掘進巷道壓入式通風粉塵運移規(guī)律數(shù)值模擬

龔劍，胡乃聯(lián)，林榮漢，崔翔

(北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083)

掘進巷道壓入式通風粉塵運移規(guī)律數(shù)值模擬

龔劍，胡乃聯(lián)，林榮漢，崔翔

(北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083)

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

掘進巷道;壓入式通風;粉塵分布;數(shù)值模擬

掘進工作面在鉆孔、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，同時由于獨頭巷道通風距離長，通風條件差，粉塵不易排出，致使粉塵大量分布于掘進巷道內(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，掘進工人塵肺病患病率最高，因而必須對掘進巷道的粉塵治理予以重視［5］。基于此，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建立掘進巷道內(nèi)壓入式通風粉塵運移規(guī)律數(shù)學模型，同時利用FLUENT研究壓入式通風過程中粉塵的運動軌跡與濃度變化規(guī)律，并將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進行對比，驗證數(shù)值模擬的準確性。

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斷面，風流不能形成回路，導致通風不暢，粉塵不能及時有效排出。另外礦石與廢石的提升運輸只能利用礦車來實現(xiàn)，礦車發(fā)動機為柴油驅(qū)動，需要耗費大量的氧氣，當氧氣供應(yīng)不足時，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顆粒物濃度的增大。因此，一方面4 470 m中段掘進工作面由于獨頭巷道通風不暢而導致粉塵分布集中，另一方面尾氣的大量排放致使粉塵濃度明顯增大，二者的共同作用導致掘進巷道粉塵污染十分嚴重。

2 幾何模型的建立及求解

2.1 模型選定

粉塵在空氣中的運動規(guī)律可運用氣固兩相流理論進行研究，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掘進巷道現(xiàn)場情況較為復雜，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，因此需要對掘進巷道粉塵分布計算域做出以下假設(shè):

1)掘進巷道內(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)掘進巷道為標準三心拱巷道，巷道斷面始終保持一致。

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

4)掘進斷面爆破粉塵全部產(chǎn)生于實施爆破階段，不考慮爆破準備階段及爆破后轉(zhuǎn)運時產(chǎn)生的粉塵。

5)掘進巷道模型內(nèi)只考慮動量傳輸，忽略熱傳導。

2.3 模型建立

基于上述假設(shè)，根據(jù)4 470 m掘進巷道的實際情況對其內(nèi)部幾何條件合理簡化，使用GAMBIT建立掘進巷道的幾何模型并劃分網(wǎng)格，掘進巷道尺寸為50 m(長)×4.2 m(寬)×3.7 m(高)，頂部為三心拱構(gòu)造，壓入式風筒直徑為0.5 m，出風口距工作面12 m，風筒中心距地面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，導入FLUENT中進一步設(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動軌跡，氣相流場使用湍流模型，采用SIMPLI算法進行計算，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 掘進巷道幾何模型Fig.1 Geometric model of the excavation roadway

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

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 粉塵運動軌跡

將已完成網(wǎng)格劃分的模型導入FLUENT中并進行邊界條件設(shè)置，經(jīng)過迭代計算后，得到掘進巷道內(nèi)風流速度流線圖，如圖2所示。根據(jù)圓形貼附射流理論，掘進工作面壓入式通風可以認為是末端封閉的受限圓形貼附射流通風［11－12］，由圖2可以看出，風流起始按貼附射流規(guī)律發(fā)展，而受獨頭巷道空間限制，使得在迎頭處射流向相反方向流動，在獨頭巷道工作區(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)界面上同時形成了渦流區(qū)。射流區(qū)風速由風筒出口到掘進面不斷減小，風筒出口風速為12.74 m/s，到達距離掘進面1 m處風速降低到5 m/s，到掘進面時風速為1.2 m/s，射流區(qū)風速降低較快?；亓鲄^(qū)風速由掘進面到出口先增大后持續(xù)減小，從掘進面到距工作面5 m處，風速增大到3 m/s，隨后持續(xù)減小，距工作面10 m處風速為2 m/s，到達距離工作面20 m處風速降低到1 m/ s，到達距工作面40 m處風速降低為0.22 m/s。

圖2 掘進巷道風流流線圖Fig.2 Airflow line in excavation roadway

圖3所示為掘進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，含塵風流以微細顆粒粉塵為主，且大顆粒粉塵基本在遠離掘進面處沉積，這是由于遠離掘進面處風流速度降低，顆粒的重力作用超過風流對顆粒的拖曳力作用。而粒徑更為細小的粉塵絕大部分漂浮在巷道風流中，重力對微細顆粒的作用不明顯，粒徑分布無明顯規(guī)律。

圖3 掘進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

采用壓入式通風時，掘進巷道內(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時間內(nèi)，粉塵在風流回流作用下，逐漸遠離掘進面，粉塵濃度下降幅度較為明顯; 300～1 200 s時間內(nèi)，粉塵質(zhì)量濃度下降緩慢，其中大部分是粒徑細小的粉塵，受空氣浮力及風流速度的影響，在空氣中沉降的速度較慢。掘進巷道內(nèi)的粉塵在1 200 s時基本全部排出，除塵效果較好。

2)隨著時間推移，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，這是由于風流速度在距離掘進面5 m處下降，導致粉塵移動變慢，粉塵重新聚集，粉塵質(zhì)量濃度再次升高;而在距離掘進面20 m后，風速穩(wěn)定，從而粉塵濃度保持遞減趨勢。

3)隨著時間推移，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)場實測數(shù)據(jù)對比分析

根據(jù)現(xiàn)場實際條件，選取距離掘進工作面5 m處布置采樣點，采用多通道激光塵埃粒子計數(shù)器對采場爆破后粉塵質(zhì)量濃度進行監(jiān)測。實際的監(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)律與實際情況基本吻合，但在粉塵濃度最大值以及部分時間段存在偏差，出現(xiàn)偏差主要是因為數(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際情況。通過與現(xiàn)場實測數(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)壓入式通風的風流由于射流的卷吸作用會形成渦流區(qū)域，風速損失較大，距工作面40 m處風速已基本降低至零。風速的降低會引起粉塵粒徑大于20 μm顆粒的沉積，含塵風流主要以微細顆粒粉塵為主。

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

3)由于數(shù)值模型進行了簡化，與實測數(shù)據(jù)存在一定偏差，但總體上數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本相符，說明運用歐拉-拉格朗日法對掘進巷道的粉塵分布規(guī)律進行數(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"國家科技支撐計劃項目(2012BAB01B04);長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(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