多塵源耦合擴(kuò)散規(guī)律主要研究成果及存在的問(wèn)題*

王素云，夏 潤(rùn)

(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(lái)，隨著礦井采煤工藝智能化、機(jī)械化、自動(dòng)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(guò)高會(huì)增加粉塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響生命健康和財(cái)產(chǎn)安全。針對(duì)粉塵防治管理，國(guó)家已經(jīng)出臺(tái)了一系列的法律法規(guī)，如《中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)法》《煤礦安全監(jiān)察條例》《中華人民共和國(guó)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(kāi)，加強(qiáng)煤礦生產(chǎn)過(guò)程中粉塵危害的認(rèn)識(shí)與防治，對(duì)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(guó)內(nèi)學(xué)者基于單一塵源的兩相流對(duì)煤礦生產(chǎn)作業(yè)時(shí)粉塵擴(kuò)散、運(yùn)移的規(guī)律進(jìn)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(diǎn)處風(fēng)流紊亂原因以及不同粒徑的三維時(shí)空分布規(guī)律；任志峰等[3]以綜采工作面開(kāi)展了采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵運(yùn)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(duì)于多塵源點(diǎn)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(lái)源較為復(fù)雜。因此，缺乏針對(duì)性的研究很難達(dá)到理想的粉塵治理效果?；诖?，一些學(xué)者開(kāi)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(kuò)散的主要研究?jī)?nèi)容

多塵源耦合擴(kuò)散是2個(gè)或2個(gè)以上粉塵起源處協(xié)同在一起產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。在多塵源粉塵擴(kuò)散機(jī)理中，學(xué)者根據(jù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，考慮井下空氣濕度、風(fēng)速、煤層的堅(jiān)固性系數(shù)以及浸潤(rùn)性等要素，根據(jù)構(gòu)建耦合擴(kuò)散模型，即可進(jìn)行研究混合塵源的粉塵運(yùn)移規(guī)律。

對(duì)于多塵源耦合擴(kuò)散規(guī)律的研究包含了確定塵源濃度、設(shè)計(jì)相似實(shí)驗(yàn)、建立耦合模型、數(shù)值模擬及可靠性驗(yàn)證等幾個(gè)階段。例如，陳雅[5]采用Matlab編制仿真模擬系統(tǒng)觀測(cè)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(yùn)用拉格朗日插值法和平均相對(duì)誤差處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)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(gè)塵源同時(shí)產(chǎn)塵的濃度模擬提供了思路，強(qiáng)化了防塵降塵的理論依據(jù)。

在對(duì)多塵源耦合時(shí)的粉塵濃度分析方面，以理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的手段為主。例如，蔣仲安等[6]采用理論計(jì)算的方法，運(yùn)用大氣紊流擴(kuò)散模型，考慮焊接車間作業(yè)點(diǎn)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(duì)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(cè)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比理論計(jì)算得到的實(shí)測(cè)多塵源粉塵分布與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值粉塵分布，驗(yàn)證理論計(jì)算方法的可行性以及不同區(qū)域作業(yè)時(shí)的粉塵濃度值；王洪勝等[7]采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)井下工作面多塵源的粉塵擴(kuò)散進(jìn)行分開(kāi)和綜合數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)，對(duì)割煤、移架、放頂煤、轉(zhuǎn)載4大塵源點(diǎn)單獨(dú)及共同作用下粉塵分布規(guī)律及降塵措施提出了針對(duì)性建議，為工作面防塵提供了有效技術(shù)支持。測(cè)量粉塵質(zhì)量濃度時(shí)采取合適的檢測(cè)方法能夠使檢測(cè)結(jié)果更加精確。李德文等[8]設(shè)計(jì)光散射法、電荷感應(yīng)法和振蕩天平法3種不同方案測(cè)量粉塵濃度，為煤礦不同粉塵濃度提供了不同的粉塵測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了粉塵質(zhì)量濃度的精確測(cè)量，為粉塵的相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。

2 相似實(shí)驗(yàn)在多塵源耦合問(wèn)題求解中的應(yīng)用

相似實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的重要方法之一，也可稱為模型試驗(yàn)。即根據(jù)相似原理，將需要進(jìn)行試驗(yàn)的實(shí)際流動(dòng)區(qū)域制作成比例相似的小比例模型，能對(duì)流體力學(xué)問(wèn)題中非線性方程組離散化過(guò)程和各種數(shù)值方法進(jìn)行補(bǔ)充、驗(yàn)證，廣泛應(yīng)用于工程、氣象問(wèn)題。其中，相似實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，流體要實(shí)現(xiàn)在模擬域和實(shí)際流動(dòng)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(jìn)巷道壓入式通風(fēng)的相似實(shí)驗(yàn)?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(chǎng)特征對(duì)粉塵脫離工作面后的運(yùn)動(dòng)軌跡和沉降堆積特點(diǎn)的影響；譚聰?shù)萚10]運(yùn)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(jì)出相似實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法在實(shí)際防塵中采取單點(diǎn)防降塵和多點(diǎn)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(fèi)。

圖1 單塵源與多塵源疊加對(duì)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(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了強(qiáng)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(kuò)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(lái)自于在初始?xì)饬鞯挠绊懴拢戏絹?lái)源的灰塵向上移動(dòng)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(dòng)或停留在巷道底板上的粉塵是由于較低來(lái)源的粉塵隨著氣流向下移動(dòng)，在一定程度上阻礙了粉塵的飛行，粉塵擴(kuò)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(duì)粉塵擴(kuò)散的約束因素，假設(shè)與煤壁接觸的粉塵全部二次飛揚(yáng)，采用鏡面法處理二次飛揚(yáng)的粉塵源，以比例3∶1搭建相似模擬試驗(yàn)場(chǎng)地，通過(guò)采集檢測(cè)點(diǎn)風(fēng)速與粉塵濃度的相似實(shí)驗(yàn)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(gè)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(yàn)證雙塵源粉塵擴(kuò)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(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值表達(dá)，具有包括性強(qiáng)的特點(diǎn)[13]。在進(jìn)行流體力學(xué)的數(shù)學(xué)建模過(guò)程中，有大量復(fù)雜的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型，通過(guò)量綱分析法能夠很好解決模型表達(dá)式復(fù)雜的問(wèn)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(jiǎn)單的問(wèn)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(jìn)行高溜井卸礦沖擊氣流及粉塵時(shí)空分布的相似模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用空氣粘度μ，空氣密度ρg，卸礦高度H3個(gè)相互獨(dú)立的因素作為基本物理量，根據(jù)量綱和諧∏定理對(duì)粉塵控制方程進(jìn)行處理，將其簡(jiǎn)化為無(wú)量綱π項(xiàng)的表達(dá)式。張興華等[15]利用量綱分析法搭建轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)氣流計(jì)算模型，通過(guò)研究轉(zhuǎn)載過(guò)程中給料量、落料高度差、下料管傾斜度和皮帶運(yùn)行速度等不同因素對(duì)產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的影響，根據(jù)π定理處理轉(zhuǎn)載點(diǎn)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(diǎn)誘導(dǎo)風(fēng)量大小,為現(xiàn)場(chǎng)的粉塵治理及生產(chǎn)實(shí)踐提供了參考依據(jù)。

3 粉塵濃度預(yù)測(cè)

粉塵濃度預(yù)測(cè)的作用在于防范粉塵濃度過(guò)高，并預(yù)先設(shè)定采取合適措施，以避免經(jīng)濟(jì)損失和災(zāi)害事故發(fā)生。LAL B等[16]開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型來(lái)預(yù)測(cè)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(kuò)散系數(shù)和地理參數(shù)的沙塵預(yù)測(cè)模型在試驗(yàn)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(cè)值與觀測(cè)值相差不大，然而由高斯羽流方程計(jì)算的數(shù)值和某些點(diǎn)的觀測(cè)值存在很大差異。ANSART R等[17]重點(diǎn)研究了自由落體射流的落差高度對(duì)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(duì)自由落體過(guò)程中排放的粉塵的重要參數(shù)和濃度進(jìn)行了量化，改進(jìn)了基于測(cè)量夾帶空氣的Cooper實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量顆粒濃度、顆粒尺寸分布和氣流中的顆粒速度來(lái)估算粉塵排放率，證明了細(xì)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(shí)間序列處理時(shí)序型數(shù)據(jù)的能力與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)特點(diǎn)相融合，提出了一種非線性自回歸的礦井粉塵濃度預(yù)測(cè)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(cè)誤差率?；粑牡萚19]考慮環(huán)境因素影響下，建立了以隨機(jī)森林算法為基礎(chǔ)的粉塵質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)模型，研究得到對(duì)粉塵濃度數(shù)據(jù)降噪處理能提高預(yù)測(cè)模型精確度，空氣中相對(duì)濕度對(duì)濃度預(yù)測(cè)影響較大。

以上關(guān)于粉塵濃度預(yù)測(cè)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(wèn)題

經(jīng)過(guò)多年的研究，我國(guó)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(duì)粉塵濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，使用多種方法探究粉塵的移動(dòng)擴(kuò)散規(guī)律。然而隨著我國(guó)對(duì)于礦井工作相關(guān)的職業(yè)病越來(lái)越重視以及開(kāi)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(yùn)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(yùn)動(dòng)，過(guò)于簡(jiǎn)化工作面的實(shí)際情況，導(dǎo)致模擬出現(xiàn)的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)差異過(guò)大。對(duì)于后續(xù)采取的噴霧降塵等措施會(huì)造成一定的影響。其次，對(duì)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(shí)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(huì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中跟隨時(shí)間的變化懸浮在空氣中或者發(fā)生沉降。除此之外，對(duì)于大質(zhì)量煤塊下降時(shí)粉塵在誘導(dǎo)氣流的作用下，誘導(dǎo)氣流和粉塵運(yùn)動(dòng)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(yùn)移規(guī)律，結(jié)果會(huì)造成較大的誤差。

根據(jù)相似實(shí)驗(yàn)方法，雖然從一定方面彌補(bǔ)了數(shù)值模擬模型中對(duì)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(huì)受到煤層注水效果的影響，在相似實(shí)驗(yàn)中無(wú)法全真構(gòu)造煤層的實(shí)際情況。在實(shí)驗(yàn)室無(wú)法對(duì)實(shí)際礦井中由于移架、割煤等工序造成的突發(fā)性、瞬時(shí)性片幫進(jìn)行規(guī)律分析。實(shí)驗(yàn)室也不能完全構(gòu)建煤層的地質(zhì)條件和賦存條件對(duì)煤層開(kāi)采的影響。此外，相似實(shí)驗(yàn)由于是按照一定比例進(jìn)行搭建，這也決定它不能像數(shù)值模擬一樣簡(jiǎn)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(shí)相似實(shí)驗(yàn)也會(huì)造成大量的實(shí)驗(yàn)材料浪費(fèi)。綜上，相似實(shí)驗(yàn)仍然存在一定的局限性，如何通過(guò)設(shè)計(jì)更好的實(shí)驗(yàn)探究粉塵流動(dòng)規(guī)律性研究仍需在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上取得突破。

對(duì)于粉塵濃度預(yù)測(cè)的研究多數(shù)集中在構(gòu)建相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型上，常見(jiàn)的預(yù)測(cè)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(cè)模型中對(duì)部分參數(shù)的確定一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值獲取，因此預(yù)測(cè)結(jié)果也會(huì)造成一定的誤差。我國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)地勢(shì)差距較大，在構(gòu)建預(yù)測(cè)模型時(shí)相關(guān)參數(shù)和影響因素選擇的差異性也是研究的重點(diǎn)之一。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)總結(jié)多塵源耦合擴(kuò)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(cè)等方面的最新研究成果以及分析了關(guān)于粉塵擴(kuò)散研究中存在的一些問(wèn)題。多塵源耦合擴(kuò)散規(guī)律在未來(lái)的研究趨勢(shì)主要集中在提高多塵源耦合濃度測(cè)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(shí)時(shí)可視化系統(tǒng)方面。首先，開(kāi)發(fā)高精度的粉塵檢測(cè)儀器，在粉塵采樣階段較少有數(shù)據(jù)誤差；其次，設(shè)計(jì)更加貼合礦井的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)粉塵實(shí)際的擴(kuò)散運(yùn)移提高多塵源粉塵濃度的精確度，能夠?yàn)榉蹓m精準(zhǔn)防治做好準(zhǔn)備工作。井上實(shí)時(shí)可視化系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到粉塵分布區(qū)域能夠覆蓋，并且將粉塵濃度以動(dòng)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(kù)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。