某金礦掘進工作面粉塵濃度分布及影響因素分析

秦汝祥 彭世政 謝志旭

摘要：金屬非金屬地下礦山掘進巷道鉆孔、爆破、鏟裝等作業工序產生大量巖塵，導致井巷空間粉塵濃度高，危害職工健康和影響作業環境。以某金礦掘進巷道為研究對象，建立掘進巷道壓入式通風模型，依據氣固兩相流理論，結合現場測定數據，利用Fluent軟件分析風筒布不同布置條件下除塵效果，得出巷道內粉塵運移規律和風速分布情況。研究發現：風機壓入風流在掌子面附近形成渦流，攜帶粉塵在掌子面附近渦旋，不利于粉塵的排出，風筒布出口距掌子面7～8 m風流逐漸穩定流向回風巷;當風筒布出口距掌子面8 m，高度為1.5 m時，巷道內粉塵排出較快，除塵效果最為理想。研究結果對指導掘進工作面粉塵防治具有一定的指導意義。

關鍵詞：粉塵濃度;計算流體力學;通風除塵;數值模擬;兩相流理論

中圖分類號：TD714 文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2023）04-0086-05doi：10.11792/hj20230418

引 言

金屬非金屬地下礦山掘進巷道作業過程中，鑿巖機具在鉆孔、爆破、鏟裝等工序會產生大量巖塵，導致井巷空間粉塵濃度高，而高濃度粉塵會加劇設備磨損，危害作業人員安全和職業健康，因此粉塵防治一直是行業關注的主要問題之一^［1］。隨著計算流體力學的發展，眾多學者利用數值方法研究巷道內粉塵運移規律，從而總結出解決粉塵污染問題的方法。常用的計算流體力學計算機軟件有ANSYS Fluent、ANSYS CFX、ShonDY等，數值方法能夠再現粉塵運移全過程，并能直觀展現井巷各點粉塵濃度分布，為粉塵治理提供依據。

數值方法在煤礦掘進巷道粉塵運移規律的研究中有其獨特的優勢，尤其在指導現場粉塵防治措施方面，能夠以較少的投入找出最佳問題解決途徑^［2-5］。劉毅等^［2］利用Fluent軟件模擬綜采工作面割煤作業粉塵運移規律，對除塵設備布置位置進行優化，并進行了現場試驗;李勇等^［3］利用Fluent軟件模擬煤礦掘進面通風布置對粉塵運移規律的影響，對風筒布位置進行優化;王海東等^［4］利用數值模擬軟件對綜掘工作面內粉塵分布規律進行數值模擬研究，得到除塵設備的最佳安裝方案。以上學者的研究以煤礦井巷中煤塵為研究對象，與煤塵相比，巖塵密度更高，不具可燃性，塵源參數、游離二氧化硅含量、分散度等性質均與煤塵不同，因此煤礦掘進巷道粉塵運移規律不能直接應用到非煤礦山中。本文利用SolidWorks軟件建立掘進巷道壓入式通風三維模型，Ansys Workbench Meshing軟件繪制網格，最后導入Fluent軟件進行仿真模擬。依據氣固兩相流理論^［6］，結合現場測定數據，以某金礦-180 m 305勘探線4號鑿巖巷產塵量較大且有工人連續作業的鏟運作業處為研究對象，在風筒布不同高度和風筒布出口距掌子面不同距離條件下進行仿真模擬，得出粉塵運移規律，以及風筒布最佳布置位置和運行參數，為現場通風除塵工作提供參考。

1 模型建立

某金礦于20世紀80年代開始進行小規模開采，采用地下開采方式，最初設計采選規模僅50 t/d。為適應礦山發展和礦體賦存條件的變化，礦山采選生產系統歷經多次改造，當前生產規模3 000 t/d，主要開拓方式為斜井。其中，主斜井采用箕斗運輸，為礦石主要運輸通道;副斜井采用串車運輸，負責人員、材料、渣石的運輸。采礦方法以中深孔分段崩落嗣后充填采礦法為主，選礦工藝為重選+浮選。

為方便計算，在不影響Fluent軟件數值模擬計算結果的情況下，盡量將模型簡化，視掘進巷道、進風巷、回風巷為表面光滑無浮石凸起和凹坑的標準三心拱巷道。計算區域長度為20 m，風筒布出口距掌子面距離分別為2 m、4 m、6 m、8 m，風筒布直徑400 mm，距底板高度分別為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m。巷道斷面為3.0 m×3.0 m標準三心拱設計（如圖1所示），拱高1.0 m，巷道斷面面積8.358 m²，大拱半徑2.076 m，角度67.37°，小拱半徑0.783 m，角度56.32°。掘進巷道幾何示意圖如圖2所示。

2 數值模擬

2.1 網格劃分

使用SolidWorks軟件建立三維模型后導入Ansys Workbench Meshing軟件繪制網格，最后導入Fluent軟件進行仿真模擬。由于風筒布位置計算復雜，本次網格劃分采用適應性強，但計算更為復雜的非結構性網格^［7］，風筒布位置進行局部網格加密，最大單元尺寸為0.3 m，網格數量為476 449，網格最大偏度0.85，平均偏度0.23，超過95%的網格偏度小于0.5，質量符合計算要求。掘進巷道網格劃分如圖3所示，風筒布局部網格加密如圖4所示。

2.2 求解器及邊界條件設置

氣固兩相流模擬基本模型為離散相模型（DPM），為求解出納維-斯托克斯方程，該方法將流體視為連續相，將固相視為離散相^［8-9］。相比連續相，離散相體積分數較小，不足十分之一，故在研究過程中不考慮離散相間的相互作用，也不考慮離散相對連續相運動的影響，但需考慮連續相和離散相之間動量、質量和能量的傳遞和變化^［10］。求解參數設置如表1所示，邊界條件設置如表2所示，塵源及離散相參數設置如表3所示。

3 仿真模擬結果分析

3.1 風流場分布

將仿真結果導入至CFD-Post中，得到掘進工作面風流場分布情況和粉塵分布情況。為更直觀觀察風流場流速分布情況，分別分析掘進巷道不同高度（0.5 m、1 m、1.5 m、2 m）平面風流場速度云圖，如圖5所示。掘進巷道高度為1.5 m的風速矢量圖如圖6所示。

由圖5和圖6可知：風流從風筒布出口高速射出，直接射向掌子面，形成典型的高速貼壁射流。一部分風流經掌子面攜帶粉塵往回風巷流動;另一部分風流繼續轉向掌子面，在掌子面附近作業處形成渦流，此處風流幾乎不流動，不利于粉塵排出。

3.2 風筒布出口距掌子面距離

根據GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規程》，壓入式通風風筒口與工作面的距離不應超10 m。保持風筒布高度不變，調整風筒布出口距掌子面距離分別為2 m、4 m、6 m、8 m，進行仿真模擬，并記錄距掌子面3 m工人作業處粉塵濃度分布，如圖7和圖8所示。風筒布出口距掌子面不同距離巷道斷面粉塵平均濃度分布如圖9所示。

由圖7和圖8可知：當風筒布出口距掌子面過近時，雖然此時粉塵移動速度較快，但風流渦流使粉塵團在掌子面附近聚集，同時可能導致二次揚塵;此現象在風筒布出口距掌子面6 m時最為明顯，大量的風流在風機出口處形成渦旋區，導致粉塵不易排出，濃度高達50 mg/m³，遠超相關標準。當風筒布出口距掌子面8 m時，掌子面在最佳射流區間內，粉塵能較快排出，巷道內粉塵濃度較小。因此，風筒布出口距掌子面8～10 m較為合適。

圖9可直觀比較風筒布出口距掌子面不同距離巷道斷面粉塵平均濃度分布，若通風參數選擇不當，巷道斷面粉塵平均濃度最高可達50 mg/m³。隨著風筒布出口距掌子面距離增加，巷道內粉塵濃度降低，其中風筒布出口距掌子面8 m時，巷道內粉塵濃度最低，通風效果最佳。

3.3 風筒布高度

將風筒布出口距掌子面距離保持8 m不變，風速等客觀參數不變，調整風筒布高度，分別設置為0.5 m、1 m、1.5 m和2 m進行仿真計算，并記錄距掌子面3 m工人作業處粉塵濃度分布，如圖10和圖11所示。風筒布不同高度巷道斷面粉塵平均濃度分布圖10 風筒布不同高度掘進面粉塵濃度分布如圖12所示。

由圖10和圖11可知：當風筒布高度過低時，風流經風筒布射出后，會在巷道上部產生渦流，將巷道底部粉塵帶往上部，造成上部呼吸帶粉塵濃度過高，不利于作業。當風筒布高度為1.5 m時，雖然靠近掌子面局部地點粉塵濃度高于2 m風筒布高度，但粉塵運移速度、呼吸帶粉塵濃度好于其他風筒布高度，這有利于掘進面作業過程中粉塵排出，大大減小呼吸帶粉塵濃度，為工人提供一個良好的作業環境。因此，巷道風筒布高度設置為1.5 m比較合適。

由圖12可知：4種風筒布高度條件下巷道內粉塵濃度變化規律大致相同。由于塵源點在掘進面，所以該處粉塵平均濃度最高。隨著粉塵在巷道內不斷沉降，粉塵平均濃度有下降趨勢，其中風筒布高度1.5 m時，巷道內粉塵平均濃度最低，通風效果最佳。

4 結 論

1）掘進巷道中，風流從風筒布出口射出，由于風筒布貼近壁面，形成典型的高速貼壁射流。風流撞擊掌子面后一部分攜帶粉塵往回風巷流出;另一部分轉向掌子面，在掌子面附近形成渦流，不利于粉塵的排出。風筒布出口距掌子面過近時，可能導致二次揚塵，粉塵濃度高達50 mg/m³;風筒布出口距掌子面7～8 m時，風流逐漸穩定流向回風巷。

2）當風筒布出口距掌子面8 m，高度為1.5 m時，巷道內粉塵排出較快，此方案為巷道最優除塵布置方案。研究結果可為現場除塵工作提供參考，為工人提供一個舒適、安全的作業環境。

［參 考 文 獻］

［1］ 金波.長距離掘巷前壓后抽混合式通風數值模擬研究［D］.贛州：江西理工大學，2015.

［2］ 劉毅，蔣仲安，蔡衛，等.綜采工作面粉塵濃度分布的現場實測與數值模擬研究［J］.煤炭科學技術，2006，34（4）：80-82.

［3］ 李勇，張凱，史紀飛，等.掘進面通風布置對粉塵運移規律的影響［J］.采礦技術，2022，22（2）：193-196.

［4］ 王海東，孫鑫，趙紅星，等.綜掘工作面通風除塵系統的數值模擬及應用［J］.能源與環保，2020，42（4）：33-38.

［5］ 許滿貴，劉欣凱，文新強，等.煤礦綜采工作面粉塵分布及運移規律研究［J］.西安科技大學學報，2014，34（5）：533-538.

［6］ 車德福，李會雄.多相流及其應用［M］.西安：西安交通大學出版社，2007.

［7］ 羅勇東.長距離巷道掘進通風排塵數值模擬及優化研究［D］.贛州：江西理工大學，2020.

［8］ 王曉珍.采掘工作面粉塵運動和分布規律的數值模擬研究［D］.北京：北京科技大學，2004.

［9］ 王曉珍.煤巷掘進過程中粉塵濃度影響因素分析［J］.中國安全生產科學技術，2011，7（4）：75-79.

［10］ 蔣仲安，陳舉師，王晶晶，等.膠帶輸送巷道粉塵運動規律的數值模擬［J］.煤炭學報，2012，37（4）：659-663.

Analysis of dust concentration distribution and its influencing factors in gold mining

Qin Ruxiang¹，Peng Shizheng²，Xie Zhixu²

（1.School of Safety Science and Engineering，Anhui University of Science and Technology;2.Jiangxi Jinshan Mining Co.，Ltd.，China National Gold Group Co.，Ltd.）

Abstract：A large amount of rock dust is produced during the drilling，blasting，shoveling，and loading of the metal and non-metal underground mines and causes high dust concentration in the shaft space and endangers the health of workers and the working environment.Given that，in this paper，the tunneling roadway of a gold mine is taken as the research object，and the forced ventilation model of the tunneling roadway is established.According to the gas-solid two-phase flow theory combined with the field measurement data，the dust removal effect under different arrangement conditions of the air duct cloth is analyzed by using Fluent software，and the dust migration law and the wind speed distribution in the roadway are obtained.The research finds that the forced airflow of the fan forms a vortex near the face that carries dust in a vortex around the face which is not conducive to the discharge of dust，and the airflow about 7-8 m away from the face gradually flows to the return air lane;when the outlet of the air duct is 8 m away from the face and the height is 1.5 m，the dust in the tunnel is discharged quickly and the dust removal effect is the most ideal.The research results have a certain guiding significance for the prevention and control of dust in the tunneling face.

Keywords：dust concentration;computational fluid dynamics;ventilation and dust removal;numerical simulation;two-phase flow theory