高原環(huán)境下礦井最低排塵風(fēng)速的數(shù)值模擬

張國(guó)梁，蔣仲安，楊 斌，2，姚尚輝，彭 亞，王亞朋

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083; 2.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100029; 3.西藏華泰龍礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，西藏 拉薩 850212)

我國(guó)西部高海拔地區(qū)蘊(yùn)含著豐富的礦產(chǎn)資源，具有重要開(kāi)采價(jià)值。但隨著海拔上升，低壓低氧、寒冷干燥的氣候特點(diǎn)會(huì)給礦井開(kāi)采帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，其中粉塵的有效控制就是問(wèn)題之一[1-6]。目前井下采用的防塵措施主要是通風(fēng)排塵，其關(guān)鍵參數(shù)是排塵風(fēng)速的確定，即采用合適的風(fēng)速將空氣中懸浮的細(xì)微礦塵稀釋并排出，降低空氣中的粉塵質(zhì)量濃度。

受地理環(huán)境的限制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高原環(huán)境下礦井通風(fēng)及粉塵運(yùn)動(dòng)研究較少。特別是國(guó)外由于高海拔礦井?dāng)?shù)量較少，研究主要基于普通環(huán)境下的粉塵顆粒在不同流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散以及影響因素等。KANAOKA對(duì)施工隧道內(nèi)的風(fēng)流流動(dòng)、粉塵質(zhì)量濃度分布和顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算，研究了氣流速度、風(fēng)管結(jié)構(gòu)和顆粒尺寸對(duì)通風(fēng)效果的影響[7]。CANTERO研究得到二維情況下粉塵顆粒的慣性對(duì)粉塵沉積的動(dòng)力學(xué)過(guò)程影響[8]。BHASKAR通過(guò)研究風(fēng)流中塵粒的碰撞、沉降、擴(kuò)散、二次飛揚(yáng)和彌散等作用規(guī)律，建立了一維穩(wěn)態(tài)均勻流動(dòng)情況下的粉塵對(duì)流擴(kuò)散方程[9]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)粉塵擴(kuò)散的研究最初主要采用理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)分析的方法，涂繼正、暨朝頌等在流體力學(xué)的基礎(chǔ)上對(duì)井巷風(fēng)流特征和粉塵受力情況進(jìn)行分析，推導(dǎo)出了合理的排塵風(fēng)速，并沿用至今[10-12]。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬的方法逐漸被推廣到礦井粉塵擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的研究中，蔣仲安、陳舉師等[13-19]通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了破碎硐室、巷道型采場(chǎng)以及施工隧道等的粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律。由于西部高原地區(qū)的交通需求，我國(guó)逐步興建了許多高原隧道，如正在施工的川藏鐵路，并對(duì)高海拔隧道通風(fēng)以及除塵進(jìn)行了一定研究。曹正卯等[20-21]對(duì)不同海拔隧道內(nèi)有害氣體和粉塵的運(yùn)移特性和濃度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。從國(guó)內(nèi)外的研究成果綜合來(lái)看，對(duì)于粉塵運(yùn)移的研究主要集中于平原地區(qū)的礦井和隧道，基于高原環(huán)境下的研究較少。但隨著海拔上升，空氣壓力、溫度和密度的降低，粉塵運(yùn)移規(guī)律會(huì)發(fā)生顯著改變，所以確定合理的排塵風(fēng)速具有重要意義[22]。

筆者通過(guò)對(duì)不同海拔高度下掘進(jìn)工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律的模擬研究，探尋工作面粉塵粒徑分布特征，并與建立的排塵風(fēng)速理論模型對(duì)比，得出了不同海拔掘進(jìn)工作面最低排塵風(fēng)速。

1 排塵風(fēng)速理論模型

1.1 粒子在紊流中的運(yùn)動(dòng)方程

礦塵在靜止空氣中受外力作用(浮力、重力、電場(chǎng)力和其他力)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(1)

式中，m，v，t分別為礦塵粒子的質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間，kg，m/s，s;Fg為粒子的重力，N;Ff為粒子在空氣中受到的浮力，N;Fd(v)為粒子由于運(yùn)動(dòng)受到的空氣阻力，N。

根據(jù)Stokes定律，當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，球形粒子受到的阻力為Fd(v)=6πμrv，其中,μ為空氣動(dòng)力黏性系數(shù);r為粒子半徑。由于粒子密度ρp遠(yuǎn)大于空氣密度ρg，導(dǎo)致作用于粒子上的重力遠(yuǎn)大于浮力，所以可以忽略Ff，粒子的微分方程可改寫(xiě)為

dv/dt=g-v/η

(2)

式中，η為張弛時(shí)間，η=m/(6πμrv);g為重力加速度。

(3)

井下風(fēng)流都處于紊流狀態(tài)，礦塵運(yùn)動(dòng)時(shí)，除了受縱向風(fēng)流影響，還受紊流橫向脈動(dòng)速度的影響。若除氣流推動(dòng)力和空氣阻力外，只有重力和浮力作用于粒子時(shí)，巷道中粉塵粒子的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(4)

式中，u1,v1為風(fēng)流和礦塵沿巷道方向的速度，m/s;u2，v2為風(fēng)流和礦塵沿巷道截面的脈動(dòng)速度，m/s。

由于ρp?ρg，可以忽略浮力Ff，并對(duì)方程進(jìn)行化解，得到粒子沿水平方向和豎直方向的微分方程寫(xiě)為

dvx/dt=(u1-v1)/η

(5)

dvy/dt=g+(u2-v2)/η

(6)

對(duì)微分方程進(jìn)行求解，得到vx，vy:

vx=u1-(u1-v1)e-t/η

(7)

vy=u2-(u2-v2)e-t/η-vf

(8)

但對(duì)于細(xì)微的礦塵顆粒，(u1-v1)e-t/η≈0，(u2-v2)e-t/η≈0，所以式(7)和(8)可以化解得到:vx=u1，vy=u2-vf。

1.2 最低排塵風(fēng)速的理論模型構(gòu)建

根據(jù)圓管定常湍流可知，靠近管壁處，流動(dòng)呈層流狀態(tài)，雷諾數(shù)較小，黏性切應(yīng)力τw占主要地位，雷諾應(yīng)力τt可忽略不計(jì)，即紊流切應(yīng)力τ0為

(9)

(10)

(11)

(12)

對(duì)于金屬礦山，規(guī)程規(guī)定:硐室型采場(chǎng)的最低排塵風(fēng)速不小于0.15 m/s，巷道型采場(chǎng)和掘進(jìn)工作面不小于0.25 m/s。研究得到在該風(fēng)速和擾動(dòng)氣流的共同作用下，能將10 μm以內(nèi)的大部分顆粒懸浮于空氣中并隨風(fēng)流動(dòng)，達(dá)到排塵的目的。但此風(fēng)速是基于平原礦井研究得到的結(jié)果，當(dāng)海拔大幅上升后，α?xí)黠@降低，若仍采用上述規(guī)定，不進(jìn)行修正，井下粉塵質(zhì)量濃度勢(shì)必將會(huì)增大，從而影響人員健康和機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

根據(jù)紊流狀態(tài)下的摩擦阻力定律得到，巷道摩擦阻力因數(shù)α為λρ/8，其中，λ為沿程阻力系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可確定;ρ為空氣密度。對(duì)于固定巷道，其巷道支護(hù)形式和尺寸確定，λ就確定，所以α只與ρ成正比。而在高海拔地區(qū)，空氣密度會(huì)明顯下降，在甲瑪?shù)V海拔4 500 m平硐處測(cè)得的空氣密度只有0.74 kg/m3，約為海平面的60%。所以在計(jì)算高海拔礦井摩擦阻力因數(shù)時(shí)，需要添加密度修正參數(shù)k，如下式:

α=α0ρ/1.293=kα0

(13)

式中，α0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩擦阻力因數(shù)，(N·s2)/m4;k為修正系數(shù)。

2 幾何模型的建立和求解

2.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

以西藏甲瑪?shù)V4490分層6號(hào)探礦巷為研究背景，建立幾何模型。為了得到可靠的模擬結(jié)果，建立的幾何模型必須符合現(xiàn)場(chǎng)情況，但工作面還存在許多其他工藝流程，完全復(fù)制現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)較難，且其他設(shè)施和活動(dòng)對(duì)模擬結(jié)果影響較小。因此，綜合考慮計(jì)算機(jī)性能和模擬精度等因素，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

采用SoildWorks按1∶1建立掘進(jìn)工作面通風(fēng)模型，如圖1所示。其中巷道截面為三心拱，尺寸為60.0 m×4.2 m×3.7 m(長(zhǎng)×寬×高)，采用壓入式通風(fēng)系統(tǒng)為工作面供風(fēng)，風(fēng)筒懸掛于巷道右側(cè)，直徑0.6 m，距地面1.4 m。將建好的模型導(dǎo)入Workbench中，采用Design Modeler進(jìn)行Boolean運(yùn)算，并劃分網(wǎng)格，如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)工作面幾何模型和網(wǎng)格劃分Fig.1 Geometric model and meshing diagram of driving face

2.2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

在數(shù)值模擬分析中，網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證對(duì)模擬結(jié)果非常重要。在研究不同風(fēng)速下粉塵擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣流是影響模擬結(jié)果的主要載體，因此風(fēng)速被設(shè)定為網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證的主要參數(shù)。利用Meshing對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到3種不同的網(wǎng)格劃分方案，即方案1(259 175),2(390 217),3(860 217)。針對(duì)3種不同的方案，分別進(jìn)行模擬驗(yàn)證，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，雖然3種方案劃分的網(wǎng)格數(shù)量存在明顯不同，但其模擬結(jié)果差異性較小。因此，滿足獨(dú)立性驗(yàn)證?？紤]到計(jì)算機(jī)性能和模擬誤差，采用方案2劃分網(wǎng)格;其中平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.88，最大為1.00，最小為0.76。

圖2 不同網(wǎng)格劃分方法的沿程風(fēng)速變化Fig.2 Wind speed variation along different meshes

2.3 計(jì)算模型的參數(shù)設(shè)定

通過(guò)查閱相關(guān)的掘進(jìn)工作面污染物顆粒運(yùn)移文獻(xiàn)和資料，結(jié)合甲瑪?shù)V實(shí)際情況，根據(jù)Fluent中湍流和離散型模型的設(shè)定要求，對(duì)模型邊界條件和求解參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，得出在不同海拔高度和不同風(fēng)速下粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)情況。并采用CFD-post和Origin對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行處理和分析，得出掘進(jìn)工作面的流場(chǎng)分布，粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和粉塵質(zhì)量濃度的空間分布。具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算模型參數(shù)設(shè)定Table 1 Calculate model parameters setting

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 風(fēng)流流場(chǎng)分析

根據(jù)甲瑪?shù)V4490分層6號(hào)探礦巷的具體情況，模擬壓入式通風(fēng)條件下的工作面流場(chǎng)分布。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的大氣壓力、空氣密度和動(dòng)力黏度分別為54 027 Pa，0.73 m3/kg，1.65 Pa·s。其中壓入式風(fēng)機(jī)風(fēng)量為204 m3/min，大巷風(fēng)速為0.5 m/s，模擬得到的工作面風(fēng)流流線和風(fēng)速體如圖3所示。由圖3可知:

(1)風(fēng)筒出口位置形成的射流會(huì)與邊界層氣體發(fā)生動(dòng)量交換，形成錐形氣流場(chǎng);由于能量守恒，隨著射流帶動(dòng)的邊界層擾動(dòng)氣流增多，射流半徑會(huì)擴(kuò)大，風(fēng)速也逐漸衰減。

(2)由于風(fēng)筒位于右上角，風(fēng)流到達(dá)掘進(jìn)工作面后，在壁面阻礙作用下發(fā)生折返運(yùn)動(dòng)，形成回流區(qū)。在掘進(jìn)工作面到風(fēng)筒出口區(qū)域，反射氣流會(huì)與射流相遇，發(fā)生沖擊、摻混和整合，使流場(chǎng)極為混亂，并在掘進(jìn)工作面附近形成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦流區(qū)域。

(3)在掘進(jìn)工作面附近由于存在風(fēng)流之間的沖撞，風(fēng)速分布極不均勻;但繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，風(fēng)速的極差值會(huì)逐漸減小，流場(chǎng)分布逐漸均勻，最終穩(wěn)定在0.25 m/s左右，如圖3所示(其中，Z為至掘進(jìn)工作面距離)。

圖3 掘進(jìn)工作面空間流線分布和風(fēng)速體Fig.3 Spatial streamline distribution and wind speed body of driving face

3.2 不同粒徑的粉塵運(yùn)動(dòng)情況分析

在壓入式流場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上，模擬高原環(huán)境下的粉塵擴(kuò)散。采用離散型模型，在掘進(jìn)工作面設(shè)置噴射源，顆粒粒徑滿足R-R分布，其中顆粒的最小粒徑為1 μm，最大為39 μm。模擬得到不同粒徑的顆粒隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，由圖4可知。

圖4 顆粒隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Particle trajectory over time

(1)粉塵顆粒由掘進(jìn)工作面產(chǎn)生后，在壓入式風(fēng)流的作用下，向前擴(kuò)散。粒徑較大的顆粒在重力作用下，在掘進(jìn)工作面附近沉降;而小顆粒在湍流脈動(dòng)速度的作用下繼續(xù)懸浮于空氣中，隨風(fēng)流向前擴(kuò)散。在擴(kuò)散過(guò)程中，顆粒沉降到地面會(huì)被吸附而終止運(yùn)動(dòng)。

(2)粉塵顆粒越大，沉降時(shí)間越短，最終沉降速度就越大。掘進(jìn)工作面粉塵向前擴(kuò)散的過(guò)程中，隨著大顆粒的逐漸沉降，風(fēng)流中攜帶的粉塵以15 μm以下的顆粒為主，且數(shù)量越來(lái)越少。

(3)掘進(jìn)工作面附近存在渦流，風(fēng)速不均勻，導(dǎo)致粉塵擴(kuò)散速度較快;但繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，顆粒數(shù)量在減少，擴(kuò)散速度也在逐漸降低。粉塵自掘進(jìn)工作面擴(kuò)散到風(fēng)筒出口(13 m)約需30 s，擴(kuò)散到工作面入口(60 m)約需150 s，擴(kuò)散到模型出口(85 m)需要210 s。

粉塵顆粒擴(kuò)散到大巷后，由于存在風(fēng)流匯合，擴(kuò)散速度會(huì)加快，在210 s左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即顆粒由工作面產(chǎn)生，經(jīng)大巷排入專用回風(fēng)巷，其中部分顆粒沉降于地面而停止運(yùn)動(dòng)。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，不同粒徑的顆粒擴(kuò)散軌跡如圖5所示。由圖5可知，顆粒粒徑越大，擴(kuò)散距離越短，擴(kuò)散范圍越小;15 μm及15 μm以下的顆粒一部分經(jīng)大巷排出，一部分沉降于地面，而15 μm以上的顆粒在掘進(jìn)工作面附近就會(huì)全部沉降。

圖5 不同粒徑的顆粒擴(kuò)散軌跡Fig.5 Particle diffusion trajectories of different particle sizes

在海拔4 490 m，工作面風(fēng)速0.25 m/s的環(huán)境下，粉塵擴(kuò)散過(guò)程中，除了大顆粒發(fā)生沉降，很多小顆粒也沉降到了地面，包括呼吸性粉塵。所以對(duì)于高海拔環(huán)境，規(guī)程規(guī)定的掘進(jìn)工作面最低排塵風(fēng)速難以將對(duì)人體危害較大的呼塵全部帶走，需要基于高原環(huán)境對(duì)最低排塵風(fēng)速進(jìn)行優(yōu)化修正。

3.3 不同海拔高度對(duì)粉塵擴(kuò)散的影響

由前面的模擬結(jié)果可知，海拔上升會(huì)對(duì)粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，特別是粒徑較小的顆粒。為了觀察不同海拔高度對(duì)粉塵運(yùn)動(dòng)的具體影響，選取t=210 s時(shí)，對(duì)掘進(jìn)工作面空間粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行分析，此時(shí)粉塵質(zhì)量濃度分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，具有代表性。沿粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡截取距離掘進(jìn)工作面X=5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55 m共11個(gè)截面，對(duì)其平均粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行分析。分別模擬在0.25 m/s的排塵風(fēng)速下，海拔0，2 000，4 000，6 000和8 000 m環(huán)境不同截面粉塵質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)，其中不同海拔的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2，模擬結(jié)果如圖6所示，由圖6可知:

圖6 各海拔高度不同斷面的平均粉塵質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)Fig.6 Trend of average dust concentration in different sections at different altitudes

表2 不同海拔的環(huán)境參數(shù)Table 2 Environmental parameters at different elevations

(1)粉塵在向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，隨著距離的增加，顆粒不斷沉降，沿程粉塵質(zhì)量濃度不斷降低。在掘進(jìn)工作面附近，由于大顆粒的快速沉降，粉塵質(zhì)量濃度下降迅速;而小顆粒在風(fēng)流的攜帶下，沉降緩慢;前5～15 m的沉降率約為18.9%，從15～55 m的沉降率最低為24.21%，最高達(dá)53.18%，所以在掘進(jìn)工作面附近存在一個(gè)粉塵質(zhì)量濃度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

(2)海拔升高，顆粒沉降速度逐漸增大，同一截面位置的粉塵質(zhì)量濃度越來(lái)越低，且離工作面距離越遠(yuǎn)，下降趨勢(shì)越明顯。在大顆粒沉降區(qū)，不同海拔粉塵質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)近乎平行，這是由于空氣密度降低對(duì)大顆粒的影響較小;而在小顆粒沉降區(qū)，粒子受空氣密度的影響較大，粉塵質(zhì)量濃度隨海拔的下降幅度越來(lái)越明顯。

為了探究海拔高度對(duì)不同粒徑顆粒運(yùn)動(dòng)情況的影響，在工作面粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，對(duì)不同位置的粉塵粒徑分布進(jìn)行分析。模擬計(jì)算前設(shè)定的塵源粒徑的頻度分布f(Dp)和和篩下累積G(Dp)如圖7所示，粉塵顆粒粒徑主要集中在1～39 μm，特征粒徑De為12 μm，分布指數(shù)為1.98。

圖7 掘進(jìn)工作面粉塵粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of palm flour dust

在靠近掘進(jìn)工作面塵源附近位置，不同海拔高度的空間粉塵粒徑分布相似，在距離掘進(jìn)工作面5 m處的截面粒徑分布如圖8(a)所示。而沿粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡繼續(xù)向前，同一位置不同海拔高度的粒徑分布和質(zhì)量流率差別逐漸增大，在工作面出口位置(X=55 m)，不同海拔高度的截面粒徑分布和質(zhì)量流率如圖8(b)～(f)所示，從圖8可以看出:

圖8 不同海拔高度的斷面粉塵粒徑分布Fig.8 Particle size distribution of section at different altitudes

(1)在掘進(jìn)工作面附近大顆粒粉塵尚未完全沉降，所以其粒徑分布與模型設(shè)定的粒徑分布相似，大顆粒粉塵占比較大。但隨著繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，粉塵顆粒充分彌散到風(fēng)流中，大顆粒沉降到地面被吸收，導(dǎo)致粒徑分布范圍變窄，R-R分布指數(shù)增大;在工作面出口位置，6 μm以上的大顆粒基本都沉降到地面。

(2)在工作面出口位置，隨著海拔升高，粉塵質(zhì)量流率不斷下降。在海拔0，2 000，4 000，6 000和8 000 m環(huán)境下，粉塵質(zhì)量流率從23.97分別下降至21.93，18.41，11.96及10.00 g/s;從X=5 m到X=55 m截面，不同海拔高度的沉降率也由42.10%增大為47.03%，55.53%，71.11%及75.85%。

由模擬結(jié)果可知，海拔上升會(huì)加速粉塵顆粒的沉降，特別是呼吸性粉塵;但當(dāng)遇到擾動(dòng)氣流時(shí)，沉降的小顆粒會(huì)再次飛揚(yáng)，污染工作面，所以海拔高度上升會(huì)導(dǎo)致呼塵排出工作面的難度增加。

3.4 不同風(fēng)速呼塵擴(kuò)散分析及模擬結(jié)果驗(yàn)證

工作面通風(fēng)排塵的主要目的是將對(duì)人體危害性較大的粉塵顆粒(呼塵)帶走。通過(guò)前面對(duì)不同粒徑的粉塵顆粒擴(kuò)散分析可知，在海拔4 490 m的環(huán)境下，當(dāng)vs=0.25 m/s時(shí)，風(fēng)流難以將所有的呼吸性粉塵攜帶排出工作面。所以為了降低工作面呼塵質(zhì)量濃度，減少對(duì)作業(yè)人員的危害，特對(duì)不同風(fēng)速下，呼吸性粉塵的擴(kuò)散軌跡進(jìn)行分析。設(shè)定粒徑分布指數(shù)n為2.5，特殊粒徑De為3 μm，控制其他條件不變，改變工作面風(fēng)速，得到的呼吸性粉塵擴(kuò)散軌跡如圖9所示，由圖9可知:

圖9 不同風(fēng)速下呼塵的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.9 Diffusion trajectories of exhaled dust at different wind speeds

(1)掘進(jìn)工作面風(fēng)速越大，呼吸性粉塵擴(kuò)散范圍越遠(yuǎn)，沉降顆粒越少。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，湍流脈動(dòng)速度作用力不足以平衡粒子重力，掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的粉塵會(huì)逐漸沉降于地面而停止運(yùn)動(dòng)，存在二次飛揚(yáng)的可能;當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，在湍流作用下，粒子在豎直方向受力平衡，能隨風(fēng)流排出工作面。

(2)當(dāng)vs≥0.35 m/s時(shí)，大部分呼吸性粉塵顆粒能隨風(fēng)流排入大巷，與規(guī)定的0.25 m/s相比，vs增大了40%。測(cè)得甲瑪?shù)V4490分層6號(hào)探礦巷的空氣密度為0.73 kg/m3，根據(jù)式(12)和(13)，計(jì)算得到的排塵風(fēng)速為0.33 m/s，與模擬結(jié)果值接近。

根據(jù)規(guī)定的粉塵質(zhì)量濃度測(cè)定方法，在甲瑪?shù)V4490分層6號(hào)探礦巷布置測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。通過(guò)理論模型計(jì)算得到的海拔4 490 m環(huán)境下排塵風(fēng)速為0.33 m/s，調(diào)節(jié)掘進(jìn)工作面壓入式風(fēng)機(jī)風(fēng)量為287 m3/min，采用濾膜法測(cè)定軸線1.5 m高度的呼吸性粉塵質(zhì)量濃度。將實(shí)測(cè)結(jié)果與風(fēng)速為0.35 m/s時(shí)的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。由圖10可知:模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律相近，但在靠近掘進(jìn)工作面位置，實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度較大，這是由于爆破后尚未清理的爆堆中含有的粉塵較多，導(dǎo)致掘進(jìn)工作面附近實(shí)測(cè)的粉塵質(zhì)量濃度較高。通過(guò)對(duì)比分析，說(shuō)明模擬得到的排塵風(fēng)速可有效降低工作面粉塵質(zhì)量濃度，可用于不同海拔最低排塵風(fēng)速的確定。

3.5 不同海拔最低排塵風(fēng)速的確定

為了得到各海拔高度下的最低排塵風(fēng)速，在塵源位置只設(shè)置呼吸性粉塵，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，得到在不同風(fēng)速下，工作面的粉塵質(zhì)量濃度變化。在海拔0，2 000，4 000，6 000和8 000 m環(huán)境下，工作面不同風(fēng)速的截面平均質(zhì)量濃度如圖11所示，由圖11可知:

圖11 不同風(fēng)速下各海拔高度的斷面粉塵質(zhì)量濃度變化Fig.11 Changes of dust concentration at different altitudes under different wind speeds

(1)粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生沉降，距離掘進(jìn)工作面越遠(yuǎn)，粉塵質(zhì)量濃度越低，在靠近出口位置存在一個(gè)快速沉降區(qū);且風(fēng)速越小，粉塵質(zhì)量濃度下降越快，沉降率越高，二次飛揚(yáng)的可能性就越大。(2)在不同風(fēng)速下，工作面粉塵質(zhì)量濃度分布呈3種狀態(tài):全部沉降、部分沉降、穩(wěn)定懸浮流出。即當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，粉塵在工作面會(huì)全部沉降，如在海拔0、風(fēng)速為0.05 m/s環(huán)境下;當(dāng)風(fēng)速增大后，粉塵顆粒一部分排出工作面，一部分沉降;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值后，粉塵能全部隨風(fēng)流懸浮排出工作面。

在考慮海拔高度的影響下，能將大部分呼吸性粉塵顆粒排出工作面的最低風(fēng)速即為高原環(huán)境下最低排塵風(fēng)速。根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，在海拔0，2 000，4 000，6 000和8 000 m環(huán)境下，其最低排塵風(fēng)速約為0.250，0.275，0.325，0.375和0.425 m/s時(shí)，能較好的達(dá)到工作面通風(fēng)除塵效果。

4 理論模型與模擬結(jié)果對(duì)比

為了確定得到的理論模型的可靠性，將不同海拔條件下理論模型的計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析。結(jié)果如圖12所示，誤差值均在3%以下，得到的理論模型與模擬結(jié)果吻合，可用于指導(dǎo)不同海拔最低排塵風(fēng)速的確定。根據(jù)得到的理論模型對(duì)不同海拔排塵風(fēng)速進(jìn)行修正，通過(guò)計(jì)算得到的修正系數(shù)K和最低排塵風(fēng)速見(jiàn)表3。

圖12 不同海拔理論值與模擬值的對(duì)比Fig.12 Comparison of theoretical and simulated values of different altitudes

表3 不同海拔的最低排塵風(fēng)速Table 3 Minimum dust velocity at different altitudes

5 結(jié) 論

(1)海拔上升，環(huán)境參數(shù)變化，為了使小顆粒粉塵能懸浮于空氣中隨風(fēng)流動(dòng)，在巷道粒子運(yùn)動(dòng)微分方程和湍流脈動(dòng)速度特性的基礎(chǔ)上，建立最低排塵風(fēng)速的理論模型。

(2)在掘進(jìn)工作面附近，風(fēng)筒射流與邊界層氣體發(fā)生動(dòng)量交換，形成錐形氣流場(chǎng);同時(shí)，在壁面阻礙作用下，在另一側(cè)形成回流，2股氣流沖擊、摻混，形成渦流，使掘進(jìn)工作面附近流場(chǎng)混亂;但繼續(xù)向前，風(fēng)速極差值減小，流場(chǎng)分布會(huì)逐漸均勻。

(3)海拔上升會(huì)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，特別是粒徑較小的顆粒，其中顆粒沉降速度增大，出口位置質(zhì)量流率下降;在向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，除了大顆粒，小顆粒也逐漸沉降于地面而停止運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致0.25 m/s的風(fēng)速難以將呼塵全部排出工作面。

(4)模擬得到各海拔環(huán)境下風(fēng)速為0.250，0.275，0.325，0.375和0.425 m/s時(shí)，能較好的達(dá)到工作面通風(fēng)除塵效果;并將模擬結(jié)果與理論模型進(jìn)行比較，基本吻合，誤差值在3%以下。