矿山粉尘分布及扩散规律研究进展

马旭峰，任小花，崔兆杰（.鞍钢集团矿业公司，辽宁鞍山4000；.潍坊科技学院，山东寿光6700；.山东大学，山东济南5000）；



矿山粉尘分布及扩散规律研究进展

马旭峰1，任小花2，崔兆杰3
（1.鞍钢集团矿业公司，辽宁鞍山114000；2.潍坊科技学院，山东寿光262700；3.山东大学，山东济南250100）；

摘要：对采矿粉尘分布及扩散规律的实验研究和数值模拟研究进展进行综述，研究表明实验结果与模拟结果基本一致，但是模拟可以给出更加详尽的粉尘浓度、分布和扩散规律数据，为有针对性地采取防尘措施、选择除尘技术提供科学的理论依据，并对今后的发展方向进行了展望。

关键词：粉尘；分布规律；扩散规律；数值模拟

目前，许多生产活动都会产生粉尘，尤其是矿山开采。我国大部分矿山已进入露天凹陷开采阶段，钻眼、爆破、装载、运输和堆场等环节都会产生大量粉尘。矿山开采粉尘具有产尘量大、浓度高、范围广和危害大等特点。据报道，矿山开采产生的粉尘粒径小于10 μm占90%，粒径小于5 μm的占86.3%[1]。研究表明，矿山开采职工长期吸入粒径小于5 μm的粉尘，尤其是粒径小于2.5 μm的粉尘，会对职工身体产生严重危害[2]。这些微细粉尘一般都含有重金属和致病菌，进入人体后，会对神经系统、肺、心脏、血管等器官造成损害[3]。魏复盛等[4]研究了粉尘对人体呼吸系统的影响，结果表明，粉尘粒径小于10 μm，尤其是小于2.5 μm的占比越高，人体呼吸系统的发病率越高，小于2.5 μm粉尘的影响尤为显著。Guo等人[5]的研究表明，粒径小于2.5 μm的粉尘对心血管的危害要大于粒径小于10 μm的粉尘。

可见，矿山防尘降尘势在必行，而掌握粉尘的分布规律和扩散规律对制定有效的防尘降尘措施具有重大意义。综述了矿山粉尘分布和扩散的实验和数值模拟研究成果，以期为开发有效防尘降尘技术提供理论支撑和科学依据。

1　　粉尘分布及扩散规律

1.1粉尘分布及扩散规律的实验研究

人类很早就意识到粉尘的危害，国外研究学者对其分布规律研究开展较早。Hodkinson[6]进行了风巷中粉尘的弥散实验，得到了粉尘浓度沿风向的变化曲线。Courtney等人[7]研究了呼吸性粉尘在巷道中的沉降规律，得到了巷道断面呈中心对称时粉尘沿程浓度分布的表达式。

国内学者对粉尘的分布和扩散规律也进行了详细的研究，特别是1980年以来，人们对粉尘的危害有了更进一步认识，对粉尘的分布和扩散规律研究也更加深入。徐景德等人[8]对粉尘运移和浓度分布进行了实验研究，结果表明，风速和尘源是决定粉尘分布的关键影响因素，得到了不同风速下粉尘浓度沿距离的变化规律。刘荣华等人[9]研究了综采工作面采煤机工作时粉尘在工作面的分布，结果表明，工作面风速越小，粉尘的扩散角越大。聂百胜等人[10]采用粉尘浓度测量仪对山西晋城某煤矿综采工作面进风巷、辅助回风巷、主回风巷3条巷道和工作面的全尘、PM10和PM2.5粉尘进行了研究，结果表明，3条巷道全尘、PM10和PM2.5粉尘的分布规律不同，工作面的PM2.5粉尘浓度严重超标。

可以看出，目前粉尘分布和扩散的实验研究主要针对煤矿开采，对铁矿开采粉尘的分布和扩散研究较少。

1.2粉尘分布及扩散规律的模拟研究

现阶段研究认为，粉尘粒子在气体中的运动一般是由两种简单运动组合而成，一种是水平运动，一种是重力沉降运动，但其具体的运动状态很复杂，实验研究很难解释清楚，因此，众多研究学者转向粉尘扩散的模拟研究。

潘大勇[11]通过分析巷道中风流和粉尘的特征，运用气固两相流理论，在滑移-扩散模型的基础上，建立了掘进工作面粉尘分布和扩散的数学模型，通过模型模拟，得到了粉尘浓度的模拟分布规律，研究表明，模拟计算结果与实验研究结果有很好的一致性，均相对误差小于13.6%。王海桥等人[12]采用模拟软件对巷道射流通风流场进行了CFD模拟研究，建立了紊流κ-ε数学模型，模拟结果表明，受限贴附射流起始段小于贴附自由射流起始段，射流完全贴附后，射流壁面轴心速度大于出风口轴心速度，与实验结果对比可以发现，数值模拟结果较好。李月清[13]对粉尘在不同气流中的扩散规律进行了研究，建立了静态流、层流、湍流等状态下的粉尘扩散方程。马云东等人[14]对单个粉尘的受力进行分析，建立了粉尘颗粒的一般性运动方程，然后采用Lagrange法建立了湍流状态下粉尘颗粒的运动轨迹方程，最后采用Monte Carlo方法模拟了粉尘的扩散轨迹，该研究成果对转载点粉尘的抑尘具有参考价值。廖贤鑫等人[15]采用Fluent软件对西石门铁矿南二采区爆破后粉尘分布及扩散规律进行模拟，结果表明，采场爆破后很快产生大量粉尘且浓度较高，粉尘的扩散受风流流场影响比较明显，PM10沉降需较长时间。刘毅等人[16]对唐山矿综采工作面粉尘浓度进行了现场实测和数值模拟，结果表明，模拟结果和实测数据相一致，说明数值模拟可行。牛伟[17]和崔兆华[18]以综放工作面的实测数据为依据，采用Fluent软件对粉尘浓度分布进行数值模拟，给出了工作面粉尘的分布和扩散规律，模拟结果与现场实测结果相吻合，可以认为，从空间模型简化、网格划分，到计算模型选择和参数设置，再到计算机模拟，结果具有一定的准确性，可为现场防尘抑尘提供依据。

以上研究主要限于二维数值模拟，具有一定的局限性，因此，有些研究者尝试开展了粉尘分布和扩散规律的三维数值模拟研究。

周刚等人[19]采用数值模拟对综放工作面粉尘浓度的三维分布规律进行了研究，建立了求解粉尘浓度空间分布规律的气相湍流-颗粒相湍流双流体封闭方程组的数学建模。杨胜来[20]通过分析综采工作面流场及粉尘分布特点，提出了运用气-粒两相流理论建立描述综采工作面粉尘分布的数学模型，首先采用有限容积法求解微分方程组，建立和导出离散化方程，求解方程得到未知变量在空间的分布，然后采用SIMPL[21]算法编写计算综采工作面三维空间内风速和粉尘浓度的大型计算机程序，最后采用该程序模拟了综采工作面粉尘的三维两相紊流流动，该程序还可以在任何给定条件下预报综采工作面空间的粉尘分布。

2　　结论与展望

综述了煤矿、铁矿等工作面粉尘分布和扩散规律的实验研究和数值模拟研究进展，实验研究结果与模拟结果基本一致，但是模拟可以给出更加详尽的粉尘浓度、分布数据，可以弥补单一现场监测方法预见性较弱的缺陷，有针对性地采取防尘措施，有效地降低工作面的粉尘浓度，为除尘提供科学的理论依据。

将比较成熟的采煤工作面粉尘分布和扩散的数值模拟方法应用于其他矿种粉尘的分布和扩散研究，是未来研究方向之一；如何将数值模拟结果更好地用于指导现场防尘除尘也是一个研究方向。

参考文献

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中图分类号：X75;TD714

文献标志码：A

文章编号：1674-0912（2016）01-0028-03

收稿日期（2015－06－03）

作者简介：马旭峰（1960-），男，辽宁鞍山人，教授级高级工程师，研究方向：矿山开采技术和粉尘治理技术等。

Research progress on distribution and diffusion regularities of mine dust

MA Xufeng1,REN Xiaohua2,CUI Zhaojie3
（1.Ansteel Mining,Anshan 114000,China；2.Weifang University of Science and Technology,Shouguang 262700,China；3.Shandong University,Jinan 250100,China）

Abstract:The recent progress and achievements in the experiments and numerical simulations of mine dust distribution and diffusion are reviewed in this paper.The study shows that the experiment results are generally consistent with the simulation results.However,the simulations obtain the more detailed data of dust concentration, distribution and diffusion,which could provide scientific theoretical basis for taking effective dust prevention measures and selecting dust removal technologies.Additionally,the future development trends are prospected.

Keywords:dust;distribution;diffusion;numerical simulation