压入式通风条件下巷道断面形状对独头巷道氡浓度影响研究

刘 欣 袁艳平 邓志辉 曹晓玲 孙亮亮

压入式通风条件下巷道断面形状对独头巷道氡浓度影响研究

刘 欣 袁艳平 邓志辉 曹晓玲 孙亮亮

（西南交通大学 成都 610031）

对某独头巷道排氡通风进行了数值模拟，模拟结果与实验数据吻合良好，探究了压入式通风条件下不同巷道断面形状对独头巷道氡浓度水平和分布规律的影响，结果表明：各断面形状巷道下浓度均满足压入式通风下浓度分布规律，但浓度向外扩散方式由于巷道断面形状不同而各异；氡容易在巷道断面形状中具有尖锐拐角的地方积聚；半圆拱形巷道通风排氡效果最好，不规则形效果最差，不规则形断面的巷道在工作面区域和整体区域的氡浓度要比半圆拱形高出30%-40%。

压入式通风；独头巷道；巷道截面形状；氡；数值模拟

0 引言

氡是一种气态的天然放射性元素，无色无味，化学性质极不活泼。经过较长时间或者大剂量的辐射，能使肺部细胞因受到电离刺激而发生癌变，从而导致肺癌[1]。据调查，氡气污染在肺癌诱因中仅次于吸烟，排在第2位。空气中的氡约有77%来自大地氡的释放[2]。氡主要从岩石、土壤和建材析出，而土壤和岩石正是矿井的围护结构，氡很容易从地下和岩壁释放到空气中，从而危害到井下工作人员的身体健康。独头巷道由于只有一个出口，井下的有毒气体和粉尘很容易聚集，而且在煤矿的掘进过程中，由于岩体的破碎，掘进工作面还会有大量的氡析出，独头巷道中氡污染相较于其他巷道更为严重。就目前而言，加强井下通风换气仍然是控制矿井下氡气最理想的手段[3]。独头掘进巷道的通风方式主要有压入式、抽出式和压抽混合式三种，压入式由于控制简单、成本较低等原因而被广泛使用。

国内一些学者已经对影响独头巷道污染物浓度分布规律的一些因素进行了一系列研究。高建良等[4]研究了风筒出口位置对瓦斯分布的影响，发现出口离掘进迎头越近，瓦斯量越少；朱红青[5]等人利用数值模拟手段研究了大断面掘进工作面压入式通风风筒的最佳安设高度，结果表明大断面掘进工作面压入风筒最佳安装高度为3m；王春霞等[6]研究了送风风速对掘进巷道内瓦斯和粉尘分布规律的影响，提出风筒风速不宜过大也不宜过小，应该控制在26m/s左右，可以达到最好的通风效果；这些学者研究对象只局限于瓦斯、粉尘和炮烟，而对危害较大、物理性质与瓦斯、粉尘等迥异却又容易被忽视的氡的分布规律并未进行研究。

对于独头巷道内氡浓度水平的研究国内外已经有学者开始关注。Perrier[7]等建立了隧道空间换气次数对氡及子体浓度影响的数学模型；El-Fawal[8]等根据建立的风量、风压与氡及子体的联合解算模型，对巷道和工作面区域内的氡及子体浓度进行了预测；叶勇军等[9,10]研究了压入式通风独头巷道内氡及其子体浓度的计算模型和分布规律，提出氡及氡子体浓度会随着岩壁析出率和风流流动距离的增大而增大，随通风量增大而减少；张宇轩[11]推导出了压入式通风下独头巷道的最小排氡及排氡子体风量的计算公式，并分析了浓度分布规律。但是他们的研究只停留在了理论推导和模拟演算，将独头巷道简化为二维结构，无法得到具体的浓度分布情况，并且他们只针对一种断面形状的巷道进行了研究，对于其他断面形状下氡浓度分布的不同并未进行探究。不同断面形状的巷道在使用通风手段对巷道内的氡进行稀释和排除时，空间内的流场分布也不同，自然在排氡通风效果上也产生了差异，目前对于巷道断面形状对独头巷道氡浓度分布影响的研究尚未见文献报道，为此有必要进行研究。本文以压入式作为通风方式，建立多种断面形状的巷道模型，探究不同断面形状的巷道在压入式通风时的氡浓度水平和分布规律。

1 物理模型

我国巷道常用的断面形状是梯形和直墙拱形（如半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形，简称拱形），其次是矩形，只有在某些特定的岩层或者地压情况下，才会选用不规则形（如半梯形）、封闭拱形、椭圆开或者圆形。几种常见的断面形状如图1所示。

图1 常见巷道断面形状

巷道断面面积的大小决定了巷道开挖土方量的多少，即决定了巷道开挖的成本大小，同时也为了保证通风空间的体积一定，在建立多种形状的巷道模型时需保证巷道截面面积大小一致。选一个25m长的巷道作为研究对象，断面面积为5m，采用压入式进行通风，围护结构氡的析出率为2.25Bq/(m2·s)，送风口风速为7m/s，送入的新风中不含有氡。送风口距离工作面8m，风管悬挂在巷道右侧距离墙壁10cm处。

根据常见的巷道断面形状，分别建立了矩形、梯形、不规则形、半圆拱形和圆形五种巷道断面形状的模型来进行研究。矩形断面巷道通风模型如图2所示。

图2 矩形断面巷道通风模型示意图

2 数学模型

2.1 控制方程

整个空间内的气流组织形式是湍流流动，采用标准的模型建立控制方程组。控制方程如下：

质量守恒方程：

式（1）中，是密度，是时间，是速度矢量，源项S是加入到连续相的质量。

动量守恒方程：

式（2）中，为作用在流体微元体上的压力（静压）；为因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力张量；为作用在流体微元体重力体积力；为包含了作用在流体微元体其他外部体积力和其他的模型相关源项。

能量守恒方程：

式（3）、（4）中，为流体微团的总能，k为有效导热系数，J为组分的扩散通量；h为组分的焓，方程右边的前三项分别为由于导热、组分扩散和粘性耗散所引起的能量传递。S为由于化学反应引起的放热和吸热，或代表其他自定义的热源项。

组分质量守恒方程：

式（5）中，Y为组分的质量分数，J为组分的扩散通量，R为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应消耗或生成该种组分的净生成率，S为通过其他方式（如异相反应、相变）所生成该种组分的净生产率以及自定义的其他质量源项。

2.2 计算域网格划分

根据试验建立模型，模型示意图如图2所示。在实际情况中，围护结构会持续不断的析出氡气体，在模拟中，将巷道表面析出氡的过程转化为离壁距离很小（10mm）的空气层中的源项，即假设各表面空气层中在单位时间内产生的氡量等于实际各表面析出的氡量。使用非结构化网格对巷道内部流场空间进行网格划分。各表面空气壁面使用六面体结构化网格进行划分。

2.3 边界条件设置

3 模拟验证

某独头巷道位于铜铀共生氧化矿石的3号矿体内，巷道宽为2m，高为2.5m，长度为25m，天井高度为12.5m，围护结构氡的析出率为2.25Bq/(m2·s)，工作面区域氡初始浓度为2.59×104Bq/m3。实验采用压入式通风方式，使用一台5.5kW轴流式风机和直径300mm的胶布风筒送风，在风口风速分别为7m/s、10.3m/s和17m/s下进行试验。扇风机安装在有新鲜风流负压通风的平巷内，每次实验前对风源处空气氡的浓度进行测量，浓度分别为999Bq/m3、1258Bq/m3和1036Bq/m3。风筒口距离工作面10.5m，送风量分别为29.82m3/min、43.8m3/min、73m3/min。观测点位于距离工作面2m处回风流中的工作面区域中。试验布置图如图1所示。

根据上述条件建立模型对该实验进行数值模拟，将模拟得到的观测点结果分别与经验公式计算出来的结果和实验结果进行比对。比对结果如表1所示。

图3 某独头巷道通风排氡试验布置图

表1 模拟结果对比表（10-18kmol/m3)

从上表我们可以看出，采用数值模拟的方法计算出来的结果很好地吻合了试验值和计算值，误差大小均在20%范围内。证明了建模方法及参数设置的合理性，可用于压入式通风条件下独头巷道氡浓度的研究。

4 结果分析

由于氡对人体的危害主要是通过呼吸作用进入肺部造成肺癌，所以呼吸带处的氡浓度应尽可能保持在较低的水平。呼吸带一般距离巷道底板1.5m左右。各模型1.5m高度处氡浓度分布云图如图4所示。各模型虽然断面形状不同，但是浓度分布均符合压入式通风的浓度分布规律。不同的是各外形在巷道中部的分布规律稍有不同。不规则形和梯形在巷道中部浓度在向外延伸时呈现中间低左右两侧高的规律，矩形则为左高右低，圆形为右高左低，半圆拱形在向外扩散的过程中一开始浓度右高左低，在距离出口14m左右的地方左右浓度分布规律发生改变，在后半段呈现左高右低趋势。而且我们可以明显看出矩形和不规则形在巷头工作面区域的浓度要高于其他形状。说明断面形状不同，巷头区的浓度水平也有所差异。

图4 各模型1.5m高度处浓度分布云图

距离工作面1m处截面浓度分布云图如图5所示。对工作面区域中心做切面后我们可以发现，无论是哪一种断面形状的巷道，氡浓度水平均呈现出从风口处向边缘递增的规律。拐角处的浓度较其他区域而言较高，表示拐角处的氡容易积聚，不容易被排出，而且基本呈现出拐角角度越小，浓度越高的特点。圆形由于拐角较少而且角度较大，整体而言氡积聚现象表现的不太明显。与此形成对比的是不规则形和梯形，由于断面图形存在锐角，氡在拐角处积聚现象较为明显。同时我们还发现半圆拱形顶部出现了氡的部分聚集区域，这可能是因为通风形成的涡旋区较小，通风无法有效作用在顶部区域，导致顶部氡出现了积聚现象。

图5 各模型距离工作面1m处截面浓度分布云图

各断面形状巷道沿纵向浓度分布如图6所示。在压入式通风条件下，各模型浓度均表现为巷道出口处浓度最高，随着距离出口距离的增加，浓度呈线性快速降低，在距离巷道出口17-19m的位置处浓度逐渐平稳降低。同时我们发现不规则形断面的巷道浓度整体比其他形状要高。在巷道出口处半圆拱形和圆形断面的浓度最低，在巷道工作面附近半圆拱形最低。

图6 各模型纵向浓度分布图

工作面区域是井下主要的工作区域，井下人员主要在这个区域内从事生产活动，我们以距离巷头工作面2m以内的区域作为工作面区域。工作面区域内氡浓度反映了井下人员在工作时所能接触到的氡量。整体区域内氡浓度反映了机械通风对巷道整体的排氡效果。我们以工作面区域内氡平均浓度和整体区域氡平均浓度作为指标对各通风形式的通风效果进行分析。各模型浓度如图7所示。我们可以看出，五种巷道断面形状的工作面区域氡浓度水平由高到低依次为：不规则形>矩形>梯形>圆形>半圆拱形，整体区域氡浓度水平由高到低依次为：不规则形>梯形>矩形>圆形>半圆拱形。总的来说不规则形巷道断面通风排氡效果最差，半圆拱形效果最好。工作面区域氡浓度最大浓度大小为3.52×10-19kmol/m3，最小为2.48×10-19kmol/m3，最大比最小多了42.12%。整体区域氡浓度最大浓度大小为6.08×10-19kmol/m3，最小为4.65×10-19kmol/m3，最大比最小多了30.83%，从这个角度看巷道断面形状对巷道内的氡浓度水平影响很大。但是当我们只研究矩形、梯形、半圆拱形和圆形这四种巷道形状时，我们发现工作面区域最大浓度比最小浓度只多了17.42%，整体区域最大浓度比最小浓度多了9.38%。说明规则的巷道断面对巷道内的氡浓度水平影响并不大。在设计巷道断面时，在满足安全和技术条件的要求下应该尽可能选择较为规则的断面，避免设计不规则形状断面的巷道。由于半圆拱形截面在排氡通风效果方面优于其他形状，设计时应尽量选择。

图7 各模型工作面区域与整体区域浓度图

5 结论

压入式通风情况下，虽然巷道断面形状不同，但是浓度均满足压入式通风下的分布规律，浓度由外向内呈线性快速降低，在距离出口17-19m处下降速率放缓，浓度逐渐稳定。巷道中部的浓度向外扩散方式由于巷道断面形状不同而各异。

对工作面区域截面进行分析我们发现，无论是哪一种断面形状的巷道，氡浓度水平均呈现出从风口处向边缘递增的规律。而且存在拐角处氡容易积聚这个现象，拐角角度越小，氡越容易积聚，在进行巷道设计时应该尽量避免拐角角度过小。

半圆拱形通风排氡效果最好，不规则形效果最差。不规则形断面的巷道在工作面区域和整体区域的氡浓度要比半圆拱形高出30%-40%。形状规则的断面对巷道内氡浓度水平影响差别较小。在满足安全与技术条件下，基于排氡通风考虑，设计巷道时应优先选择半圆拱形或者其他规则形状的巷道断面，尽量不选或者少选不规则形。

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Study on the Influence of Section Shapes of Roadway on Radon Concentration in Blind Roadway under Forcing Type Ventilation

Liu Xin Yuan Yanping Deng Zhihui Cao Xiaolin Sun Liangliang

( Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

In this paper, the radon concentration and distribution of a blind roadway under exhaust ventilation mode is simulated by using FLUENT software. The simulation result is in good agreement with the experimental data. We studied the effects of different Section shapes of roadway on the radon concentration and distribution with forced ventilation. The results indicate that the concentration and distribution of radon in the tunnel with various section shapes conforms to the concentration and distribution law under forcing type ventilation, but the way of concentration diffusion is different; Radon is easy to accumulate in the Section shape of roadway with a sharp corner; The effect of radon removal in the shape of semicircular arch is the best, and the effect in the shape of irregular shape is the worst. In the working area and the whole area, the radon concentration in the tunnel with irregular cross-section is 30%-40% higher than the semicircle arch.

Forcing type ventilation; Blind roadway; Section shape of roadway; Radon; Numerical simulation

TD711

A

1671-6612（2018）02-119-06

建筑环境与能源高效利用四川省青年科技创新研究团队项目（2015TD0015）

刘 欣（1992-），男，在读硕士研究生，E-mail：184765210@163.com

袁艳平（1973-），男，博士后，教授，E-mail：ypyuan@home.swjtu.edu.cn

2018-01-08