巷道型采场爆破粉尘质量浓度分布及变化规律的数值模拟

蒋仲安，陈梅岭, ，陈举师

(1.北京科技大学 教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室，北京，100083；2.五矿安徽开发矿业有限公司，安徽 六安，237400)

随着工农业的快速发展，人口的剧增以及人类物质生活水平的提高，社会对矿产资源的需求越来越大。在矿产资源的地下开采过程中，爆破作业是不可缺少的工艺环节，爆破过程中会产生大量的烟尘，给现场作业人员身体健康和安全生产带来了极大的威胁。爆破烟尘主要包括粉尘和有毒有害气体，具有浓度高且不易排出的特点。爆破粉尘的来源可分为爆破准备阶段产生的粉尘、施爆阶段产生的粉尘以及爆破后装运作业所产生的粉尘，其中施爆阶段粉尘质量浓度最高，危害也最大[1−4]。李楼铁矿−200 m水平44号采场内爆破作业时粉尘质量浓度最高可达3 500 mg/m3，亟待采取有效的防尘降尘措施。因此，研究采场爆破作业时粉尘的运移规律，掌握粉尘质量浓度分布及变化特点，获取通风除尘设计的合理参数，探索降低采场爆破粉尘质量浓度的控制技术，对于改善井下工人的作业环境、保障工人的身体健康具有十分重大的意义。

1 数学模型及控制方程的建立

1.1 气固两相流数学模型的建立

研究粉尘颗粒在气流中的运动轨迹，掌握粉尘质量浓度空间分布规律，本质上属于气固两相流的研究范畴。目前对气固两相流动的数值模拟有2种方法，一种是欧拉−欧拉法，也称多相流法；另一种是欧拉−拉格朗日法，也称颗粒轨道法。欧拉−拉格朗日法将气体或液体看作背景流体，将另外一相看作离散分布于背景流体中的颗粒或粒子，用欧拉方法研究背景流体，用拉格朗日方法追踪颗粒相的运动轨迹，目前应用较多的离散相模型(DPM)本质上属于欧拉−拉格朗日法。

本文采用离散相模型(DPM)对巷道型采场爆破粉尘质量浓度空间分布规律进行模拟，首先采用SIMPLE算法计算连续相的流场速度、湍流动能等参数；其次创建离散相喷射源，确定射流源的位置、尺寸、颗粒粒径和初速度等；然后在拉格朗日坐标下对颗粒群中的各个颗粒进行轨道积分，在随机轨道模型中，应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响。

1.2 粉尘运动控制方程的建立

采场爆破粉尘运动轨迹运用拉格朗日法进行求解。通过积分拉格朗日坐标下颗粒作用力的微分方程来求解颗粒的轨道，在求解过程中，只考虑阻力和重力，其他作用力由于数量级很小可忽略不计，则颗粒相的作用力平衡方程为：

式中：t为颗粒运动时间；FD(u−up)为颗粒的单位质量阻力；CD为阻力系数；u为流体相速度；up为颗粒运动速度；ρ为流体密度；ρp为颗粒密度；dp为颗粒直径。

空气流动中颗粒的随机轨道跟踪通过确定气流的瞬时速度来实现。在Fluent中采用随机轨道模型来确定气流的瞬时速度。颗粒轨迹控制方程为：

式中：τp为颗粒松弛时间。

考虑湍流对颗粒随机性的影响时，气流的瞬时速度可看作是平均速度与脉动速度u′(t)之和，即：

细小颗粒在流动区域中具有良好的跟踪性，对于k−ε模型，颗粒的积分时间长度可近似为气流的拉格朗日积分时间长度TL，即：

颗粒与流体的离散涡之间相互作用时，假定湍流涡团中流体脉动速度(u′)满足高斯概率密度分布，则u′可表示为：

式中：ζ为服从正态分布的随机数为当地脉动速度的均方根。

对于k−ε模型，假设当地湍流各向同性，则：

2 几何模型的建立及求解

2.1 现场概况

李楼铁矿−200 m水平44号采场位于2号副井南侧，与主要联络斜坡道毗邻，工作断面为三心拱，进路宽度3.6 m，高度3.2 m，进路内中孔爆破位置风速小于0.1 m/s，施工部位围岩主要为闪长岩，围岩硬度f较大，f=10～12，岩体整体性好，局部为矽卡岩，岩石表面比较干燥，对粉尘捕捉能力较低。采场联络巷断面为三心拱，宽度为3.5 m，高度为3.2 m，联络巷断面风速为0.5 m/s，相对湿度为59.1%，温度为23.9 ℃。

2.2 几何模型的建立及网格划分

由于采场内情况比较复杂，建模过程中完全复制采场比较困难，根据对李楼铁矿−200 m水平44号采场相关尺寸的现场实测数据，文中对巷道型采场爆破粉尘扩散计算区间进行如下假设：

(1) 将采场进路及联络巷断面视为标准三心拱，联络巷与采场进路垂直相交；

(2) 联络巷内电缆电线、水管及压风管等设备由于尺寸较小，模型中不予考虑；

(3) 压入式风筒是采场内通风除尘设计的重要组成部分，应完全考虑在内；

(4) 采场爆破粉尘全部产生于施爆阶段，暂不考虑爆破准备阶段及爆破后装运时产生的粉尘。

为了准确地得到粉尘在采场内的扩散规律，计算中建立一个尺寸为10 m×3.6 m×2 m(长×宽×高)的三心拱主体作为采场进路计算区域，同时补充建立出连接采场进路的上下风向联络巷道，简化后使用GAMBIT 2.0建立巷道型采场三维几何模型，并对其进行网格划分，如图1所示。

2.3 边界条件的设定及求解

根据李楼铁矿−200 m水平44号采场的具体情况及相关实测数据，结合数学模型和FLUENT的数值模拟方法，并对区域网格进行自适应等调试，数值模拟参数设定如表 1所示[5−15]。

表1 计算模型参数Table 1 Defining calculation model parameters

图1 巷道型采场三维几何模型Fig.1 3D geometric model of roadway stope

3 数值模拟结果及对比分析

3.1 采场气流流场分布规律

为研究采场内气流流场分布规律，分别在x，y，z方向上各截取至少1个平面，得出巷道型采场空间气流流场分布情况。图 2所示联络巷风速为 0.5 m/s时巷道型采场内空间速度场分布。从图2可以看出：

(1) 联络巷内风速及风向比较稳定，采场进路内形成了比较明显的漩涡流动，且漩涡上游区域(右侧)风速明显高于漩涡下游区域(左侧)；

(2) 采场进路隅角处通风比较困难，左侧隅角处通风效果最差，基本形成了一个无风区域；

(3) 在巷道断面内，由于巷道壁面的摩擦作用，壁面附近处风速略低于巷道中心。

图2 巷道型采场空间气流流场分布Fig.2 Spatial air flow field distribution in roadway stope

3.2 采场爆破粉尘质量浓度分布及变化规律

为研究爆破发生后粉尘在采场内的浓度分布规律，取呼吸带高度(Z=1.5 m)作为基准平面，观察该平面各个时间段的粉尘质量浓度分布规律，结果如图3所示。

图3 巷道型采场呼吸带高度断面粉尘质量浓度分布Fig.3 Dust mass concentration distribution at breathing height of cross section in roadway stope

图4 采场不同位置粉尘质量浓度变化Fig.4 Dust mass concentration changing regularities in different position of stope

图4所示为距工作面不同距离处巷道中央呼吸带高度粉尘质量浓度随时间的变化规律。从图3和4可以看出：

(1) 采场爆破发生后，在爆破冲击波作用下，粉尘从工作面高速喷入采场内；在漩涡流动的作用下，粉尘逐渐向采场外方向扩散；受距离工作面较近的回风流的影响，进路内左侧隅角处粉尘质量浓度较高；

(2) 在采场进路断面方向，粉尘质量浓度呈由左至右、由下至上降低的分布规律，这是由于漩涡上游风速高于下游及粉尘颗粒的自身沉降作用所致。在进路轴线方向，粉尘质量浓度呈中间高，两侧低的分布态势；

(3) 随着时间的推移，进路轴线上粉尘质量浓度最大值逐步向采场外移动，且数值逐步降低；采场内粉尘在1 800 s内基本全部排出，此时采场内粉尘质量浓度保持在10 mg/m3以内；

(4) 在距工作面1，2，3，5及10 m处，粉尘质量浓度分别在20，30，40，70及100 s时达到最大值，分别为2 650，1 750，1 600，1 500和950 mg/m3。

3.3 捕捉壁面条件下粉尘质量浓度变化规律

图5所示为捕捉壁面条件下采场爆破后距工作面不同距离处粉尘质量浓度随时间的变化规律。比较图4和图5可以看出：捕捉壁面条件下采场内粉尘质量浓度分布规律与反弹壁面相似，空间整体质量浓度较之反弹壁面条件要低，且质量浓度降低速率较快，采场内粉尘在900 s内基本全部排出。

3.4 不同风速条件下粉尘质量浓度变化规律

为了探究采场在不同供风条件下粉尘质量浓度随时间的变化规律，保持其他参数不变，分别取联络巷入口风速为0.5，1.0，2.0及4.0 m/s对采场爆破后粉尘质量浓度分布规律进行模拟，并分别对联络巷回风侧 3 m处巷道中央呼吸带高度粉尘质量浓度进行监测。图6所示为不同风速条件下粉尘质量浓度随时间变化规律。从图6可以看出：

图5 捕捉壁面条件下粉尘质量浓度变化Fig.5 Dust mass concentration changing regularities under trap-wall condition

(1) 联络巷入口风速越大，在进路内形成的漩涡流动作用越强，粉尘整体质量浓度越低，排出时间越短；

(2) 不同风速条件下粉尘质量浓度随时间变化规律基本一致，均为在某一时间点瞬间上升至最大值，然后随时间推移缓慢降低；

(3) 当风速为0.5，1.0，2.0及4.0 m/s时，测点质量浓度最大值分别为1 380，1 310，500及400 mg/m3，粉尘排出时间分别3 200，2 000，900及500 s；

图6 不同风速条件下粉尘质量浓度变化Fig.6 Dust mass concentration changing regularities at different wind velocity

(4) 较大的风速有利于粉尘颗粒的稀释及排出，但同时也容易造成已沉降粉尘的二次飞扬，综合考虑粉尘质量浓度与粉尘排出时间，可取联络巷入口风速为2 m/s进行通风除尘设计。

3.5 压入式通风条件下粉尘质量浓度变化规律

为加快采场爆破后粉尘排出速度，在联络巷内安装压入式局部通风机，经风筒将新鲜风流压至工作面附近。图7所示为压入式通风条件下采场进路内不同位置处粉尘质量浓度随时间变化规律。从图7可以看出：

(1) 压入式通风条件下粉尘质量浓度分布规律与未安装通风机时的相似，采场空间粉尘质量浓度较之未安装时有较大程度升高，粉尘排出时间大幅度降低；

(2) 采场空间粉尘质量浓度最高可达16.5 g/m3，采场内粉尘在160 s内基本能全部排出；

(3) 压入式通风条件下不同位置处粉尘质量浓度最大值出现时间相隔较短，在20 s附近达到最大值。

图7 压入式通风条件下粉尘质量浓度变化Fig.7 Dust mass concentration changing regularities under forced ventilation condition

3.6 实测数据与模拟结果对比分析

根据 GBZ/T 192.1—2007《工作场所空气中粉尘测定第1部分：总粉尘质量浓度》以及相关文献中的采样点布置方法，在44号采场联络巷回风侧3 m处布置测点，采用LD-5C型微电脑激光粉尘仪对采场爆破后粉尘质量浓度进行监测。实测数据与模拟结果对比如图8所示。从图8可以看出：模拟结果与实测数据基本吻合，粉尘质量浓度分布及变化规律基本一致。但质量浓度最大值发生点有所偏差，这是由于在现场实测、模型建立及参数设置过程中均会出现一定误差所造成的。通过对比分析，验证了模拟结果的准确性，说明运用离散相模型对巷道型采场爆破粉尘质量浓度分布及变化规律进行模拟是合适的。

图8 粉末质量浓度实测值与模拟值对比Fig.8 Comparison of dust mass concentration between field measurement and simulated model

4 结论

(1) 在采场进路断面方向，粉尘质量浓度呈由左至右、由下至上降低的分布规律；在轴线方向，粉尘质量浓度呈中间高，两侧低的分布态势。随着时间的推移，进路轴线上粉尘质量浓度最大值逐步向采场外移动，且数值逐步降低。

(2) 捕捉壁面条件下采场内粉尘质量浓度分布规律与反弹壁面相似，空间整体质量浓度较之反弹壁面条件要低，且质量浓度降低速率较快；因此采场内可以通过加强壁面洒水等措施来加速粉尘的沉降。

(3) 联络巷入口风速越大，在进路内形成的漩涡流动作用越强，粉尘整体质量浓度越低，排出时间越短。综合考虑粉尘整体质量浓度与粉尘排出时间，可取联络巷入口风速为2 m/s进行通风除尘设计。

(4) 压入式通风条件下采场空间粉尘质量浓度较之未安装时有较大程度升高，粉尘排出时间大幅度降低。在工作面条件允许的情况下，可通过安装压入式通风设备以加快爆破粉尘的排出。

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