秦汝祥 彭世政 謝志旭

摘要：金屬非金屬地下礦山掘進(jìn)巷道鉆孔、爆破、鏟裝等作業(yè)工序產(chǎn)生大量巖塵，導(dǎo)致井巷空間粉塵濃度高，危害職工健康和影響作業(yè)環(huán)境。以某金礦掘進(jìn)巷道為研究對(duì)象，建立掘進(jìn)巷道壓入式通風(fēng)模型，依據(jù)氣固兩相流理論，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)，利用Fluent軟件分析風(fēng)筒布不同布置條件下除塵效果，得出巷道內(nèi)粉塵運(yùn)移規(guī)律和風(fēng)速分布情況。研究發(fā)現(xiàn)：風(fēng)機(jī)壓入風(fēng)流在掌子面附近形成渦流，攜帶粉塵在掌子面附近渦旋，不利于粉塵的排出，風(fēng)筒布出口距掌子面7～8 m風(fēng)流逐漸穩(wěn)定流向回風(fēng)巷;當(dāng)風(fēng)筒布出口距掌子面8 m，高度為1.5 m時(shí)，巷道內(nèi)粉塵排出較快，除塵效果最為理想。研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)掘進(jìn)工作面粉塵防治具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：粉塵濃度;計(jì)算流體力學(xué);通風(fēng)除塵;數(shù)值模擬;兩相流理論

中圖分類號(hào)：TD714 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2023）04-0086-05doi：10.11792/hj20230418

引 言

金屬非金屬地下礦山掘進(jìn)巷道作業(yè)過(guò)程中，鑿巖機(jī)具在鉆孔、爆破、鏟裝等工序會(huì)產(chǎn)生大量巖塵，導(dǎo)致井巷空間粉塵濃度高，而高濃度粉塵會(huì)加劇設(shè)備磨損，危害作業(yè)人員安全和職業(yè)健康，因此粉塵防治一直是行業(yè)關(guān)注的主要問(wèn)題之一^［1］。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，眾多學(xué)者利用數(shù)值方法研究巷道內(nèi)粉塵運(yùn)移規(guī)律，從而總結(jié)出解決粉塵污染問(wèn)題的方法。常用的計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算機(jī)軟件有ANSYS Fluent、ANSYS CFX、ShonDY等，數(shù)值方法能夠再現(xiàn)粉塵運(yùn)移全過(guò)程，并能直觀展現(xiàn)井巷各點(diǎn)粉塵濃度分布，為粉塵治理提供依據(jù)。

數(shù)值方法在煤礦掘進(jìn)巷道粉塵運(yùn)移規(guī)律的研究中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其在指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)粉塵防治措施方面，能夠以較少的投入找出最佳問(wèn)題解決途徑^［2-5］。劉毅等^［2］利用Fluent軟件模擬綜采工作面割煤作業(yè)粉塵運(yùn)移規(guī)律，對(duì)除塵設(shè)備布置位置進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn);李勇等^［3］利用Fluent軟件模擬煤礦掘進(jìn)面通風(fēng)布置對(duì)粉塵運(yùn)移規(guī)律的影響，對(duì)風(fēng)筒布位置進(jìn)行優(yōu)化;王海東等^［4］利用數(shù)值模擬軟件對(duì)綜掘工作面內(nèi)粉塵分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到除塵設(shè)備的最佳安裝方案。以上學(xué)者的研究以煤礦井巷中煤塵為研究對(duì)象，與煤塵相比，巖塵密度更高，不具可燃性，塵源參數(shù)、游離二氧化硅含量、分散度等性質(zhì)均與煤塵不同，因此煤礦掘進(jìn)巷道粉塵運(yùn)移規(guī)律不能直接應(yīng)用到非煤礦山中。本文利用SolidWorks軟件建立掘進(jìn)巷道壓入式通風(fēng)三維模型，Ansys Workbench Meshing軟件繪制網(wǎng)格，最后導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行仿真模擬。依據(jù)氣固兩相流理論^［6］，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)，以某金礦-180 m 305勘探線4號(hào)鑿巖巷產(chǎn)塵量較大且有工人連續(xù)作業(yè)的鏟運(yùn)作業(yè)處為研究對(duì)象，在風(fēng)筒布不同高度和風(fēng)筒布出口距掌子面不同距離條件下進(jìn)行仿真模擬，得出粉塵運(yùn)移規(guī)律，以及風(fēng)筒布最佳布置位置和運(yùn)行參數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)除塵工作提供參考。

1 模型建立

某金礦于20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行小規(guī)模開(kāi)采，采用地下開(kāi)采方式，最初設(shè)計(jì)采選規(guī)模僅50 t/d。為適應(yīng)礦山發(fā)展和礦體賦存條件的變化，礦山采選生產(chǎn)系統(tǒng)歷經(jīng)多次改造，當(dāng)前生產(chǎn)規(guī)模3 000 t/d，主要開(kāi)拓方式為斜井。其中，主斜井采用箕斗運(yùn)輸，為礦石主要運(yùn)輸通道;副斜井采用串車(chē)運(yùn)輸，負(fù)責(zé)人員、材料、渣石的運(yùn)輸。采礦方法以中深孔分段崩落嗣后充填采礦法為主，選礦工藝為重選+浮選。

為方便計(jì)算，在不影響Fluent軟件數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的情況下，盡量將模型簡(jiǎn)化，視掘進(jìn)巷道、進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷為表面光滑無(wú)浮石凸起和凹坑的標(biāo)準(zhǔn)三心拱巷道。計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度為20 m，風(fēng)筒布出口距掌子面距離分別為2 m、4 m、6 m、8 m，風(fēng)筒布直徑400 mm，距底板高度分別為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m。巷道斷面為3.0 m×3.0 m標(biāo)準(zhǔn)三心拱設(shè)計(jì)（如圖1所示），拱高1.0 m，巷道斷面面積8.358 m²，大拱半徑2.076 m，角度67.37°，小拱半徑0.783 m，角度56.32°。掘進(jìn)巷道幾何示意圖如圖2所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

使用SolidWorks軟件建立三維模型后導(dǎo)入Ansys Workbench Meshing軟件繪制網(wǎng)格，最后導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行仿真模擬。由于風(fēng)筒布位置計(jì)算復(fù)雜，本次網(wǎng)格劃分采用適應(yīng)性強(qiáng)，但計(jì)算更為復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格^［7］，風(fēng)筒布位置進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，最大單元尺寸為0.3 m，網(wǎng)格數(shù)量為476 449，網(wǎng)格最大偏度0.85，平均偏度0.23，超過(guò)95%的網(wǎng)格偏度小于0.5，質(zhì)量符合計(jì)算要求。掘進(jìn)巷道網(wǎng)格劃分如圖3所示，風(fēng)筒布局部網(wǎng)格加密如圖4所示。

2.2 求解器及邊界條件設(shè)置

氣固兩相流模擬基本模型為離散相模型（DPM），為求解出納維-斯托克斯方程，該方法將流體視為連續(xù)相，將固相視為離散相^［8-9］。相比連續(xù)相，離散相體積分?jǐn)?shù)較小，不足十分之一，故在研究過(guò)程中不考慮離散相間的相互作用，也不考慮離散相對(duì)連續(xù)相運(yùn)動(dòng)的影響，但需考慮連續(xù)相和離散相之間動(dòng)量、質(zhì)量和能量的傳遞和變化^［10］。求解參數(shù)設(shè)置如表1所示，邊界條件設(shè)置如表2所示，塵源及離散相參數(shù)設(shè)置如表3所示。

3 仿真模擬結(jié)果分析

3.1 風(fēng)流場(chǎng)分布

將仿真結(jié)果導(dǎo)入至CFD-Post中，得到掘進(jìn)工作面風(fēng)流場(chǎng)分布情況和粉塵分布情況。為更直觀觀察風(fēng)流場(chǎng)流速分布情況，分別分析掘進(jìn)巷道不同高度（0.5 m、1 m、1.5 m、2 m）平面風(fēng)流場(chǎng)速度云圖，如圖5所示。掘進(jìn)巷道高度為1.5 m的風(fēng)速矢量圖如圖6所示。

由圖5和圖6可知：風(fēng)流從風(fēng)筒布出口高速射出，直接射向掌子面，形成典型的高速貼壁射流。一部分風(fēng)流經(jīng)掌子面攜帶粉塵往回風(fēng)巷流動(dòng);另一部分風(fēng)流繼續(xù)轉(zhuǎn)向掌子面，在掌子面附近作業(yè)處形成渦流，此處風(fēng)流幾乎不流動(dòng)，不利于粉塵排出。

3.2 風(fēng)筒布出口距掌子面距離

根據(jù)GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》，壓入式通風(fēng)風(fēng)筒口與工作面的距離不應(yīng)超10 m。保持風(fēng)筒布高度不變，調(diào)整風(fēng)筒布出口距掌子面距離分別為2 m、4 m、6 m、8 m，進(jìn)行仿真模擬，并記錄距掌子面3 m工人作業(yè)處粉塵濃度分布，如圖7和圖8所示。風(fēng)筒布出口距掌子面不同距離巷道斷面粉塵平均濃度分布如圖9所示。

由圖7和圖8可知：當(dāng)風(fēng)筒布出口距掌子面過(guò)近時(shí)，雖然此時(shí)粉塵移動(dòng)速度較快，但風(fēng)流渦流使粉塵團(tuán)在掌子面附近聚集，同時(shí)可能導(dǎo)致二次揚(yáng)塵;此現(xiàn)象在風(fēng)筒布出口距掌子面6 m時(shí)最為明顯，大量的風(fēng)流在風(fēng)機(jī)出口處形成渦旋區(qū)，導(dǎo)致粉塵不易排出，濃度高達(dá)50 mg/m³，遠(yuǎn)超相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)風(fēng)筒布出口距掌子面8 m時(shí)，掌子面在最佳射流區(qū)間內(nèi)，粉塵能較快排出，巷道內(nèi)粉塵濃度較小。因此，風(fēng)筒布出口距掌子面8～10 m較為合適。

圖9可直觀比較風(fēng)筒布出口距掌子面不同距離巷道斷面粉塵平均濃度分布，若通風(fēng)參數(shù)選擇不當(dāng)，巷道斷面粉塵平均濃度最高可達(dá)50 mg/m³。隨著風(fēng)筒布出口距掌子面距離增加，巷道內(nèi)粉塵濃度降低，其中風(fēng)筒布出口距掌子面8 m時(shí)，巷道內(nèi)粉塵濃度最低，通風(fēng)效果最佳。

3.3 風(fēng)筒布高度

將風(fēng)筒布出口距掌子面距離保持8 m不變，風(fēng)速等客觀參數(shù)不變，調(diào)整風(fēng)筒布高度，分別設(shè)置為0.5 m、1 m、1.5 m和2 m進(jìn)行仿真計(jì)算，并記錄距掌子面3 m工人作業(yè)處粉塵濃度分布，如圖10和圖11所示。風(fēng)筒布不同高度巷道斷面粉塵平均濃度分布圖10 風(fēng)筒布不同高度掘進(jìn)面粉塵濃度分布如圖12所示。

由圖10和圖11可知：當(dāng)風(fēng)筒布高度過(guò)低時(shí)，風(fēng)流經(jīng)風(fēng)筒布射出后，會(huì)在巷道上部產(chǎn)生渦流，將巷道底部粉塵帶往上部，造成上部呼吸帶粉塵濃度過(guò)高，不利于作業(yè)。當(dāng)風(fēng)筒布高度為1.5 m時(shí)，雖然靠近掌子面局部地點(diǎn)粉塵濃度高于2 m風(fēng)筒布高度，但粉塵運(yùn)移速度、呼吸帶粉塵濃度好于其他風(fēng)筒布高度，這有利于掘進(jìn)面作業(yè)過(guò)程中粉塵排出，大大減小呼吸帶粉塵濃度，為工人提供一個(gè)良好的作業(yè)環(huán)境。因此，巷道風(fēng)筒布高度設(shè)置為1.5 m比較合適。

由圖12可知：4種風(fēng)筒布高度條件下巷道內(nèi)粉塵濃度變化規(guī)律大致相同。由于塵源點(diǎn)在掘進(jìn)面，所以該處粉塵平均濃度最高。隨著粉塵在巷道內(nèi)不斷沉降，粉塵平均濃度有下降趨勢(shì)，其中風(fēng)筒布高度1.5 m時(shí)，巷道內(nèi)粉塵平均濃度最低，通風(fēng)效果最佳。

4 結(jié) 論

1）掘進(jìn)巷道中，風(fēng)流從風(fēng)筒布出口射出，由于風(fēng)筒布貼近壁面，形成典型的高速貼壁射流。風(fēng)流撞擊掌子面后一部分?jǐn)y帶粉塵往回風(fēng)巷流出;另一部分轉(zhuǎn)向掌子面，在掌子面附近形成渦流，不利于粉塵的排出。風(fēng)筒布出口距掌子面過(guò)近時(shí)，可能導(dǎo)致二次揚(yáng)塵，粉塵濃度高達(dá)50 mg/m³;風(fēng)筒布出口距掌子面7～8 m時(shí)，風(fēng)流逐漸穩(wěn)定流向回風(fēng)巷。

2）當(dāng)風(fēng)筒布出口距掌子面8 m，高度為1.5 m時(shí)，巷道內(nèi)粉塵排出較快，此方案為巷道最優(yōu)除塵布置方案。研究結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)除塵工作提供參考，為工人提供一個(gè)舒適、安全的作業(yè)環(huán)境。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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［3］ 李勇，張凱，史紀(jì)飛，等.掘進(jìn)面通風(fēng)布置對(duì)粉塵運(yùn)移規(guī)律的影響［J］.采礦技術(shù)，2022，22（2）：193-196.

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Analysis of dust concentration distribution and its influencing factors in gold mining

Qin Ruxiang¹，Peng Shizheng²，Xie Zhixu²

（1.School of Safety Science and Engineering，Anhui University of Science and Technology;2.Jiangxi Jinshan Mining Co.，Ltd.，China National Gold Group Co.，Ltd.）

Abstract：A large amount of rock dust is produced during the drilling，blasting，shoveling，and loading of the metal and non-metal underground mines and causes high dust concentration in the shaft space and endangers the health of workers and the working environment.Given that，in this paper，the tunneling roadway of a gold mine is taken as the research object，and the forced ventilation model of the tunneling roadway is established.According to the gas-solid two-phase flow theory combined with the field measurement data，the dust removal effect under different arrangement conditions of the air duct cloth is analyzed by using Fluent software，and the dust migration law and the wind speed distribution in the roadway are obtained.The research finds that the forced airflow of the fan forms a vortex near the face that carries dust in a vortex around the face which is not conducive to the discharge of dust，and the airflow about 7-8 m away from the face gradually flows to the return air lane;when the outlet of the air duct is 8 m away from the face and the height is 1.5 m，the dust in the tunnel is discharged quickly and the dust removal effect is the most ideal.The research results have a certain guiding significance for the prevention and control of dust in the tunneling face.

Keywords：dust concentration;computational fluid dynamics;ventilation and dust removal;numerical simulation;two-phase flow theory