李 剛 吳將有 郭 蓋 胡曉燕

(1.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.蕪湖同力安全環(huán)保技術(shù)有限公司)

金屬礦山井下開(kāi)采會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵和粉塵，尤其是井下掘進(jìn)工作面，產(chǎn)生的爆破煙塵和粉塵濃度大，且為無(wú)組織擴(kuò)散塵源。目前，我國(guó)金屬礦山已經(jīng)進(jìn)入了深部開(kāi)采，井下粉塵的污染問(wèn)題變得越發(fā)嚴(yán)重。由于掘進(jìn)工作面通風(fēng)不暢，粉塵易積聚，一方面污染工作場(chǎng)所，產(chǎn)生一系列的環(huán)境污染問(wèn)題，對(duì)生產(chǎn)作業(yè)人員造成安全與健康問(wèn)題；另一方面加快機(jī)械設(shè)備磨損，干擾作業(yè)人員生產(chǎn)操作視線(xiàn)，可能引發(fā)一系列安全事故。根據(jù)國(guó)家衛(wèi)生計(jì)生委最新數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)塵肺病仍然是第一大職業(yè)病，塵肺病例數(shù)占總病例數(shù)的90%，其中礦山塵肺和矽肺是塵肺病的最主要類(lèi)型，兩者合計(jì)約占?jí)m肺病病例總數(shù)的90%。因此，必須采取有效的技術(shù)手段降低掘進(jìn)過(guò)程中的爆破煙塵和粉塵的濃度[1-5]。局部通風(fēng)是解決掘進(jìn)過(guò)程炮煙和粉塵污染問(wèn)題的最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)手段，長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)系統(tǒng)是掘進(jìn)巷道最常用的通風(fēng)方式，抽風(fēng)筒入口更靠近掘進(jìn)面，能夠及時(shí)將產(chǎn)生的粉塵從抽風(fēng)筒抽走，不會(huì)導(dǎo)致粉塵擴(kuò)散到整個(gè)巷道內(nèi)。針對(duì)金屬礦山掘進(jìn)巷道特點(diǎn)和現(xiàn)狀，建立通風(fēng)系統(tǒng)離散相模型并進(jìn)行模擬，對(duì)長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[6-8]。

1 數(shù)值模型及參數(shù)

1.1 模型建立

巷道模型斷面采用3.5 m×3.5 m三心拱形，風(fēng)筒直徑為0.5 m，風(fēng)筒中心到地面的垂直高度為2.5 m，掘進(jìn)巷道總長(zhǎng)度取50 m。壓入式風(fēng)筒與抽出式風(fēng)筒分別布置于巷道的左側(cè)壁與右側(cè)壁，其距掘進(jìn)工作面的距離分別為20和10 m，其風(fēng)筒中心線(xiàn)距離地表2.5 m，距離巷道兩側(cè)0.5 m。考慮掘進(jìn)巷道的實(shí)際情況以及數(shù)據(jù)模擬分析的需要，對(duì)掘進(jìn)工作面做出一定程度的簡(jiǎn)化，同時(shí)假定風(fēng)場(chǎng)的一些條件：

(1)假定流體的紊流黏性具有各向同性。

(2)假定礦井掘進(jìn)巷道內(nèi)的氣流不可壓縮，同時(shí)符合Boussinesq假設(shè)。

(3)假定礦井巷道內(nèi)無(wú)熱源，同時(shí)也不考慮設(shè)備、圍巖、人員等的熱輻射現(xiàn)象。

(4)假設(shè)壁面不透風(fēng)、漏風(fēng)。

掘進(jìn)巷道三維幾何模型見(jiàn)圖1。

圖1 掘進(jìn)巷道幾何模型

人的呼吸帶高度大約為1.5 m，將流過(guò)掘進(jìn)面的風(fēng)流位置控制在1.5 m之下，能夠很好地保護(hù)工作人員的健康。本次優(yōu)化通過(guò)改變抽風(fēng)筒的數(shù)量和布置的位置，來(lái)達(dá)到優(yōu)化傳統(tǒng)長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)的目的。為了能夠使巷道內(nèi)風(fēng)流左右平衡，在巷道兩側(cè)分別設(shè)置一個(gè)抽風(fēng)筒斷面，各抽風(fēng)筒斷面分別為原風(fēng)筒斷面面積的一半，抽風(fēng)筒入口距掘進(jìn)工作面10 m，距巷道側(cè)壁均0.5 m；將壓風(fēng)筒布置在巷道頂部中心位置，壓風(fēng)筒出口距掘進(jìn)工作面20 m。優(yōu)化幾何模型見(jiàn)圖2。

圖2 風(fēng)筒在巷道內(nèi)的布置形式

1.2 參數(shù)求解設(shè)置

根據(jù)某金屬礦掘進(jìn)巷道的實(shí)際情況，結(jié)合Fluent軟件，確定數(shù)值模擬各參數(shù)及邊界條件。

(1)模型的設(shè)定。選用穩(wěn)態(tài)(Steady)、隱式(Implicit)、非耦合求解器(Segregated)，選用湍流模型中的k-ε兩方程模型(k-epsilon)，由于沒(méi)有考慮到能量(Energy)、離散相(Discerte Phase Model)，所以能量方程和離散相模型要關(guān)閉。

(2)材料屬性。材質(zhì)為金屬礦，設(shè)定密度為2 320 kg/m3。

(3)邊界條件。設(shè)定速度入口(Inlet Velocity Magnitude)、速度出口(Outlet Velocity Magnitude)、出口邊界(Outlet Boundary Type)以及壁面剪切條件(Wall Shear Condition)。速度入口為13 m/s，速度出口為-12 m/s，出流，邊界為無(wú)滑移流動(dòng)。塵源參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 塵源參數(shù)設(shè)定

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由于粉塵隨著風(fēng)流擴(kuò)散，壓風(fēng)筒風(fēng)流以一定速度射向掘進(jìn)面，風(fēng)流在掘進(jìn)面附近不斷向下流動(dòng)。當(dāng)風(fēng)流達(dá)到掘進(jìn)面附近時(shí)，風(fēng)流攜帶粉塵經(jīng)過(guò)巷道底板，經(jīng)抽風(fēng)筒排出掘進(jìn)巷道。

調(diào)整優(yōu)化后長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)模型抽風(fēng)筒在巷道兩側(cè)布置高度，分別模擬傳統(tǒng)長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)和改變風(fēng)筒布置形式后整個(gè)巷道內(nèi)粉塵濃度的分布規(guī)律，見(jiàn)圖3。

圖3 風(fēng)筒不同布置形式下巷道內(nèi)的粉塵濃度分布云圖

由圖3可知：

(1)在呼吸帶高度上，從掘進(jìn)巷道口到掘進(jìn)工作面的粉塵濃度大體趨勢(shì)是先增大后減小，在靠近掘進(jìn)工作面的時(shí)候達(dá)到最大值。

(2)與抽風(fēng)筒數(shù)量和布置位置改變后相比，傳統(tǒng)長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)方式粉塵濃度明顯較高；抽風(fēng)筒布置位置改變后，隨著兩側(cè)抽風(fēng)筒的高度增高，粉塵濃度逐漸降低。

(3)與其他布置位置的高度相比，當(dāng)巷道兩側(cè)抽風(fēng)筒布置在掘進(jìn)巷道2.5 m高度位置時(shí)，巷道內(nèi)的粉塵濃度最低。

3 結(jié) 論

金屬礦掘進(jìn)工作面在鑿巖和爆破過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，因沒(méi)有貫穿風(fēng)流，粉塵在掘進(jìn)巷道內(nèi)擴(kuò)散，是井下無(wú)組織粉塵產(chǎn)生的典型場(chǎng)所，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)和職工的身體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。掘進(jìn)過(guò)程中局部通風(fēng)效果最好的方式為長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)，具備壓入式和抽出式的共同優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于大斷面長(zhǎng)距離巷道掘進(jìn)時(shí)通風(fēng)。同時(shí)，目前傳統(tǒng)的長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)方式也存在缺點(diǎn)，它降低了壓入式和抽出式2列風(fēng)筒重疊段巷道內(nèi)的風(fēng)量，造成此處塵毒容易積聚。因此，通過(guò)改變抽風(fēng)筒數(shù)量和位置對(duì)長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合金屬礦山實(shí)際情況，采用Fluent流體力學(xué)軟件對(duì)掘進(jìn)巷道內(nèi)產(chǎn)生的粉塵濃度分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)礦山掘進(jìn)過(guò)程中粉塵治理研究具有重要的理論價(jià)值和指導(dǎo)意義。