷道風(fēng)量損失有關(guān)。

圖5 東三14層三片備面濃度對(duì)比

圖6 串聯(lián)風(fēng)路擴(kuò)散影響

3.3 粉塵(煤塵)爆炸產(chǎn)生的爆炸物影響分析

粉塵(煤塵)濃度過(guò)高還有爆炸的危險(xiǎn)，且爆炸的破壞力遠(yuǎn)大于可燃?xì)怏w和液體蒸汽。為研究爆炸產(chǎn)生的爆炸污染物(主要為CO)的影響范圍，分別以井下浮塵濃度基數(shù)相對(duì)較高，容易受爆炸、爆破、振動(dòng)沖擊而造成大量落塵飛揚(yáng)的采煤面回風(fēng)巷和回風(fēng)總巷為例。井下煤塵爆炸濃度范圍為45～2 000 g/m3，根據(jù)東榮三礦實(shí)際情況選擇100 g/m3的煤塵濃度為發(fā)生爆炸時(shí)濃度，則東三16層二片膠帶道的爆炸物數(shù)量設(shè)為537 kg，東三采區(qū)回風(fēng)總排爆炸物數(shù)量設(shè)為1 249 kg。二者區(qū)別之處在于風(fēng)量的大小不同，而風(fēng)量會(huì)直接影響爆炸污染物的擴(kuò)散系數(shù)，采煤面回風(fēng)巷較短、空間相對(duì)密閉，擴(kuò)散系數(shù)為中低速，設(shè)為3，初始稀釋濃度為體積分?jǐn)?shù)648.75 mg/m3；采區(qū)總回連接多個(gè)巷道及排風(fēng)井，流通情況較好，擴(kuò)散系數(shù)為高速設(shè)為7，初始稀釋濃度為8 520 mg/m3。通過(guò)在東三采區(qū)靠近回風(fēng)井的位置設(shè)置監(jiān)視器，研究同一條回風(fēng)路線(xiàn)上不同兩地發(fā)生爆炸時(shí)爆炸污染物的擴(kuò)散影響，如圖7所示，東三采區(qū)回風(fēng)總排單獨(dú)發(fā)生爆炸時(shí)的污染物濃度幾乎與兩地同時(shí)發(fā)生爆炸的爆炸污染物濃度曲線(xiàn)在第一個(gè)波峰完全重合，在1 000 s過(guò)后趨近于0，在當(dāng)兩地同時(shí)發(fā)生爆炸的情況下，距離監(jiān)視器最近的東三采區(qū)回風(fēng)總排的污染物濃度迅速增大，在通風(fēng)作用下爆炸污染物750 s左右即被吹散，東三16層二片膠帶道產(chǎn)生的爆炸污染物在經(jīng)1 350 s后到達(dá)監(jiān)視器的位置。由此可知，影響爆炸污染物擴(kuò)散速率主要取決于巷道種類(lèi)或性質(zhì)，同一區(qū)域不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生爆炸，污染物濃度沒(méi)有疊加效應(yīng)，在實(shí)際生產(chǎn)中可以利用爆炸物擴(kuò)散間隔指揮人員有序疏散。

圖7 粉塵(煤塵)爆炸污染物擴(kuò)散影響

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)Ventism軟件模擬，得到了井下粉塵擴(kuò)散的實(shí)際路徑，為煤礦工人作業(yè)、通風(fēng)系統(tǒng)布置、風(fēng)門(mén)的位置提供了可行性參考數(shù)據(jù)。

2) 粉塵的擴(kuò)散速率在外部環(huán)境不改變的情況下，與初始產(chǎn)塵點(diǎn)的粉塵濃度無(wú)關(guān)，采取降塵措施只會(huì)影響平衡時(shí)的粉塵峰值。

3) 當(dāng)風(fēng)路有串聯(lián)現(xiàn)象時(shí)，串聯(lián)工作面的空氣質(zhì)量無(wú)法保證，有毒有害氣體和粉塵濃度會(huì)有顯著增加，增加多少取決于風(fēng)路性質(zhì)，平衡時(shí)的濃度峰值取決于擴(kuò)散期間粉塵所走路徑。且一旦前一個(gè)工作面發(fā)生火災(zāi)、爆炸或煤與瓦斯突出事故，會(huì)波及其他工作面，擴(kuò)大災(zāi)害范圍，增大抗災(zāi)難度。

4) 當(dāng)同一區(qū)域不同地點(diǎn)同時(shí)發(fā)生爆炸，爆炸物的擴(kuò)散具有時(shí)間差，在實(shí)際生產(chǎn)中可以利用爆炸物擴(kuò)散間隔指揮人員有序疏散。