露天矿潜孔打钻粉尘浓度分布规律数值模拟

蒋仲安，姜 兰，陈举师

北京科技大学土木与环境工程学院，教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室，北京100083

新中国成立以来，中国累计报告职业病749 970例，其中，尘肺病676 541 例，死亡149 110例，现患为527 431 例［1］. 尘肺病发病率最高的是长年从事凿岩施工人员. 近年随着中深孔爆破技术的推广使用，潜孔钻机在凿岩过程中产生的矿尘危害愈发突出. 潜孔打钻时产生大量的粉尘，最高质量浓度可达上千毫克每立方米，不仅污染环境，磨损设备，且影响作业人员视线，危害作业人员身心健康. 因此，掌握潜孔打钻过程中粉尘产生和扩散规律尤为重要.

目前，在气固两相流数值模拟研究方面，主要采用多相流法 (Euler-Euler 法)和颗粒轨道法(Euler-Lagrange 法). 应用较多的是基于Euler-Lagrange 法的离散 相 模型 (discrete phase model，DPM)，该模型将气体或液体看作背景流体，将另外一相看作离散分布于背景流体中的颗粒或粒子，用欧拉方法研究背景流体，用拉格朗日方法追踪颗粒相的运动轨迹［2-4］.

本研究采用DPM 对潜孔打钻粉尘浓度分布规律进行模拟，采用Simplec 算法计算连续相的流场速度和湍流动能，建立离散相喷射源，在拉格朗日坐标下，采用随机轨道模型研究瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响［5-7］.

1 建立粉尘运动控制方程

采用拉格朗日法求解潜孔打钻时粉尘的运动轨迹求解过程仅考虑阻力和重力，其他作用力很小可忽略，颗粒相的作用力平衡方程［8-11］为

其中，FD(v - vp)为颗粒的单位质量阻力.

其中，CD为阻力系数;v 为流体相速度(单位:m/s);vp为颗粒运动速度(单位:m/s);ρ 为流体密度(单位:kg/m3)、ρp为颗粒密度(单位:kg/m3);dp颗粒直径(单位:m).

在随机轨道模型中，若用平均速度与脉动速度之和表示气流瞬时速度

则颗粒轨迹控制方程为

其中，τp为颗粒松弛时间(单位:s).

对于k-ε 模型，设当地湍流是各向同性的，作为小旋涡脉动速度的一个样本可表示为

其中，ζ 为服从正态分布的随机数;k 为湍流动能(单位:m2/s2).

由于流场中细小颗粒的积分时间可近似等同于气流的拉格朗日积分时间，即

其中，ε 为湍流动能耗散率(单位:m2/s3).

2 模型建立及求解

2.1 实例现场

某矿海拔3 348 m，长240 m，台阶高约12.5 m，矿岩主要有变质凝灰岩、硅质灰岩和钙质千枚岩等，普氏硬度系数f 为6 ～8，岩石密度为2 700 kg/m3，风速2.4 ～3.4 m/s.

钻孔机械采用KQ-200 潜孔钻机，钻孔直径200～220 mm，钻杆直径168 mm，最大钻孔深度19.3 m，工作风压为0.5 ～0.7 MPa，钻架垂直时外形尺寸为9 760 mm ×5 740 mm ×14 380 mm. 本文参考此型号钻机建立几何模型.

2.2 几何模型的建立及网格划分

由于露天矿山现场情况复杂，建模中难以完全模拟现场所有因素，本研究对露天矿山潜孔打钻粉尘扩散计算区间做如下假设:①将潜孔钻机机身视为长方体，底部行走部分用环形履带表示，钻架以长方体表示，均垂直于采场;②钻具底部的冲击器及钻头部分因尺寸相对整台钻机及采场较小，故模型中将钻具整体简化为空心圆柱体;③压气系统(空压机及压风管路)是潜孔钻机工作的重要组成部分，应完全考虑在内;④潜孔打钻粉尘几乎全部产生于打钻阶段，准备阶段及钻后卸杆时产生的粉尘暂不考虑.

为准确得到粉尘扩散规律，使用Gambit 2.0 软件建立尺寸为100 m×30 m×20 m 的长方体作为潜孔打钻作业计算区域，按上述假设在该作业区域中建立简化后潜孔钻机工作时的三维模型，并对其进行网格划分，以钻孔与地面相交的圆心为原点，方向如图1.

图1 潜孔打钻三维几何模型图Fig.1 3D geometric model of down-the-hole drilling

2.3 边界条件设定及求解

根据现场情况及相关实测数据，结合数学模型和Fluent 数值模拟方法，对区域网格进行自适应等调试，数值模拟参数设定如下［12-17］:湍流模型采用k-ε 双方程模型，入口边界类型为速度入口，入口速度2.4 m/s，水力直径24 m，湍流强度2.4%，出口边界类型为自由出流，工作风压0.7 MPa，打开离散相模型，喷射源类型为面喷射，颗粒材质为石灰石，密度为2 700 kg/m3，粒径分布为R-R 分布，分布指数为2.83，质量流率为0.005 kg/s，湍流扩散模型为随机轨道模型.

3 模拟结果及分析

3.1 潜孔打钻粉尘浓度分布及变化规律

为研究潜孔打钻时粉尘在采场内的浓度分布规律，以距钻机1 m 处(y =4 m)作为基准平面，并取z 正向的5 个高度(0.5、1.5、5、12.5 和20 m)观察该平面粉尘质量浓度的分布规律，如图2. 由于模型相对y 轴对称，所以分别取y 轴正向(0、2、4、6 和8 m)在呼吸带高度(z =1.5 m)的5条线来观察粉尘浓度沿程变化(图3). 从图2 和图3 可见:①在y =4 m 断面方向，粉尘质量浓度最大值为160 mg/m3，沿风流方向渐减至20 mg/m3以下，在z 方向上粉尘质量浓度先增后减，粉尘大致分布在12.5 m 以下，沉降效果明显;②在呼吸带高度断面，粉尘浓度沿x 方向渐减，在y 方向上先增后减，最大粉尘质量浓度达200 mg/m3. 由于钻机机身的阻挡作用，在其周围有粉尘积聚现象.

3.2 不同钻孔深度条件下粉尘浓度变化规律

图2 潜孔打钻不同高度粉尘质量浓度变化Fig.2 Dust concentration distribution at different height of down-the-hole drilling

图3 采场呼吸带高度粉尘质量浓度变化Fig.3 Dust concentration changing regularities at breathing height in different positions of the stope

为探究不同钻孔深度条件下粉尘浓度运移规律，分别建立钻孔深度h 为5、10 和15 m 三个模型，模拟潜孔打钻时粉尘浓度分布规律，分别对距钻机1 m 处呼吸带高度(y = 4 m，z = 1.5 m)粉尘浓度进行监测. 图4 为不同钻孔深度条件下粉尘质量浓度沿程变化图，从中可见:①在其他参数相同条件下，粉尘浓度随钻孔深度的增加呈先减后增趋势;②整体上，钻孔深度10 m 时粉尘质量浓度最小，且在钻机后15 m 以内即下降至45 mg/m3以下;钻孔深度5 m 时粉尘质量浓度最大，不仅在孔口水平达160 mg/m3左右，且在钻机后15 m 以内都维持在90 mg/m3以上.

图4 不同钻孔深度条件下粉尘质量浓度变化Fig.4 Dust concentration changing regularities under different drilling depth conditions

3.3 不同钻具转速条件下粉尘浓度变化规律

为探究钻具转速对粉尘浓度的影响，保持其他参数不变，钻具转速w 分别取13.5、17.9 和27.2 r/min，对潜孔打钻时粉尘浓度分布规律进行模拟，并对距钻机1 m 处的呼吸带(y = 4 m，z = 1.5 m)粉尘浓度进行监测. 图5 为不同钻具转速条件下粉尘浓度沿程变化图，从中可见:①钻具转速越大，对粉尘的破碎及扩散作用越大，所以孔口水平(x=0 m)处粉尘浓度也越大;②随粉尘扩散，粉尘质量浓度渐减，钻具转速对其影响不明显.

图5 不同钻具转速条件下粉尘质量浓度变化Fig.5 Dust concentration changing regularities under different rotary speed conditions

3.4 不同风速条件下粉尘浓度变化规律

为研究采场风速对粉尘浓度的运移规律的影响，保持其他参数不变，5 种入口水平风速v 分别取1.4、1.9、2.4、2.9 和3.4 m/s，对潜孔打钻时粉尘浓度分布规律进行模拟，并对距钻机1 m 处工作区呼吸带(y = 4 m，z = 1.5 m)粉尘质量浓度进行监测. 图6 为不同风速条件下粉尘质量浓度沿程变化图，从中可知:①不同风速条件下粉尘浓度与风向变化规律基本一致，均在钻孔水平(x =0 m)取最大值，然后随距离扩散渐减，在机身后20～40 m 处，由于二次扬尘，粉尘浓度有局部反弹现象，最后都趋于稳定;②对于同一位置，风速越大，粉尘质量浓度越高. 整体来说，风速为1.4 m/s时粉尘质量浓度最小;③当风速分别为1.4、1.9、2.4、2.9 和3.4 m/s 时，测点浓度最大值分别为110、120、155、140 及150 mg/m3，且均在距钻机下风向60 m 处达到平衡.

3.5 不同风压条件下粉尘浓度变化规律

图6 不同风速条件下粉尘质量浓度变化Fig.6 Dust concentration changing regularities under different wind velocity conditions

为探究不同工作风压条件下粉尘浓度的运移规律，分别取风压p 为0.42、0.56、0.70、0.84 及0.98 MPa ，对潜孔打钻时粉尘浓度分布规律进行模拟，并对距钻机1 m 处呼吸带高度(y = 4 m，z =1.5 m)粉尘浓度进行监测. 图7 为不同风压条件下粉尘浓度沿程变化图. 从中可知:①不同风压条件下粉尘浓度随距离的变化规律基本一致，均在钻孔水平取得最大值，然后随距离的增加渐减;②当风压为0.42、0.56、0.70、0.84 和0.98 MPa 时，测点质量浓度最大值分别为200、140、155、130及120 mg/m3. 总体来说，粉尘浓度随风压增加而减小，工作风压为0.98 MPa 时粉尘浓度最小.

图7 不同风压条件下粉尘浓度变化图Fig.7 Dust concentration changing regularities under different air pressure conditions

3.6 捕捉壁面条件下粉尘浓度变化规律

为研究潜孔钻机在使用湿式降尘设备时粉尘的分布规律，将潜孔钻具外壁和钻孔内壁均设置为捕捉壁面条件，以模拟湿式降尘的使用效果. 图8 为距钻机1 m 处呼吸带高度粉尘质量浓度沿程变化图. 通过与图3 比较分析可见:捕捉壁面条件下的粉尘浓度分布规律与反弹壁面类似，但粉尘浓度整体与反弹壁面条件下的粉尘浓度相比要低很多，且在打钻点20 m 内质量浓度已降至6 mg/m3以下.

图8 捕捉壁面与反弹壁面条件质量粉尘浓度对比Fig.8 Dust concentration changing regularities under trap-wall or reflect-wall condition

3.7 实测数据与模拟结果对比分析

根据GBZ/T 192.1-2007 《工作场所空气中粉尘测定》及相关文献采样点布置方法，在潜孔打钻现场布置测点21 个，方法为:将孔口处设为基准零点，从孔口上风向20 m 开始，每隔5 m 设置一个测点，直至下风向80 m 处，测点高度均为1.5 m.

采用AKFC-92A 防爆型粉尘采样器及LD-5C 型微电脑激光粉尘仪，同时对潜孔打钻作业时粉尘质量浓度进行监测，每个测点至少测3 次，并对结果取平均值. 实测数据与模拟结果对比如图9. 从中可见，模拟结果与实测数据基本吻合，粉尘浓度分布及变化规律基本一致. 但模拟时的浓度相对现场实测数据偏小，且在x 方向上滞后，这是由于在现场实测、模型简化及参数设置均会出现一定误差.以上分析说明运用离散相模型对潜孔打钻粉尘浓度分布及变化规律进行模拟是可行的.

图9 实测与模拟质量浓度对比Fig.9 Comparison of dust concentration between field measurement and simulated model

结 语

通过对某矿潜孔打钻粉尘浓度分布及变化规律的数值模拟研究得出:①在呼吸带高度断面方向，粉尘浓度沿风向渐减，在y 和z 方向上均先增后减，粉尘大致分布在z =12.5 m 以内，沉降效果明显;②不同参数条件下粉尘浓度与风向变化规律基本一致，均在钻孔水平(x =0 m)取得最大值，然后随风流扩散渐减，由于机身后部的二次扬尘作用，粉尘浓度有局部反弹现象，最后都趋于稳定;③在其他参数不变条件下，钻具转速对粉尘浓度影响不明显，当钻孔深度为10 m、风速为1.4 m/s、工作风压为0.98 MPa 时，粉尘浓度最小;④捕捉壁面条件下粉尘浓度分布规律与反弹壁面相似，空间整体浓度较反弹壁面条件要低很多，且在较短的距离内就降到粉尘浓度稳定值. 因此，建议在打钻现场采取向钻孔内喷雾或注入泡沫等湿式除尘措施.

/ References:

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