馬東華，左 淳

(中核二十五建設有限公司,湖南 長沙 410000)

0 引 言

巷道掘進爆破后的具體施工過程是采用柴油裝載機與礦用運渣車結(jié)合的施工方式，在掘進施工的出渣階段會產(chǎn)生柴油尾氣。但是，柴油設備工作時要排放出大量的有毒氣體，如一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、醛類、致癌物質(zhì)等有害成份，并造成巷道內(nèi)空氣的嚴重污染[1]。沒有凈化裝置，有害成份超過衛(wèi)生標準幾百倍。因此，合理的確定巷道通風所需風量，保證工作人員具有安全的勞動條件是一個非常重要的問題。對于地下礦井，根據(jù)Y.Zheng等人的研究發(fā)現(xiàn)，柴油機尾氣可用C8H18近似等效代替[2]，因此本文采用C8H18作為柴油機尾氣的等效替代物進行模擬。根據(jù)《非金屬地下礦山通風系統(tǒng)調(diào)查及檢測研究》[3]，在礦井需風量計算時，有柴油設備運行的礦井，按同時作業(yè)機臺數(shù)計算，供風量應不少于4 m3/(min·kW)。根據(jù)美國聯(lián)邦礦法規(guī)限制礦工個人接觸柴油機尾氣不得超過總碳(total carbon,TC)160 μg/m3[2]。

目前礦井通風是控制柴油機尾氣濃度的主要方法之一。獨頭掘進巷道的通風方式主要有壓入式、抽出式和壓抽混合式三種，壓入式由于控制簡單、成本較低等原因而被廣泛使用[4]。高建良等[5]研究了風筒出口位置對瓦斯分布的影響，發(fā)現(xiàn)出口離掘進迎頭越近，瓦斯量越少；朱紅青等[6]利用數(shù)值模擬手段研究了大斷面掘進工作面壓入式通風風筒的最佳安設高度，結(jié)果表明大斷面掘進工作面壓入風筒最佳安裝高度為3 m；但是前人僅考慮了排瓦斯、炮煙、粉塵等，很少考慮柴油機尾氣的分布規(guī)律。并且對于衢州市某地下工程長距離、大斷面的巷道，需要具體問題具體分析，來達到更好的排柴油機尾氣的效果。因此了解柴油氣尾氣的遷移規(guī)律，確定合理的通風設計，不但可以節(jié)約成本，保障礦井下的安全，而且對于地下開采作業(yè)具有重要意義。計算流體力學數(shù)值模擬(CFD)可以在計算機環(huán)境中描述工作面附近的局部通風情況，因其具有直觀快速、模擬預見性等特點，已逐漸成為一種成熟的分析方法，并在礦山的通風系統(tǒng)模擬優(yōu)化中廣泛應用[7]。因此通過構(gòu)建CFD模型，從柴油機產(chǎn)生的尾氣角度出發(fā)，采用數(shù)值模擬方法進行研究。

1 尾氣運移數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 數(shù)學模型

計算域內(nèi)的氣體使用連續(xù)方程、動量守恒方程和能量守恒方程作為連續(xù)相求解。根據(jù)獨頭巷道的氣體流動情況，做出一些假設：

1)柴油機尾氣視為氣體，不考慮尾氣成分之間的化學反應。

2)空氣和柴油機尾氣都是不可壓縮的。

3)忽略由流體的黏性力做功所引起的耗散能量[4]。

4)柴油車是靜止的。

基本控制方程：由巷道內(nèi)氣體運動的基本假設，在絕對(慣性)坐標系中，可分別將連續(xù)性方程及動量守恒方程表示為[4]

(1)

(2)

能量方程：

(3)

組分運移方程:

(4)

式中ρ為流體密度，kg/m3;U為各時均速度分量，m/s;τ為應力張量;g為重力加速度；p為流體微元體受到的壓力，N；cp為比熱容；keff為流體導熱系數(shù)；T為溫度；ωi為C8H18的質(zhì)量分數(shù)；Di，eff為C8H18的擴散系數(shù)；μt為湍流黏度；Prt為湍流普朗特爾數(shù)；Sct為湍流施密特數(shù)。

1.2 幾何模型

利用ANSYS Workbench對模型簡化并建立巷道幾何模型，該掘進巷道為三心拱巷道，巷道寬4.3 m，巷道高4.45 m，長度為60 m掘進面按矩形巷處理，風筒敷設在巷道壁面右側(cè)，風筒中心軸線到巷道頂板的距離0.5 m。中心軸距地面3 m，風筒直徑為800 mm，風筒出口到掘進面距離為10 m。以靠近掘進面的風筒截面為新鮮風入口，遠離掘進面的巷道末端截面為出口，整個巷道內(nèi)部設為流體。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric Model

1.3 網(wǎng)格劃分

結(jié)合所要解決的柴油機尾氣擴散問題，在workbench建模之后，對巷道及風筒采用四面體加六面體網(wǎng)格，并對不同尺寸網(wǎng)格進行了高、中、低3種不同精度的網(wǎng)格測試，確保模擬結(jié)果的準確性。單元最小長度為0.25，網(wǎng)格總數(shù)為691 506個。網(wǎng)格劃分結(jié)束之后，設定邊界條件的類型為后處理器做準備，指定靠近掘進的風筒口為速度入口(velocity-inlet)，和裝載機的排氣筒出口設置為速度入口(velocity-inlet)。遠離掘進面的巷道斷面為氣體出口(outflow)，柴油車、風筒和巷道壁面分別設置為壁面邊界(wall)。網(wǎng)格生成結(jié)果如圖2所示。

圖2 幾何模型的網(wǎng)格圖Fig.2 Grid diagram of geometric model

1.4 模擬參數(shù)及其邊界條件

k-ε模型在礦山通風類數(shù)值模擬中是最常用的模型之一[7-8]，因此使用標準k-ε模型進行模擬計算。邊界條件的設置包括環(huán)境參數(shù)，壓力設置為標準大氣壓101 325 Pa，風速入口溫度設置為27 ℃。柴油車尾氣在巷道中擴散時需要考慮重力和浮力的影響，設置重力加速度的方向為Z，大小為-9.81 m2/s。在柴油車尾氣擴散過程中巷道壁面是靜止的，沒有發(fā)生任何位移，因此選用無滑移的壁面條件(wall)[9]。其中風筒、柴油車和巷道壁面的粗糙度分別設置為0.1 cm，0.2 cm和5 cm[7]。

柴油車功率162 kW，按照柴油機負荷率η=70%，經(jīng)計算需風量為7.56 m3/s，得到通風出口風速15 m/s，同時設置湍流強度為2.93%和水力直徑0.8 m。柴油車的排氣筒出口風速22.8 m/s，溫度為321 ℃，C8H18密度為4.84 kg/m3，質(zhì)量分數(shù)設為4.0×10-6，在空氣中的擴散系數(shù)為5.0×10-6，動力黏度為6.75×10-6kg/m·s，導熱系數(shù)為0.017 8 W/m·K[10]。湍流參數(shù)選擇湍流強度3.57%和水力直徑0.1 m；按照排柴油機負荷率η=50%，經(jīng)計算需風量為5.4 m3/s，得到通風出口風速10 m/s，同時設置湍流強度為3.08%和水力直徑0.8 m。柴油車的排氣筒出口風速16.3 m/s，溫度為321 ℃，湍流參數(shù)選擇湍流強度3.72%和水力直徑0.1 m。

2 模擬結(jié)果分析

掘進面風流場的特征對柴油機尾氣中C8H18質(zhì)量濃度分布及其擴散情況至關重要，為了研究巷道內(nèi)部空間風流流場的分布情況，分別對柴油機負荷率η=70%和η=50%(柴油機運行功率分別為額定功率的70%和50%)，風筒距地面高度3 m和2.5 m，風筒距工作面的距離La依次為5、7、9、11、13、15和17 m的情況對排柴油機尾氣的影響。以工作面為起點，定義沿y軸方向每間隔1 m的斷面柴油機尾氣平均質(zhì)量濃度為Cy，用于分析巷道內(nèi)尾氣質(zhì)量濃度的分布規(guī)律；柴油車附近平均質(zhì)量濃度為Cv，用于分析掘進作業(yè)空間排柴油機尾氣的效果；La為風筒距離工作面的距離，m；Lb為斷面到工作面的距離，m；H為風筒距地面的高度，m。模擬結(jié)果如圖4所示。

圖3 通風氣流的流線圖Fig.3 Streamline diagram of ventilation airflow

圖4 Lb=7 m,H=3 m時柴油尾氣濃度分布Fig.4 Diesel exhaust gas concentration distribution when Lb=7 m and H=3 m

2.1 壓入通風下柴油機尾氣的遷移規(guī)律

對柴油機負荷率η=70%，風筒距地面高度H=3 m，距工作面的距離La依次為5、7、9、11、13、15和17 m的情況對排柴油機尾氣的影響。計算不同壓入式風筒位置下的柴油機尾氣質(zhì)量濃度分布。當固定風筒高度后，隨著壓入式風筒距工作面的相對距離變化，對柴油機尾氣的遷移產(chǎn)生了相應的改變。為了更好的展現(xiàn)出柴油機尾氣的遷移規(guī)律，對巷道進行柴油機尾氣質(zhì)量濃度的面平均計算，并繪制折線圖5。由折線圖可以清楚地看出，7種風筒距工作面的距離，都隨著Lb的增加，出現(xiàn)柴油機尾氣質(zhì)量濃度先增大再減小，最終保持不變的現(xiàn)象。在Lb的范圍20～60 m時，Cy接近60 μg/m3。根據(jù)圖6的斷面柴油機質(zhì)量濃度分布云圖，同樣顯示在距20 m的情況下，Cy已基本保持不變，達到穩(wěn)定的狀態(tài)。

風筒出風口距工作面La=5 m時，當Lb在0～15 m的范圍時，Cy快速上升，在Lb=15 m左右的范圍時，柴油機尾氣的平均質(zhì)量濃度達到了峰值，超過140 μg/m3，在Lb約為30 m時，Cy基本達到平衡的狀態(tài)，柴油機尾氣的質(zhì)量濃度在60 μg/m3；當La=7 m時，Lb在0～15 m的范圍時，Cy快速上升，Lb在15～20 m，Cy快速下降，在Lb約為20 m時，Cy基本達到平衡的狀態(tài)，柴油機尾氣的質(zhì)量濃度在60 μg/m3；發(fā)現(xiàn)Cy隨著Lb的增加，先增大后減小，最終保持不變。Lb在0～20 m的情況范圍內(nèi)，隨著La在5～13 m的范圍增加，Cy隨之減少；當La在13～17 m的范圍增加，Cy呈現(xiàn)上升趨勢。

圖5 η=70%和H=3.0 m時Cy隨Lb的變化Fig.5 Cy changes with Lb when η=70% and H=3.0 m

圖6 La=13 m時，巷道Lb斷面的Cy云圖Fig.6 Cy phogram of Lb Section of Roadway when La=13 m

Lb=5 m時，為駕駛室位置的柴油機尾氣質(zhì)量濃度分布；Lb=8 m時，為排氣管位置的柴油機尾氣質(zhì)量濃度分布，最高達到了800 μg/m3；根據(jù)圖6的斷面柴油機質(zhì)量濃度分布云圖，Lb=20 m的情況下，柴油機尾氣質(zhì)量濃度已基本保持不變，達到穩(wěn)定的狀態(tài)。

1)不同高度對比分析

對柴油機負荷率η=70%，H=2.5 m，風筒距工作面的距離La依次為5、7、9、11、13、15和17 m的情況對排柴油機尾氣的影響。由圖7可以看出，隨著La的不同，巷道的排柴油機尾氣的效果產(chǎn)生了差異。7種不同La的距離，Lb在0～10 m的范圍內(nèi)，Cy快速升高，Lb在15～20 m的范圍內(nèi)，Cy迅速下降。同樣在Lb=20 m，Cy已基本保持不變，穩(wěn)定在60 μg/m3左右。最終發(fā)現(xiàn)在La在13～15 m范圍時，在60 m的巷道Cy較低。H=2.5 m相對于H=3.0 m，Lb在5～20 m的情況范圍內(nèi)，在La=5 m、7 m時，Cy大幅下降；La=9 m、11 m時，Cy基本不變；La=13 m、15 m時，Cy有部分降低；La=17m時，Cy略有增加。

圖7 η=70%和H=2.5 m時Cy隨Lb的變化Fig.7 Cy changes with Lb when η=70% and H=2.5 m

2)不同柴油機負荷率尾氣排放對比分析

假設在不同負荷下，柴油機效率相同，按照柴油機負荷率η=50%的尾氣需風量進行模擬。本組模擬首先固定H=3 m時的，La依次為5、7、9、11、13、15和17 m，對排柴油機尾氣的影響，模擬結(jié)果如圖8所示。

當La=5 m，在Lb在0～15 m的范圍內(nèi)，Cy迅速上升，達到接近160 μg/m3的峰值，又在Lb=15～20 m的范圍內(nèi)，Cy迅速下降。當La=7 m、9 m、11 m、13 m時，在Lb在0～13 m的范圍內(nèi)，Cy迅速上升，Lb在13～20 m的范圍內(nèi)，Cy迅速下降。根據(jù)圖8發(fā)現(xiàn)La=15 m，在Lb比較小的距離，Cy迅速上升。發(fā)現(xiàn)Cy隨著Lb的增加，先增大后減小，最終保持不變，在距工作面20 m，Cy接近60 μg/m3，已基本達到穩(wěn)定的狀態(tài)。Cy隨著La的增加，Cy先降低后增加。在Lb0～20 m的情況范圍內(nèi)，當La在5～15 m的范圍增加，Cy隨之呈現(xiàn)下降趨勢，La在13～15 m范圍，Cy最低。在風筒距地面高度3 m時，在兩種柴油機負荷率的條件下(風量和功率成正比)，柴油機尾氣質(zhì)量濃度Cy隨Lb的變化曲線基本保持一致。

圖8 η=50%和H=3.0 m時Cy隨Lb的變化Fig.8 Cy changes with Lb when η=50% and H=3.0 m

2.2 壓入通風下排柴油機尾氣的效果

由于柴油車附近是人員活動密集的區(qū)域，因此確保柴油車附近柴油機尾氣體質(zhì)量濃度低，是評價通風效果的重要指標。因此取柴油機附近12 m的平均質(zhì)量濃度，進行計算。計算結(jié)果如下表1所示。在La=13 m，H=3 m的情況下，柴油機周圍體平均濃度達到最小值63.56 μg/m3，相比較與其他條件下的柴油機附近平均體積濃度最低。因為設定每間隔2 m一個La參數(shù)，理想的風筒距工作面的距離應是一個范圍，La=15 m是次優(yōu)選擇。由此可以得出結(jié)論La在13～15 m范圍排柴油機尾氣效果較好。在同種風筒出風口距工作面13 m時，風筒距地面高度3 m時，比風筒距地面高度2.5 m的柴油機尾氣的平均質(zhì)量濃度低3 μg/m3。由此可以得出結(jié)論風筒距地面3 m與風筒距地面2.5 m相比較，風筒距地面3 m排柴油機尾氣效果較好。

表1 柴油機周圍平均質(zhì)量濃度CvTable 1 Average mass concentration of the body around the diesel engine 單位:μg·m-3

3 總 結(jié)

為了分析地下無軌獨頭掘進巷道內(nèi)柴油機尾氣的遷移規(guī)律，以衢州某地下工程大斷面獨頭掘進巷道為對象，采用CFD數(shù)值模擬的方法對柴油機產(chǎn)生的尾氣進行計算。通過模擬結(jié)果得到壓入式通風方式下，風筒距工作面和地面的相對位置對柴油機尾氣運移的影響。獲得的結(jié)論為：1)在兩種柴油機負荷率下，風量和功率成正比，壓入式的風筒距工作面的距離為13～15 m，距地面3 m時，排柴油機尾氣效果最好；2)在風筒距地面高度3 m時，隨著風筒距工作面的距離增加，在獨頭掘進巷道內(nèi)柴油機尾氣平均質(zhì)量濃度先減少后增加。