多塵源耦合擴散規(guī)律主要研究成果及存在的問題*

王素云，夏 潤

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601)

0 引言

煤塵防治工作始終是煤礦“一通三防”管理中最為重要的內(nèi)容之一。近年來，隨著礦井采煤工藝智能化、機械化、自動化水平的日益提升，粉塵的產(chǎn)生量日益增大，造成了嚴(yán)重的礦井粉塵污染，嚴(yán)重影響了企業(yè)的安全生產(chǎn)、威脅工人的職業(yè)衛(wèi)生健康[1]。此外，在有限空間內(nèi)粉塵濃度過高會增加粉塵爆炸的風(fēng)險，嚴(yán)重影響生命健康和財產(chǎn)安全。針對粉塵防治管理，國家已經(jīng)出臺了一系列的法律法規(guī)，如《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》《煤礦安全監(jiān)察條例》《中華人民共和國職業(yè)病防治法》等。按照源頭治理、科學(xué)防治、嚴(yán)格管理、依法監(jiān)督的要求，職業(yè)病危害防治工作早已經(jīng)在各行各業(yè)全面展開，加強煤礦生產(chǎn)過程中粉塵危害的認識與防治，對確保從業(yè)人員生命健康和預(yù)防事故的發(fā)生尤為重要。

目前，國內(nèi)學(xué)者基于單一塵源的兩相流對煤礦生產(chǎn)作業(yè)時粉塵擴散、運移的規(guī)律進行了大量的研究，取得了一定的研究成果。例如，佟林全等[2]利用COMSOL軟件建立三維數(shù)值模型，分析轉(zhuǎn)載點處風(fēng)流紊亂原因以及不同粒徑的三維時空分布規(guī)律；任志峰等[3]以綜采工作面開展了采煤機割煤產(chǎn)塵運移分布規(guī)律的數(shù)值模擬分析研究；王明等[4]建立相似模型研究不同影響因素條件下綜放工作面移架粉塵分布規(guī)律。然而，對于多塵源點耦合共同作用下粉塵的分布規(guī)律研究較少，并且礦井內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同礦井地質(zhì)條件和控塵技術(shù)差異較大導(dǎo)致粉塵來源較為復(fù)雜。因此，缺乏針對性的研究很難達到理想的粉塵治理效果。基于此，一些學(xué)者開展了多塵源耦合條件下粉塵污染規(guī)律的研究并提出了適合的治理方案。

1 多塵源耦合擴散的主要研究內(nèi)容

多塵源耦合擴散是2個或2個以上粉塵起源處協(xié)同在一起產(chǎn)生擴散運動的現(xiàn)象。在多塵源粉塵擴散機理中，學(xué)者根據(jù)煤礦現(xiàn)場的實際情況，考慮井下空氣濕度、風(fēng)速、煤層的堅固性系數(shù)以及浸潤性等要素，根據(jù)構(gòu)建耦合擴散模型，即可進行研究混合塵源的粉塵運移規(guī)律。

對于多塵源耦合擴散規(guī)律的研究包含了確定塵源濃度、設(shè)計相似實驗、建立耦合模型、數(shù)值模擬及可靠性驗證等幾個階段。例如，陳雅[5]采用Matlab編制仿真模擬系統(tǒng)觀測粉塵聚集區(qū)域，建立用相似理論求解的綜采工作面移架和割煤雙塵源耦合模型，選取極大似然法、梯度下降法和線性回歸法求解耦合系數(shù)，并運用拉格朗日插值法和平均相對誤差處理實驗數(shù)據(jù)，驗證了耦合模型具有可靠性。上述模型提出的雙塵源耦合系數(shù)求解法為多個塵源同時產(chǎn)塵的濃度模擬提供了思路，強化了防塵降塵的理論依據(jù)。

在對多塵源耦合時的粉塵濃度分析方面，以理論計算與現(xiàn)場實測相結(jié)合的手段為主。例如，蔣仲安等[6]采用理論計算的方法，運用大氣紊流擴散模型，考慮焊接車間作業(yè)點多且產(chǎn)塵復(fù)雜的情況，將焊接車間劃分為單區(qū)域、相鄰區(qū)域、對角區(qū)域、共同作用區(qū)域，并在這些區(qū)域設(shè)置粉塵濃度測點，通過對比理論計算得到的實測多塵源粉塵分布與現(xiàn)場實測值粉塵分布，驗證理論計算方法的可行性以及不同區(qū)域作業(yè)時的粉塵濃度值；王洪勝等[7]采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對井下工作面多塵源的粉塵擴散進行分開和綜合數(shù)值模擬和實測，對割煤、移架、放頂煤、轉(zhuǎn)載4大塵源點單獨及共同作用下粉塵分布規(guī)律及降塵措施提出了針對性建議，為工作面防塵提供了有效技術(shù)支持。測量粉塵質(zhì)量濃度時采取合適的檢測方法能夠使檢測結(jié)果更加精確。李德文等[8]設(shè)計光散射法、電荷感應(yīng)法和振蕩天平法3種不同方案測量粉塵濃度，為煤礦不同粉塵濃度提供了不同的粉塵測量方法，實現(xiàn)了粉塵質(zhì)量濃度的精確測量，為粉塵的相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。

2 相似實驗在多塵源耦合問題求解中的應(yīng)用

相似實驗是實驗流體力學(xué)的重要方法之一，也可稱為模型試驗。即根據(jù)相似原理，將需要進行試驗的實際流動區(qū)域制作成比例相似的小比例模型，能對流體力學(xué)問題中非線性方程組離散化過程和各種數(shù)值方法進行補充、驗證，廣泛應(yīng)用于工程、氣象問題。其中，相似實驗常與相似準(zhǔn)則、量綱分析結(jié)合使用。

2.1 相似準(zhǔn)則

在相似實驗中，流體要實現(xiàn)在模擬域和實際流動域受到的作用力比尺滿足一定的約束關(guān)系，這種約束關(guān)系即相似準(zhǔn)則。王冕等[9]利用相似原理構(gòu)建掘進巷道壓入式通風(fēng)的相似實驗?zāi)Ｐ?在使用FLUENT數(shù)值模擬軟件和滿足相似準(zhǔn)則的情況下，分析通風(fēng)條件下流場特征對粉塵脫離工作面后的運動軌跡和沉降堆積特點的影響；譚聰?shù)萚10]運用相似理論和氣固兩相流方程,導(dǎo)出了綜放工作面相似準(zhǔn)則數(shù),設(shè)計出相似實驗?zāi)Ｐ?模擬研究多工序塵源在不同風(fēng)速和不同含水率下粉塵濃度變化，由圖1可看出多塵源與單一塵源相比粉塵濃度分布的疊加效應(yīng)十分明顯。實驗和模擬相結(jié)合的方法在實際防塵中采取單點防降塵和多點防降塵相結(jié)合，提高了粉塵防治的精準(zhǔn)性，降低了大水漫灌式降塵造成的資源浪費。

圖1 單塵源與多塵源疊加對比Fig.1 Superposition comparison of single dust source and multiple dust sources

JIANG W等[11]基于相似理論和氣固兩相流理論，采用數(shù)值模擬和相似實驗相結(jié)合的方法，研究了強制通風(fēng)條件下變塵源綜采工作面粉塵濃度分布和粉塵擴散特性。該研究發(fā)現(xiàn)由于撞擊射流附著區(qū)的風(fēng)速不同，不同塵源釋放的粉塵的初始速度和方向有明顯差異；道路上的粉塵多來自于在初始氣流的影響下，上方來源的灰塵向上移動的結(jié)果；在粉塵源較低的情況下，大部分粉塵沿巷道底部移動或停留在巷道底板上的粉塵是由于較低來源的粉塵隨著氣流向下移動，在一定程度上阻礙了粉塵的飛行，粉塵擴散范圍降低，從而大量聚集在巷道底部。蔣仲安等[12]考慮綜放工作面四面煤壁對粉塵擴散的約束因素，假設(shè)與煤壁接觸的粉塵全部二次飛揚，采用鏡面法處理二次飛揚的粉塵源，以比例3∶1搭建相似模擬試驗場地，通過采集檢測點風(fēng)速與粉塵濃度的相似實驗數(shù)據(jù)，用線性回歸方法確定雙塵源的耦合關(guān)系，求得2個單塵源的耦合系數(shù)為a=1,b=1，并根據(jù)梯度下降法求解紊流系數(shù)驗證雙塵源粉塵擴散模型的可靠性。

2.2 量綱分析

量綱分析法能夠?qū)⒂绊懸蜃兞康挠嘘P(guān)變量之間建立起函數(shù)關(guān)系式，對物理現(xiàn)象進行數(shù)值表達，具有包括性強的特點[13]。在進行流體力學(xué)的數(shù)學(xué)建模過程中，有大量復(fù)雜的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型，通過量綱分析法能夠很好解決模型表達式復(fù)雜的問題。

在量綱和諧原理基礎(chǔ)上發(fā)展卡里的量綱分析法有2種。一種是瑞利法，適用比較簡單的問題；另一種成π定理或布金漢定理，是一種較為普遍的方法。王明[14]在進行高溜井卸礦沖擊氣流及粉塵時空分布的相似模型實驗設(shè)計過程中，選用空氣粘度μ，空氣密度ρg，卸礦高度H3個相互獨立的因素作為基本物理量，根據(jù)量綱和諧∏定理對粉塵控制方程進行處理，將其簡化為無量綱π項的表達式。張興華等[15]利用量綱分析法搭建轉(zhuǎn)載點誘導(dǎo)氣流計算模型，通過研究轉(zhuǎn)載過程中給料量、落料高度差、下料管傾斜度和皮帶運行速度等不同因素對產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的影響，根據(jù)π定理處理轉(zhuǎn)載點誘導(dǎo)風(fēng)量與影響因素的函數(shù)關(guān)系式，并以該模型估算轉(zhuǎn)載點誘導(dǎo)風(fēng)量大小,為現(xiàn)場的粉塵治理及生產(chǎn)實踐提供了參考依據(jù)。

3 粉塵濃度預(yù)測

粉塵濃度預(yù)測的作用在于防范粉塵濃度過高，并預(yù)先設(shè)定采取合適措施，以避免經(jīng)濟損失和災(zāi)害事故發(fā)生。LAL B等[16]開發(fā)了一個基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型來預(yù)測賈坎德州露天煤礦的粉塵濃度，結(jié)果表明，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的含氣象參數(shù)、擴散系數(shù)和地理參數(shù)的沙塵預(yù)測模型在試驗數(shù)據(jù)上表現(xiàn)出最好的性能，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)模型預(yù)測值與觀測值相差不大，然而由高斯羽流方程計算的數(shù)值和某些點的觀測值存在很大差異。ANSART R等[17]重點研究了自由落體射流的落差高度對顆粒尺寸、顆粒速度、顆粒濃度變化和粉塵羽流中夾帶空氣的偏析的影響，對自由落體過程中排放的粉塵的重要參數(shù)和濃度進行了量化，改進了基于測量夾帶空氣的Cooper實驗，通過測量顆粒濃度、顆粒尺寸分布和氣流中的顆粒速度來估算粉塵排放率，證明了細顆粒在該邊界層中的偏析，并獲得了堆芯中的濃度分布。

周旭等[18]將時間序列處理時序型數(shù)據(jù)的能力與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測特點相融合，提出了一種非線性自回歸的礦井粉塵濃度預(yù)測模型，該模型大幅降低了普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的預(yù)測誤差率?；粑牡萚19]考慮環(huán)境因素影響下，建立了以隨機森林算法為基礎(chǔ)的粉塵質(zhì)量濃度預(yù)測模型，研究得到對粉塵濃度數(shù)據(jù)降噪處理能提高預(yù)測模型精確度，空氣中相對濕度對濃度預(yù)測影響較大。

以上關(guān)于粉塵濃度預(yù)測的模型，作者選取了煤礦上影響粉塵濃度的一些參數(shù)和因素，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)合提高了模型的精度。

4 存在的問題

經(jīng)過多年的研究，我國在粉塵治理以及粉塵規(guī)律的研究得到了充分的發(fā)展，已經(jīng)能夠科學(xué)的對粉塵濃度進行預(yù)測，使用多種方法探究粉塵的移動擴散規(guī)律。然而隨著我國對于礦井工作相關(guān)的職業(yè)病越來越重視以及開采技術(shù)的發(fā)展，在粉塵規(guī)律研究上仍然存在瓶頸。

現(xiàn)有學(xué)者關(guān)于粉塵運移規(guī)律的數(shù)值模擬研究中，通常是假設(shè)粉塵顆粒在理想條件下運動，過于簡化工作面的實際情況，導(dǎo)致模擬出現(xiàn)的結(jié)果與現(xiàn)場差異過大。對于后續(xù)采取的噴霧降塵等措施會造成一定的影響。其次，對于模擬通常假設(shè)風(fēng)流和粉塵顆粒是穩(wěn)定狀態(tài)，即不隨時間變化發(fā)生改變，但是根據(jù)粉塵自身的特性以及粉塵顆粒的粒徑不同會在運動過程中跟隨時間的變化懸浮在空氣中或者發(fā)生沉降。除此之外，對于大質(zhì)量煤塊下降時粉塵在誘導(dǎo)氣流的作用下，誘導(dǎo)氣流和粉塵運動組成的非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)也缺乏相應(yīng)的研究，更多的是在穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中研究粉塵運移規(guī)律，結(jié)果會造成較大的誤差。

根據(jù)相似實驗方法，雖然從一定方面彌補了數(shù)值模擬模型中對煤礦井下產(chǎn)塵條件的理想化假設(shè)，但是由于煤塵產(chǎn)生原因的復(fù)雜多樣性，煤巖的產(chǎn)塵量會受到煤層注水效果的影響，在相似實驗中無法全真構(gòu)造煤層的實際情況。在實驗室無法對實際礦井中由于移架、割煤等工序造成的突發(fā)性、瞬時性片幫進行規(guī)律分析。實驗室也不能完全構(gòu)建煤層的地質(zhì)條件和賦存條件對煤層開采的影響。此外，相似實驗由于是按照一定比例進行搭建，這也決定它不能像數(shù)值模擬一樣簡便設(shè)置不同參數(shù)就能獲得不同條件下粉塵數(shù)據(jù)，同時相似實驗也會造成大量的實驗材料浪費。綜上，相似實驗仍然存在一定的局限性，如何通過設(shè)計更好的實驗探究粉塵流動規(guī)律性研究仍需在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上取得突破。

對于粉塵濃度預(yù)測的研究多數(shù)集中在構(gòu)建相應(yīng)的預(yù)測模型上，常見的預(yù)測模型一般使用灰色關(guān)聯(lián)分析、層次分析法等作為主要研究方法，在預(yù)測模型中對部分參數(shù)的確定一般是根據(jù)經(jīng)驗值獲取，因此預(yù)測結(jié)果也會造成一定的誤差。我國幅員遼闊，不同地區(qū)地勢差距較大，在構(gòu)建預(yù)測模型時相關(guān)參數(shù)和影響因素選擇的差異性也是研究的重點之一。

5 結(jié)語

通過總結(jié)多塵源耦合擴散規(guī)律的主要研究成果，討論了多塵源粉塵分布在多相性、模型建立，粉塵濃度預(yù)測等方面的最新研究成果以及分析了關(guān)于粉塵擴散研究中存在的一些問題。多塵源耦合擴散規(guī)律在未來的研究趨勢主要集中在提高多塵源耦合濃度測量的精準(zhǔn)性和搭建粉塵濃度及粉塵分布區(qū)域的井上實時可視化系統(tǒng)方面。首先，開發(fā)高精度的粉塵檢測儀器，在粉塵采樣階段較少有數(shù)據(jù)誤差；其次，設(shè)計更加貼合礦井的實驗平臺，根據(jù)粉塵實際的擴散運移提高多塵源粉塵濃度的精確度，能夠為粉塵精準(zhǔn)防治做好準(zhǔn)備工作。井上實時可視化系統(tǒng)應(yīng)該達到粉塵分布區(qū)域能夠覆蓋，并且將粉塵濃度以動態(tài)云圖和數(shù)字兩方面顯示，其次需具有普適性，并且粉塵濃度相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫需足夠大，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)使用者根據(jù)自身礦井的條件自行參數(shù)選擇。