某金矿掘进工作面粉尘浓度分布及影响因素分析

秦汝祥 彭世政 谢志旭

摘要：金属非金属地下矿山掘进巷道钻孔、爆破、铲装等作业工序产生大量岩尘，导致井巷空间粉尘浓度高，危害职工健康和影响作业环境。以某金矿掘进巷道为研究对象，建立掘进巷道压入式通风模型，依据气固两相流理论，结合现场测定数据，利用Fluent软件分析风筒布不同布置条件下除尘效果，得出巷道内粉尘运移规律和风速分布情况。研究发现：风机压入风流在掌子面附近形成涡流，携带粉尘在掌子面附近涡旋，不利于粉尘的排出，风筒布出口距掌子面7～8 m风流逐渐稳定流向回风巷;当风筒布出口距掌子面8 m，高度为1.5 m时，巷道内粉尘排出较快，除尘效果最为理想。研究结果对指导掘进工作面粉尘防治具有一定的指导意义。

关键词：粉尘浓度;计算流体力学;通风除尘;数值模拟;两相流理论

中图分类号：TD714 文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2023）04-0086-05doi：10.11792/hj20230418

引 言

金属非金属地下矿山掘进巷道作业过程中，凿岩机具在钻孔、爆破、铲装等工序会产生大量岩尘，导致井巷空间粉尘浓度高，而高浓度粉尘会加剧设备磨损，危害作业人员安全和职业健康，因此粉尘防治一直是行业关注的主要问题之一^［1］。随着计算流体力学的发展，众多学者利用数值方法研究巷道内粉尘运移规律，从而总结出解决粉尘污染问题的方法。常用的计算流体力学计算机软件有ANSYS Fluent、ANSYS CFX、ShonDY等，数值方法能够再现粉尘运移全过程，并能直观展现井巷各点粉尘浓度分布，为粉尘治理提供依据。

数值方法在煤矿掘进巷道粉尘运移规律的研究中有其独特的优势，尤其在指导现场粉尘防治措施方面，能够以较少的投入找出最佳问题解决途径^［2-5］。刘毅等^［2］利用Fluent软件模拟综采工作面割煤作业粉尘运移规律，对除尘设备布置位置进行优化，并进行了现场试验;李勇等^［3］利用Fluent软件模拟煤矿掘进面通风布置对粉尘运移规律的影响，对风筒布位置进行优化;王海东等^［4］利用数值模拟软件对综掘工作面内粉尘分布规律进行数值模拟研究，得到除尘设备的最佳安装方案。以上学者的研究以煤矿井巷中煤尘为研究对象，与煤尘相比，岩尘密度更高，不具可燃性，尘源参数、游离二氧化硅含量、分散度等性质均与煤尘不同，因此煤矿掘进巷道粉尘运移规律不能直接应用到非煤矿山中。本文利用SolidWorks软件建立掘进巷道压入式通风三维模型，Ansys Workbench Meshing软件绘制网格，最后导入Fluent软件进行仿真模拟。依据气固兩相流理论^［6］，结合现场测定数据，以某金矿-180 m 305勘探线4号凿岩巷产尘量较大且有工人连续作业的铲运作业处为研究对象，在风筒布不同高度和风筒布出口距掌子面不同距离条件下进行仿真模拟，得出粉尘运移规律，以及风筒布最佳布置位置和运行参数，为现场通风除尘工作提供参考。

1 模型建立

某金矿于20世纪80年代开始进行小规模开采，采用地下开采方式，最初设计采选规模仅50 t/d。为适应矿山发展和矿体赋存条件的变化，矿山采选生产系统历经多次改造，当前生产规模3 000 t/d，主要开拓方式为斜井。其中，主斜井采用箕斗运输，为矿石主要运输通道;副斜井采用串车运输，负责人员、材料、渣石的运输。采矿方法以中深孔分段崩落嗣后充填采矿法为主，选矿工艺为重选+浮选。

为方便计算，在不影响Fluent软件数值模拟计算结果的情况下，尽量将模型简化，视掘进巷道、进风巷、回风巷为表面光滑无浮石凸起和凹坑的标准三心拱巷道。计算区域长度为20 m，风筒布出口距掌子面距离分别为2 m、4 m、6 m、8 m，风筒布直径400 mm，距底板高度分别为0.5 m、1 m、1.5 m、2 m。巷道断面为3.0 m×3.0 m标准三心拱设计（如图1所示），拱高1.0 m，巷道断面面积8.358 m²，大拱半径2.076 m，角度67.37°，小拱半径0.783 m，角度56.32°。掘进巷道几何示意图如图2所示。

2 数值模拟

2.1 网格划分

使用SolidWorks软件建立三维模型后导入Ansys Workbench Meshing软件绘制网格，最后导入Fluent软件进行仿真模拟。由于风筒布位置计算复杂，本次网格划分采用适应性强，但计算更为复杂的非结构性网格^［7］，风筒布位置进行局部网格加密，最大单元尺寸为0.3 m，网格数量为476 449，网格最大偏度0.85，平均偏度0.23，超过95%的网格偏度小于0.5，质量符合计算要求。掘进巷道网格划分如图3所示，风筒布局部网格加密如图4所示。

2.2 求解器及边界条件设置

气固两相流模拟基本模型为离散相模型（DPM），为求解出纳维-斯托克斯方程，该方法将流体视为连续相，将固相视为离散相^［8-9］。相比连续相，离散相体积分数较小，不足十分之一，故在研究过程中不考虑离散相间的相互作用，也不考虑离散相对连续相运动的影响，但需考虑连续相和离散相之间动量、质量和能量的传递和变化^［10］。求解参数设置如表1所示，边界条件设置如表2所示，尘源及离散相参数设置如表3所示。

3 仿真模拟结果分析

3.1 风流场分布

将仿真结果导入至CFD-Post中，得到掘进工作面风流场分布情况和粉尘分布情况。为更直观观察风流场流速分布情况，分别分析掘进巷道不同高度（0.5 m、1 m、1.5 m、2 m）平面风流场速度云图，如图5所示。掘进巷道高度为1.5 m的风速矢量图如图6所示。

由图5和图6可知：风流从风筒布出口高速射出，直接射向掌子面，形成典型的高速贴壁射流。一部分风流经掌子面携带粉尘往回风巷流动;另一部分风流继续转向掌子面，在掌子面附近作业处形成涡流，此处风流几乎不流动，不利于粉尘排出。

3.2 风筒布出口距掌子面距离

根据GB 16423—2020 《金属非金属矿山安全规程》，压入式通风风筒口与工作面的距离不应超10 m。保持风筒布高度不变，调整风筒布出口距掌子面距离分别为2 m、4 m、6 m、8 m，進行仿真模拟，并记录距掌子面3 m工人作业处粉尘浓度分布，如图7和图8所示。风筒布出口距掌子面不同距离巷道断面粉尘平均浓度分布如图9所示。

由图7和图8可知：当风筒布出口距掌子面过近时，虽然此时粉尘移动速度较快，但风流涡流使粉尘团在掌子面附近聚集，同时可能导致二次扬尘;此现象在风筒布出口距掌子面6 m时最为明显，大量的风流在风机出口处形成涡旋区，导致粉尘不易排出，浓度高达50 mg/m³，远超相关标准。当风筒布出口距掌子面8 m时，掌子面在最佳射流区间内，粉尘能较快排出，巷道内粉尘浓度较小。因此，风筒布出口距掌子面8～10 m较为合适。

图9可直观比较风筒布出口距掌子面不同距离巷道断面粉尘平均浓度分布，若通风参数选择不当，巷道断面粉尘平均浓度最高可达50 mg/m³。随着风筒布出口距掌子面距离增加，巷道内粉尘浓度降低，其中风筒布出口距掌子面8 m时，巷道内粉尘浓度最低，通风效果最佳。

3.3 风筒布高度

将风筒布出口距掌子面距离保持8 m不变，风速等客观参数不变，调整风筒布高度，分别设置为0.5 m、1 m、1.5 m和2 m进行仿真计算，并记录距掌子面3 m工人作业处粉尘浓度分布，如图10和图11所示。风筒布不同高度巷道断面粉尘平均浓度分布图10 风筒布不同高度掘进面粉尘浓度分布如图12所示。

由图10和图11可知：当风筒布高度过低时，风流经风筒布射出后，会在巷道上部产生涡流，将巷道底部粉尘带往上部，造成上部呼吸带粉尘浓度过高，不利于作业。当风筒布高度为1.5 m时，虽然靠近掌子面局部地点粉尘浓度高于2 m风筒布高度，但粉尘运移速度、呼吸带粉尘浓度好于其他风筒布高度，这有利于掘进面作业过程中粉尘排出，大大减小呼吸带粉尘浓度，为工人提供一个良好的作业环境。因此，巷道风筒布高度设置为1.5 m比较合适。

由图12可知：4种风筒布高度条件下巷道内粉尘浓度变化规律大致相同。由于尘源点在掘进面，所以该处粉尘平均浓度最高。随着粉尘在巷道内不断沉降，粉尘平均浓度有下降趋势，其中风筒布高度1.5 m时，巷道内粉尘平均浓度最低，通风效果最佳。

4 结 论

1）掘进巷道中，风流从风筒布出口射出，由于风筒布贴近壁面，形成典型的高速贴壁射流。风流撞击掌子面后一部分携带粉尘往回风巷流出;另一部分转向掌子面，在掌子面附近形成涡流，不利于粉尘的排出。风筒布出口距掌子面过近时，可能导致二次扬尘，粉尘浓度高达50 mg/m³;风筒布出口距掌子面7～8 m时，风流逐渐稳定流向回风巷。

2）当风筒布出口距掌子面8 m，高度为1.5 m时，巷道内粉尘排出较快，此方案为巷道最优除尘布置方案。研究结果可为现场除尘工作提供参考，为工人提供一个舒适、安全的作业环境。

［参 考 文 献］

［1］ 金波.长距离掘巷前压后抽混合式通风数值模拟研究［D］.赣州：江西理工大学，2015.

［2］ 刘毅，蒋仲安，蔡卫，等.综采工作面粉尘浓度分布的现场实测与数值模拟研究［J］.煤炭科学技术，2006，34（4）：80-82.

［3］ 李勇，张凯，史纪飞，等.掘进面通风布置对粉尘运移规律的影响［J］.采矿技术，2022，22（2）：193-196.

［4］ 王海东，孙鑫，赵红星，等.综掘工作面通风除尘系统的数值模拟及应用［J］.能源与环保，2020，42（4）：33-38.

［5］ 许满贵，刘欣凯，文新强，等.煤矿综采工作面粉尘分布及运移规律研究［J］.西安科技大学学报，2014，34（5）：533-538.

［6］ 车德福，李会雄.多相流及其应用［M］.西安：西安交通大学出版社，2007.

［7］ 罗勇东.长距离巷道掘进通风排尘数值模拟及优化研究［D］.赣州：江西理工大学，2020.

［8］ 王晓珍.采掘工作面粉尘运动和分布规律的数值模拟研究［D］.北京：北京科技大学，2004.

［9］ 王晓珍.煤巷掘进过程中粉尘浓度影响因素分析［J］.中国安全生产科学技术，2011，7（4）：75-79.

［10］ 蒋仲安，陈举师，王晶晶，等.胶带输送巷道粉尘运动规律的数值模拟［J］.煤炭学报，2012，37（4）：659-663.

Analysis of dust concentration distribution and its influencing factors in gold mining

Qin Ruxiang¹，Peng Shizheng²，Xie Zhixu²

（1.School of Safety Science and Engineering，Anhui University of Science and Technology;2.Jiangxi Jinshan Mining Co.，Ltd.，China National Gold Group Co.，Ltd.）

Abstract：A large amount of rock dust is produced during the drilling，blasting，shoveling，and loading of the metal and non-metal underground mines and causes high dust concentration in the shaft space and endangers the health of workers and the working environment.Given that，in this paper，the tunneling roadway of a gold mine is taken as the research object，and the forced ventilation model of the tunneling roadway is established.According to the gas-solid two-phase flow theory combined with the field measurement data，the dust removal effect under different arrangement conditions of the air duct cloth is analyzed by using Fluent software，and the dust migration law and the wind speed distribution in the roadway are obtained.The research finds that the forced airflow of the fan forms a vortex near the face that carries dust in a vortex around the face which is not conducive to the discharge of dust，and the airflow about 7-8 m away from the face gradually flows to the return air lane;when the outlet of the air duct is 8 m away from the face and the height is 1.5 m，the dust in the tunnel is discharged quickly and the dust removal effect is the most ideal.The research results have a certain guiding significance for the prevention and control of dust in the tunneling face.

Keywords：dust concentration;computational fluid dynamics;ventilation and dust removal;numerical simulation;two-phase flow theory