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)利用國家工程研究中心有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.蕪湖同力安全環(huán)保技術(shù)有限公司)

金屬礦山井下開采會產(chǎn)生大量的煙塵和粉塵，尤其是井下掘進工作面，產(chǎn)生的爆破煙塵和粉塵濃度大，且為無組織擴散塵源。目前，我國金屬礦山已經(jīng)進入了深部開采，井下粉塵的污染問題變得越發(fā)嚴重。由于掘進工作面通風(fēng)不暢，粉塵易積聚，一方面污染工作場所，產(chǎn)生一系列的環(huán)境污染問題，對生產(chǎn)作業(yè)人員造成安全與健康問題；另一方面加快機械設(shè)備磨損，干擾作業(yè)人員生產(chǎn)操作視線，可能引發(fā)一系列安全事故。根據(jù)國家衛(wèi)生計生委最新數(shù)據(jù)顯示，我國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型，兩者合計約占塵肺病病例總數(shù)的90%。因此，必須采取有效的技術(shù)手段降低掘進過程中的爆破煙塵和粉塵的濃度[1-5]。局部通風(fēng)是解決掘進過程炮煙和粉塵污染問題的最經(jīng)濟實用的技術(shù)手段，長壓短抽式通風(fēng)系統(tǒng)是掘進巷道最常用的通風(fēng)方式，抽風(fēng)筒入口更靠近掘進面，能夠及時將產(chǎn)生的粉塵從抽風(fēng)筒抽走，不會導(dǎo)致粉塵擴散到整個巷道內(nèi)。針對金屬礦山掘進巷道特點和現(xiàn)狀，建立通風(fēng)系統(tǒng)離散相模型并進行模擬，對長壓短抽式通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計[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，掘進巷道總長度取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，其距掘進工作面的距離分別為20和10 m，其風(fēng)筒中心線距離地表2.5 m，距離巷道兩側(cè)0.5 m。考慮掘進巷道的實際情況以及數(shù)據(jù)模擬分析的需要，對掘進工作面做出一定程度的簡化，同時假定風(fēng)場的一些條件：

(1)假定流體的紊流黏性具有各向同性。

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

(3)假定礦井巷道內(nèi)無熱源，同時也不考慮設(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)。

掘進巷道三維幾何模型見圖1。

圖1 掘進巷道幾何模型

人的呼吸帶高度大約為1.5 m，將流過掘進面的風(fēng)流位置控制在1.5 m之下，能夠很好地保護工作人員的健康。本次優(yōu)化通過改變抽風(fēng)筒的數(shù)量和布置的位置，來達到優(yōu)化傳統(tǒng)長壓短抽通風(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)筒出口距掘進工作面20 m。優(yōu)化幾何模型見圖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)某金屬礦掘進巷道的實際情況，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，邊界為無滑移流動。塵源參數(shù)見表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)流擴散，壓風(fēng)筒風(fēng)流以一定速度射向掘進面，風(fēng)流在掘進面附近不斷向下流動。當(dāng)風(fēng)流達到掘進面附近時，風(fēng)流攜帶粉塵經(jīng)過巷道底板，經(jīng)抽風(fēng)筒排出掘進巷道。

調(diào)整優(yōu)化后長壓短抽通風(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)長壓短抽通風(fēng)和改變風(fēng)筒布置形式后整個巷道內(nèi)粉塵濃度的分布規(guī)律，見圖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，從掘進巷道口到掘進工作面的粉塵濃度大體趨勢是先增大后減小，在靠近掘進工作面的時候達到最大值。

(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)筒布置在掘進巷道2.5 m高度位置時，巷道內(nèi)的粉塵濃度最低。

3 結(jié) 論

金屬礦掘進工作面在鑿巖和爆破過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，因沒有貫穿風(fēng)流，粉塵在掘進巷道內(nèi)擴散，是井下無組織粉塵產(chǎn)生的典型場所，對礦山的安全生產(chǎn)和職工的身體健康構(gòu)成嚴重威脅。掘進過程中局部通風(fēng)效果最好的方式為長壓短抽式通風(fēng)，具備壓入式和抽出式的共同優(yōu)點，尤其適用于大斷面長距離巷道掘進時通風(fēng)。同時，目前傳統(tǒng)的長壓短抽式通風(fēng)方式也存在缺點，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，通過改變抽風(fēng)筒數(shù)量和位置對長壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合金屬礦山實際情況，采用Fluent流體力學(xué)軟件對掘進巷道內(nèi)產(chǎn)生的粉塵濃度分布規(guī)律進行數(shù)值模擬，對礦山掘進過程中粉塵治理研究具有重要的理論價值和指導(dǎo)意義。