扁平硐室粉尘运动规律的实验研究

狄长江，王孝东，戴晓江，毕春杰，李凌峰，黄福顺

（1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2. 山西壶化集团，山西 长治 046000）

扁平硐室粉尘运动规律的实验研究

狄长江1，王孝东1，戴晓江1，毕春杰1，李凌峰1，黄福顺2

（1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2. 山西壶化集团，山西 长治 046000）

为解决扁平硐室粉尘浓度高的问题，获取通风除尘设计的合理参数，依据扁平硐室的通风机理，结合气固两相流的质量和动量方程，建立了扁平硐室的实验模型，并对粉尘的分布规律进行实验研究。研究结果表明:硐室平均风速、硐室面壁的洒水范围以及硐室的采场宽度是影响扁平硐室粉尘浓度分布的3个主要因素。在通风除尘设计中，最优排尘风速以3 m/s最合适；对爆破点周围0.45 m范围内的面壁进行洒水可以提高除尘效果；同时，当采场宽度大于0.85 m时，工作面风流很微弱，粉尘浓度上升为1 320 mg/m3。

扁平硐室；受限流条件；粉尘分布；影响因素；气固两相流

0 前 言

扁平型硐室采场是指采场高度与大巷高度一致，但采场的宽度却比大巷的宽度大几倍甚至十几倍。利用房柱法开采薄矿体等就属于这种类型［1］。扁平型硐室的风流由供风巷进入采场，形成一个体积逐渐扩大的主风流，其采场的粉尘不能被主风流直接带出，而是由诱导风流逐渐转换排出［2］。由于硐室型采场的风流排出比较缓慢，是地下矿井开采通风网络中比较困难的区域［3］。对于地下开采的矿产资源，利用爆破开采是不可缺少的开采手段，而爆破过程中产生的大量粉尘则严重影响扁平型硐室采场的工作条件，危害一线员工的身体健康［4］。在开采通风过程中，由于通风布置不合理，会使爆破产生的高浓度炮烟和粉尘难以排出，影响地下开采的顺利进行［5］。

目前，国内外的很多专家学者对采场除尘进行了大量研究，一般通过加强通风排尘效果、增加喷雾洒水、密闭尘源等相关方式进行降尘除尘目标［6］。目前采用的这些方式只能在一定程度上降低粉尘浓度，由于现代化开采技术方式的不断更新，利用原有方法进行降尘不能完全满足国家相关行业的卫生标准要求，急需在理论上和实践上进行相关研究，得到降尘除尘更有效的方式［7］。

1 扁平型硐室采场的通风机理

由于采场入、排风口位置不同，使硐室中形成不同的射流形式，射流型式不同，对通风的进程有直接影响，所需风量也不同。对于不同类型的扁平硐室，采场正常工作下的所需风量，可按下列统一公式进行计算［8］。

式中 Q——硐室通风的风量，m3/s；

V——表示硐室空间体积，m3；

A——硐室中一次爆破的炸药量，kg；

j——通风空间较大一侧的硐室体积与硐室总体积之比。对称射流型采场，j = 0.5；非对称射流型采场，j = 0.5 ～ 1.0；半边射流采场，j = 1.0；

K——紊扩散系数。

其中紊扩散系数K的计算如下：

式中 v1——扁平硐室主风流区；

v2——为回流区；

V——硐室空间。

其中根据扁平硐室的几何特征，可以求得：

n——受限程度系数；

s——入风口到硐室某断面的距离，m；

b0——入风口宽度的1/2，m；

a——射流的结构参数；

s1m——自由扩张段的长度，m；

s2——受限扩张段长度，m。

2 气固两相流控制方程的建立

1） 质量连续方程［9］

式中 ε——体积分数；

ρ——密度；

2） 动量方程

下标m≠n=f，s，即二者取不同相（如当取m=f时，则n=s ），f、s分别代表气相、固相。

式中pf——流体压力，Pa；

β——曳引力系数；

τm——粘性应力Pa；

τm——脉动应力，Pa；

3 实验参数的测定方法及测点布置

3.1 实验模型的建立

根据中国云南某矿山硐室采场的大小情况，对扁平型硐室采场粉尘运移计算区间进行适当简化，依据相似原理构建工作面巷道的实际模型，见图1。

其中，入风巷道为三心拱宽0.26 m，高0.257 m，其中腰高0.169 m，拱高0.088 m，断面积S0=1.072 m2；采场长度3.5 m，宽度1.176 m，高度0.294 m。现场实测入风巷道中风速为0.6 m/s，压强为101 kPa。

图1 扁平型硐室采场三维几何模型及测点布置

3.2 实验参数测定方法

实验所需测定的参数主要包括风速和粉尘质量浓度。其中，风速的测定采用AM-4836型多功能风速仪，测定过程利用热敏探头正对风流方向，待风速仪显示屏上数值稳定后，读取风速值。粉尘浓度利用LD-5C（L）型粉尘仪进行测定，在测得相关数据后及时清理仪器上的粉尘，降低测量误差［10］。

3.3 实验参数测点布置

根据硐室采场相似模型布置情况，在空间内布置风速测点及粉尘浓度测点，每个测点均进行3次以上的数据测定，并取平均值进行比较分析，使测量值尽量接近于真实［11］。

1） 风速测点布置

根据扁平型硐室采场模型的几何尺寸，结合紊流射流通风流场的理论基础，在硐室模型内部选取10个测试断面，每个断面布置4×3个风速测点对风速进行测定。各风速测点的具体布置如图2所示。

图2 风速测点布置示意

2） 粉尘浓度测点布置

在硐室采场模型内部选取4个测试断面，每个断面布置4×3个粉尘浓度测点，测点布置参照风速测点布置图。从硐室采场工作壁面方向开始，测试断面上的测点距作业壁面的距离分别为0.05，0.3，0.55，0.8 m，每个断面测点间距为0.6 m。相似实验模型粉尘浓度的测点布置如图3所示。

图3 粉尘浓度测点布置

4 实验结果及分析

4.1 粉尘浓度分布

实验过程中取进风风速为1.0 m/s对硐室模型空间粉尘浓度分布进行详细测定，图4为不同硐室断面内粉尘浓度最大值的沿程分布情况［12］。

图4 不同采场断面内粉尘浓度的沿程变化

根据图4所示，并结合图3粉尘浓度测点布置示意图可知：

1） 随着粉尘从工作面位置向模型空间喷射出来，使得距出尘面最近测点的浓度值达到最大。随后，粒径较大的粉尘受重力作用影响，其下降速度明显，容易被壁面和底面捕捉。而剩下的部分主要是呼吸性粉尘，径粒分布较小，沉降速度较慢，能够在模型内飘移很长时间［17］。

2） Y = 1.45 m，Y = 2.05 m，Y = 2.65 m断面上的粉尘在沿程范围内形成波浪式的运动轨迹，并且随沿程的延长呈现出下降的趋势；说明模型内的粉尘受主风流和反向回流的转换扩散作用而分成两个部分，一部分粉尘由主风流排出，导致粉尘浓度下降；另一部分粉尘在模型内循环流动，从而在不同断面测点上出现高低起伏的粉尘浓度值。Y = 0.85 m断面上的粉尘在沿程方向上出现缓慢的下降趋势，由于此断面处于硐室背风面的偶角部分，其风流很微弱，是整个硐室中排出粉尘最困难的区域。

4.2 不同参数条件下扁平硐室粉尘浓度分布

根据现场调查并查阅相关文献资料可知，硐室平均风速和硐室采场的宽度是影响扁平硐室粉尘浓度分布的2个主要因素［13］。通过改变各粉尘影响因素的参数条件，对扁平硐室不同位置的粉尘浓度进行详细测定并对比分析，研究各因素对粉尘浓度分布的影响规律。

4.2.1 不同平均风速下硐室的粉尘浓度分布

在硐室入风口的风速为1.5，2，2.5，3，3.5 m/s时，扁平硐室内的平均风速分别为0.2，0.35，0.40，0.55，0.70 m/s。对在不同平均风速条件下扁平硐室的Z = 0.075 m与Y = 2.05 m平面交线上不同位置的粉尘浓度进行详细测定，并对其变化趋势整理，如图5所示。

图5 不同平均风速下硐室粉尘浓度的沿程变化

1） 随着粉尘从工作面位置向模型空间喷射出来，使得距出尘面最近测点的浓度值达到最大。随后，粒径较大的粉尘颗粒在重力作用影响下降速度明显，较容易被底面和壁面吸附。其余的部分则主要是呼吸性粉尘，径粒相对较小，沉降速度较慢，能够在实验模型内漂浮很长时间。

2） Y=1.45 m，Y=2.05 m，Y=2.65 m断面上的粉尘在沿程范围内形成波浪式的运动轨迹，并且随沿程的延长呈现出下降的趋势；说明模型内的粉尘受主风流和反向回流的转换扩散作用而分成两个部分，一部分粉尘由主风流排出，导致粉尘浓度下降；另一部分粉尘在模型内循环流动，从而在不同断面测点上出现高低起伏的粉尘浓度值。Y=0.85m面上的粉尘在沿程方向上出现缓慢的下降趋势，由于此面处于硐室背风面的偶角部分，其风流很弱，是整个扁平硐室中除尘最困难的部分。

4.2.2 不同采场宽度条件下硐室的粉尘浓度分布

在金属矿山地下开采中，随着开采工作的不断进行，工作面在不断向前推进，扁平硐室的宽度也在不断增加，风流到达工作面变得困难，给排尘工作带来严重影响［14］。根据该金属矿山的爆破参数，炮孔排距0.8 m，间距1.2 m，孔深为2 m，并结合实际成产能力，合理设定模型采场宽度Y分别为0.65，0.75，0.85，1，1.1 m，在其他开采条件不变的情况下，设置入风口风速为3 m/s，对不同采场宽度下扁平硐室的Z = 0.075 m与Y = 2.05 m平面交线上的粉尘浓度进行测定，并得到在不同位置的粉尘浓度［15］，如图6所示。

图6 不同采场宽度下硐室粉尘浓度沿程变化

从图6可以得到以下几个方面。

1）随着入口风速变化时，硐室内的粉尘浓度分布大体呈现一定的规律性，但扁平硐室内的风流受到反射分流的影响，在距离为0.2 m时，风速为1.5 m/s时粉尘浓度为1633 mg/m3小于2.0 m/s时的粉尘浓度1724 mg/m3。

2）扁平硐室的平均风速在0. 2～0. 55m/s范围内，风速越大，在Z=0.075 m与Y=2.05 m平面的交线上粉尘浓度越低。在距离工作面0.4 m处，由于此处在硐室背风面的偶角部分，其风流很微弱，是整个扁平型硐室中除尘最困难的部分，此处的粉尘浓度最大，当入风口风速为3 m/s时，粉尘浓度为2 680 mg/m3。

5 结 论

1）根据对建立的扁平硐室模型的对应点进行风流测定，得到的相关数据和现场实际情况基本吻合，说明进行相似实验具有可行性，模型的建立可用。

2）由于垂直于硐室工作壁面方向上的距离增加，硐室区域内粉尘浓度规律在沿程范围内形成了波浪式的运动轨迹；在硐室背风面的偶角区域，存在一个小面积的流转风流，其风流很小，基本接近为0.05 m/s，是整个采场中通风除尘最困难的区域。

3）扁平硐室的平均风速和硐室采场的宽度是影响扁平硐室粉尘浓度分布的两个主要因素。相对较大的风速有利于扁平硐室的通风除尘，但如果风速过大超过一定限度会导致已经沉降的粉尘在采场中重新漂浮，造成二次污染，实验结果显示3 m/s的风速除尘效果较好。随着开采不断向前推进，采场宽度大于0.85 m时，通风越来越困难，给硐室除尘带来严重影响。

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Experimental Research on Dust M igration in Flat-type Chamber Stope under the Condition of M im ited Jet

DI Changjiang1，WANG Xiaodong1，DAI Xiaojiang1，BI Chunjie1，LI Lingfeng1，HUANG Fushun2
（1. Faculty of Land Resources Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming， Yunnan 650093， China； 2. Shanxi Huhua group， Changzhi， Shanxi 046000， China）

To solve the problem of high dust concentration of the fat chamber， fnd out the distribution of dust and obtain reasonable parameters to design the ventilation and dust removal system， the experimental model of flat chamber is build according to the ventilation mechanism of fat chamber， combined w ith the quality of the gas-solid two phase fow and the momentum equation. The results show that the chamber mean w ind velocity、water spraying range and w idth of the chamber stope are three main factors that affect the distribution of dust concentration in the fat chamber. In the design of ventilation and dust removal， the optimal dust exhausting w ind speed is 3 m/s； water spraying the face of the chamber w ithin 0.45 m of the blasting point can improve the effect of the dust removal； At the same time， when the w idth of the chamber stope is greater than 0.85 m， the dissolute of the working face is very weak， the dust concentration increased to 1 320 mg/m3.

Flat chamber； Restricted fow conditions； Distribution of dust； Infuencing factor； Gas-solid two phase fow

TF122

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.051

2016-07-18

中国博士后科学基金项目（2015M582779XB）

狄长江（1991-），男，陕西渭南人，硕士研究生，研究方向：矿业工程，手机：15587099316，E-mail：455791183@qq.com；通信作者：王孝东（1977-），男，云南华宁县人，博士后，博士后研究人员，研究方向：矿井通风安全工程，数字化矿山，手机：18860794416；E-mail：angiaoongwxd@163.com.