礦山粉塵分布及擴散規律研究進展

馬旭峰，任小花，崔兆杰（.鞍鋼集團礦業公司，遼寧鞍山4000；.濰坊科技學院，山東壽光6700；.山東大學，山東濟南5000）；

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礦山粉塵分布及擴散規律研究進展

馬旭峰1，任小花2，崔兆杰3
（1.鞍鋼集團礦業公司，遼寧鞍山114000；2.濰坊科技學院，山東壽光262700；3.山東大學，山東濟南250100）；

摘要：對采礦粉塵分布及擴散規律的實驗研究和數值模擬研究進展進行綜述，研究表明實驗結果與模擬結果基本一致，但是模擬可以給出更加詳盡的粉塵濃度、分布和擴散規律數據，為有針對性地采取防塵措施、選擇除塵技術提供科學的理論依據，并對今后的發展方向進行了展望。

關鍵詞：粉塵；分布規律；擴散規律；數值模擬

目前，許多生產活動都會產生粉塵，尤其是礦山開采。我國大部分礦山已進入露天凹陷開采階段，鉆眼、爆破、裝載、運輸和堆場等環節都會產生大量粉塵。礦山開采粉塵具有產塵量大、濃度高、范圍廣和危害大等特點。據報道，礦山開采產生的粉塵粒徑小于10 μm占90%，粒徑小于5 μm的占86.3%[1]。研究表明，礦山開采職工長期吸入粒徑小于5 μm的粉塵，尤其是粒徑小于2.5 μm的粉塵，會對職工身體產生嚴重危害[2]。這些微細粉塵一般都含有重金屬和致病菌，進入人體后，會對神經系統、肺、心臟、血管等器官造成損害[3]。魏復盛等[4]研究了粉塵對人體呼吸系統的影響，結果表明，粉塵粒徑小于10 μm，尤其是小于2.5 μm的占比越高，人體呼吸系統的發病率越高，小于2.5 μm粉塵的影響尤為顯著。Guo等人[5]的研究表明，粒徑小于2.5 μm的粉塵對心血管的危害要大于粒徑小于10 μm的粉塵。

可見，礦山防塵降塵勢在必行，而掌握粉塵的分布規律和擴散規律對制定有效的防塵降塵措施具有重大意義。綜述了礦山粉塵分布和擴散的實驗和數值模擬研究成果，以期為開發有效防塵降塵技術提供理論支撐和科學依據。

1　　粉塵分布及擴散規律

1.1粉塵分布及擴散規律的實驗研究

人類很早就意識到粉塵的危害，國外研究學者對其分布規律研究開展較早。Hodkinson[6]進行了風巷中粉塵的彌散實驗，得到了粉塵濃度沿風向的變化曲線。Courtney等人[7]研究了呼吸性粉塵在巷道中的沉降規律，得到了巷道斷面呈中心對稱時粉塵沿程濃度分布的表達式。

國內學者對粉塵的分布和擴散規律也進行了詳細的研究，特別是1980年以來，人們對粉塵的危害有了更進一步認識，對粉塵的分布和擴散規律研究也更加深入。徐景德等人[8]對粉塵運移和濃度分布進行了實驗研究，結果表明，風速和塵源是決定粉塵分布的關鍵影響因素，得到了不同風速下粉塵濃度沿距離的變化規律。劉榮華等人[9]研究了綜采工作面采煤機工作時粉塵在工作面的分布，結果表明，工作面風速越小，粉塵的擴散角越大。聶百勝等人[10]采用粉塵濃度測量儀對山西晉城某煤礦綜采工作面進風巷、輔助回風巷、主回風巷3條巷道和工作面的全塵、PM10和PM2.5粉塵進行了研究，結果表明，3條巷道全塵、PM10和PM2.5粉塵的分布規律不同，工作面的PM2.5粉塵濃度嚴重超標。

可以看出，目前粉塵分布和擴散的實驗研究主要針對煤礦開采，對鐵礦開采粉塵的分布和擴散研究較少。

1.2粉塵分布及擴散規律的模擬研究

現階段研究認為，粉塵粒子在氣體中的運動一般是由兩種簡單運動組合而成，一種是水平運動，一種是重力沉降運動，但其具體的運動狀態很復雜，實驗研究很難解釋清楚，因此，眾多研究學者轉向粉塵擴散的模擬研究。

潘大勇[11]通過分析巷道中風流和粉塵的特征，運用氣固兩相流理論，在滑移-擴散模型的基礎上，建立了掘進工作面粉塵分布和擴散的數學模型，通過模型模擬，得到了粉塵濃度的模擬分布規律，研究表明，模擬計算結果與實驗研究結果有很好的一致性，均相對誤差小于13.6%。王海橋等人[12]采用模擬軟件對巷道射流通風流場進行了CFD模擬研究，建立了紊流κ-ε數學模型，模擬結果表明，受限貼附射流起始段小于貼附自由射流起始段，射流完全貼附后，射流壁面軸心速度大于出風口軸心速度，與實驗結果對比可以發現，數值模擬結果較好。李月清[13]對粉塵在不同氣流中的擴散規律進行了研究，建立了靜態流、層流、湍流等狀態下的粉塵擴散方程。馬云東等人[14]對單個粉塵的受力進行分析，建立了粉塵顆粒的一般性運動方程，然后采用Lagrange法建立了湍流狀態下粉塵顆粒的運動軌跡方程，最后采用Monte Carlo方法模擬了粉塵的擴散軌跡，該研究成果對轉載點粉塵的抑塵具有參考價值。廖賢鑫等人[15]采用Fluent軟件對西石門鐵礦南二采區爆破后粉塵分布及擴散規律進行模擬，結果表明，采場爆破后很快產生大量粉塵且濃度較高，粉塵的擴散受風流流場影響比較明顯，PM10沉降需較長時間。劉毅等人[16]對唐山礦綜采工作面粉塵濃度進行了現場實測和數值模擬，結果表明，模擬結果和實測數據相一致，說明數值模擬可行。牛偉[17]和崔兆華[18]以綜放工作面的實測數據為依據，采用Fluent軟件對粉塵濃度分布進行數值模擬，給出了工作面粉塵的分布和擴散規律，模擬結果與現場實測結果相吻合，可以認為，從空間模型簡化、網格劃分，到計算模型選擇和參數設置，再到計算機模擬，結果具有一定的準確性，可為現場防塵抑塵提供依據。

以上研究主要限于二維數值模擬，具有一定的局限性，因此，有些研究者嘗試開展了粉塵分布和擴散規律的三維數值模擬研究。

周剛等人[19]采用數值模擬對綜放工作面粉塵濃度的三維分布規律進行了研究，建立了求解粉塵濃度空間分布規律的氣相湍流-顆粒相湍流雙流體封閉方程組的數學建模。楊勝來[20]通過分析綜采工作面流場及粉塵分布特點，提出了運用氣-粒兩相流理論建立描述綜采工作面粉塵分布的數學模型，首先采用有限容積法求解微分方程組，建立和導出離散化方程，求解方程得到未知變量在空間的分布，然后采用SIMPL[21]算法編寫計算綜采工作面三維空間內風速和粉塵濃度的大型計算機程序，最后采用該程序模擬了綜采工作面粉塵的三維兩相紊流流動，該程序還可以在任何給定條件下預報綜采工作面空間的粉塵分布。

2　　結論與展望

綜述了煤礦、鐵礦等工作面粉塵分布和擴散規律的實驗研究和數值模擬研究進展，實驗研究結果與模擬結果基本一致，但是模擬可以給出更加詳盡的粉塵濃度、分布數據，可以彌補單一現場監測方法預見性較弱的缺陷，有針對性地采取防塵措施，有效地降低工作面的粉塵濃度，為除塵提供科學的理論依據。

將比較成熟的采煤工作面粉塵分布和擴散的數值模擬方法應用于其他礦種粉塵的分布和擴散研究，是未來研究方向之一；如何將數值模擬結果更好地用于指導現場防塵除塵也是一個研究方向。

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中圖分類號：X75;TD714

文獻標志碼：A

文章編號：1674-0912（2016）01-0028-03

收稿日期（2015－06－03）

作者簡介：馬旭峰（1960-），男，遼寧鞍山人，教授級高級工程師，研究方向：礦山開采技術和粉塵治理技術等。

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