高海拔矿山掘进面长压短抽式通风粉尘分布数值模拟

龚 剑 胡乃联 林荣汉 崔 翔

(金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

高海拔矿山掘进面长压短抽式通风粉尘分布数值模拟

龚 剑 胡乃联 林荣汉 崔 翔

(金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

为了研究高海拔矿山的粉尘污染难题，以西藏自治区某铜多金属矿为工程背景，通过对比试验的方法确定高海拔矿山粉尘颗粒的主要粒径分布范围；根据气固两相流理论，运用FLUENT软件对长压短抽通风除尘系统的效率、最佳压入风量以及最优抽吸比进行数值模拟，并与现场测试结果对比分析。研究结果表明：长压短抽通风除尘系统在1 200 s时基本排出全部粉尘，压入风量取150 m3/min，抽吸比取0.9最为合适，同时数值模拟结果与现场实际变化规律基本一致，除尘效率达到90%以上，此时巷道内的粉尘质量浓度保持在0.5 mg/m3以内。

高海拔矿山 掘进巷道 长压短抽 粉尘分布 数值模拟

掘进工作面是井下作业最大的产尘源之一，在钻孔、爆破及装岩过程中都会产生大量粉尘；同时由于独头巷道通风距离长，通风条件差，致使粉尘浓度高且不易排出[1]。大量囤积于掘进巷道内，高浓度的粉尘对安全生产及人体健康构成极大威胁，往往会导致尘肺病的发生[2-4]。对各工种尘肺病患病率调查的数据显示掘进工人尘肺病患病率最高[5]，因此掘进巷道的粉尘污染需要予以重视。而对于高海拔矿山来说，由于具备极强的环境特殊性，其低氧低压的气候条件已造成设备及工人的大幅降效，对人体健康造成慢性伤害，高海拔矿山掘进工人若长时间在缺氧且布满粉尘的空气状况下工作，患上职业病的概率会大幅增加，对身体会造成不可逆的危害。因此，高海拔矿山掘进工人的健康面临更为严峻的挑战，研究高海拔矿山掘进巷道的粉尘分布规律及变化特点，掌握通风除尘设计的方法及参数，探索粉尘浓度的控制技术，对于改善井下作业环境和减少工人健康威胁具有十分重要的意义。基于此，本研究以西藏自治区某铜多金属矿为工程背景，通过对比试验的方法得出高海拔矿山的粉尘分布特性，并根据气固两相流理论建立出掘进巷道内采用长压短抽通风时粉尘运移规律的数学模型，模拟出粉尘的运动轨迹与浓度变化规律，并将现场实测数据与模拟结果对比，验证数值模拟的准确性，为高海拔矿山的粉尘治理提供依据。

1 粉尘对比试验

1.1 工程背景

西藏自治区某铜多金属矿采用斜坡道开拓，倾角为8°，总长800 m，巷道断面为三心拱，宽4.2 m，高3.7 m，其中4 470 m中段存在大量的掘进断面，风流受阻，导致通风不畅，粉尘不能及时有效排出；同时矿石与废石的提升运输采用矿车来实现，矿车发动机为柴油驱动，需要耗费大量的氧气，由于氧气供应不足，致使尾气的排放量成倍增加，由此带来的直接危害就是空气中细颗粒物浓度的增大。因此，一方面4 470 m中段掘进工作面由于独头巷道通风不畅而导致粉尘分布集中，另一方面尾气的大量排放致使粉尘浓度明显增大，二者的共同作用导致掘进巷道粉尘污染十分严重。

1.2 粉尘对比

为了研究高海拔矿山的粉尘特性，选取三山岛金矿作为对比矿山进行对比试验。三山岛金矿大气压力与氧气含量均为标准值，可以与巨大的海拔高差与高海拔气候条件形成强烈对比效应。选取某一相似掘进巷道，采用多通道激光尘埃粒子计数器按照同样的测量方法对测点进行相同的编号，在掘进断面爆破一段时间后进行粉尘浓度测量，可得到如图1所示的粉尘浓度对比数据。

图1 粉尘浓度对比数据

由图1可以看出，随着与掘进断面距离的增大，粉尘总体上均呈逐渐降低的趋势。通常情况下，将粒径大于10 μm的粉尘颗粒称为细尘，小于10 μm的粉尘颗粒称为微尘，粒径越小，对人体危害性越大。测量数据显示高海拔矿山的粉尘污染构成中微尘浓度远大于细尘浓度，平原矿山与之相反，细尘浓度大于微尘浓度。高海拔矿山的细尘浓度较小，而平原矿山的细尘浓度要远大于高海拔矿山的细尘浓度，也大于同等条件下产生的微尘浓度，因此细尘是平原矿山在爆破后的主要粉尘来源，微尘是高海拔矿山粉尘产生的主要来源，二者的主要差异在于粉尘产生的粒径不同。由于高海拔矿山井下缺氧十分严重，导致掘进断面处的氧气供给量严重不足，炸药的不完全爆破以及燃油的不完全消耗使得微尘的浓度急剧增加。而平原地区供氧充足，炸药与燃油的氧化作用充分，掘进断面在爆破后只会使微尘浓度小幅度增加。因此，高海拔矿山最主要的粉尘污染为粒径小于10 μm的微尘颗粒，可直接导致尘肺病。为了降低微尘对职工的危害性，根据高海拔矿山掘进巷道通风方式的特点，选取长压短抽通风方式进行除尘效果的数值模拟。

2 几何模型的建立及参数设定

2.1 力学控制方程

粉尘在空气中的运动规律可运用气固两相流理论进行研究，通常采用欧拉-拉格朗日法将气体看作背景流体，将粉尘看作离散分布于空气中的颗粒，运用气体流动控制方程组，采用三维不可压非稳态Navier-Stokes方程和标准k-ε双方程模型求解[6-8]，方程组可表示为

事实上，一般情况下，慎众，主要还是难在不敢做自己，怕落个不合群、不识相或假清高、假正经之类的名声，因而讨人嫌、招人恨，说到底还是修养不到，私心杂念在作怪。元人王冕，不从权贵，不随世俗，穷隐村野，唯抱贞心，其《墨梅题图诗》云：“吾家洗砚池头树，朵朵花开淡墨痕。不要人夸颜色好，只留清气满乾坤。”

(1)

(2)

式中，GK为湍动能变率；k为湍动能，m2/s2；ε为湍动能耗散率，m2/s2；μ为层流黏性系数，Pa·s；μt为湍流黏性系数，Pa·s；ρ为气体密度，kg/m3；ui为流体在X方向上的速度，m/s；C1ε、C2ε、σk和σε为常数，分别取1.44、1.92、0.09、1.0和1.3。

粉尘的运动轨迹与受力状况运用拉格朗日法进行求解，在拉格朗日坐标系下对颗粒受力的微分方程积分，由于其他作用力可忽略不计，故只考虑重力及气体阻力，得到化简后的粉尘颗粒平衡方程为

(3)

式中，d为粉尘粒径，mm；ρp为粉尘密度，kg/m3；ρg为气体密度，kg/m3；Cd为气体阻力系数；vg为气体运动速度，m/s；vp为粉尘运动速度，m/s；g为加速度。

2.2 几何模型的建立

由于4 470 m掘进巷道现场情况较为复杂，若将所有因素全部考虑，不利于模型的建立与网格的划分，需要对掘进巷道粉尘分布计算域做出以下假设：①掘进巷道内电缆电线等杂物由于对粉尘沉降影响不大，模型中不予考虑；② 掘进巷道为标准三心拱巷道，巷道断面始终保持一致；③长压短抽式风筒是巷道内通风除尘的重要组成部分，建模中考虑在内；④掘进断面爆破粉尘全部产生于爆破阶段，不考虑起爆前及爆破后装运时产生的二次扬尘；⑤掘进巷道模型内只考虑动量传输，忽略热传导。

基于上述假设，根据4 470 m掘进巷道的实际情况对其内部几何条件合理简化，使用GAMBIT建立出掘进巷道的几何模型并划分网格，掘进巷道尺寸为50 m×4.2 m×3.7 m，顶部为三心拱构造，风筒直径均为0.5 m，风筒中心距地面2.3 m，压风风筒出口距离掘进面12 m，出风风筒吸风口距离掘进面5 m，如图2所示。

图2 掘进巷道三维几何模型

2.3 边界条件

根据4 470 m掘进巷道的实际情况以及相应实测数据，将几何模型导入FLUENT中设置求解类型与边界条件等参数[9-15]。需要说明的是，由粉尘对比试验得出高海拔矿山主要的粉尘污染为粒径小于10 μm的微尘颗粒，因此设定的颗粒直径应不大于10 μm，参数设定如表1所示。

3 模拟结果及分析

经过迭代计算，以呼吸带高度(1.5 m)为基准面，长压短抽式通风条件下各时间段的粉尘质量浓度分布规律如图3所示。图4为掘进巷道不同位置的呼吸带高度处粉尘质量浓度随时间的变化关系。

从图3与图4可以看出：

(1)由于爆破冲击波的作用，掘进断面在爆破瞬间产生大量粉尘，高速喷入巷道并向外扩散，掘进断面附近逐渐聚集大量高浓度粉尘。在射流作用下，粉尘缓慢向进路内左侧隅角处移动，并由回流带出巷道。

(2)在掘进巷道进路断面方向，由于粉尘颗粒自身的沉降作用以及风流的漩涡运动，粉尘质量浓度呈现由右至左，由上至下升高的分布规律。

表1 计算模型参数设定

(3)随着时间的推移，巷道进路轴线上粉尘质量浓度最大值逐步向出口移动，且数值总体呈逐步降低趋势，在距离掘进面不同截面处的粉尘质量浓度都是迅速上升到最高浓度，然后随时间推移缓慢降低。在距掘进面1，20，30，40及50 m处，粉尘质量浓度分别在60，110，270，400及560 s时达到最大值。

(4)60～600 s时间内，巷道内粉尘质量浓度降幅较大，而600～1 200 s则下降缓慢。巷道内的粉尘在1 200 s时基本全部排出，此时巷道内的粉尘质量浓度保持在0.5 mg/m3以内。

3.2 不同压入风量对粉尘运移的影响

为了研究掘进巷道在不同风量条件下粉尘质量浓度随时间的变化规律，在其他参数保持不变的条件下，压入风量分别取100、150、200和250 m3/min对爆破后的粉尘质量浓度进行模拟，在通风时间为300 s时呼吸带高度水平截面上粉尘质量浓度分布云图如图5所示。由图5可以看出：①在压入风量大于抽出风量的客观条件下，不同压入风量条件下粉尘运动规律基本一致，均在上升为最大值后缓慢减少；②随着压入风量的增大，巷道中的风速变快，粉尘从掘进面向外沿程传播的距离更大，空间分布更分散，因此粉尘质量浓度也更低；③由于粉尘粒径偏小，沉降效果并不明显，而当风量为200和250 m3/min时，巷道内粉尘形成二次飞扬，当风量为100 m3/min时，排尘时间过长。因此，综合考虑粉尘浓度与排尘时长，当压入风量为150 m3/min时，不仅保持粉尘浓度较低，且排尘效果较好。

图3 各时间段粉尘质量浓度变化规律

图4 巷道不同位置粉尘质量浓度变化

图5 不同风量条件下粉尘质量浓度变化

3.3 不同抽吸比对粉尘运移的影响

保持其他参数不变，设置抽吸比分别为0.5、0.7、0.9、1.1和1.3，在通风时间为300 s时呼吸带高度粉尘质量浓度的变化分布如图6所示。由图6可以看出：①在压风量一定的条件下，随着抽吸比的增大，巷道中粉尘浓度随之减小，抽吸比大于1时，粉尘质量浓度明显下降，而抽吸比小于1时，0.9抽吸比的排尘效果优于抽吸比为0.7和0.5；②由于高海拔矿山的特殊条件，考虑到巷道内氧气含量以及大气压力等问题，抽吸比不能大于1，否则极易形成缺氧负压区。综合考虑选取抽吸比为0.9，既可满足采场的环境要求，也能取得较好的降尘效果。

图6 不同抽吸比粉尘质量浓度变化

4 现场试验结果

将通风除尘系统按要求布置完毕，取压入风量为150 m3/min、抽吸比为0.9，按照图1所示同样距离的测点，采用多通道激光尘埃粒子计数器对掘进巷道应用长压短抽通风除尘系统前后的粉尘质量浓度测量并对比，每个测点进行3次测量并取平均值，得到的数据如图7所示。

图7 应用通风除尘系统前后粉尘浓度对比

由图7可以看出，应用通风除尘系统后，掘进巷道粉尘质量浓度最大值为1.6 mg/m3，最小值仅为0.5 mg/m3，与应用通风除尘系统前相比，除尘效率最高达到91.5%，最小值也在83%以上，粉尘质量浓度得到了大幅降低，说明长压短抽通风方式能很好地改善掘进面粉尘质量浓度高的问题。同时将图3的数值模拟结果与图7的实测结果比较，可以看出数值模拟的粉尘质量浓度变化规律基本上与实测数据变化规律相符，粉尘质量浓度均保持在0.5 mg/m3左右，因此验证了数值模拟的准确性。

5 结 论

(1)通过粉尘对比试验得出了平原地区的粉尘粒径以大于10 μm的细尘颗粒为主，而高海拔矿山粉尘的主要污染源为粒径小于10 μm的微尘颗粒，更小粒径的粉尘具有更大的危害性，因此高海拔矿山的粉尘污染更为严重。

(2)长压短抽式通风除尘系统在掘进巷道进路断面方向时，粉尘质量浓度呈现由右至左，由上至下升高的分布规律，在距离掘进面不同截面处的粉尘质量浓度都是先升高后降低，粉尘在1 200 s时基本全部排出，此时巷道内的粉尘质量浓度保持在0.5 mg/m3以内。

(3)长压短抽式通风除尘系统的压入风量取150 m3/min较为合适，风量过大会形成二次扬尘，风量过小会延长排尘时间，而由于高海拔矿山的特殊条件，将除尘系统的抽吸比取为0.9，既可满足环境要求，也能取得较好的降尘效果。

(4)长压短抽式通风除尘系统的数值模拟结果与现场实际变化规律基本一致，说明该除尘系统可以改善高海拔矿山的作业环境，使粉尘浓度大幅降低，同时也验证了数值模拟结果的可靠性，因此可将数值模拟的结果作为理论依据参考。

[1] 刘 毅，蒋仲安，蔡 卫，等．综采工作面粉尘运动规律的数值模拟[J]．北京科技大学学报，2007，29(4)：351-353. Liu Yi,Jiang Zhongan,Cai Wei,et al.Numerical simulation of the dust movement rule in fully-mechanized coal faces[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2007,29(4):351-353.

[2] 牛保炉，陈颖兴，邱海江，等．古书院矿掘进工作面混合式通风除尘技术的实验研究[J]．矿业安全与环保，2006，33(6)：41-43. Niu Baolu,Chen Yingxing,Qiu Haijiang,et al.Experimental study of dust removal technology with combined ventilation in heading face in Gushuyuan Mine[J].Mine Safety & Environmental Protection,2006,33(6):41-43.

[3] 廖云开，邹兴梅，林立新，等．梅州市248名煤尘肺工人体质监护结果分析[J]．职业与健康，2005，21(1)：1-4. Liao Yunkai,Zou Xingmei,Lin Lixin,et al.Supervision on the physical condition of 248 coal miners with pneumoconiosis in Meizhou City[J].Occupation and Health,2005,21(1):1-4.

[4] 孙丙坤．某矿区煤工尘肺流行病学调查[J]．职业与健康，2007，23(6)：410-413. Sun Bingkun.An epidemiological survey of pneumoconiosis during coal workers[J].Occupation and Health,2007,23(6):410-413.

[5] 杜翠凤，王 辉，蒋仲安，等．长压短抽式通风综掘工作面粉尘分布规律的数值模拟[J]．北京科技大学学报，2010，32(8)：957-962. Du Cuifeng,Wang Hui,Jiang Zhongan,et al.Numerical simulations of dust distribution in a fully mechanized excavation face with far-pressing-near-absorption ventilation [J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2010,32(8):957-962.

[6] 刘向军，石 磊，徐旭常．稠密气固两相流欧拉-拉格郎日法的研究现状[J]．计算力学学报，2007，24(2)：166-172. Liu Xiangjun,Shi Lei,Xu Xuchang.Activities of dense particle-gas two-phase flow modeling in Eulerian-Lagrangian approach[J].Chinese Journal of Computational Mechanics,2007,24(2):166-172.

[7] 吴应豪．巷道粉尘沉降规律与转载点喷雾降尘系统研究[D]．太原：太原理工大学，2007：23-27. Wu Yinghao.Research on Tunnel Dust Settlement Rule and Reprinting Spraying Dust Removing System[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2007:23-27.

[8] 樊建人，姚 军，等．气固两相流中颗粒-颗粒随即碰撞新模型[J]．工程热物理学报，2001，22(5)：629-632. Fan Jianren,Yao Jun,et al.Modeling particle-to-particle interactions in gas-solid flows[J].Journal of Engineering Thermophysics,2001,22(5):629-632.

[9] 王晓珍，蒋仲安，王善文，等．煤巷掘进过程中粉尘浓度分布的数值模拟[J]．煤炭学报，2007，32(4)：386-390. Wang Xiaozhen,Jiang Zhongan,Wang Shanwen,et al.Numerical simulation of distribution regularities of dust concentration during the ventilation process of coal roadway driving[J].Journal of China Coal Society,2007,32(4):386-390.

[10] 牛 伟，蒋仲安，刘 毅．综采工作面粉尘运动规律数值模拟及应用[J]．辽宁工程技术大学学报：自然科学版， 2010，29(3)：357-360. Niu Wei,Jiang Zhongan,Liu Yi.Numerical simulation on dust movement regularities at fully-mechanized coal faces and its utilization[J].Journal of Liaoning Technical University:Natural Science,2010,29(3):357-360.

[11] 杨胜来．综采工作面粉尘运移和粉尘质量浓度三维分布的数值模拟研究[J]．中国安全科学学报，2001，11(4)：61-64. Yang Shenglai.Numerical simulation of 3-dimensional dust distribution on long wall coal faces[J].China Safety Science Journal,2001,11(4):61-64.

[12] 姚玉静，程卫民，聂 文，等．综掘工作面粉尘质量浓度分布的数值模拟[J]．矿业安全与环保，2011，38(3)： 21-24. Yao Yujing,Cheng Weimin,Nie Wen,et al.Numerical simulation of dust concentration distribution in a fully mechanized heading face[J].Mining Safety & Environmental Protection,2011,38(3):21-24.

[13] 秦跃平，张苗苗，崔丽洁，等．综掘工作面粉尘运移的数值模拟及压风分流降尘方式研究[J]．北京科技大学学报，2011，33(7)：790-794. Qin Yueping,Zhang Miaomiao,Cui Lijie,et al.Numerical simulation of dust migration and study on dust removal modes with the forced ventilation shunt in a fully mechanized workface[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2011,33(7):790-794.

[14] 陈举师，王 毅，蒋仲安．采场爆破烟尘浓度分布及扩散规律的数值模拟[J]．煤炭学报，2013，38(4)：147-152. Chen Jushi,Wang Yi,Jiang Zhongan.Numerical simulation of blasting dust concentration distribution and diffusion regularities in stope[J].Journal of China Coal Society,2013,38(4):147-152.

[15] 蒋仲安，陈梅岭，陈举师．巷道型采场爆破粉尘质量浓度分布及变化规律的数值模拟[J]．中南大学学报:自然科学版，2013，44(3)：1190-1196. Jiang Zhongan,Chen Meiling,Chen Jushi.Numerical simulation of dust concentration distribution and changing regularities in roadway stope blasting[J].Journal of Central South University:Science and Technology,2013,44(3):1190-1196.

(责任编辑 石海林)

NumericalSimulationofDustDistributionwithFar-pressing-near-absorptionVentilationinanExcavationRoadwayofHigh-altitudeMine

Gong Jian Hu Nailian Lin Ronghan Cui Xiang

(StateKeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducation，Beijing100083，China)

In order to study the issue of severe dust pollution in high-altitude mine,and taking a poly-metallic ore in Tibet autonomous region as the engineering background,the comparative experiments were carried out to identify the main particle size distribution in high-altitude mine and the theory of gas-solid two-phase flow was used to make numerical simulation on the efficiency of far-pressing-near-absorption(FPNA) ventilation,the best volume of pressed wind and the optimal ratio of absorption air volume to pressed air volume with FLUENT software.The simulation results were contrasted with the on-site tests.The results indicated that the dust was almost ejected at 1 200 s with FPNA system.The best volume of pressed wind was 150 m3/min and the optimal suction ratio was 0.9.Meanwhile,the simulation results were basically consistent with the on-site data with the dust collection efficiency of more than 90%.At this time,the dust mass concentration in the excavation roadway was maintained within 0.5 mg/m3.

High-altitude mine,Excavation roadway,Far-pressing-near-absorption(FPNA),Dust distribution,Numerical simulation

2014-09-30

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB01B04)，长江学者和创新团队发展计划项目(编号：IRT0950)。

龚 剑(1987—)，男，博士研究生。

TD 714

A

1001-1250(2014)-12-203-06