龔劍，胡乃聯(lián)，林榮漢，崔翔

(北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

掘進(jìn)巷道壓入式通風(fēng)粉塵運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬

龔劍，胡乃聯(lián)，林榮漢，崔翔

(北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

為了解決掘進(jìn)巷道粉塵的嚴(yán)重污染問題，以西藏自治區(qū)某銅多金屬礦為工程背景，運(yùn)用數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，對掘進(jìn)巷道采用壓入式通風(fēng)時(shí)的粉塵分布規(guī)律進(jìn)行研究。通過GAMBIT建立幾何模型，并運(yùn)用FLUENT軟件模擬壓入式通風(fēng)條件下粉塵的運(yùn)移規(guī)律。模擬結(jié)果表明，掘進(jìn)巷道內(nèi)的粉塵在1 200 s時(shí)基本全部排出，同時(shí)模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致。

掘進(jìn)巷道;壓入式通風(fēng);粉塵分布;數(shù)值模擬

掘進(jìn)工作面在鉆孔、爆破及裝巖過程中都會產(chǎn)生粉塵，是井下生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)塵量最大的塵源之一，同時(shí)由于獨(dú)頭巷道通風(fēng)距離長，通風(fēng)條件差，粉塵不易排出，致使粉塵大量分布于掘進(jìn)巷道內(nèi)，對人體危害極大［1－4］。各工種塵肺病的患病率調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，掘進(jìn)工人塵肺病患病率最高，因而必須對掘進(jìn)巷道的粉塵治理予以重視［5］?；诖?，本文以西藏自治區(qū)某銅多金屬礦為工程背景，根據(jù)氣固兩相流理論，采用GAMBIT建立掘進(jìn)巷道內(nèi)壓入式通風(fēng)粉塵運(yùn)移規(guī)律數(shù)學(xué)模型，同時(shí)利用FLUENT研究壓入式通風(fēng)過程中粉塵的運(yùn)動軌跡與濃度變化規(guī)律，并將現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

1 工程背景

西藏自治區(qū)某銅多金屬礦地下開采方式為斜坡道開拓，傾角為8°，總長800 m，巷道斷面為三心拱，寬4.2 m，高3.7 m，在4 470 m中段存在大量的掘進(jìn)斷面，風(fēng)流不能形成回路，導(dǎo)致通風(fēng)不暢，粉塵不能及時(shí)有效排出。另外礦石與廢石的提升運(yùn)輸只能利用礦車來實(shí)現(xiàn)，礦車發(fā)動機(jī)為柴油驅(qū)動，需要耗費(fèi)大量的氧氣，當(dāng)氧氣供應(yīng)不足時(shí)，尾氣的排放量成倍增加，尾氣排放量增加帶來的直接危害就是空氣中細(xì)顆粒物濃度的增大。因此，一方面4 470 m中段掘進(jìn)工作面由于獨(dú)頭巷道通風(fēng)不暢而導(dǎo)致粉塵分布集中，另一方面尾氣的大量排放致使粉塵濃度明顯增大，二者的共同作用導(dǎo)致掘進(jìn)巷道粉塵污染十分嚴(yán)重。

2 幾何模型的建立及求解

2.1 模型選定

粉塵在空氣中的運(yùn)動規(guī)律可運(yùn)用氣固兩相流理論進(jìn)行研究，通常采用歐拉-拉格朗日法將氣體看作背景流體，將粉塵看作離散分布于空氣中的顆粒，運(yùn)用氣體流動控制方程組，采用非穩(wěn)態(tài)不可壓Navier-Stokes方程和工程上應(yīng)用最廣的k-ε雙方程模型求解［6］，方程組可表示為:

式中:Gk-湍動能變率，k表示湍動能，m2/s2; ε-湍動能耗散率，m2/s2;μ-層流黏性系數(shù)，Pa·s; μt-湍流黏性系數(shù)，Pa·s;ρ-氣體密度，kg/m3;ui-流體在X方向上的速度，m/s;C1ε、C2ε、Cμ、σk和σε分別取1.44、1.92、0.09、1.00和1.30。

2.2 模型假設(shè)

由于4 470 m掘進(jìn)巷道現(xiàn)場情況較為復(fù)雜，若將所有因素全部考慮，不利于模型的建立與網(wǎng)格的劃分，因此需要對掘進(jìn)巷道粉塵分布計(jì)算域做出以下假設(shè):

1)掘進(jìn)巷道內(nèi)電纜電線、水管等雜物由于對粉塵沉降影響不大，模型中不予考慮。

2)掘進(jìn)巷道為標(biāo)準(zhǔn)三心拱巷道，巷道斷面始終保持一致。

3)壓入式風(fēng)筒是采場內(nèi)通風(fēng)除塵設(shè)計(jì)的重要組成部分，建模中考慮在內(nèi)。

4)掘進(jìn)斷面爆破粉塵全部產(chǎn)生于實(shí)施爆破階段，不考慮爆破準(zhǔn)備階段及爆破后轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)產(chǎn)生的粉塵。

5)掘進(jìn)巷道模型內(nèi)只考慮動量傳輸，忽略熱傳導(dǎo)。

2.3 模型建立

基于上述假設(shè)，根據(jù)4 470 m掘進(jìn)巷道的實(shí)際情況對其內(nèi)部幾何條件合理簡化，使用GAMBIT建立掘進(jìn)巷道的幾何模型并劃分網(wǎng)格，掘進(jìn)巷道尺寸為50 m(長)×4.2 m(寬)×3.7 m(高)，頂部為三心拱構(gòu)造，壓入式風(fēng)筒直徑為0.5 m，出風(fēng)口距工作面12 m，風(fēng)筒中心距地面2.3 m，如圖1所示。

2.4 邊界條件

在GAMBIT中將幾何模型及網(wǎng)格劃分完成后，導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)一步設(shè)置求解類型以及邊界條件等參數(shù)［7－10］。為了描述粉塵顆粒的運(yùn)動軌跡，氣相流場使用湍流模型，采用SIMPLI算法進(jìn)行計(jì)算，顆粒的軌跡跟蹤則由離散相模型(DPM模型)完成。數(shù)值模擬參數(shù)及邊界條件的設(shè)定如表1所示。

圖1 掘進(jìn)巷道幾何模型Fig.1 Geometric model of the excavation roadway

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

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 粉塵運(yùn)動軌跡

將已完成網(wǎng)格劃分的模型導(dǎo)入FLUENT中并進(jìn)行邊界條件設(shè)置，經(jīng)過迭代計(jì)算后，得到掘進(jìn)巷道內(nèi)風(fēng)流速度流線圖，如圖2所示。根據(jù)圓形貼附射流理論，掘進(jìn)工作面壓入式通風(fēng)可以認(rèn)為是末端封閉的受限圓形貼附射流通風(fēng)［11－12］，由圖2可以看出，風(fēng)流起始按貼附射流規(guī)律發(fā)展，而受獨(dú)頭巷道空間限制，使得在迎頭處射流向相反方向流動，在獨(dú)頭巷道工作區(qū)分別形成了射流區(qū)和回流區(qū)，又由于射流的卷吸作用在射流區(qū)和回流區(qū)界面上同時(shí)形成了渦流區(qū)。射流區(qū)風(fēng)速由風(fēng)筒出口到掘進(jìn)面不斷減小，風(fēng)筒出口風(fēng)速為12.74 m/s，到達(dá)距離掘進(jìn)面1 m處風(fēng)速降低到5 m/s，到掘進(jìn)面時(shí)風(fēng)速為1.2 m/s，射流區(qū)風(fēng)速降低較快。回流區(qū)風(fēng)速由掘進(jìn)面到出口先增大后持續(xù)減小，從掘進(jìn)面到距工作面5 m處，風(fēng)速增大到3 m/s，隨后持續(xù)減小，距工作面10 m處風(fēng)速為2 m/s，到達(dá)距離工作面20 m處風(fēng)速降低到1 m/ s，到達(dá)距工作面40 m處風(fēng)速降低為0.22 m/s。

圖2 掘進(jìn)巷道風(fēng)流流線圖Fig.2 Airflow line in excavation roadway

圖3所示為掘進(jìn)巷道粉塵分布軌跡的數(shù)值模擬結(jié)果。從圖中可以看出，粉塵粒徑大于20 μm的顆粒都沉積下來，含塵風(fēng)流以微細(xì)顆粒粉塵為主，且大顆粒粉塵基本在遠(yuǎn)離掘進(jìn)面處沉積，這是由于遠(yuǎn)離掘進(jìn)面處風(fēng)流速度降低，顆粒的重力作用超過風(fēng)流對顆粒的拖曳力作用。而粒徑更為細(xì)小的粉塵絕大部分漂浮在巷道風(fēng)流中，重力對微細(xì)顆粒的作用不明顯，粒徑分布無明顯規(guī)律。

圖3 掘進(jìn)巷道粉塵粒徑分布軌跡圖Fig.3 Dust distribution in excavation roadway

3.2 粉塵濃度變化規(guī)律

采用壓入式通風(fēng)時(shí)，掘進(jìn)巷道內(nèi)粉塵的濃度變化規(guī)律如圖4、5所示。圖4表示粉塵的沿程變化規(guī)律，圖5表示粉塵的垂直變化規(guī)律。從圖中可以看出:

圖4 掘進(jìn)巷道不同位置粉塵濃度變化規(guī)律Fig.4 Variation of dust concentration at different locations in excavation roadway

圖5 掘進(jìn)巷道不同高度粉塵濃度變化規(guī)律Fig.5 Variation of dust concentration at different heights in excavation roadway

1)在60～300 s時(shí)間內(nèi)，粉塵在風(fēng)流回流作用下，逐漸遠(yuǎn)離掘進(jìn)面，粉塵濃度下降幅度較為明顯; 300～1 200 s時(shí)間內(nèi)，粉塵質(zhì)量濃度下降緩慢，其中大部分是粒徑細(xì)小的粉塵，受空氣浮力及風(fēng)流速度的影響，在空氣中沉降的速度較慢。掘進(jìn)巷道內(nèi)的粉塵在1 200 s時(shí)基本全部排出，除塵效果較好。

2)隨著時(shí)間推移，粉塵質(zhì)量濃度最大值逐步向巷道出口移動，且數(shù)值呈逐步降低趨勢，但在5～20 m區(qū)域，粉塵濃度小幅上升，這是由于風(fēng)流速度在距離掘進(jìn)面5 m處下降，導(dǎo)致粉塵移動變慢，粉塵重新聚集，粉塵質(zhì)量濃度再次升高;而在距離掘進(jìn)面20 m后，風(fēng)速穩(wěn)定，從而粉塵濃度保持遞減趨勢。

3)隨著時(shí)間推移，巷道內(nèi)不同垂直高度的粉塵濃度總體隨高度下降而升高。100 s前，由于大顆粒粉塵的沉降作用，2 m和1.5 m的粉塵濃度不同程度下降，而1 m和0.5 m的粉塵濃度不同程度升高。100～300 s時(shí)間內(nèi)，各個高度粉塵濃度保持緩慢降低趨勢;300 s后，各垂直高度粉塵濃度迅速降低。

4 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件，選取距離掘進(jìn)工作面5 m處布置采樣點(diǎn)，采用多通道激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器對采場爆破后粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測。實(shí)際的監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖如圖6所示。圖6所示的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的走勢基本相符，由此可知數(shù)值模擬出的粉塵濃度變化規(guī)律與實(shí)際情況基本吻合，但在粉塵濃度最大值以及部分時(shí)間段存在偏差，出現(xiàn)偏差主要是因?yàn)閿?shù)值模型簡化了現(xiàn)場條件，數(shù)值模擬結(jié)果不能完全等同于實(shí)際情況。通過與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析，可得出數(shù)值模擬結(jié)果是基本準(zhǔn)確的，說明了離散相模型對粉塵質(zhì)量濃度分布與變化規(guī)律的適用性。

5 結(jié)論

1)壓入式通風(fēng)的風(fēng)流由于射流的卷吸作用會形成渦流區(qū)域，風(fēng)速損失較大，距工作面40 m處風(fēng)速已基本降低至零。風(fēng)速的降低會引起粉塵粒徑大于20 μm顆粒的沉積，含塵風(fēng)流主要以微細(xì)顆粒粉塵為主。

2)壓入式通風(fēng)時(shí)，粉塵濃度的數(shù)值隨著時(shí)間的推移逐步降低，但由于風(fēng)速的不穩(wěn)定會導(dǎo)致粉塵濃度小幅波動。掘進(jìn)巷道內(nèi)的粉塵在1 200 s時(shí)基本全部排出，除塵效果較好。

3)由于數(shù)值模型進(jìn)行了簡化，與實(shí)測數(shù)據(jù)存在一定偏差，但總體上數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本相符，說明運(yùn)用歐拉-拉格朗日法對掘進(jìn)巷道的粉塵分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的。

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Numerical simulation on dust migration law in excavation roadway with forced ventilation

GONG Jian，HU Nailian，LIN Ronghan，CUI Xiang
(State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，USTB，Beijing 100083，China)

In order to solve the problem of severe dust pollution in excavation roadway，the dust distribution in excavation roadway with forced ventilation is studied by the combined method of numerical simulation and on site measurements in a poly-metallic ore in Tibet autonomous region as the engineering background，the geometric model is established through GAMBIT and dust distribution with forced ventilation is simulated with the computational fluid dynamics software FLUENT.The simulation results indicate that the dust in excavation roadway is almost completely ejected at the time of 1 200 s，which are essentially coincident with the measured data.

excavation roadway;forced ventilation;dust distribution;numerical simulation

TD72

Α

1671-4172(2015)01-0065-04

"十二五"國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAB01B04);長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT0950)

龔劍(1987－)，男，博士研究生，采礦工程專業(yè)，主要從事礦山安全保障技術(shù)方面的研究。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.01.015