高海拔掘進巷道混合式通風(fēng)參數(shù)優(yōu)化

林榮漢，李國清，胡乃聯(lián)，龔 劍，楊 樺

(1.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司，西藏 拉薩850200)

高海拔掘進巷道混合式通風(fēng)參數(shù)優(yōu)化

林榮漢1，李國清1，胡乃聯(lián)1，龔 劍2，楊 樺2

(1.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司，西藏 拉薩850200)

針對高海拔低壓低氧的工作環(huán)境下混合式通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，以西藏某銅礦為研究背景，使用FLUENT數(shù)值模擬掘進巷道內(nèi)粉塵濃度在不同通風(fēng)環(huán)境下變化規(guī)律，通過改變混合式通風(fēng)的壓風(fēng)量、風(fēng)筒位置和抽壓風(fēng)量比等通風(fēng)參數(shù)進行對比實驗，總結(jié)通風(fēng)參數(shù)對粉塵運移的影響規(guī)律，進而對通風(fēng)參數(shù)進行優(yōu)化處理。模擬結(jié)果為當壓風(fēng)量為150 m3/min，壓、抽風(fēng)筒出風(fēng)口分別與掘進面距離為14 m、2 m，抽壓風(fēng)量比為0.9時，粉塵質(zhì)量濃度大幅度降低。通過現(xiàn)場實驗驗證數(shù)值模擬結(jié)果與實際狀況大致相符。

掘進巷道；混合式通風(fēng)；數(shù)值模擬；高海拔礦山

掘進巷道作為地下礦開拓采掘過程中重要的施工地點，由于大量產(chǎn)塵的鑿巖爆破作業(yè)以及長距離通風(fēng)路徑，導(dǎo)致其中的粉塵極難擴散，高質(zhì)量濃度的粉塵對進行作業(yè)人員的身體健康和安全生產(chǎn)構(gòu)成極大隱患[1-2]。本次研究的礦山高原背景，低壓低氧的外部環(huán)境對設(shè)備的正常運行和作業(yè)人員的身體健康都極為不利，而且低氧導(dǎo)致炸藥的不完全爆破以及燃油的不完全燃燒使得對人體危害極大的微塵(粒徑小于10 μm)濃度大幅升高，在各工種塵肺病患病率中最高的掘進工人若長時間在缺氧且高濃度粉塵的工作環(huán)境中工作，對作業(yè)人員的身體以及企業(yè)生產(chǎn)都造成更加嚴重的危害[3-4]。局部通風(fēng)系統(tǒng)作為掘進面通風(fēng)除塵措施的有力手段，科學(xué)合理的通風(fēng)參數(shù)不僅僅能改善通風(fēng)除塵效果，還有利于礦山企業(yè)資源的最大化利用。研究高海拔礦山掘進巷道混合式通風(fēng)設(shè)備參數(shù)對于除塵效果的影響，對于礦井工人生命安全的保障和礦山企業(yè)生產(chǎn)的安全開展具有積極意義。

本研究將西藏自治區(qū)某高海拔銅金屬礦4 450 m工作面掘進巷道作為工程背景，運用流體力學(xué)軟件FLUENT數(shù)值模擬巷道內(nèi)粉塵運移情況，根據(jù)氣固兩相流理論，通過對比實驗研究混合式通風(fēng)的壓風(fēng)量、風(fēng)筒位置和抽壓風(fēng)量比等通風(fēng)參數(shù)，分析不同通風(fēng)參數(shù)條件下的除塵效果，對通風(fēng)參數(shù)進行優(yōu)化，改善高海拔礦井通風(fēng)除塵效果。

1 數(shù)學(xué)模型的力學(xué)控制方程

基于氣固兩相流理論研究掘進巷道內(nèi)的粉塵在空氣流體中的運動規(guī)律，由于粉塵的粒徑相對較小，可以選擇歐拉-拉格朗日模型中的離散相模型(DPM)分別考慮流體和顆粒相的運動。

對于氣相流體，主要確定流場的速度和湍流動能分布，所以分布采用三維非穩(wěn)態(tài)不可壓N-S方程確定流場速度和工程中普遍使用的標準k-ε雙方程模型求解湍流模型，模型計算不考慮熱能，只計算動能變化，對不可壓黏性流體N-S方程可表示為式(1)。

(1)

式中：ρ為密度；ui、uj為軸向速度(i≠j)，m/s；xi、xj為軸坐標(i≠j)，m；μt為湍流黏性系數(shù)、μ為層流黏性系數(shù)，Pa·s。

在標準k-ε雙方程模型中，k和ε的方程組見式(2)、式(3)[7-8]。

(2)

(3)

式中：ρ為密度；μt、μ分別為湍流黏性系數(shù)、層流黏性系數(shù)，Pa·s；k為湍動能，m2/s2；ε為湍動能耗散率，m2/s2；GK為湍動能變率；μi為流體在x方向上的速度，m/s；σk和σε分別是與湍動能k和耗散率ε相對應(yīng)的Prandt數(shù)，分別取1.0、1.3；C1ε、C2ε為經(jīng)驗常數(shù)，分別取1.44、1.92。

對于離散相，可采用拉格朗日方法描述顆粒運動，對顆粒受力微分方程進行積分，并忽略對于粉塵影響極小的質(zhì)量力、布朗力等，得到簡化后方程見式(4)。

(4)

式中：Cd為氣體阻力系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；ρ為空氣密度，kg/m3；u為空氣相對速度，m/s；ρP為粉塵密度，kg/m3；up為粉塵運動速度，m/s；dP為粉塵直徑，m。

2 幾何模型的建立及邊界條件

2.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

掘進面的幾何模型將依據(jù)某礦4 450 m水平掘進面巷道作為研究對象，選取長度為50 m的巷道為計算區(qū)域，巷道斷面是高為3.7 m，寬為4.2 m的三心拱，壓風(fēng)筒與抽風(fēng)筒的風(fēng)筒半徑均為0.25 m，風(fēng)筒中心距地面2.3 m。使用GAMBIT進行建模，網(wǎng)格劃分先后采用pave和cooper劃分面網(wǎng)格和體網(wǎng)格，如圖1所示。

為利于模型建立及網(wǎng)格劃分，對掘進巷道內(nèi)涉及粉塵擴散計算的模型區(qū)域做出如下假定：①理想化處理巷道模型為斷面保持一致的標準三心拱巷道；②模型中不考慮巷道內(nèi)電纜電線、水管等對粉塵沉降影響不大的雜物；③為利于邊界條件設(shè)置，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備只考慮巷道內(nèi)風(fēng)筒部分；④考慮到掘進巷道內(nèi)粉塵來源的復(fù)雜性，模擬中只設(shè)置爆破階段內(nèi)掘進面單方向上產(chǎn)生的粉塵；⑤數(shù)值模擬過程只計算動能變化，忽略熱能變化。

圖1 混合式通風(fēng)下掘進巷道的幾何模型及其網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件的設(shè)定及求解

將幾何模型的網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT中，根據(jù)4 450 m掘進巷道的實測數(shù)據(jù)，并結(jié)合理論計算相關(guān)參數(shù)，對求解器類型、主要邊界條件、離散相參數(shù)等進行設(shè)置[9-10]，其中考慮小于10 μm粒徑的粉塵對井下人員危害更加嚴重，粉塵粒徑設(shè)定值取小于10 μm，邊界條件設(shè)置如表1所示。

考慮高海拔礦山背景，根據(jù)實地測量數(shù)據(jù)和重力加速度計算公式分別得到海拔4 450 m處壓力和重力加速度，操作條件設(shè)置如表2所示。

表1 計算模型參數(shù)設(shè)定表

表2 操作條件參數(shù)設(shè)定表

3 通風(fēng)參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 壓風(fēng)量

固定壓、抽風(fēng)筒出風(fēng)口至掘進面距離分別為12 m和5 m，抽壓風(fēng)量比為0.7，通過改變壓風(fēng)量及抽風(fēng)量，分析混合式通風(fēng)在不同壓風(fēng)量情況下粉塵運移效果，壓風(fēng)量數(shù)值分別取100 m3/min、150 m3/min、200 m3/min和250 m3/min，模擬結(jié)果取通風(fēng)時間為300 s時呼吸高度(1.5 m)的水平截面上粉塵質(zhì)量濃度分布云圖。模擬結(jié)果如圖2所示。

由圖2能夠看出：在長壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)中，由于抽壓風(fēng)量比小于1，所以粉塵都聚集在抽風(fēng)筒一側(cè)，不同壓入風(fēng)量的粉塵運移規(guī)律近似；巷道中風(fēng)速隨著壓風(fēng)量增大而增大，風(fēng)流對粉塵的拖曳也隨之變強，從而粉塵的運移距離更大；由于本次研究的粉塵粒度偏小，粉塵沉積受重力影響小于壓風(fēng)量的影響，不同風(fēng)量情況下粉塵質(zhì)量濃度差別很小，為此，在相同通風(fēng)條件下研究了粉塵粒徑為1～100 μm的粉塵運移情況，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同壓風(fēng)量條件下呼吸高度粉塵質(zhì)量濃度云圖

圖3 不同風(fēng)量條件下呼吸高度粉塵質(zhì)量濃度變化圖(研究粉塵粒度為1～100 μm)

由圖2、圖3模擬結(jié)果可以看出，粉塵移動距離規(guī)律與微小粒徑情況下相同，但是大顆粒粉塵在風(fēng)速較低時較快沉降和二次揚塵的關(guān)系，當壓風(fēng)量過大時，如風(fēng)量為200 m3/min和250 m3/min，粉塵顆粒沉積量小，雖然粉塵運動較遠，但粉塵質(zhì)量濃度存在高于40 mg/m3的情況，超出工業(yè)標準，不利于井下工作人員進一步開展工作，而壓風(fēng)量值為100 m3/min時，導(dǎo)致粉塵移動過慢，排塵時間過長。而壓風(fēng)量值為150 m3/min時，不僅保持粉塵質(zhì)量濃度總體低于10 mg/m3，且排塵效果優(yōu)于低風(fēng)量情況。

3.2 壓風(fēng)筒出風(fēng)口位置

固定壓風(fēng)量為150 m3/min、抽壓風(fēng)量比為0.7和抽風(fēng)筒吸口至掘進面的距離為5 m，改變壓風(fēng)筒出風(fēng)口至掘進面的距離，依次設(shè)置為8 m、10 m、12 m和14 m，得到壓風(fēng)筒不同位置情況下在通風(fēng)時間為300 s時呼吸高度(1.5 m)上粉塵質(zhì)量濃度分布云圖，如圖4所示。

由圖4可以看出：隨著壓風(fēng)筒出風(fēng)口與掘進面的距離變大，粉塵擴散距離略微變大，粉塵質(zhì)量濃度變小，近工作面區(qū)域粉塵擴散效果也更好，如14 m情況。當出風(fēng)口距離8 m時的最大粉塵質(zhì)量濃度雖然小于出風(fēng)口距離10 m，但排塵效果不佳，沿程粉塵質(zhì)量濃度偏大。因此在壓風(fēng)筒有效射程內(nèi)，增大壓風(fēng)筒出風(fēng)口與掘進面的距離有利于除塵。

3.3 抽風(fēng)筒抽風(fēng)口位置

固定壓風(fēng)量為150 m3/min、抽壓風(fēng)量比為0.7和壓風(fēng)筒出風(fēng)口至掘進面的距離為12 m，將抽風(fēng)筒吸口至掘進面距離分別設(shè)置為2 m、3 m、4 m、5 m和6 m，得到抽風(fēng)筒不同位置情況下在通風(fēng)時間為300 s時呼吸高度(1.5 m)上粉塵質(zhì)量濃度分布云圖，如圖5所示。

圖4 不同壓風(fēng)距離條件下呼吸高度粉塵質(zhì)量濃度云圖

圖5 不同抽風(fēng)距離條件下呼吸高度粉塵質(zhì)量濃度云圖

由圖5可以看出：隨著抽風(fēng)筒抽風(fēng)口與掘進面的距離變大，粉塵運移情況基本相同，粉塵運移距離也相差不大，粉塵擴散效果變化明顯。雖然抽風(fēng)筒抽風(fēng)口與掘進面的距離較大時，如5 m(d)和6 m，粉塵擴散情況較好，但是粉塵質(zhì)量濃度仍然保持高數(shù)值，除塵效果不佳，而在2 m情況下，粉塵質(zhì)量濃度總體保持較低水平，粉塵擴散情況也優(yōu)于3 m和4 m情況，綜合考慮在不影響作業(yè)以及保障風(fēng)筒安裝條件下，抽風(fēng)筒風(fēng)口到工作面的距離可盡量減小。

3.4 抽壓風(fēng)量比

固定壓、抽風(fēng)筒出風(fēng)口與掘進面的距離分別為12 m和5 m，壓風(fēng)量數(shù)值設(shè)為150 m3/min，通過改變抽出風(fēng)量，依次設(shè)置抽壓風(fēng)量比為0.5、0.7、0.9、1.1和1.3，研究不同抽壓風(fēng)量比對粉塵質(zhì)量濃度運移影響。模擬得到通風(fēng)300 s時呼吸高度(1.5 m)上粉塵質(zhì)量濃度分布云圖，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同抽壓風(fēng)量比條件下呼吸高度粉塵質(zhì)量濃度云圖

由圖可以看出，抽壓風(fēng)量比的變化對于掘進巷道內(nèi)的粉塵濃度影響十分巨大，總體上呈負相關(guān)關(guān)系。當抽壓風(fēng)量比大于1時，粉塵質(zhì)量濃度明下降，除塵效果優(yōu)秀，如圖6中的(d)和(e)；當抽壓風(fēng)量比小于1，抽壓風(fēng)量比為0.9時，粉塵質(zhì)量濃度總體上低于20 mg/m3，粉塵擴散效果也十分優(yōu)秀，排塵效果明顯優(yōu)于抽壓風(fēng)量比為0.7和0.5的效果。

鑒于本次研究礦山的高海拔工程背景，考慮到巷道內(nèi)氧氣含量等問題，抽壓風(fēng)量比大于1后會使掘進巷道內(nèi)形成負壓，氧氣含量也會有所下降，不利于高海拔施工，所以在抽壓風(fēng)量比不大于1時，可盡量提高抽壓風(fēng)量比。

4 實測數(shù)據(jù)對比分析

將現(xiàn)場通風(fēng)系統(tǒng)按照壓入風(fēng)量為150 m3/min、壓風(fēng)筒出風(fēng)口和抽風(fēng)筒抽風(fēng)口分別距離掘進面14 m和2 m，抽壓風(fēng)量比為0.9布置，采用多通道激光塵埃粒子計數(shù)器測量掘進巷道在應(yīng)用長壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)除塵前后的粉塵質(zhì)量濃度，測點沿掘進面向出口每5 m取一個，每個測點進行3次測量并取平均值，然后將實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行比照，對比結(jié)果見圖7。從結(jié)果可以看出，進行通風(fēng)參數(shù)優(yōu)化后，掘進巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度峰值為1.98 mg/m3，最小值為0.3 mg/m3，與通風(fēng)參數(shù)優(yōu)化前相比粉塵質(zhì)量濃度平均降低了88.9%，最高達到93.4%，粉塵質(zhì)量濃度大幅度降低，說明通風(fēng)參數(shù)優(yōu)化工作很好提高了通風(fēng)除塵效率，改善了掘進巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度過高的問題。

圖7所示的模擬結(jié)果和優(yōu)化后結(jié)果的走勢基本相符，但在粉塵質(zhì)量濃度數(shù)值上模擬結(jié)果都低于實測數(shù)據(jù)，這是因為數(shù)值模擬過程將現(xiàn)場條件簡單化處理，減少了部分粉塵產(chǎn)生的條件以及有利于粉塵質(zhì)量濃度減少。通過模擬結(jié)果和試驗結(jié)果的比照分析，可知使用數(shù)值模擬優(yōu)化通風(fēng)參數(shù)對礦山通風(fēng)優(yōu)化工作具有適用性。

圖7 通風(fēng)參數(shù)優(yōu)化前后粉塵質(zhì)量濃度對比

5 結(jié) 論

1)對于粒徑較小的粉塵，壓風(fēng)量影響粉塵運移距離，對于粉塵質(zhì)量濃度影響較小；對于粒徑較大的粉塵，過大的壓風(fēng)量導(dǎo)致二次揚塵等問題不利于除塵，適度的壓風(fēng)量可以取得更優(yōu)秀的除塵效果。

2)在高海拔情況下，在合理范圍內(nèi)，抽風(fēng)筒到掘進面的距離越小、壓風(fēng)筒到掘進面的距離越大，抽壓風(fēng)量比越大都有利于巷道內(nèi)粉塵的排出。對于該礦掘進巷道，壓風(fēng)量定為150 m3/min，壓風(fēng)筒出風(fēng)口與掘進面距離為14 m，抽風(fēng)筒風(fēng)口與掘進面距離為2 m，抽壓風(fēng)量比為0.9時，不僅滿足高海拔礦井生產(chǎn)需要，而且也獲得較好的通風(fēng)除塵效果。

3)使用FLUENT數(shù)值模擬的結(jié)果基本符合現(xiàn)場實測結(jié)果走勢，說明使用數(shù)值模擬優(yōu)化通風(fēng)參數(shù)基本符合實際情況，對于礦山通風(fēng)除塵實際工作的開展具有參考意義。

4)結(jié)合高海拔工程背景，通過數(shù)值模擬對風(fēng)量、風(fēng)筒位置和抽壓風(fēng)量比等通風(fēng)參數(shù)進行優(yōu)化，通過實測數(shù)據(jù)對比，通風(fēng)參數(shù)優(yōu)化后粉塵質(zhì)量濃度大幅降低，通風(fēng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可作為高海拔礦山通風(fēng)除塵工作的理論參考依據(jù)。

[1] 王英敏. 礦井通風(fēng)與除塵[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1993: 25-35.

[2] 劉毅, 蔣仲安, 蔡衛(wèi), 等. 綜采工作面粉塵運動規(guī)律的數(shù)值模擬[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報, 2007，29(4): 351-353, 362.

[3] 牛保爐, 陳穎興, 邱海江, 等. 古書院礦掘進工作面混合式通風(fēng)除塵技術(shù)的試驗研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2006，33(6): 41-42, 46.

[4] 龔劍, 胡乃聯(lián), 林榮漢, 等. 高海拔礦山掘進面長壓短抽式通風(fēng)粉塵分布數(shù)值模擬[J]. 金屬礦山, 2014(12): 203-208.

[5] 劉向軍, 石磊, 徐旭常. 稠密氣固兩相流歐拉-拉格朗日法的研究現(xiàn)狀[J]. 計算力學(xué)學(xué)報, 2007, 24(2): 166-172.

[6] 蔣仲安, 陳梅嶺, 陳舉師. 巷道型采場爆破粉塵質(zhì)量濃度分布及變化規(guī)律的數(shù)值模擬[J]. 中南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2013, 44(3): 1190-1196.

[7] 陳舉師, 王毅, 蔣仲安. 采場爆破煙塵濃度分布及擴散規(guī)律的數(shù)值模擬[J]. 煤炭學(xué)報, 2013, 38(S1): 147-152.

[8] 鄔長福, 金波, 陳祖云, 等. 掘進巷道混合式通風(fēng)數(shù)值模擬研究[J]. 有色金屬: 礦山部分, 2015，67(1): 69-73.

[9] 王福軍. 計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2004: 63-65.

[10] 廖賢鑫, 蔣仲安, 牛偉, 等. 采場爆破粉塵運移規(guī)律的Fluent數(shù)值模擬[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報, 2012, 12(6): 43-46.

Parameters optimization of combined ventilation in an excavation roadway of high-altitude mine

LIN Ronghan1, LI Guoqing1, HU Nailian1, GONG Jian2, YANG Hua2
(1.State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines of Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China; 2.Tibet Huatailong Mining Development Co., Ltd., Lhasa 850200, China)

In order to study the parameter optimization of mine combined ventilation system at high altitude, a copper mine in Tibet was taken as background, by using fluid mechanics software-FLUENT, the concentration distribution of dust in the excavation roadway under different ventilation environment was simulated based on the gas-solid two phase flow theory. By changing combined ventilation parameters including pressure volume, location of ventilation tube and pumping air volume ratio, the influence of the ventilation parameters on dust transport was summarized to optimize the combined ventilation parameters. The simulation results: when the pressure volume is 150 m3/min; pressure tube and ventilation tube outlet is respectively at a distance from the heading face for 14 m and 2 m; pumping air volume ratio is 0.9, the concentration of dust was reduced greatly. The numerical simulation results are roughly in line with the actual situation through the field experiment.

excavation roadway; combined ventilation; numerical simulation; high-altitude mine

2016-09-15

林榮漢(1991-)，男，漢族，福建福州人，碩士研究生，主要從事礦業(yè)系統(tǒng)工程和礦業(yè)安全方面的研究工作，E-mail：linronghan@163.com。

李國清(1973-)，女，博士，副教授，主要從事礦業(yè)系統(tǒng)方面的教學(xué)與研究工作，E-mail：qqlee@ustb.edu.cn。

TD722

A

1004-4051(2017)04-0121-05