李 剛 吳將有

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

在礦井開采過程中，掘進工作面在鉆孔、爆破及裝運過程中均會產(chǎn)生大量粉塵，是礦山井下作業(yè)最主要的產(chǎn)塵場所之一[1-2]。目前，我國相當一部分礦山已經(jīng)進入了深部開采階段，井下粉塵的污染問題越發(fā)嚴重。由于掘進工作面為無組織擴散塵源，且通風條件差、粉塵易積聚，致使作業(yè)面粉塵濃度高且不易排出。高濃度的粉塵會加快機械設備磨損，干擾作業(yè)人員生產(chǎn)操作視線，可能會引發(fā)一系列安全事故；另一方面會污染工作場所，產(chǎn)生一系列的環(huán)境污染問題，嚴重影響了生產(chǎn)作業(yè)人員的安全與健康[3-5]。研究礦山掘進巷道的粉塵分布規(guī)律可對礦山掘進巷道的粉塵控制技術方法研究、通風除塵系統(tǒng)設計提供理論參考，對于保護礦工安全與健康，改善礦井作業(yè)環(huán)境具有重要意義。本研究以某礦井巷道掘進工作面為研究對象，采用“離散相”模型法對掘進巷道的通風系統(tǒng)構建數(shù)值模型[6-8]，分析掘進巷道的粉塵濃度分布規(guī)律，為礦井掘進巷道粉塵濃度預測及治理提供可靠依據(jù)。

1 數(shù)值模型構建及參數(shù)設計

本研究以某礦井巷道掘進工作面為例，構建幾何模型，該礦山井下掘進巷道采用長抽短壓混合式通風系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場實測，巷道斷面尺寸為3.7 m×2.5 m的三心拱，風筒直徑為0.5 m，風筒中心到地面的垂直高度為2.5 m，掘進巷道總長度為50 m。壓風筒出口與掘進工作面的距離約為10 m，抽風筒入口與掘進工作面的距離約為20 m。綜合考慮掘進巷道的實際情況以及模擬分析需要，對掘進工作面現(xiàn)場情況進行了一定程度簡化[9]。本研究掘進工作面幾何模型如圖1、圖2所示。

圖1 掘進巷道幾何模型

圖2 掘進巷道幾何模型網(wǎng)格劃分

模型塵源參數(shù)見表1。

表1 塵源參數(shù)設定結果

2 粉塵濃度數(shù)值模擬結果

通過迭代計算，得出該礦山掘進巷道粉塵濃度分布的模擬結果，圖3、圖4為掘進巷道各斷面的粉塵濃度分布圖，其中X平面為巷道縱截面(寬度方向)，Y平面為巷道橫截面(高度方向)。

圖3 巷道橫斷面粉塵濃度分布

3 模擬值與實測值對比分析

由于現(xiàn)場測量難度較大，本研究僅在呼吸帶高度(取1.5 m)每隔5 m選取1個測點進行測量，共選取了11個測點。采用IFC-2防爆型粉塵采樣儀對巷道中心線呼吸帶高度進行粉塵濃度測量，并將數(shù)值模擬結果導出，與現(xiàn)場實測結果進行對比，結果見圖5。

圖4 巷道縱斷面粉塵濃度分布

圖5 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對比

綜合分析圖3、圖4、圖5可知：①掘進工作面粉塵濃度最高，隨著與掘進工作面距離的增加，粉塵濃度整體上逐步減小，與現(xiàn)場測量結果基本一致；②在掘進面附近1 m處，粉塵濃度較高，且與掘進面距離增大時，粉塵濃度變化較大，與現(xiàn)場測量結果基本一致；③在巷道橫斷面上，靠近巷道兩側壁面附近的粉塵濃度比其他位置的粉塵濃度高；④在靠近抽風筒處，粉塵濃度變化比較明顯，粉塵濃度較高。

4 結 語

以某礦井巷道掘進工作面為例，結合礦山實際情況，采用Fluent軟件對掘進巷道內的粉塵濃度分布規(guī)律進行了數(shù)值模擬分析，認為掘進巷道中的粉塵主要分布于掘進工作面區(qū)域、抽風筒區(qū)域以及距離掘進面約15 m的區(qū)域，該類區(qū)域是掘進巷道中的重點除塵范圍。