長(zhǎng)距離掘進(jìn)巷道爆破粉塵非穩(wěn)態(tài)分布規(guī)律*

劉 琦，孫 亮

(1.山西馬堡煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046300；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

井下掘進(jìn)巖巷時(shí)經(jīng)常采用爆破作業(yè)方式，在爆破后會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，將會(huì)嚴(yán)重破壞掘進(jìn)工作面的作業(yè)環(huán)境，損壞采掘機(jī)械、影響工作人員的身體健康[1-2]。尤其是在掘進(jìn)工作面周?chē)南锏?，將受到爆炸后產(chǎn)生的氣相流場(chǎng)和風(fēng)筒射流形成渦旋的同時(shí)作用[3]。爆塵在這種氣相流場(chǎng)中的運(yùn)移規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬手段研究粉塵顆粒擴(kuò)散情況、沉降情況以及粉塵濃度隨著時(shí)間的變化情況，以便有針對(duì)性地改造通風(fēng)系統(tǒng)，改善作業(yè)環(huán)境[4-6]。

目前對(duì)于巷道爆塵運(yùn)移的研究主要有：廖賢鑫等[7]的采場(chǎng)爆破粉塵運(yùn)移規(guī)律的Fluent數(shù)值模擬；吳楠楠等[8]的掘進(jìn)巷道瓦斯運(yùn)移多相流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究；張宏等[9]的采煤機(jī)割煤過(guò)程中粉塵沿程分布運(yùn)移的仿真與監(jiān)測(cè)；秦躍平等[10-11]的綜掘工作面粉塵運(yùn)移的數(shù)值模擬及壓風(fēng)分流降塵方式研究和綜掘面粉塵運(yùn)移規(guī)律模擬及實(shí)測(cè)對(duì)比；胡方坤等[12-13]的基于CFD非定常模擬分析掘進(jìn)面粉塵運(yùn)移規(guī)律研究和基于非穩(wěn)態(tài)DPM模擬研究長(zhǎng)壓短抽式掘進(jìn)面粉塵運(yùn)移規(guī)律。以上開(kāi)展的科研研究都未涉及到爆炸后氣場(chǎng)和風(fēng)筒的耦合作用對(duì)爆塵運(yùn)移的影響。

對(duì)馬堡煤礦進(jìn)行實(shí)際爆破試驗(yàn)和測(cè)量后，發(fā)現(xiàn)該礦的152采區(qū)軌道下山掘進(jìn)工作面的掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)布置方式較為普遍，可作為泛化情況研究，因此決定以152采區(qū)軌道下山掘進(jìn)工作面為依托進(jìn)行爆破粉塵運(yùn)移規(guī)律的CFD模擬研究，以獲得粉塵擴(kuò)散規(guī)律、粉塵粒徑沉降規(guī)律和粉塵濃度時(shí)間變化規(guī)律，用以指導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)和防塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 掘進(jìn)面概況

152采區(qū)軌道下山掘進(jìn)工作面巷道斷面為矩形，掘進(jìn)寬度5.6 m，高度3.9 m，掘進(jìn)斷面積21.84 m2；該工作面所采15#煤層，含0～3層夾矸，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可采性指數(shù)為1，變異系數(shù)為18%，屬全區(qū)穩(wěn)定可采的煤層。煤層厚度4.53～6.00 m，平均厚度5.5 m，煤層傾角2°～14°，平均傾角8°。采用壓入式通風(fēng)，局部通風(fēng)機(jī)設(shè)在152軌道大巷，最長(zhǎng)供風(fēng)距離為2 000 m。

2 模型建立

2.1 湍流模型選擇

根據(jù)RNG k-ε湍流模型，顆粒的輸運(yùn)方程見(jiàn)k方程式(1)、ε方程式(2)。

(1)

(2)

式中：μt0—漩渦修改前湍流粘性系數(shù)，Pa·s；μt—漩渦修改后湍流粘性系數(shù)，Pa·s；μeff—擴(kuò)散系數(shù)，μeff=μ+μt；模型常數(shù)中，Cμ=0.084 5，C1ε=1.42，C2ε=1.68，σs=0.05，Prandtl倒數(shù)σk=σε≈1.393；η≡Sk/ε,η0=4.38，β=0.012；Ω—考慮漩渦的默認(rèn)估計(jì)值。

2.2 顆粒運(yùn)動(dòng)方程

爆破作業(yè)區(qū)域的顆粒運(yùn)動(dòng)是多相流運(yùn)動(dòng)，一般當(dāng)作業(yè)空間內(nèi)的粒子大于10%時(shí)，通過(guò)歐拉-歐拉法追蹤粒子云狀態(tài)；當(dāng)粒子低于10%時(shí)，通過(guò)歐拉-拉格朗日法追蹤粒子運(yùn)動(dòng)[14-17]。為了確定合適的多相流模型來(lái)數(shù)值模擬152采區(qū)軌道下山掘進(jìn)工作面粉塵的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算相關(guān)參數(shù)并建立數(shù)值模型，設(shè)置邊界條件，模擬獲得粉塵的分布規(guī)律。

在笛卡爾坐標(biāo)系下，顆粒作用力平衡方程見(jiàn)式(3)。

(3)

其中，F(xiàn)D(u-up)—顆粒的單位質(zhì)量曳力；有關(guān)FD方程見(jiàn)式(4)。

(4)

式中：CD—曳力系數(shù)；up—顆粒運(yùn)動(dòng)速度，m/s；u—流體相速度，m/s；ρp—顆粒密度，kg/m3；dp—顆粒直徑，m。

通過(guò)確定氣流的瞬時(shí)速度來(lái)跟蹤顆粒的隨機(jī)軌道，這樣就可以考慮顆粒的湍流擴(kuò)散，因此顆粒軌道控制方程見(jiàn)式(5)。

(5)

2.3 模型建立

井下測(cè)風(fēng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，離掘進(jìn)工作面45 m以外巷道中風(fēng)速幾乎保持恒定，同時(shí)工作人員主要集中在工作面附近，所以模擬分析掘進(jìn)工作面60 m以內(nèi)的巷道粉塵濃度的變化規(guī)律。設(shè)置模型巷道寬5.6 m，高3.9 m，形狀為半圓拱，傾角是8.1°。風(fēng)筒長(zhǎng)度是62 m，建立模型如圖1所示。設(shè)置X=0處為爆破點(diǎn)，掘進(jìn)面與爆破點(diǎn)位置近似同一值。

圖1 152采區(qū)軌道下山工作面幾何模型

3 數(shù)值模擬

3.1 條件設(shè)置

依據(jù)以上參數(shù)和建立的數(shù)值模型，加上152采區(qū)軌道下山掘進(jìn)工作面實(shí)際情況，模擬爆破粉塵運(yùn)移規(guī)律的DPM模型參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 爆破粉塵擴(kuò)散規(guī)律

通過(guò)模擬爆破后第30 min、第50 min粉塵在巷道中橫向和縱向上的濃度分布規(guī)律，獲得距工作面不同距離時(shí)的粉塵濃度分布規(guī)律如圖2、圖3所示。

爆破30 min后粉塵濃度分布：圖2(a)為爆破30 min后，巷道內(nèi)不同高度處粉塵沿程濃度分布情況。由圖2(a)發(fā)現(xiàn)，在巷道中的不同高度(垂向)處，爆破后粉塵的濃度發(fā)生較大變化，離底板0.5 m處粉塵的濃度最大，離底板4 m處粉塵的濃度最小。

表1 模型參數(shù)選擇

粉塵濃度伴隨距底板的垂直高度在0～0.5 m范圍內(nèi)遞增，0.5～4 m內(nèi)遞減，原因是爆破后產(chǎn)生的大顆粒粉塵自身較重，同時(shí)巷道中風(fēng)流擾動(dòng)作用產(chǎn)生的上浮效應(yīng)差，粉塵只能在巷道底板附近范圍運(yùn)移；但是呼吸性粉塵在強(qiáng)烈的風(fēng)流擾動(dòng)作用下，平均分布在巷道中，所以巷道頂板附近粉塵濃度較小。粉塵濃度沒(méi)有在巷道不同高度處發(fā)生顯著分層現(xiàn)象，證明當(dāng)不同粒徑的粉塵在巷道中運(yùn)移時(shí)，其自身重力與浮動(dòng)效應(yīng)力一直維持動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

爆破30 min后粉塵濃度縱向分布：在巷道縱向方向上粉塵濃度的分布規(guī)律為爆破后掘進(jìn)工作面60 m距離中，粉塵濃度隨著遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面，發(fā)生先增大后減小的變化趨勢(shì)，距離工作面10～20 m處粉塵逐漸增大，原因是此區(qū)域內(nèi)風(fēng)筒發(fā)生渦流效應(yīng)，風(fēng)量浮動(dòng)較大，造成粉塵飛揚(yáng)，不能沉降下來(lái)；在距工作面40 m處粉塵濃度顯著減小，且一直保持在相對(duì)均勻的變化水平。圖2(b)更為清晰、形象地表述了上兩段中所述規(guī)律。

爆破50 min后粉塵濃度分布：圖3(a)為粉塵濃度在爆破50 min后的分布情況，從圖3(a)可發(fā)現(xiàn)在垂直高度0～4 m的范圍內(nèi)粉塵濃度逐漸升高。在縱向上隨著逐漸遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面，粉塵濃度發(fā)生先增大之后減小的變化規(guī)律，巷道中的總濃度總體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，證明在爆破作業(yè)時(shí)，盡管巷道內(nèi)粉塵濃度隨著時(shí)間開(kāi)始緩慢減少，但是巷道中粉塵擴(kuò)散分布規(guī)律不變。

a-不同高度粉塵沿程濃度分布(x方向)；b-不同高度粉塵沿程濃度分布(y方向)圖2 爆破30 min后粉塵濃度分布

a-不同高度粉塵沿程濃度分布(x方向)；b-不同高度粉塵沿程濃度分布(y方向)圖3 爆破50 min后粉塵濃度分布

爆破50 min后粉塵濃度縱向分布:在巷道縱向方向上粉塵濃度的分布規(guī)律為爆破后掘進(jìn)工作面60 m距離中，粉塵濃度隨著遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面，發(fā)生先增大后減小的變化趨勢(shì)，距離工作面10～20 m處粉塵逐漸增大，原因是此區(qū)域內(nèi)風(fēng)筒發(fā)生渦流效應(yīng)，風(fēng)量浮動(dòng)較大，造成粉塵飛揚(yáng)，不能沉降下來(lái)；在距工作面40 m處粉塵濃度顯著減小，且一直保持在相對(duì)均勻的變化水平。圖2(b)、圖3(b)更為清晰、形象地表述了上述規(guī)律。

綜合對(duì)比：通過(guò)綜合對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在爆破后30 min和50 min后，巷道中濃度最高范圍是距掘進(jìn)工作面10～20 m的距離，未發(fā)現(xiàn)顯著的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

3.3 爆破粉塵粒徑沉降規(guī)律

顆粒方式表達(dá)：傳統(tǒng)上在模擬粉塵沉降規(guī)律時(shí)，通常采用粉塵顆粒軌跡形式來(lái)描述其沉降情況，因工作面存在旋轉(zhuǎn)渦流，顆粒軌跡比較混亂，不能清晰描述粉塵的分布和沉降規(guī)律。利用點(diǎn)顆粒的形式追蹤粉塵的分布和沉降情況，工作面爆破50 min后，采取顆粒方式表達(dá)不同粒徑粉塵的分布情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超過(guò)90 μm粒徑的粉塵下沉較少，很難通過(guò)函數(shù)形式來(lái)描述其粒徑分布情況，所以采用中間徑145 μm來(lái)表示90～200 μm粒徑的顆粒，粉塵分布及沉降規(guī)律如圖4～圖7所示。

圖4 粒徑為145 μm粉塵空間分布狀態(tài)，粒徑/10-4m

圖5 粒徑為10～90 μm粉塵沉降狀態(tài)，粒徑/10-5m

圖6 粒徑為10 μm以下粉塵沉降狀態(tài)，粒徑/10-6m

圖7 不同粒徑粉塵縱向沉降規(guī)律

不同粒徑粉塵沉降：由圖4可知，處于90～200 μm粒徑的粉塵未漂浮在巷道中，幾乎全部下沉，僅有風(fēng)筒底部距工作面10～20 m范圍的下沉量相對(duì)減小。由圖5可知，處于10～90 μm粒徑的粉塵懸浮量小于沉降量，小于15 μm粒徑的粉塵一直懸浮在距工作面40 m范圍空間內(nèi)，離工作面40 m以外的粉塵幾乎都沉降；巷道中大于15 μm粒徑的粉塵基本都沉降。由圖6可知，處于小于10 μm粒徑的粉塵平均漂浮在巷道內(nèi)，在氣流干擾的劇烈作用下，粉塵所受到的浮力大于所受重力，容易跟著氣流飄動(dòng)，粉塵的懸浮量和沉降量都很多。小顆粒粉塵長(zhǎng)久的大面積漂浮在巷道中，且粉塵漂浮的高度幾乎都在人體呼吸帶高度左右，嚴(yán)重危害人體的健康。長(zhǎng)距離的掘進(jìn)工作面，風(fēng)排粉塵耗時(shí)長(zhǎng)，粉塵的運(yùn)移活動(dòng)嚴(yán)重污染巷道中的空氣，增加了治理粉塵的難度。所以要采取有效措施來(lái)治理爆破所產(chǎn)生的細(xì)小粉塵，把粉塵控制在掘進(jìn)面局部區(qū)域，并凈化處理含塵空氣。

不同粒徑粉塵縱向沉降：按粒徑“<10 μm、10～30 μm、30～50 μm、50～70 μm、70～90 μm、90～200 μm(以145 μm代表)”來(lái)劃分巷道中的粉塵，以更加充分的描述粉塵的下沉情況，統(tǒng)計(jì)距工作面60 m區(qū)域內(nèi)不同粒徑的沉降情況，如圖7所示。由圖7得到，距工作面60 m區(qū)域內(nèi)，小于10 μm粒徑的粉塵下沉最多。粉塵沉降范圍集中在距工作面10 m以內(nèi)、10～20 m、20～40 m、40 m以外，表現(xiàn)為“下降—升高—下降—升高”的變化趨勢(shì)。處于10～30 μm、30～50 μm、50～70 μm、70～90 μm、90～200 μm粒徑的粉塵下沉量整體集中分布在距工作面20 m以內(nèi)、20～25 m、25 m以外3個(gè)范圍，表現(xiàn)為“降低—升高—降低”的變化趨勢(shì)。說(shuō)明處于這一范圍粒徑的粉塵下沉規(guī)律基本一致，并在距工作面25 m以外，粉塵的下沉量呈線性減少規(guī)律。距工作面15～20 m處，粒徑10～200 μm的粉塵下沉量很小，這是由于此區(qū)域位于風(fēng)筒射流產(chǎn)生的漩渦范圍內(nèi)，渦流效應(yīng)導(dǎo)致工作面粉塵發(fā)生二次揚(yáng)塵，致使此處粉塵下沉量減小。相反，小于10 μm粒徑的粉塵在距工作面15～20 m處下沉量卻顯著增多。整體來(lái)說(shuō)，粉塵沉降量隨著粒徑的增大逐漸減小。

3.4 爆破粉塵濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律

井下爆破時(shí)粉塵的擴(kuò)散是非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)數(shù)值模擬爆破后1～50 min的粉塵濃度分布規(guī)律，以獲得爆破后巷道中各點(diǎn)粉塵濃度與時(shí)間之間的變化規(guī)律，粉塵濃度分布情況如圖8所示。

a-1 min；b-3 min；c-5 min；d-20 min；e-30 min；f-50 min圖8 粉塵濃度時(shí)間變化分布

爆破1 min后：由圖8得到，爆破1 min后掘進(jìn)工作面60 m范圍內(nèi)粉塵濃度比較大，都超過(guò)200 mg/m3。距工作面40 m以外粉塵濃度低于40 m以內(nèi)，并且左幫粉塵濃度超過(guò)右?guī)?。在巷道頂板周?chē)姆蹓m濃度比巷道中其他各點(diǎn)低，沿著掘進(jìn)面向外巷道各點(diǎn)粉塵濃度開(kāi)始逐漸減小。

爆破2～5 min后：工作面爆破后在2～5 min過(guò)程粉塵濃度發(fā)生明顯變化，沿程空間下部粉塵濃度遠(yuǎn)高于1.5 m以上，超過(guò)200 mg/m3。掘進(jìn)工作面10～20 m的距離粉塵濃度較大。

爆破10～50 min后：在爆破后10～50 min以內(nèi)巷道沿程粉塵濃度隨時(shí)間延長(zhǎng)降低趨勢(shì)較爆破初期相對(duì)減弱，且能清晰地觀察到粉塵濃度隨著垂距升高而減??；由于巷道底板周?chē)街?，在離工作面40 m以外的區(qū)域粉塵濃度一直處于比較低的水平，顯著小于工作面40 m以內(nèi)的區(qū)段。在巷道10～20 m的區(qū)間粉塵濃度保持相對(duì)較高的水平。

爆破后各時(shí)間段總結(jié)：通過(guò)以上分析得到，工作面爆破開(kāi)始之初在瞬間拋射動(dòng)力的作用下，粉塵很快擴(kuò)散到整個(gè)作業(yè)區(qū)域，導(dǎo)致爆破開(kāi)始后粉塵濃度偏大。1～5 min的階段直徑較大的粉塵因?yàn)樽灾氐淖饔煤芸煜鲁恋降装?，致使此階段粉塵濃度快速減小。而直徑小的粉塵因容易在風(fēng)流的空氣作用下，一直漂浮在巷道中，所以5 min后粉塵濃度開(kāi)始減小。在整個(gè)爆破掘進(jìn)過(guò)程中，因在風(fēng)筒出口周?chē)a(chǎn)生渦流卷吸控制區(qū)，導(dǎo)致粉塵運(yùn)動(dòng)劇烈、雜亂無(wú)章，難以沉降下來(lái)；工作面10～20 m范圍粉塵濃度一直保持在很高的水平。

20 m和25 m處粉塵濃度隨時(shí)間變化：距工作面20 m和25 m處的粉塵濃度與時(shí)間的關(guān)系如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)距工作面20 m的地方，爆破2 min后粉塵濃度達(dá)到峰值，其值為292 mg/m3。在距工作面25 m處粉塵的最大濃度為226.8 mg/m3。爆破10 min后，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度開(kāi)始減小，在10 min以后粉塵濃度下降趨勢(shì)變緩，在20 min后粉塵濃度保持在20～30 mg/m3。在20 min以內(nèi)，距離工作面20 m處粉塵濃度比25 m處高；爆破20 min后，20 m處測(cè)點(diǎn)粉塵濃度則略低于25 m處。

圖9 粉塵濃度隨時(shí)間變化情況

結(jié)果驗(yàn)證：在距工作面20 m布置測(cè)塵點(diǎn)一處，通過(guò)采樣器(AKFC-92A)進(jìn)行采集粉塵，單個(gè)樣本采樣時(shí)間為5 min；在距工作面25 m處設(shè)置一點(diǎn)，用CCHZ-1000全自動(dòng)粉塵測(cè)定儀，采樣流量2 L/min，單個(gè)樣本采樣時(shí)間為2 min。于2019年3月8日11：25開(kāi)始放炮，在11：44測(cè)定20 m處粉塵濃度，11：48測(cè)定25 m處粉塵濃度，接著每間隔2 min測(cè)定一次。搜集現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定粉塵濃度數(shù)據(jù)并分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果吻合于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果，能判定模擬結(jié)論科學(xué)可靠，能用來(lái)指導(dǎo)152采區(qū)軌道下山掘進(jìn)工作面防塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

(1)粉塵擴(kuò)散時(shí)在離底板0.5 m處粉塵的濃度最大，在離底板4 m處粉塵的濃度最小。沿巷道縱向，粉塵升高段在距工作面10～20 m，距離工作面40 m后粉塵濃度明顯降低。在爆破30 min后和50 min后，巷道中濃度最高范圍是距掘進(jìn)工作面10～20 m的距離，未發(fā)現(xiàn)顯著的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

(2)處于90～200 μm粒徑的粉塵未在巷道中懸浮，基本都下降。小于15 μm粒徑的粉塵一直懸浮在距工作面40 m范圍空間內(nèi)，離工作面40 m以外的粉塵幾乎都沉降；粒徑在15 μm以上的粉塵幾乎完全沉降。粒徑在10 μm以下的粉塵均勻分布于沿程空間各點(diǎn)。

(3)1～5 min階段，直徑較大的粉塵因?yàn)樽灾氐淖饔煤芸煜鲁恋降装?，致使此階段粉塵濃度快速減小。5 min后粉塵濃度開(kāi)始減??；工作面10～20 m范圍粉塵濃度一直保持在很高的水平；在距掘進(jìn)工作面20 m和25 m處粉塵濃度的數(shù)值模擬結(jié)果吻合于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果。