煤矿掘进工作面不同声源位置下声场分布

2023-07-26杨明全星苑刘毛毛贾改妮

科学技术与工程 2023年19期

杨明, 全星苑, 刘毛毛, 贾改妮

(1.河南理工大学安全科学与工程学院, 焦作 454003; 2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心, 焦作 454003;3.瓦斯地质与瓦斯省部共建国家重点实验室培育基地, 焦作 454003)

近年来,随着中国煤矿井下机械化程度提高和大功率设备的使用[1-2],噪声成为煤矿井下最严重的环境污染之一[3]。由于中国煤矿掘进工作面具有狭小、封闭的空间特征,噪声种类比较复杂,且容易形成混合噪声[4],煤矿掘进工作面在煤矿行业中属于噪声严重污染区域之一[5]。长期在此环境中工作,会对工作人员的身心健康造成伤害[6-7]。同时由于中国煤矿生产时噪声超标率普遍较高[8],作业人员的烦躁感因声压级的升高而增加[9],作业人员的注意力受噪声影响而导致高失误率[10-11],造成煤矿生产事故发生。因此,预测和控制煤矿掘进工作面的工作环境噪声十分必要。

由于煤矿掘进工作面的长度远大于高度和宽度,属于典型的声学长空间[12],其声场传播衰减与自由声场传播衰减有着很大差异,且煤矿掘进工作面环境恶劣,对其作业过程中产生的噪声直接测量存在一定困难,因此,在对煤矿掘进工作面的噪声场进行研究时,可借鉴地铁、公路隧道等长空间声场特性的研究思路[13],选择合理有效的数值模拟方法。蒋忠进等[14]基于射线跟踪的思想,提出了一种受限矩形长空间声场预测的数值计算方法。乔海滨等[15]通过建立隧道内噪声模型,分析了隧道内噪声的变化规律。褚华峰[16]通过模拟隧道声场得出隧道内外以及隧道出入口的声场分布情况、频谱特性。江茂[17]通过建立地铁噪声的有限元模型,分析了不同声源位置分布时地铁隧道噪声声场分布,以及不同形状的声屏障的降噪效果。陈妍等[18-19]基于虚源法建立了较高精度的声场传播预测模型,对不同边界的矩形长空间声场进行研究。景国勋等[20-21]基于有限元法对综采工作面的噪声场进行了仿真模拟研究。研究表明,利用数值模拟方法分析噪声分布可以有效解决噪声测量困难的问题。目前对于长空间声场的研究主要集中在地铁、隧道以及大型设备的噪声分布[22],而由于煤矿掘进工作面空间相对封闭、大功率设备相对集中且具有动态移动的特点,对煤矿掘进工作面噪声场的声压级分布特征、衰减规律等认识还不充分,有待进一步深入研究。

基于此,在建立煤矿掘进工作面物理数学模型的基础上,采用数值模拟和实验验证相结合的方法,分析煤矿掘进工作面噪声分布特征及噪声源位置变化对声场的影响,以期为煤矿噪声治理以及作业人员的职业健康防护提供一定的理论指导。

1 煤矿掘进工作面噪声场的仿真模拟

利用COMSOL Multiphysics仿真软件对煤矿掘进工作面噪声场进行模拟,以研究煤矿掘进工作面噪声的传播规律,模拟过程如图1所示。

图1 仿真模拟流程图Fig.1 Simulation flow chart

1.1 几何模型

本文的研究对象为平煤集团十矿己17-33200工作面,几何模型如图2所示,该工作面截面为拱形,总高度为3.6 m、宽度为3.3 m,顶部拱形半径为1.65 m,选择的研究长度为50 m。动态条件为声源位置、声源条件。煤矿掘进工作面的主要噪声设备为凿岩机,且凿岩机产生噪声的主要频率为 500 Hz,故选择的噪声频率为500 Hz。

图2 几何模型Fig.2 Geometric Models

1.2 数学模型

本文中所用模拟软件为COMSOL Multiphysics,其中压力声学接口可以用于模拟声音的散射、反射和传递等,针对煤矿掘进工作面声场分布的研究,故采用压力声学接口。其中声场的波动方程为

(1)

pt=p+pb

(2)

(3)

式中:ρc为介质密度;pt为总声压场;p为求解得到的声压场;pb为背景声压场;qd为偶极源;keq为平衡波数;Qm为单极源;ω为角频率;cc为声速。

1.3 边界条件

在建立有限元模型时,工作面壁面、顶板、路面的吸声系数以及两端吸声属性参数可以用作边界条件,边界条件的设定与仿真模拟结果的准确性有着直接联系,所以在建模时要根据不同介质来选择合理的参数。煤矿掘进工作面不同区域的吸声系数如表1所示,工作面两端选择无反射边界条件。

表1 各区域的吸声系数

1.4 网格划分

在利用有限元法进行仿真模拟时,有限元网格的大小和数量决定了模拟的计算精度。煤矿掘进工作面中噪声主要来源于大功率设备,例如凿岩机、钻车,噪声源的尺寸相对于声波和传播距离来说较小,且声源的指向性不强,可近似看作是点声源,故本文模拟声源采用点声源,为此本文中网格的最大剖分尺寸L不能大于1/5个波长,即

(4)

式(4)中:c为声音在该介质的传播速度;f为计算频率。

由研究频率为500 Hz和声音在空气中传播的速度340 m/s可知,最大的网格尺寸不超过0.136 m。

2 模拟结果与分析

煤矿掘进工作面内设备在工作时会处于不同的位置,会对整个工作面的噪声场产生不同的影响,故将噪声源分别放置在距地面0.1、1、2、3 m及距左壁面0.1、1.15 m的位置,具体位置如图3所示,为便于观察声压分布情况,在模型内插入观测点,间隔为5 m。并根据表2对工作面内的噪声区域进行划分。

表2 噪声区域划分依据

图3 声源布置图Fig.3 Sound source arrangement diagram

2.1 噪声源横向位置变化对声场的影响

为研究噪声源横向位置变化对声场的影响,将声源分别放置在点1、点3的位置,并对煤矿掘进工作面的声场进行仿真模拟,仿真模拟所得声场分布云图如图4所示。

图4 不同横向位置时掘进工作面声场分布云图Fig.4 Sound field distribution nephogram at different lateral positions of the working face

针对声源频率为500 Hz的噪声,通过比较图4中声场分布云图可以发现,随着与噪声源距离的增加,声压级都有不同程度的降低。煤矿掘进工作面前半段不同颜色色块交错,反映出声场分布的紊乱,这是由反射声波与直射声波相遇出现声场叠加或消减造成的,而随着与声源距离的增加,工作面后端色块逐渐均匀,因为声波在反射与直射过程中声能逐渐减小,使工作面内出现声压级相对稳定的声场。将巷道距地面1.5 m处中心轴线的声压级绘制成曲线,如图5所示。

图5 噪声源位置横向变化时轴向声压级分布Fig.5 Axial sound pressure level distribution when the noise source position changes laterally

由图5可以看出,随着与噪声源距离的增加工作面中心的声压级逐渐降低,在0～10 m与40～50 m 时,噪声源位于工作面中心时的声压级相较于靠近壁面时的声压级略高,而在10～40 m范围内,距离壁面较近时声压级却略高,尤其是在20 m处,噪声源靠近壁面时的声压级要比噪声源在工作面中间位置时的声压级高出4 dB,是因为在声波传播过程中,靠近壁面的声源反射的声波能量较多,反射的声波与直射声波在工作面内产生叠加,造成了声能量的聚集。在声音传播过程中,声源位于点1和点3时,声压级达到85 dB的距离分别为22 m与16 m,且声压级的衰减率分别为53.195%、53.210%,由此可知当声源位置位于工作面中部时,声压级衰减较快。因此,在煤矿掘进工作面作业过程中,应尽量避免工作人员暴露距在设备22 m内,且由于噪声源贴近壁面时,影响的区域较广,故应避免大功率设备贴近壁面运行。

2.2 噪声源竖向位置变化对声场的影响

为研究噪声源在横向位置变化对声场的影响,将声源分别放置在距地面0.1、1、2、3 m的位置,在此情况下对煤矿掘进工作面的噪声场进行仿真模拟。仿真模拟所得声场分布云图如图6所示。

图6 不同竖向位置时掘进工作面声场分布云图Fig.6 Sound field distribution nephogram at different vertical positions of the working face

针对声源频率为500 Hz的噪声,通过观察图7可以发现,声场分布云图总是关于中心轴线对称,这是因为在对噪声源竖向位置变化对声场影响研究时,噪声源均布置在工作面截面的竖向中心轴线上。从图7中明显可以观察出工作面前期声场的衰减,30 m之后整个截面的色块颜色趋于均匀,声场也逐渐稳定。

图7 工作面5 m处切面图Fig.7 Section at 5 m of working face

从图7切面图中可以观察出红黄橘三种颜色交错的色块,并且声源在点2与点5时,声场分布最为紊乱,原因是声源位于该两点时,声源接近于地面与顶板,更容易发生反射现象且拱形断面的聚焦效应也更加明显,容易形成紊乱声场。

从图8可以看出,噪声源位置不同,声压级衰减趋势基本相同。在0～10 m范围内,当噪声源距地面1 m时,声压级要高于声源位于另外三个位置时的声压级高;在10～35 m范围内,当噪声源靠近地面与顶板时,声压级较高,原因是声源位于该两点时会使声波集中反射,导致此区域的声压级较高。随着声能量的衰减,35 m之后,不同位置的声压级衰减曲线基本吻合。当声源位于点2～点5时,声压级的衰减率分别为51.555%、53.210%、50.817%、51.026%,由此可知声源位置位于工作面中部时,声能量衰减最快。

图8 噪声源位置竖向变化时轴向声压级分布Fig.8 Axial sound pressure level distribution when the noise source location varies vertically

对照表2对噪声区域进行划分,如表3所示。

表3 声源位置竖向改变时噪声区域划分

由此可知,噪声源接近地面或顶板时,煤矿掘进工作面内受噪声影响的区域最广。因此,当大功率设备在接近工作面地面或顶板处工作时,应使人员尽量撤出24 m之外,若必须在大功率设备附近作业时,应做好防护。

2.3 噪声源相对位置变化对声场的影响

煤矿掘进工作面在工作时通常多台设备同时运行,设备之间距离的改变也会对煤矿掘进工作面的声场分布产生影响。为研究两台设备之间相对距离对工作面声场的影响,设置两个点声源,使他们分别相距1、5、10、20 m,在此情况下对煤矿掘进工作面的噪声场进行仿真模拟。仿真模拟所得声场分布云图如图9所示。

图9 不同相对位置时掘进工作面声场分布云图Fig.9 Sound field distribution nephogram at different relative positions of the working face

通过对比图9声场分布云可知,噪声源附近声压级较高,随着声源相对距离的增加,煤矿掘进工作面中部的声场逐渐紊乱。从图10具体的声压级变化可以看出,随着噪声源相对位置的改变,煤矿掘进工作面声场最大声压级的位置发生明显改变、声场声压级的最小值也有明显的变化:①在噪声源的相对距离为1 m和5 m时,声压级衰减曲线呈“W”形,工作面声场声压级最大值出现在两个噪声源中间位置,随后逐渐降低,在接近两端位置时声压级又有所增加,且随着噪声源的相对距离的增加,声场的最大声压级也随之降低。②在噪声源的相对距离为10 m和20 m时,声压级衰减曲线呈“M”形,整个工作面声场的声压级在两个噪声源处达到最高值,均在120 dB左右,在两噪声源两侧,声压级降低,在靠近工作面两端的位置声压级持续降低,至端口降至最低。③随着噪声源的相对距离增加,即噪声源越靠近煤矿掘进工作面两端区域时,工作面声场的最小声压级增大。

图10 噪声源相对位置变化时轴向声压级变化Fig.10 Axial sound pressure level change when the relative position of the noise source changes

因此,在掘进工作面作业时,应尽量避免两台大功率设备相距较近,且应避免人员在两设备中间工作;若两设备相距小于10 m,又无法避免在两设备中间工作,则应在两设备周围加隔声板,避免噪声叠加,对设备中间工作人员造成严重伤害。

3 实验验证

3.1 测试方法

验证掘进工作面噪声传播特性的方法主要有扬声器实验法和典型工作面实测法,其中扬声器实验法是利用设定声源在实验工作面中进行,沿工作面轴向测量声压级;典型工作面实测法可以对工作面内的声场进行有效测量,但由于煤矿井下工作面分布有高浓度粉尘以及一定含量的瓦斯,对测量设备要求较高,实验设备需要具有较高的防爆性能,故在井下进行实际测量具有一定困难,因此测试方法选择扬声器实验法,并利用笔者单位防空洞的一段独头巷道,搭建了掘进工作面实测平台,在此实验平台开展对应的实验研究,可以有效反映出声音的衰减规律。

噪声测试仪器选用爱华AWA6292型多功能声级计(图11),符合GB 12348—2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》,为防止煤矿掘进工作面风流干扰数据结果。测试过程中声级计外套防风罩。声源与测量点的布置方式、数量与数值模拟一致,选择的噪声源频率为500 Hz,分别布置在距地面0.1、1、2、3 m及距左壁面0.1、1.15 m的位置,每隔5 m设置一个测量点,为了保证实验数据的准确性,对各测量点的噪声数据进行测量记录时,每组数据重复测量3次,取有效数据平均值作为最终实验数据,测试前测量设备均已校准。

图11 声级计测量Fig.11 Sound level meter measurement

3.2 实验巷道概况

图12为实验巷道尺寸以及测量点布置图。实验巷道截面为拱形,总高度为3.6 m、宽度为3.3 m,顶部拱形半径为1.65 m,长度为50 m,位于地下,属于独头巷道,其空间较封闭,壁面材料为岩石,实验巷道内各参数与研究对象均一致,故声场分布规律无明显不同。

图12 实验巷道尺寸以及测量点布置图Fig.12 Experimental roadway dimensions and measurement point layout

3.3 测试结果

对测量所得的数据进行整理,得到噪声源位置变化时的声压级随距离衰减曲线,并与数值模拟所得结果进行对比,具体情况如图13所示。从图13中可以看出煤矿掘进工作面中,噪声源处于不同位置时,其现场实测值与数值模拟值的衰减规律基本一致,但部分数据存在一定偏差,因为在现场实测过程中存在环境噪声的干扰,故部分现场实测值要略高于数值模拟值,但总体的结果在可接受范围内,现场实测验证了搭建的物理数学模型以及模拟结果的可靠性。