露天煤礦穿孔環節粉塵運移規律模擬仿真研究

丁新啟 張瑞新 陳再明 鄧有燃 王璟川 孫健東

（1.中煤平朔集團有限公司,山西 朔州 036000;2.華北科技學院安全工程學院,河北 三河 065200;3.中煤平朔集團有限公司安家嶺露天礦,山西 朔州 036000）

鉆機穿孔作業環節是露天開采工藝的首要環節。鉆機作業時,大量巖屑從鉆桿與孔壁間隙排出,隨風流向采場四周擴散,最高濃度超過1 000mg/m3,導致作業場所空氣質量惡化[1-3],成為露天礦山主要塵源之一[4-5]。同時,在鉆機鑿巖過程中因巖石硬度、鉆頭進給速度變化導致產塵量和粉塵粒徑分布差別較大,治理難度較大[6]。陳舉師等[7]對露天礦山邊坡鉆孔作業中采場風速、供氣壓力和鉆具轉速對潛孔鉆機產生粉塵進行研究發現,風速是采場影響粉塵分布的最主要因素。在治理穿孔環節超標問題領域,眾多專家在除塵器制造和抑塵劑研制方面進行了大量研究[8-9]。考慮鉆機作業時,地面受擾動影響較大,易破壞抑塵劑使用效果,抑塵劑研制面臨挑戰。物理防治方面,葛少成、高振等[10-12]研究露天礦山潛孔鉆機粉塵分布規律,提出優化單一式旋風除塵系統并通過實驗驗證取得較好效果,但在實際應用中受作業條件變化影響較大。研究發現,粉塵從鉆桿與孔壁間隙向外排出后,大顆粒粉塵直接沉降在鉆孔周圍,粒徑較小顆粒隨風流向采場擴散,但露天礦領域內對鉆孔粉塵產生和隨風流運移規律研究較少[13]。

本項目以安家嶺露天礦使用的1175E牙輪鉆機為研究對象,對鉆孔粉塵運移規律進行數值模擬,分析鉆孔粉塵在風流影響下粉塵濃度的分布規律。通過研究鉆孔粉塵的運移規律,可有效指導現場實施降塵和抑塵措施,對降低鉆孔粉塵污染問題有現實意義。

1 粉塵產生機理

露天礦牙輪鉆機為旋轉沖擊式鉆孔機械,它依靠較大的軸壓力和回轉扭矩在地面同時鉆進和回轉[14],多用于厚煤層穿孔作業。作業時,鉆機通過鉆桿將牙輪鉆頭送至孔底,在鉆桿的旋轉作用下,鉆頭上的牙輪滾動,通過滾齒傳遞沖擊和壓入力,使巖石破碎[15-16]。高速旋轉的鉆頭與巖石相互作用,在強摩擦力作用下產生粉塵,隨著鉆孔深度加大,對巖層擾動作用加強,產生大量粉塵。為使得后續的爆破作業預裝的乳化炸藥產生良好的爆炸效果,空壓機對外界空氣壓縮并通過鉆頭將高壓氣體作用于鉆孔內壁,大部分粉塵顆粒受高壓氣體作用排到孔外。粒徑較大的巖屑在炮口附近自由沉降,細小顆粒可隨風流在空氣中擴散,造成粉塵污染。

2 數學模型

根據氣—固兩相流中對粉塵相和空氣相的2種處理方式,即歐拉—歐拉研究方法和歐拉—拉格朗日研究方法。本項目選用歐拉—拉格朗日研究方法,將空氣視為連續相,粉塵為離散相,選擇三維不可壓縮瞬態納維—斯諾克斯方程為控制方程和湍流的Realizable k-ε雙方程模型,根據壓力梯度影響在近壁面加強處理效果,重點研究某一粉塵顆粒在不同時刻的運動和分布狀態[17-18]。模型考慮連續相與離散相間動量傳遞、對流擴散和離散相自身受力,得到模型求解方程如下。

質量守恒方程:

動量守恒方程:

粉塵受力方程:

式中,ρ為連續相密度,kg/m3;t為顆粒運動時間,s;xp為粉塵運動距離,m;up為粉塵運動速度,m/s;Sp為粉塵源質量,kg;ui、uj為連續相在x 和y方向的速度,m/s;xi、xj為顆粒在x和y方向坐標,m;p為流體相壓力,Pa;Fi為顆粒流阻力;τij為應力張量;mp為粉塵質量,kg;u為連續相速度,m/s;ρp為粉塵密度,kg/m3;tr為粒子的弛豫時間,s;dp為粉塵顆粒粒徑,m;g為重力加速度,m/s2;F為粉塵受到重力以外的其他力。

F可以根據如下公式計算:

式中,CD為阻力系數。

綜合上述粉塵顆粒在空氣中的受力情況,結合相關學者對空氣介質中粉塵顆粒運動研究,可將粉塵在空氣中的運動方程[19-21]整理為

3 構建幾何模型和邊界條件劃分

3.1 采場概況及作業機械幾何模型建立

以1175E電驅動牙輪鉆機為研究對象建立幾何模型,空壓機最大工作風壓為0.690 MPa,鉆孔直徑為250 mm,模型外形尺寸為14 730 mm×5 685 mm×16 595 mm,鉆孔深度約為17 m,穿孔環節塵源位置為鉆桿與孔壁間的內徑為15 mm,外徑為25 mm的環形區域。

因露天煤礦現場作業情況復雜,建模中難以考慮現場全部因素,對露天煤礦穿孔作業產生粉塵擴散計算區間做出如下假設:①鉆機機身簡化為長方體,底部行走部分以履帶形狀表示,鉆架用長方體表示;②鉆頭為穿孔環節核心作業器具,盡量接近現實;③粉塵在牙輪鉆機作業時產生,鉆機開始作業前和結束作業后不考慮。

為了得到準確的粉塵擴散規律,根據安家嶺露天礦穿孔環節所在平盤現場實際情況,使用SpaceClaim軟件建立尺寸為150 m×20 m×15 m的長方體作為穿孔作業計算區域,以鉆孔與地面相交圓心為坐標原點,鉆桿與孔壁之間的環形區域為塵源位置,構建幾何模型如圖1。

圖1 鉆機機身幾何模型和環形塵源Fig.1 Geometry model of the rig body and annular dust source

3.2 網格劃分和邊界條件設置

本研究模型前處理使用Fluent Meshing進行網格劃分,對計算區域邊界和模型壁面邊界增加邊界層以獲得較高的計算精度,導入網格文件后,檢查網格質量,無負體積網格生成,最小網格體積為3.590 023×10-12m3,網格扭曲度為0.201,導入求解器計算。求解模型利用結合增強型壁面函數法的Realizable k-ε湍流雙方程模型[22],通過Couple算法實現速度、壓力基分離求解器和二階精度的離散差分格式求解。

通過相關文獻查閱并結合現場作業規程,實地調查現場作業現狀確定穿孔作業過程的相關參數設定,結合粉塵顆粒受力方程和Fluent數值模擬方法設定計算模型的參數如表1所示[23-25]。

表1 FLUENT數值模擬參數設定Table 1 FLUENT numerical simulation parameter setting

4 數值模擬結果分析

4.1 采場內風流速度分布與分析

研究穿孔環節粉塵質量濃度分布規律,首先應該詳細了解采場內風流分布。根據我國北方人口平均身高取呼吸帶高度為1.5 m所在高度平面與鉆孔所在平面形成交叉平面,得到流場內風流速度分布渲染云圖如圖2。

從圖2可以看出,風流從鉆機后方進入采場,沿采場走向流動,在流場斷面受到鉆機后方和左側采場邊界影響,風速隨距離壁面減小逐步降低;鉆機前方和采場前方出現風流漩渦,因鉆機機身遮擋導致漩渦內氣流與外界流通性能較差,一定程度上限制了采場排塵效果;在風流入口附近,風速保持在5.3 m/s左右,隨著風流發展,風速在靠近鉆機和壁面位置下降,保持在3.78～5.1 m/s內,在漩渦處風速降低至1 m/s以下,隨風流繼續向前流動,同時受湍流作用影響速度回升。

4.2 采場內粉塵質量濃度分布與分析

1175E電驅動牙輪鉆機的鉆桿長10.7 m,完成單桿鉆進需要約10min,為了研究鉆孔作業過程中粉塵質量濃度隨時間變化規律及采場空間內的分布規律,首先在安家嶺實地觀測穿孔環節產塵情況,現場拍攝得到鉆機在工作過程中粉塵實時分布狀態如圖3所示,通過實地觀測得知穿孔環節鉆機產塵量較大時間集中于鉆機開始工作2.5 min內。

分析圖3得知,鉆機工作初期距離地面較近,鉆桿內部高壓氣體與環境空氣相互作用造成粉塵顆粒受到擾動較大,鉆機自帶捕塵裝置難以收集全部粉塵,隨鉆頭進給深度加大,產塵量變大,逸散粉塵濃度加大,后繼續增大進給深度,捕塵裝置可收集環形間隙內產生的大部分粉塵,從鉆孔逸散粉塵減少。

圖3 鉆機在工作過程中粉塵實時分布狀態Fig.3 The real-time distribution of dust during the working process of the drilling rig

為了動態反映穿孔環節粉塵的運移規律,從模擬計算開始至結束共10min,實時監控采場內粉塵分布狀態。如圖4所示,通過顯示計算域內全部粉塵顆粒結合粉塵在采場內的停留時間,可反映采場內粉塵顆粒的分布狀態。由圖4可知,前80 s內,粉塵向采場下風向和臺階高度增加的方向移動,且呈現粉塵顆粒先增多后減少的變化趨勢。170 s后粉塵顆粒停留在采場內的時間變長,顆粒數目基本保持不變。

圖4能夠較直觀地反映采場內粉塵的分布狀態,但缺少粉塵濃度隨時間變化的連續性。為了較準確描述穿孔環節粉塵質量濃度隨時間變化規律,沿采場下風向1 m、5m、10m、20 m、50m、70m、90 m、100 m各設置1個粉塵質量濃度監測面,監測面以呼吸帶高度所在平面（y=1.5 m）與z=0 m垂面的交線上的點為中心,分別向y軸和z軸正負2個方向延伸1 m,形成面積為4 m2的監測面,以研究粉塵從環形區域排出后沿采場下風向（x軸正向）不同距離濃度隨時間變化規律。

圖4 不同時間采場內粉塵顆粒的分布狀態Fig.4 The distribution of dust particles in the stope at different times

不同斷面粉塵質量濃度隨時間變化圖如圖5所示。

圖5 不同斷面粉塵質量濃度隨時間變化Fig.5 Graph of the variation of the dust mass concentration of different parts of the dust with time

由圖5可知,沿采場下風向不同斷面粉塵質量濃度變化規律大致相同,不同監測點位置粉塵質量濃度隨時間先急劇增大,后在一定濃度區間內上下波動。鉆機開始作業39 s左右時,粉塵質量濃度最高可達到480 mg/m3。 在 47、52、63 s時,粉塵擴散至鉆孔下風向 50、70、90 m處。在80 s左右時,距離鉆孔位置1 m處監測面粉塵質量濃度均在400 mg/m3上下浮動,距離鉆機下風向5m左右采場風流受機身影響最為嚴重,此處粉塵質量濃度波動區間較大,監測面隨采場向下延伸粉塵質量濃度峰值下降。90 s時,粉塵擴散至鉆孔下風向100 m處,此處最高粉塵質量濃度為73 mg/m3。 在 220、240、260 s時,50m、70m、90 m處粉塵質量濃度趨于穩定值,分別為140、115、95 mg/m3。270 s后,鉆孔下風向100 m處平均粉塵質量濃度在15mg/m3以下。不同高度斷面粉塵沿程質量濃度分布如圖6所示。

圖6 不同高度斷面粉塵沿程質量濃度分布Fig.6 Distribution diagram of mass concentration of the dust along different heights

如圖6所示為取采場內粉塵質量濃度最大時刻（t=80 s）,鉆孔中心所在yOz平面內不同高度粉塵質量濃度沿程分布,由圖6可以看出,在各高度斷面沿采場下風向粉塵質量濃度均呈現先急劇上升到最大值,在鉆孔下風向6 m處達到最大值,最大值出現在接近地面位置為510 mg/m3,之后快速降低到較小值,最后粉塵質量濃度緩慢下降,距離鉆孔下風向120 m處粉塵質量濃度基本為3 mg/m3,認為粉塵不再沿采場方向擴散;隨采場監測高度向上移動,粉塵質量濃度變化趨勢大致相同,峰值隨高度變化呈現沿采場方向推移且降低趨勢,到達采場高度12m時,最高粉塵質量濃度出現在采場下風向13 m處,最高值為260 mg/m3,之后隨采場風流擴散至120 m處時,粉塵質量濃度可降低為0。

4.3 實測數據與模擬結果對比分析

根據《GB 5748—1985作業場所空氣中粉塵測定標準》和《GBZ/T 192—2007工作場所空氣中粉塵測定》中第一部分總粉塵濃度的測定方法及相關文獻中采樣方法,在呼吸平面（y=1.5m）高度且距離鉆孔水平距離-10 m、-5 m、-1 m、0 m、1 m、5 m、10 m、20 m、30 m、50 m、70 m、100 m、120 m處設置13個粉塵質量濃度監測點,每個測點測試5組數據取平均值,得出實驗數據與模擬結果對比如圖7所示。

圖7 模擬與實測粉塵濃度對比圖Fig.7 Comparison chart of simulated and measured dust concentration

從圖7可以得知,露天煤礦穿孔環節在進行過程中,因露天作業過程中外界氣候環境因素變化較大,在構建幾何模型和參數設置時存在一定誤差。測點粉塵質量濃度實際數據與模擬數據大致相符,沿采場方向粉塵質量濃度變化趨勢基本相同。通過現場實測數據與模擬數據對比,平均誤差在35mg/m3內,驗證模擬方法的可行性。

5 結論和建議

通過上述對安家嶺露天礦穿孔環節粉塵運移規律模擬和實驗驗證,得到如下結論:

（1）時間尺度上,采場空間內粉塵質量濃度隨時間變化呈現先迅速增大在一定濃度區間內波動趨勢,并在1.5 min左右時保持在較穩定狀態,在穿孔作業進行到10 min時距離鉆孔下風向100 m處粉塵質量濃度降為10 mg/m3以下。空間尺度上,沿采場下風向粉塵質量濃度先增加后降低,因鉆機設備占有體積較大對采場內空氣流動造成影響導致粉塵顆粒在鉆孔前方5～10 m處出現積聚現場,之后可隨風流向外擴散。

（2）在鉆孔中心所在豎直平面內,粉塵質量濃度隨高度變化逐漸降低,在高度達到5 m左右時,粉塵質量濃度保持在較低水平。不同高度粉塵質量濃度沿采場走向先升高后降低,在x=35 m左右時可保持較低水平。

（3）根據現場作業實際情況,監測斷面在3 m以上時最高粉塵質量濃度浮動較小,且最高粉塵質量濃度均出現在采場下風向6m左右位置,因此考慮在鉆機周圍5～10 m位置加固高度不低于5m的流動式圍擋設施,防止粉塵向外擴散,可大大降低粉塵擴散距離,并且該措施已應用于現場,取得較好效果。