高海拔掘進巷道混合式通風參數優化

林榮漢，李國清，胡乃聯，龔 劍，楊 樺

(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.西藏華泰龍礦業開發有限公司，西藏 拉薩850200)

高海拔掘進巷道混合式通風參數優化

林榮漢1，李國清1，胡乃聯1，龔 劍2，楊 樺2

(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.西藏華泰龍礦業開發有限公司，西藏 拉薩850200)

針對高海拔低壓低氧的工作環境下混合式通風系統參數優化，以西藏某銅礦為研究背景，使用FLUENT數值模擬掘進巷道內粉塵濃度在不同通風環境下變化規律，通過改變混合式通風的壓風量、風筒位置和抽壓風量比等通風參數進行對比實驗，總結通風參數對粉塵運移的影響規律，進而對通風參數進行優化處理。模擬結果為當壓風量為150 m3/min，壓、抽風筒出風口分別與掘進面距離為14 m、2 m，抽壓風量比為0.9時，粉塵質量濃度大幅度降低。通過現場實驗驗證數值模擬結果與實際狀況大致相符。

掘進巷道；混合式通風；數值模擬；高海拔礦山

掘進巷道作為地下礦開拓采掘過程中重要的施工地點，由于大量產塵的鑿巖爆破作業以及長距離通風路徑，導致其中的粉塵極難擴散，高質量濃度的粉塵對進行作業人員的身體健康和安全生產構成極大隱患[1-2]。本次研究的礦山高原背景，低壓低氧的外部環境對設備的正常運行和作業人員的身體健康都極為不利，而且低氧導致炸藥的不完全爆破以及燃油的不完全燃燒使得對人體危害極大的微塵(粒徑小于10 μm)濃度大幅升高，在各工種塵肺病患病率中最高的掘進工人若長時間在缺氧且高濃度粉塵的工作環境中工作，對作業人員的身體以及企業生產都造成更加嚴重的危害[3-4]。局部通風系統作為掘進面通風除塵措施的有力手段，科學合理的通風參數不僅僅能改善通風除塵效果，還有利于礦山企業資源的最大化利用。研究高海拔礦山掘進巷道混合式通風設備參數對于除塵效果的影響，對于礦井工人生命安全的保障和礦山企業生產的安全開展具有積極意義。

本研究將西藏自治區某高海拔銅金屬礦4 450 m工作面掘進巷道作為工程背景，運用流體力學軟件FLUENT數值模擬巷道內粉塵運移情況，根據氣固兩相流理論，通過對比實驗研究混合式通風的壓風量、風筒位置和抽壓風量比等通風參數，分析不同通風參數條件下的除塵效果，對通風參數進行優化，改善高海拔礦井通風除塵效果。

1 數學模型的力學控制方程

基于氣固兩相流理論研究掘進巷道內的粉塵在空氣流體中的運動規律，由于粉塵的粒徑相對較小，可以選擇歐拉-拉格朗日模型中的離散相模型(DPM)分別考慮流體和顆粒相的運動。

對于氣相流體，主要確定流場的速度和湍流動能分布，所以分布采用三維非穩態不可壓N-S方程確定流場速度和工程中普遍使用的標準k-ε雙方程模型求解湍流模型，模型計算不考慮熱能，只計算動能變化，對不可壓黏性流體N-S方程可表示為式(1)。

(1)

式中：ρ為密度；ui、uj為軸向速度(i≠j)，m/s；xi、xj為軸坐標(i≠j)，m；μt為湍流黏性系數、μ為層流黏性系數，Pa·s。

在標準k-ε雙方程模型中，k和ε的方程組見式(2)、式(3)[7-8]。

(2)

(3)

式中：ρ為密度；μt、μ分別為湍流黏性系數、層流黏性系數，Pa·s；k為湍動能，m2/s2；ε為湍動能耗散率，m2/s2；GK為湍動能變率；μi為流體在x方向上的速度，m/s；σk和σε分別是與湍動能k和耗散率ε相對應的Prandt數，分別取1.0、1.3；C1ε、C2ε為經驗常數，分別取1.44、1.92。

對于離散相，可采用拉格朗日方法描述顆粒運動，對顆粒受力微分方程進行積分，并忽略對于粉塵影響極小的質量力、布朗力等，得到簡化后方程見式(4)。

(4)

式中：Cd為氣體阻力系數；g為重力加速度，m/s2；ρ為空氣密度，kg/m3；u為空氣相對速度，m/s；ρP為粉塵密度，kg/m3；up為粉塵運動速度，m/s；dP為粉塵直徑，m。

2 幾何模型的建立及邊界條件

2.1 幾何模型的建立及網格劃分

掘進面的幾何模型將依據某礦4 450 m水平掘進面巷道作為研究對象，選取長度為50 m的巷道為計算區域，巷道斷面是高為3.7 m，寬為4.2 m的三心拱，壓風筒與抽風筒的風筒半徑均為0.25 m，風筒中心距地面2.3 m。使用GAMBIT進行建模，網格劃分先后采用pave和cooper劃分面網格和體網格，如圖1所示。

為利于模型建立及網格劃分，對掘進巷道內涉及粉塵擴散計算的模型區域做出如下假定：①理想化處理巷道模型為斷面保持一致的標準三心拱巷道；②模型中不考慮巷道內電纜電線、水管等對粉塵沉降影響不大的雜物；③為利于邊界條件設置，通風系統設備只考慮巷道內風筒部分；④考慮到掘進巷道內粉塵來源的復雜性，模擬中只設置爆破階段內掘進面單方向上產生的粉塵；⑤數值模擬過程只計算動能變化，忽略熱能變化。

圖1 混合式通風下掘進巷道的幾何模型及其網格劃分

2.2 邊界條件的設定及求解

將幾何模型的網格文件導入FLUENT中，根據4 450 m掘進巷道的實測數據，并結合理論計算相關參數，對求解器類型、主要邊界條件、離散相參數等進行設置[9-10]，其中考慮小于10 μm粒徑的粉塵對井下人員危害更加嚴重，粉塵粒徑設定值取小于10 μm，邊界條件設置如表1所示。

考慮高海拔礦山背景，根據實地測量數據和重力加速度計算公式分別得到海拔4 450 m處壓力和重力加速度，操作條件設置如表2所示。

表1 計算模型參數設定表

表2 操作條件參數設定表

3 通風參數數值模擬結果及分析

3.1 壓風量

固定壓、抽風筒出風口至掘進面距離分別為12 m和5 m，抽壓風量比為0.7，通過改變壓風量及抽風量，分析混合式通風在不同壓風量情況下粉塵運移效果，壓風量數值分別取100 m3/min、150 m3/min、200 m3/min和250 m3/min，模擬結果取通風時間為300 s時呼吸高度(1.5 m)的水平截面上粉塵質量濃度分布云圖。模擬結果如圖2所示。

由圖2能夠看出：在長壓短抽通風系統中，由于抽壓風量比小于1，所以粉塵都聚集在抽風筒一側，不同壓入風量的粉塵運移規律近似；巷道中風速隨著壓風量增大而增大，風流對粉塵的拖曳也隨之變強，從而粉塵的運移距離更大；由于本次研究的粉塵粒度偏小，粉塵沉積受重力影響小于壓風量的影響，不同風量情況下粉塵質量濃度差別很小，為此，在相同通風條件下研究了粉塵粒徑為1～100 μm的粉塵運移情況，模擬結果如圖3所示。

圖2 不同壓風量條件下呼吸高度粉塵質量濃度云圖

圖3 不同風量條件下呼吸高度粉塵質量濃度變化圖(研究粉塵粒度為1～100 μm)

由圖2、圖3模擬結果可以看出，粉塵移動距離規律與微小粒徑情況下相同，但是大顆粒粉塵在風速較低時較快沉降和二次揚塵的關系，當壓風量過大時，如風量為200 m3/min和250 m3/min，粉塵顆粒沉積量小，雖然粉塵運動較遠，但粉塵質量濃度存在高于40 mg/m3的情況，超出工業標準，不利于井下工作人員進一步開展工作，而壓風量值為100 m3/min時，導致粉塵移動過慢，排塵時間過長。而壓風量值為150 m3/min時，不僅保持粉塵質量濃度總體低于10 mg/m3，且排塵效果優于低風量情況。

3.2 壓風筒出風口位置

固定壓風量為150 m3/min、抽壓風量比為0.7和抽風筒吸口至掘進面的距離為5 m，改變壓風筒出風口至掘進面的距離，依次設置為8 m、10 m、12 m和14 m，得到壓風筒不同位置情況下在通風時間為300 s時呼吸高度(1.5 m)上粉塵質量濃度分布云圖，如圖4所示。

由圖4可以看出：隨著壓風筒出風口與掘進面的距離變大，粉塵擴散距離略微變大，粉塵質量濃度變小，近工作面區域粉塵擴散效果也更好，如14 m情況。當出風口距離8 m時的最大粉塵質量濃度雖然小于出風口距離10 m，但排塵效果不佳，沿程粉塵質量濃度偏大。因此在壓風筒有效射程內，增大壓風筒出風口與掘進面的距離有利于除塵。

3.3 抽風筒抽風口位置

固定壓風量為150 m3/min、抽壓風量比為0.7和壓風筒出風口至掘進面的距離為12 m，將抽風筒吸口至掘進面距離分別設置為2 m、3 m、4 m、5 m和6 m，得到抽風筒不同位置情況下在通風時間為300 s時呼吸高度(1.5 m)上粉塵質量濃度分布云圖，如圖5所示。

圖4 不同壓風距離條件下呼吸高度粉塵質量濃度云圖

圖5 不同抽風距離條件下呼吸高度粉塵質量濃度云圖

由圖5可以看出：隨著抽風筒抽風口與掘進面的距離變大，粉塵運移情況基本相同，粉塵運移距離也相差不大，粉塵擴散效果變化明顯。雖然抽風筒抽風口與掘進面的距離較大時，如5 m(d)和6 m，粉塵擴散情況較好，但是粉塵質量濃度仍然保持高數值，除塵效果不佳，而在2 m情況下，粉塵質量濃度總體保持較低水平，粉塵擴散情況也優于3 m和4 m情況，綜合考慮在不影響作業以及保障風筒安裝條件下，抽風筒風口到工作面的距離可盡量減小。

3.4 抽壓風量比

固定壓、抽風筒出風口與掘進面的距離分別為12 m和5 m，壓風量數值設為150 m3/min，通過改變抽出風量，依次設置抽壓風量比為0.5、0.7、0.9、1.1和1.3，研究不同抽壓風量比對粉塵質量濃度運移影響。模擬得到通風300 s時呼吸高度(1.5 m)上粉塵質量濃度分布云圖，結果如圖6所示。

圖6 不同抽壓風量比條件下呼吸高度粉塵質量濃度云圖

由圖可以看出，抽壓風量比的變化對于掘進巷道內的粉塵濃度影響十分巨大，總體上呈負相關關系。當抽壓風量比大于1時，粉塵質量濃度明下降，除塵效果優秀，如圖6中的(d)和(e)；當抽壓風量比小于1，抽壓風量比為0.9時，粉塵質量濃度總體上低于20 mg/m3，粉塵擴散效果也十分優秀，排塵效果明顯優于抽壓風量比為0.7和0.5的效果。

鑒于本次研究礦山的高海拔工程背景，考慮到巷道內氧氣含量等問題，抽壓風量比大于1后會使掘進巷道內形成負壓，氧氣含量也會有所下降，不利于高海拔施工，所以在抽壓風量比不大于1時，可盡量提高抽壓風量比。

4 實測數據對比分析

將現場通風系統按照壓入風量為150 m3/min、壓風筒出風口和抽風筒抽風口分別距離掘進面14 m和2 m，抽壓風量比為0.9布置，采用多通道激光塵埃粒子計數器測量掘進巷道在應用長壓短抽通風系統除塵前后的粉塵質量濃度，測點沿掘進面向出口每5 m取一個，每個測點進行3次測量并取平均值，然后將實測數據與模擬數據進行比照，對比結果見圖7。從結果可以看出，進行通風參數優化后，掘進巷道內粉塵質量濃度峰值為1.98 mg/m3，最小值為0.3 mg/m3，與通風參數優化前相比粉塵質量濃度平均降低了88.9%，最高達到93.4%，粉塵質量濃度大幅度降低，說明通風參數優化工作很好提高了通風除塵效率，改善了掘進巷道內粉塵質量濃度過高的問題。

圖7所示的模擬結果和優化后結果的走勢基本相符，但在粉塵質量濃度數值上模擬結果都低于實測數據，這是因為數值模擬過程將現場條件簡單化處理，減少了部分粉塵產生的條件以及有利于粉塵質量濃度減少。通過模擬結果和試驗結果的比照分析，可知使用數值模擬優化通風參數對礦山通風優化工作具有適用性。

圖7 通風參數優化前后粉塵質量濃度對比

5 結 論

1)對于粒徑較小的粉塵，壓風量影響粉塵運移距離，對于粉塵質量濃度影響較小；對于粒徑較大的粉塵，過大的壓風量導致二次揚塵等問題不利于除塵，適度的壓風量可以取得更優秀的除塵效果。

2)在高海拔情況下，在合理范圍內，抽風筒到掘進面的距離越小、壓風筒到掘進面的距離越大，抽壓風量比越大都有利于巷道內粉塵的排出。對于該礦掘進巷道，壓風量定為150 m3/min，壓風筒出風口與掘進面距離為14 m，抽風筒風口與掘進面距離為2 m，抽壓風量比為0.9時，不僅滿足高海拔礦井生產需要，而且也獲得較好的通風除塵效果。

3)使用FLUENT數值模擬的結果基本符合現場實測結果走勢，說明使用數值模擬優化通風參數基本符合實際情況，對于礦山通風除塵實際工作的開展具有參考意義。

4)結合高海拔工程背景，通過數值模擬對風量、風筒位置和抽壓風量比等通風參數進行優化，通過實測數據對比，通風參數優化后粉塵質量濃度大幅降低，通風參數優化結果可作為高海拔礦山通風除塵工作的理論參考依據。

[1] 王英敏. 礦井通風與除塵[M]. 北京: 冶金工業出版社, 1993: 25-35.

[2] 劉毅, 蔣仲安, 蔡衛, 等. 綜采工作面粉塵運動規律的數值模擬[J]. 北京科技大學學報, 2007，29(4): 351-353, 362.

[3] 牛保爐, 陳穎興, 邱海江, 等. 古書院礦掘進工作面混合式通風除塵技術的試驗研究[J]. 礦業安全與環保, 2006，33(6): 41-42, 46.

[4] 龔劍, 胡乃聯, 林榮漢, 等. 高海拔礦山掘進面長壓短抽式通風粉塵分布數值模擬[J]. 金屬礦山, 2014(12): 203-208.

[5] 劉向軍, 石磊, 徐旭常. 稠密氣固兩相流歐拉-拉格朗日法的研究現狀[J]. 計算力學學報, 2007, 24(2): 166-172.

[6] 蔣仲安, 陳梅嶺, 陳舉師. 巷道型采場爆破粉塵質量濃度分布及變化規律的數值模擬[J]. 中南大學學報: 自然科學版, 2013, 44(3): 1190-1196.

[7] 陳舉師, 王毅, 蔣仲安. 采場爆破煙塵濃度分布及擴散規律的數值模擬[J]. 煤炭學報, 2013, 38(S1): 147-152.

[8] 鄔長福, 金波, 陳祖云, 等. 掘進巷道混合式通風數值模擬研究[J]. 有色金屬: 礦山部分, 2015，67(1): 69-73.

[9] 王福軍. 計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M]. 北京:清華大學出版社, 2004: 63-65.

[10] 廖賢鑫, 蔣仲安, 牛偉, 等. 采場爆破粉塵運移規律的Fluent數值模擬[J]. 安全與環境學報, 2012, 12(6): 43-46.

Parameters optimization of combined ventilation in an excavation roadway of high-altitude mine

LIN Ronghan1, LI Guoqing1, HU Nailian1, GONG Jian2, YANG Hua2
(1.State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines of Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China; 2.Tibet Huatailong Mining Development Co., Ltd., Lhasa 850200, China)

In order to study the parameter optimization of mine combined ventilation system at high altitude, a copper mine in Tibet was taken as background, by using fluid mechanics software-FLUENT, the concentration distribution of dust in the excavation roadway under different ventilation environment was simulated based on the gas-solid two phase flow theory. By changing combined ventilation parameters including pressure volume, location of ventilation tube and pumping air volume ratio, the influence of the ventilation parameters on dust transport was summarized to optimize the combined ventilation parameters. The simulation results: when the pressure volume is 150 m3/min; pressure tube and ventilation tube outlet is respectively at a distance from the heading face for 14 m and 2 m; pumping air volume ratio is 0.9, the concentration of dust was reduced greatly. The numerical simulation results are roughly in line with the actual situation through the field experiment.

excavation roadway; combined ventilation; numerical simulation; high-altitude mine

2016-09-15

林榮漢(1991-)，男，漢族，福建福州人，碩士研究生，主要從事礦業系統工程和礦業安全方面的研究工作，E-mail：linronghan@163.com。

李國清(1973-)，女，博士，副教授，主要從事礦業系統方面的教學與研究工作，E-mail：qqlee@ustb.edu.cn。

TD722

A

1004-4051(2017)04-0121-05