巷道型采場爆破粉塵質量濃度分布及變化規律的數值模擬

蔣仲安，陳梅嶺, ，陳舉師

(1.北京科技大學 教育部金屬礦山高效開采與安全重點實驗室，北京，100083；2.五礦安徽開發礦業有限公司，安徽 六安，237400)

隨著工農業的快速發展，人口的劇增以及人類物質生活水平的提高，社會對礦產資源的需求越來越大。在礦產資源的地下開采過程中，爆破作業是不可缺少的工藝環節，爆破過程中會產生大量的煙塵，給現場作業人員身體健康和安全生產帶來了極大的威脅。爆破煙塵主要包括粉塵和有毒有害氣體，具有濃度高且不易排出的特點。爆破粉塵的來源可分為爆破準備階段產生的粉塵、施爆階段產生的粉塵以及爆破后裝運作業所產生的粉塵，其中施爆階段粉塵質量濃度最高，危害也最大[1?4]。李樓鐵礦?200 m水平44號采場內爆破作業時粉塵質量濃度最高可達3 500 mg/m3，亟待采取有效的防塵降塵措施。因此，研究采場爆破作業時粉塵的運移規律，掌握粉塵質量濃度分布及變化特點，獲取通風除塵設計的合理參數，探索降低采場爆破粉塵質量濃度的控制技術，對于改善井下工人的作業環境、保障工人的身體健康具有十分重大的意義。

1 數學模型及控制方程的建立

1.1 氣固兩相流數學模型的建立

研究粉塵顆粒在氣流中的運動軌跡，掌握粉塵質量濃度空間分布規律，本質上屬于氣固兩相流的研究范疇。目前對氣固兩相流動的數值模擬有2種方法，一種是歐拉?歐拉法，也稱多相流法；另一種是歐拉?拉格朗日法，也稱顆粒軌道法。歐拉?拉格朗日法將氣體或液體看作背景流體，將另外一相看作離散分布于背景流體中的顆粒或粒子，用歐拉方法研究背景流體，用拉格朗日方法追蹤顆粒相的運動軌跡，目前應用較多的離散相模型(DPM)本質上屬于歐拉?拉格朗日法。

本文采用離散相模型(DPM)對巷道型采場爆破粉塵質量濃度空間分布規律進行模擬，首先采用SIMPLE算法計算連續相的流場速度、湍流動能等參數；其次創建離散相噴射源，確定射流源的位置、尺寸、顆粒粒徑和初速度等；然后在拉格朗日坐標下對顆粒群中的各個顆粒進行軌道積分，在隨機軌道模型中，應用隨機方法來考慮瞬時湍流速度對顆粒軌道的影響。

1.2 粉塵運動控制方程的建立

采場爆破粉塵運動軌跡運用拉格朗日法進行求解。通過積分拉格朗日坐標下顆粒作用力的微分方程來求解顆粒的軌道，在求解過程中，只考慮阻力和重力，其他作用力由于數量級很小可忽略不計，則顆粒相的作用力平衡方程為：

式中：t為顆粒運動時間；FD(u?up)為顆粒的單位質量阻力；CD為阻力系數；u為流體相速度；up為顆粒運動速度；ρ為流體密度；ρp為顆粒密度；dp為顆粒直徑。

空氣流動中顆粒的隨機軌道跟蹤通過確定氣流的瞬時速度來實現。在Fluent中采用隨機軌道模型來確定氣流的瞬時速度。顆粒軌跡控制方程為：

式中：τp為顆粒松弛時間。

考慮湍流對顆粒隨機性的影響時，氣流的瞬時速度可看作是平均速度與脈動速度u′(t)之和，即：

細小顆粒在流動區域中具有良好的跟蹤性，對于k?ε模型，顆粒的積分時間長度可近似為氣流的拉格朗日積分時間長度TL，即：

顆粒與流體的離散渦之間相互作用時，假定湍流渦團中流體脈動速度(u′)滿足高斯概率密度分布，則u′可表示為：

式中：ζ為服從正態分布的隨機數為當地脈動速度的均方根。

對于k?ε模型，假設當地湍流各向同性，則：

2 幾何模型的建立及求解

2.1 現場概況

李樓鐵礦?200 m水平44號采場位于2號副井南側，與主要聯絡斜坡道毗鄰，工作斷面為三心拱，進路寬度3.6 m，高度3.2 m，進路內中孔爆破位置風速小于0.1 m/s，施工部位圍巖主要為閃長巖，圍巖硬度f較大，f=10～12，巖體整體性好，局部為矽卡巖，巖石表面比較干燥，對粉塵捕捉能力較低。采場聯絡巷斷面為三心拱，寬度為3.5 m，高度為3.2 m，聯絡巷斷面風速為0.5 m/s，相對濕度為59.1%，溫度為23.9 ℃。

2.2 幾何模型的建立及網格劃分

由于采場內情況比較復雜，建模過程中完全復制采場比較困難，根據對李樓鐵礦?200 m水平44號采場相關尺寸的現場實測數據，文中對巷道型采場爆破粉塵擴散計算區間進行如下假設：

(1) 將采場進路及聯絡巷斷面視為標準三心拱，聯絡巷與采場進路垂直相交；

(2) 聯絡巷內電纜電線、水管及壓風管等設備由于尺寸較小，模型中不予考慮；

(3) 壓入式風筒是采場內通風除塵設計的重要組成部分，應完全考慮在內；

(4) 采場爆破粉塵全部產生于施爆階段，暫不考慮爆破準備階段及爆破后裝運時產生的粉塵。

為了準確地得到粉塵在采場內的擴散規律，計算中建立一個尺寸為10 m×3.6 m×2 m(長×寬×高)的三心拱主體作為采場進路計算區域，同時補充建立出連接采場進路的上下風向聯絡巷道，簡化后使用GAMBIT 2.0建立巷道型采場三維幾何模型，并對其進行網格劃分，如圖1所示。

2.3 邊界條件的設定及求解

根據李樓鐵礦?200 m水平44號采場的具體情況及相關實測數據，結合數學模型和FLUENT的數值模擬方法，并對區域網格進行自適應等調試，數值模擬參數設定如表 1所示[5?15]。

表1 計算模型參數Table 1 Defining calculation model parameters

圖1 巷道型采場三維幾何模型Fig.1 3D geometric model of roadway stope

3 數值模擬結果及對比分析

3.1 采場氣流流場分布規律

為研究采場內氣流流場分布規律，分別在x，y，z方向上各截取至少1個平面，得出巷道型采場空間氣流流場分布情況。圖 2所示聯絡巷風速為 0.5 m/s時巷道型采場內空間速度場分布。從圖2可以看出：

(1) 聯絡巷內風速及風向比較穩定，采場進路內形成了比較明顯的漩渦流動，且漩渦上游區域(右側)風速明顯高于漩渦下游區域(左側)；

(2) 采場進路隅角處通風比較困難，左側隅角處通風效果最差，基本形成了一個無風區域；

(3) 在巷道斷面內，由于巷道壁面的摩擦作用，壁面附近處風速略低于巷道中心。

圖2 巷道型采場空間氣流流場分布Fig.2 Spatial air flow field distribution in roadway stope

3.2 采場爆破粉塵質量濃度分布及變化規律

為研究爆破發生后粉塵在采場內的濃度分布規律，取呼吸帶高度(Z=1.5 m)作為基準平面，觀察該平面各個時間段的粉塵質量濃度分布規律，結果如圖3所示。

圖3 巷道型采場呼吸帶高度斷面粉塵質量濃度分布Fig.3 Dust mass concentration distribution at breathing height of cross section in roadway stope

圖4 采場不同位置粉塵質量濃度變化Fig.4 Dust mass concentration changing regularities in different position of stope

圖4所示為距工作面不同距離處巷道中央呼吸帶高度粉塵質量濃度隨時間的變化規律。從圖3和4可以看出：

(1) 采場爆破發生后，在爆破沖擊波作用下，粉塵從工作面高速噴入采場內；在漩渦流動的作用下，粉塵逐漸向采場外方向擴散；受距離工作面較近的回風流的影響，進路內左側隅角處粉塵質量濃度較高；

(2) 在采場進路斷面方向，粉塵質量濃度呈由左至右、由下至上降低的分布規律，這是由于漩渦上游風速高于下游及粉塵顆粒的自身沉降作用所致。在進路軸線方向，粉塵質量濃度呈中間高，兩側低的分布態勢；

(3) 隨著時間的推移，進路軸線上粉塵質量濃度最大值逐步向采場外移動，且數值逐步降低；采場內粉塵在1 800 s內基本全部排出，此時采場內粉塵質量濃度保持在10 mg/m3以內；

(4) 在距工作面1，2，3，5及10 m處，粉塵質量濃度分別在20，30，40，70及100 s時達到最大值，分別為2 650，1 750，1 600，1 500和950 mg/m3。

3.3 捕捉壁面條件下粉塵質量濃度變化規律

圖5所示為捕捉壁面條件下采場爆破后距工作面不同距離處粉塵質量濃度隨時間的變化規律。比較圖4和圖5可以看出：捕捉壁面條件下采場內粉塵質量濃度分布規律與反彈壁面相似，空間整體質量濃度較之反彈壁面條件要低，且質量濃度降低速率較快，采場內粉塵在900 s內基本全部排出。

3.4 不同風速條件下粉塵質量濃度變化規律

為了探究采場在不同供風條件下粉塵質量濃度隨時間的變化規律，保持其他參數不變，分別取聯絡巷入口風速為0.5，1.0，2.0及4.0 m/s對采場爆破后粉塵質量濃度分布規律進行模擬，并分別對聯絡巷回風側 3 m處巷道中央呼吸帶高度粉塵質量濃度進行監測。圖6所示為不同風速條件下粉塵質量濃度隨時間變化規律。從圖6可以看出：

圖5 捕捉壁面條件下粉塵質量濃度變化Fig.5 Dust mass concentration changing regularities under trap-wall condition

(1) 聯絡巷入口風速越大，在進路內形成的漩渦流動作用越強，粉塵整體質量濃度越低，排出時間越短；

(2) 不同風速條件下粉塵質量濃度隨時間變化規律基本一致，均為在某一時間點瞬間上升至最大值，然后隨時間推移緩慢降低；

(3) 當風速為0.5，1.0，2.0及4.0 m/s時，測點質量濃度最大值分別為1 380，1 310，500及400 mg/m3，粉塵排出時間分別3 200，2 000，900及500 s；

圖6 不同風速條件下粉塵質量濃度變化Fig.6 Dust mass concentration changing regularities at different wind velocity

(4) 較大的風速有利于粉塵顆粒的稀釋及排出，但同時也容易造成已沉降粉塵的二次飛揚，綜合考慮粉塵質量濃度與粉塵排出時間，可取聯絡巷入口風速為2 m/s進行通風除塵設計。

3.5 壓入式通風條件下粉塵質量濃度變化規律

為加快采場爆破后粉塵排出速度，在聯絡巷內安裝壓入式局部通風機，經風筒將新鮮風流壓至工作面附近。圖7所示為壓入式通風條件下采場進路內不同位置處粉塵質量濃度隨時間變化規律。從圖7可以看出：

(1) 壓入式通風條件下粉塵質量濃度分布規律與未安裝通風機時的相似，采場空間粉塵質量濃度較之未安裝時有較大程度升高，粉塵排出時間大幅度降低；

(2) 采場空間粉塵質量濃度最高可達16.5 g/m3，采場內粉塵在160 s內基本能全部排出；

(3) 壓入式通風條件下不同位置處粉塵質量濃度最大值出現時間相隔較短，在20 s附近達到最大值。

圖7 壓入式通風條件下粉塵質量濃度變化Fig.7 Dust mass concentration changing regularities under forced ventilation condition

3.6 實測數據與模擬結果對比分析

根據 GBZ/T 192.1—2007《工作場所空氣中粉塵測定第1部分：總粉塵質量濃度》以及相關文獻中的采樣點布置方法，在44號采場聯絡巷回風側3 m處布置測點，采用LD-5C型微電腦激光粉塵儀對采場爆破后粉塵質量濃度進行監測。實測數據與模擬結果對比如圖8所示。從圖8可以看出：模擬結果與實測數據基本吻合，粉塵質量濃度分布及變化規律基本一致。但質量濃度最大值發生點有所偏差，這是由于在現場實測、模型建立及參數設置過程中均會出現一定誤差所造成的。通過對比分析，驗證了模擬結果的準確性，說明運用離散相模型對巷道型采場爆破粉塵質量濃度分布及變化規律進行模擬是合適的。

圖8 粉末質量濃度實測值與模擬值對比Fig.8 Comparison of dust mass concentration between field measurement and simulated model

4 結論

(1) 在采場進路斷面方向，粉塵質量濃度呈由左至右、由下至上降低的分布規律；在軸線方向，粉塵質量濃度呈中間高，兩側低的分布態勢。隨著時間的推移，進路軸線上粉塵質量濃度最大值逐步向采場外移動，且數值逐步降低。

(2) 捕捉壁面條件下采場內粉塵質量濃度分布規律與反彈壁面相似，空間整體質量濃度較之反彈壁面條件要低，且質量濃度降低速率較快；因此采場內可以通過加強壁面灑水等措施來加速粉塵的沉降。

(3) 聯絡巷入口風速越大，在進路內形成的漩渦流動作用越強，粉塵整體質量濃度越低，排出時間越短。綜合考慮粉塵整體質量濃度與粉塵排出時間，可取聯絡巷入口風速為2 m/s進行通風除塵設計。

(4) 壓入式通風條件下采場空間粉塵質量濃度較之未安裝時有較大程度升高，粉塵排出時間大幅度降低。在工作面條件允許的情況下，可通過安裝壓入式通風設備以加快爆破粉塵的排出。

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