某礦山掘進巷道粉塵濃度分布規律*

李 剛 吳將有

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

在礦井開采過程中，掘進工作面在鉆孔、爆破及裝運過程中均會產生大量粉塵，是礦山井下作業最主要的產塵場所之一[1-2]。目前，我國相當一部分礦山已經進入了深部開采階段，井下粉塵的污染問題越發嚴重。由于掘進工作面為無組織擴散塵源，且通風條件差、粉塵易積聚，致使作業面粉塵濃度高且不易排出。高濃度的粉塵會加快機械設備磨損，干擾作業人員生產操作視線，可能會引發一系列安全事故；另一方面會污染工作場所，產生一系列的環境污染問題，嚴重影響了生產作業人員的安全與健康[3-5]。研究礦山掘進巷道的粉塵分布規律可對礦山掘進巷道的粉塵控制技術方法研究、通風除塵系統設計提供理論參考，對于保護礦工安全與健康，改善礦井作業環境具有重要意義。本研究以某礦井巷道掘進工作面為研究對象，采用“離散相”模型法對掘進巷道的通風系統構建數值模型[6-8]，分析掘進巷道的粉塵濃度分布規律，為礦井掘進巷道粉塵濃度預測及治理提供可靠依據。

1 數值模型構建及參數設計

本研究以某礦井巷道掘進工作面為例，構建幾何模型，該礦山井下掘進巷道采用長抽短壓混合式通風系統。根據現場實測，巷道斷面尺寸為3.7 m×2.5 m的三心拱，風筒直徑為0.5 m，風筒中心到地面的垂直高度為2.5 m，掘進巷道總長度為50 m。壓風筒出口與掘進工作面的距離約為10 m，抽風筒入口與掘進工作面的距離約為20 m。綜合考慮掘進巷道的實際情況以及模擬分析需要，對掘進工作面現場情況進行了一定程度簡化[9]。本研究掘進工作面幾何模型如圖1、圖2所示。

圖1 掘進巷道幾何模型

圖2 掘進巷道幾何模型網格劃分

模型塵源參數見表1。

表1 塵源參數設定結果

2 粉塵濃度數值模擬結果

通過迭代計算，得出該礦山掘進巷道粉塵濃度分布的模擬結果，圖3、圖4為掘進巷道各斷面的粉塵濃度分布圖，其中X平面為巷道縱截面(寬度方向)，Y平面為巷道橫截面(高度方向)。

圖3 巷道橫斷面粉塵濃度分布

3 模擬值與實測值對比分析

由于現場測量難度較大，本研究僅在呼吸帶高度(取1.5 m)每隔5 m選取1個測點進行測量，共選取了11個測點。采用IFC-2防爆型粉塵采樣儀對巷道中心線呼吸帶高度進行粉塵濃度測量，并將數值模擬結果導出，與現場實測結果進行對比，結果見圖5。

圖4 巷道縱斷面粉塵濃度分布

圖5 現場實測數據和模擬數據對比

綜合分析圖3、圖4、圖5可知：①掘進工作面粉塵濃度最高，隨著與掘進工作面距離的增加，粉塵濃度整體上逐步減小，與現場測量結果基本一致；②在掘進面附近1 m處，粉塵濃度較高，且與掘進面距離增大時，粉塵濃度變化較大，與現場測量結果基本一致；③在巷道橫斷面上，靠近巷道兩側壁面附近的粉塵濃度比其他位置的粉塵濃度高；④在靠近抽風筒處，粉塵濃度變化比較明顯，粉塵濃度較高。

4 結 語

以某礦井巷道掘進工作面為例，結合礦山實際情況，采用Fluent軟件對掘進巷道內的粉塵濃度分布規律進行了數值模擬分析，認為掘進巷道中的粉塵主要分布于掘進工作面區域、抽風筒區域以及距離掘進面約15 m的區域，該類區域是掘進巷道中的重點除塵范圍。