掘進工作面通風布置對粉塵分布規律的影響

周智勇，胡培，韓章程，陳建宏

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掘進工作面通風布置對粉塵分布規律的影響

周智勇1, 2, 3，胡培1，韓章程1，陳建宏1

(1. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2. 中南大學 礦業工程博士后科研流動站，湖南 長沙，410083；3. 湖南辰州礦業博士后協作研發中心，湖南 懷化，419607)

礦井通風；掘進巷道；數值模擬；粉塵

隨著礦山地下開采深度的下延以及采掘機械化的普遍應用，井下生產面臨的粉塵污染問題也越來越嚴峻[1]。對此，許多礦山采取了多種方法和手段來降低掘進巷道內爆破開鑿產生的粉塵，主要包括采用混合式局部通風、加大掘進面供風量、大量延長掘進巷道通風降塵時間等。這些措施雖然在實際降塵應用中取得了一定效果，但由于缺乏對掘進巷道通風及粉塵運移規律的理論研究，導致通風成本顯著提高，并且除塵效率較低。人們利用CFD(computational fluid dynamics)理論對礦井通風風流及粉塵運動規律進行了研究，取得了一定研究成果，如：蔣仲安等[2]在氣固兩相流的基礎上，分析了掘進巷道的特征，利用DPM離散相模型對掘進巷道的風流進行模擬研究，得到了抽出式局部通風情況下巷道的粉塵運移規律；王海橋等[3?4]對獨頭巷道受限貼附射流特征參數進行了分析計算，得到了獨頭巷道受限貼附射流流場的一些規律；秦躍平等[5]針對掘進面煤塵含量高、通風除塵效果不理想的狀況，利用數值模擬軟件研究了長壓短抽型局部通風方式在不同通風參數時的除塵效果；張朝波[6]采用正交實驗設計和數值模擬這2種方法分別對備選的獨頭巷道通風布置方案進行了研究，最后將2種方法得到的優化方案進行了對比分析，優選出最佳方案；LEE[7]使用“空氣年齡”的概念，研究了風筒直徑和空間位置對掘進面通風除塵的影響。目前，人們對關于深部金屬礦山混合式通風方案的多參數優化研究較少。為此，本文作者結合氣固兩相流理論，以湖南辰州礦業沃溪坑口為研究對象，利用計算流體軟件Fluent對混合式通風的風流場以及不同通風布置參數下的除塵效果進行數值模擬，以期為金屬礦山深部通風降塵提供參考。

1 粉塵擴散理論

井下掘進巷道的粉塵擴散是多種外界因素聯合作用的結果。在初始條件下，爆破開鑿生成的粉塵在機械力作用下脫離巖體獲得初速度，運動至巷道中后在通風氣流推動下開始沿風流方向運動，期間所受作用力主要包括流體的阻力、浮力以及自身重力[8?9]。為了便于理論分析，將粉塵沿掘進巷道的擴散簡化為等強度源一維縱向擴散，從= 0 s開始，在某處加入粉塵擴散質，擴散方程為[10?12]

式中：為綜合擴散系數；為平均粉塵質量濃度，mg/m3；為平均流速，m/s；為擴散時間，s。

一般地，粒徑大的粉塵沉降時間較短，而粒徑小的粉塵將持續漂浮在巷道中，有賴于風流將其稀釋排出。依據牛頓力學定律，可列出塵粒在空氣中的運動方程為

2 通風優化模型的建立

2.1 模型建立與網格劃分

本文進行模擬計算的對象為湖南辰州沃溪坑口井下42中段西部某掘進巷道，巷道凈斷面形狀為三心拱，面積為5.9 m2，寬為2.5 m，側壁高為2.5 m，長為161.0 m。根據實際生產情況，高濃度粉塵主要分布于離掘進面約40.0 m的范圍內，故計算模型的長度取為45.0 m。通風采用長壓短抽(前壓后抽)雙風筒，雙風筒直徑均為300.0 mm。利用前處理器GAMBIT繪制巷道的立體模型并進行網格劃分，網格的劃分采用四面體非結構化網格，如圖1所示。

圖1 巷道非結構化網格劃分

2.2 設定優化模擬方案

表1 通風參數優化模擬方案

其中：s為有效射程，m；為巷道斷面面積，m2。

2.2.2 抽壓比取值

抽壓比過大會導致已經落在地面的粉塵再次揚起，加大風流中的粉塵含量；若抽壓比過小，則新鮮風流不足以使工作面產生的粉塵和炮煙及時排走。據文獻[17]，合理的抽壓風量比應保持在1.2~1.5。

2.2.3取值

確定風筒的離地高度時既要考慮通風排塵效果，也要考慮吊掛施工和更換維修便利以及節省空間等因素，因此，風筒距離底板的高度一般處于側壁面中部至側壁面頂部的位置，即=1.25~2.50 m。

2.3 數值模擬條件的設置

巷道除塵模擬為典型的氣固兩相流，粉塵體積率在10%之內，故采用離散相模型[18?19]。數值模擬過程是先計算連續相，當連續相穩定收斂后再利用離散相方程加入粉塵顆粒進行迭代計算，直至收斂。根據礦山現場測試結果以及工程經驗，并參考現有研究成果對邊界條件、連續相計算模型、離散相計算模型、粉塵源參數進行設置，如表2~5所示。

表2 邊界條件設定

表3 連續相計算模型設置

表4 離散相計算模型設置

注：模型與連續相相互作用，采用非穩態追蹤，指定長度 范圍。

表5 粉塵源參數設置

注：粉塵采用隨機游走模型及隨機渦壽命。

3 數值模擬結果與分析

3.1 掘進工作面風流場分布模擬

為了清晰、直觀地了解壓抽風筒流場的相互作用，截取=1.5 m平面作巷道風流場的速度云圖和流線圖，見圖2。

從圖2可以看到：新風流經壓風筒出口以較高的速度射出，緊貼賦著巷道側壁面向掘進面沖擊，形成典型的貼壁射流；隨著射流的向前運動，射流斷面也逐漸擴大，當到達掘進面時，射流體與其發生碰撞致使風向發生改變，風流附壁回轉，形成沖擊射流；回轉風流一部分沿抽風筒側壁面向巷道斷面出口方向運動，到達抽風筒附近被吸走排出巷道；一部分被射流卷吸，在壓風筒出口附近區域產生渦流。而在逐漸遠離壓抽風筒出口的巷道空間內，由于風流速度降低，流場相對趨于穩定。另外還可看出混合式長壓短抽(前壓后抽)式通風流場的分區：在距離掘進面8 m內的空間區域，壓風筒一側射流為主要風流運動形式；而在距離掘進面8~30 m空間區域，抽風筒一側回流為主要風流運動形式。

3.2 混合式通風方案優化模擬

根據表1所示優化模擬方案，利用Fluent軟件對各方案進行模擬計算。首先對各方案的風流場進行迭代計算，待風流場收斂之后在掘進面加入瞬態粉塵源，然后對粉塵進行迭代計算。統一觀察通風5 min后巷道內粉塵質量濃度分布。根據地下礦山生產要求[20?21]，礦山短時期接觸煙塵的安全標準為2×10?6 kg/m3，以此為參考依據選擇通風優化參數。

3.2.1 壓風距離對粉塵質量濃度的影響分析

(a) Y=1.5 m截面風流場速度云圖；(b) Y=1.5 m截面流函數等值線

圖3 壓風口=8.0 m，通風5 min時粉塵質量濃度分布云圖

圖4 壓風口=10.0 m，通風 5 min時粉塵質量濃度分布云圖

圖5 壓風口=13.0 m，通風5 min時粉塵質量濃度分布云圖

Fig. 5 Distribution nephogram of dust mass concentration whenpressureis 13.0 m and time is 5 min

3.2.2 抽風距離對粉塵濃度影響分析

圖6 抽風口=25.0 m，通風5 min時粉塵質量濃度分布云圖

圖7 抽風口=30.0 m，通風5 min時粉塵質量濃度分布云圖

圖8 抽風口=35.0 m，通風5 min時粉塵質量濃度分布云圖

3.2.3 抽壓比對粉塵質量濃度影響分析

圖9 抽壓比K為1.0，通風5 min時粉塵質量濃度分布云圖

圖10 抽壓比K為1.3，通風5 min時粉塵質量濃度分布云圖

圖11 抽壓比為1.5，通風5 min時粉塵質量濃度分布云圖

從圖9可以得知：當抽壓比為1即抽風量等于壓風量時，壓口、抽口之間的區域殘留了大量粉塵。其原因主要為抽壓風量相等，當從壓風出流的空氣經掘進面折返至抽風口附近時，只有一部分風流被抽風筒吸走，另一部分則繼續向巷道出口運動，污染其他區域的空氣，通風排塵的效果不好；當抽壓比為1.3時，工作面附近處的粉塵基本被排出，只有很少量粉塵越過抽風口向巷道斷面出口運動，相比抽壓比為1.0的參數布置，除塵效果已經有所改善；當抽風量進一步提高時，除塵效果也明顯增強；當抽壓比為1.5時，由工作面產生的粉塵幾乎完全被壓、抽風筒聯合作用吸走排出，除塵效果良好。故選取抽壓比1.5作為合理的混合式通風布置參數。

3.2.4 風筒高度對粉塵濃度的影響

圖12 風筒高度H=1.2 m，通風5 min時粉塵質量濃度分布云圖

圖13 風筒高度H=1.5 m，通風5 min時粉塵質量濃度分布云圖

圖14 風筒高度H=1.8 m，通風5 min時粉塵質量濃度分布云圖

從圖12和圖14可以看出：當壓抽風筒離地高度為1.2 m和1.8 m時，壓風口至抽風口段巷道粉塵較多；而當=1.5 m時，通風除塵效果較理想，能夠達到生產要求。故確定=1.5 m為最合適的風筒高度。

4 結論

1) 在本次研究中，長壓短抽(前壓后抽)式通風流場的分區為：在距離掘進面8.0 m以內的空間區域，壓風筒一側射流為主要風流運動形式；而在距離掘進面8.0~30.0 m的空間區域，抽風筒一側回流為主要風流運動形式。

2) 建立了掘進巷道長壓短抽(前壓后抽)混合式通風數值模型。通過模擬得到風流場的分布，主要包含射流區、渦流區、回流區、壓抽風流聯合作用區4個區域。其中合理的壓抽風流聯合作用區能夠形成阻止粉塵逃逸的風流屏障，對提高巷道排塵效率起著重要作用。

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(編輯 陳燦華)

Effect of heading face ventilation arrangement on regulation of dust distribution

ZHOU Zhiyong1, 2, 3, HU Pei1, HAN Zhangcheng1, CHEN Jianhong1

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Center for Post-doctoral Studies of Mineral Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;3. Collaborative Research and Development Center for Postdoctor, Hunan Chenzhou Mining Group Co. Ltd., Huaihua 419607, China)

Aiming at the problem of dust pollution in the deep ventilation, the theory of gas-solid two-phase flow and combined ventilation systems in excavation roadway were used, and the three-dimensional numerical model of hybrid ventilation was established. Taking Woxi pithead of Chenzhou Mining as the research object, Fluent software was used to study the optimized ventilation method. The four layout parameters, i.e. the distance between the pressure vent and the heading surface, the distance between the suction and the heading surface, the suction pressure ratio of air volume and the height of fan drum, were selected. The effect of exhaust dust of the ventilation method in different setting parameters was analyzed, and the optimal value of the ventilation layout parameter was obtained. The results show that when the distance between the pressure vents and the heading surface is 10.0 m, the distance between the suction and the heading surface is 35.0 m, the suction pressure ratio of air volume is 1.5 and the height of fan drum is 1.5 m, the effect of dust exhaust is the most ideal.

mine ventilation; excavation roadway; numerical simulation; dust

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.09.020

TD72

A

1672?7207(2018)09?2264?08

2017?10?12；

2017?12?07

國家自然科學基金資助項目(51504286，51374242)；中國博士后科學基金資助項目(2015M572270)；湖南省科技計劃項目(2015RS4004) (Projects(51504286, 51374242) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015M572270) supported by China Postdoctoral Science Foundation; Project(2015RS4004) supported by the Science and Technology Plan of Hunan Province)

周智勇，博士，講師，從事礦業系統工程及礦山安全研究；E-mail: csuzzy@126.com