露天煤矿穿孔环节粉尘运移规律模拟仿真研究

丁新启 张瑞新 陈再明 邓有燃 王璟川 孙健东

（1.中煤平朔集团有限公司,山西 朔州 036000;2.华北科技学院安全工程学院,河北 三河 065200;3.中煤平朔集团有限公司安家岭露天矿,山西 朔州 036000）

钻机穿孔作业环节是露天开采工艺的首要环节。钻机作业时,大量岩屑从钻杆与孔壁间隙排出,随风流向采场四周扩散,最高浓度超过1 000mg/m3,导致作业场所空气质量恶化[1-3],成为露天矿山主要尘源之一[4-5]。同时,在钻机凿岩过程中因岩石硬度、钻头进给速度变化导致产尘量和粉尘粒径分布差别较大,治理难度较大[6]。陈举师等[7]对露天矿山边坡钻孔作业中采场风速、供气压力和钻具转速对潜孔钻机产生粉尘进行研究发现,风速是采场影响粉尘分布的最主要因素。在治理穿孔环节超标问题领域,众多专家在除尘器制造和抑尘剂研制方面进行了大量研究[8-9]。考虑钻机作业时,地面受扰动影响较大,易破坏抑尘剂使用效果,抑尘剂研制面临挑战。物理防治方面,葛少成、高振等[10-12]研究露天矿山潜孔钻机粉尘分布规律,提出优化单一式旋风除尘系统并通过实验验证取得较好效果,但在实际应用中受作业条件变化影响较大。研究发现,粉尘从钻杆与孔壁间隙向外排出后,大颗粒粉尘直接沉降在钻孔周围,粒径较小颗粒随风流向采场扩散,但露天矿领域内对钻孔粉尘产生和随风流运移规律研究较少[13]。

本项目以安家岭露天矿使用的1175E牙轮钻机为研究对象,对钻孔粉尘运移规律进行数值模拟,分析钻孔粉尘在风流影响下粉尘浓度的分布规律。通过研究钻孔粉尘的运移规律,可有效指导现场实施降尘和抑尘措施,对降低钻孔粉尘污染问题有现实意义。

1 粉尘产生机理

露天矿牙轮钻机为旋转冲击式钻孔机械,它依靠较大的轴压力和回转扭矩在地面同时钻进和回转[14],多用于厚煤层穿孔作业。作业时,钻机通过钻杆将牙轮钻头送至孔底,在钻杆的旋转作用下,钻头上的牙轮滚动,通过滚齿传递冲击和压入力,使岩石破碎[15-16]。高速旋转的钻头与岩石相互作用,在强摩擦力作用下产生粉尘,随着钻孔深度加大,对岩层扰动作用加强,产生大量粉尘。为使得后续的爆破作业预装的乳化炸药产生良好的爆炸效果,空压机对外界空气压缩并通过钻头将高压气体作用于钻孔内壁,大部分粉尘颗粒受高压气体作用排到孔外。粒径较大的岩屑在炮口附近自由沉降,细小颗粒可随风流在空气中扩散,造成粉尘污染。

2 数学模型

根据气—固两相流中对粉尘相和空气相的2种处理方式,即欧拉—欧拉研究方法和欧拉—拉格朗日研究方法。本项目选用欧拉—拉格朗日研究方法,将空气视为连续相,粉尘为离散相,选择三维不可压缩瞬态纳维—斯诺克斯方程为控制方程和湍流的Realizable k-ε双方程模型,根据压力梯度影响在近壁面加强处理效果,重点研究某一粉尘颗粒在不同时刻的运动和分布状态[17-18]。模型考虑连续相与离散相间动量传递、对流扩散和离散相自身受力,得到模型求解方程如下。

质量守恒方程:

动量守恒方程:

粉尘受力方程:

式中,ρ为连续相密度,kg/m3;t为颗粒运动时间,s;xp为粉尘运动距离,m;up为粉尘运动速度,m/s;Sp为粉尘源质量,kg;ui、uj为连续相在x 和y方向的速度,m/s;xi、xj为颗粒在x和y方向坐标,m;p为流体相压力,Pa;Fi为颗粒流阻力;τij为应力张量;mp为粉尘质量,kg;u为连续相速度,m/s;ρp为粉尘密度,kg/m3;tr为粒子的弛豫时间,s;dp为粉尘颗粒粒径,m;g为重力加速度,m/s2;F为粉尘受到重力以外的其他力。

F可以根据如下公式计算:

式中,CD为阻力系数。

综合上述粉尘颗粒在空气中的受力情况,结合相关学者对空气介质中粉尘颗粒运动研究,可将粉尘在空气中的运动方程[19-21]整理为

3 构建几何模型和边界条件划分

3.1 采场概况及作业机械几何模型建立

以1175E电驱动牙轮钻机为研究对象建立几何模型,空压机最大工作风压为0.690 MPa,钻孔直径为250 mm,模型外形尺寸为14 730 mm×5 685 mm×16 595 mm,钻孔深度约为17 m,穿孔环节尘源位置为钻杆与孔壁间的内径为15 mm,外径为25 mm的环形区域。

因露天煤矿现场作业情况复杂,建模中难以考虑现场全部因素,对露天煤矿穿孔作业产生粉尘扩散计算区间做出如下假设:①钻机机身简化为长方体,底部行走部分以履带形状表示,钻架用长方体表示;②钻头为穿孔环节核心作业器具,尽量接近现实;③粉尘在牙轮钻机作业时产生,钻机开始作业前和结束作业后不考虑。

为了得到准确的粉尘扩散规律,根据安家岭露天矿穿孔环节所在平盘现场实际情况,使用SpaceClaim软件建立尺寸为150 m×20 m×15 m的长方体作为穿孔作业计算区域,以钻孔与地面相交圆心为坐标原点,钻杆与孔壁之间的环形区域为尘源位置,构建几何模型如图1。

图1 钻机机身几何模型和环形尘源Fig.1 Geometry model of the rig body and annular dust source

3.2 网格划分和边界条件设置

本研究模型前处理使用Fluent Meshing进行网格划分,对计算区域边界和模型壁面边界增加边界层以获得较高的计算精度,导入网格文件后,检查网格质量,无负体积网格生成,最小网格体积为3.590 023×10-12m3,网格扭曲度为0.201,导入求解器计算。求解模型利用结合增强型壁面函数法的Realizable k-ε湍流双方程模型[22],通过Couple算法实现速度、压力基分离求解器和二阶精度的离散差分格式求解。

通过相关文献查阅并结合现场作业规程,实地调查现场作业现状确定穿孔作业过程的相关参数设定,结合粉尘颗粒受力方程和Fluent数值模拟方法设定计算模型的参数如表1所示[23-25]。

表1 FLUENT数值模拟参数设定Table 1 FLUENT numerical simulation parameter setting

4 数值模拟结果分析

4.1 采场内风流速度分布与分析

研究穿孔环节粉尘质量浓度分布规律,首先应该详细了解采场内风流分布。根据我国北方人口平均身高取呼吸带高度为1.5 m所在高度平面与钻孔所在平面形成交叉平面,得到流场内风流速度分布渲染云图如图2。

从图2可以看出,风流从钻机后方进入采场,沿采场走向流动,在流场断面受到钻机后方和左侧采场边界影响,风速随距离壁面减小逐步降低;钻机前方和采场前方出现风流漩涡,因钻机机身遮挡导致漩涡内气流与外界流通性能较差,一定程度上限制了采场排尘效果;在风流入口附近,风速保持在5.3 m/s左右,随着风流发展,风速在靠近钻机和壁面位置下降,保持在3.78～5.1 m/s内,在漩涡处风速降低至1 m/s以下,随风流继续向前流动,同时受湍流作用影响速度回升。

4.2 采场内粉尘质量浓度分布与分析

1175E电驱动牙轮钻机的钻杆长10.7 m,完成单杆钻进需要约10min,为了研究钻孔作业过程中粉尘质量浓度随时间变化规律及采场空间内的分布规律,首先在安家岭实地观测穿孔环节产尘情况,现场拍摄得到钻机在工作过程中粉尘实时分布状态如图3所示,通过实地观测得知穿孔环节钻机产尘量较大时间集中于钻机开始工作2.5 min内。

分析图3得知,钻机工作初期距离地面较近,钻杆内部高压气体与环境空气相互作用造成粉尘颗粒受到扰动较大,钻机自带捕尘装置难以收集全部粉尘,随钻头进给深度加大,产尘量变大,逸散粉尘浓度加大,后继续增大进给深度,捕尘装置可收集环形间隙内产生的大部分粉尘,从钻孔逸散粉尘减少。

图3 钻机在工作过程中粉尘实时分布状态Fig.3 The real-time distribution of dust during the working process of the drilling rig

为了动态反映穿孔环节粉尘的运移规律,从模拟计算开始至结束共10min,实时监控采场内粉尘分布状态。如图4所示,通过显示计算域内全部粉尘颗粒结合粉尘在采场内的停留时间,可反映采场内粉尘颗粒的分布状态。由图4可知,前80 s内,粉尘向采场下风向和台阶高度增加的方向移动,且呈现粉尘颗粒先增多后减少的变化趋势。170 s后粉尘颗粒停留在采场内的时间变长,颗粒数目基本保持不变。

图4能够较直观地反映采场内粉尘的分布状态,但缺少粉尘浓度随时间变化的连续性。为了较准确描述穿孔环节粉尘质量浓度随时间变化规律,沿采场下风向1 m、5m、10m、20 m、50m、70m、90 m、100 m各设置1个粉尘质量浓度监测面,监测面以呼吸带高度所在平面（y=1.5 m）与z=0 m垂面的交线上的点为中心,分别向y轴和z轴正负2个方向延伸1 m,形成面积为4 m2的监测面,以研究粉尘从环形区域排出后沿采场下风向（x轴正向）不同距离浓度随时间变化规律。

图4 不同时间采场内粉尘颗粒的分布状态Fig.4 The distribution of dust particles in the stope at different times

不同断面粉尘质量浓度随时间变化图如图5所示。

图5 不同断面粉尘质量浓度随时间变化Fig.5 Graph of the variation of the dust mass concentration of different parts of the dust with time

由图5可知,沿采场下风向不同断面粉尘质量浓度变化规律大致相同,不同监测点位置粉尘质量浓度随时间先急剧增大,后在一定浓度区间内上下波动。钻机开始作业39 s左右时,粉尘质量浓度最高可达到480 mg/m3。 在 47、52、63 s时,粉尘扩散至钻孔下风向 50、70、90 m处。在80 s左右时,距离钻孔位置1 m处监测面粉尘质量浓度均在400 mg/m3上下浮动,距离钻机下风向5m左右采场风流受机身影响最为严重,此处粉尘质量浓度波动区间较大,监测面随采场向下延伸粉尘质量浓度峰值下降。90 s时,粉尘扩散至钻孔下风向100 m处,此处最高粉尘质量浓度为73 mg/m3。 在 220、240、260 s时,50m、70m、90 m处粉尘质量浓度趋于稳定值,分别为140、115、95 mg/m3。270 s后,钻孔下风向100 m处平均粉尘质量浓度在15mg/m3以下。不同高度断面粉尘沿程质量浓度分布如图6所示。

图6 不同高度断面粉尘沿程质量浓度分布Fig.6 Distribution diagram of mass concentration of the dust along different heights

如图6所示为取采场内粉尘质量浓度最大时刻（t=80 s）,钻孔中心所在yOz平面内不同高度粉尘质量浓度沿程分布,由图6可以看出,在各高度断面沿采场下风向粉尘质量浓度均呈现先急剧上升到最大值,在钻孔下风向6 m处达到最大值,最大值出现在接近地面位置为510 mg/m3,之后快速降低到较小值,最后粉尘质量浓度缓慢下降,距离钻孔下风向120 m处粉尘质量浓度基本为3 mg/m3,认为粉尘不再沿采场方向扩散;随采场监测高度向上移动,粉尘质量浓度变化趋势大致相同,峰值随高度变化呈现沿采场方向推移且降低趋势,到达采场高度12m时,最高粉尘质量浓度出现在采场下风向13 m处,最高值为260 mg/m3,之后随采场风流扩散至120 m处时,粉尘质量浓度可降低为0。

4.3 实测数据与模拟结果对比分析

根据《GB 5748—1985作业场所空气中粉尘测定标准》和《GBZ/T 192—2007工作场所空气中粉尘测定》中第一部分总粉尘浓度的测定方法及相关文献中采样方法,在呼吸平面（y=1.5m）高度且距离钻孔水平距离-10 m、-5 m、-1 m、0 m、1 m、5 m、10 m、20 m、30 m、50 m、70 m、100 m、120 m处设置13个粉尘质量浓度监测点,每个测点测试5组数据取平均值,得出实验数据与模拟结果对比如图7所示。

图7 模拟与实测粉尘浓度对比图Fig.7 Comparison chart of simulated and measured dust concentration

从图7可以得知,露天煤矿穿孔环节在进行过程中,因露天作业过程中外界气候环境因素变化较大,在构建几何模型和参数设置时存在一定误差。测点粉尘质量浓度实际数据与模拟数据大致相符,沿采场方向粉尘质量浓度变化趋势基本相同。通过现场实测数据与模拟数据对比,平均误差在35mg/m3内,验证模拟方法的可行性。

5 结论和建议

通过上述对安家岭露天矿穿孔环节粉尘运移规律模拟和实验验证,得到如下结论:

（1）时间尺度上,采场空间内粉尘质量浓度随时间变化呈现先迅速增大在一定浓度区间内波动趋势,并在1.5 min左右时保持在较稳定状态,在穿孔作业进行到10 min时距离钻孔下风向100 m处粉尘质量浓度降为10 mg/m3以下。空间尺度上,沿采场下风向粉尘质量浓度先增加后降低,因钻机设备占有体积较大对采场内空气流动造成影响导致粉尘颗粒在钻孔前方5～10 m处出现积聚现场,之后可随风流向外扩散。

（2）在钻孔中心所在竖直平面内,粉尘质量浓度随高度变化逐渐降低,在高度达到5 m左右时,粉尘质量浓度保持在较低水平。不同高度粉尘质量浓度沿采场走向先升高后降低,在x=35 m左右时可保持较低水平。

（3）根据现场作业实际情况,监测断面在3 m以上时最高粉尘质量浓度浮动较小,且最高粉尘质量浓度均出现在采场下风向6m左右位置,因此考虑在钻机周围5～10 m位置加固高度不低于5m的流动式围挡设施,防止粉尘向外扩散,可大大降低粉尘扩散距离,并且该措施已应用于现场,取得较好效果。