金屬礦山掘進巷道長壓短抽通風系統優化*

李 剛 吳將有 郭 蓋 胡曉燕

(1.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；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.蕪湖同力安全環保技術有限公司)

金屬礦山井下開采會產生大量的煙塵和粉塵，尤其是井下掘進工作面，產生的爆破煙塵和粉塵濃度大，且為無組織擴散塵源。目前，我國金屬礦山已經進入了深部開采，井下粉塵的污染問題變得越發嚴重。由于掘進工作面通風不暢，粉塵易積聚，一方面污染工作場所，產生一系列的環境污染問題，對生產作業人員造成安全與健康問題；另一方面加快機械設備磨損，干擾作業人員生產操作視線，可能引發一系列安全事故。根據國家衛生計生委最新數據顯示，我國塵肺病仍然是第一大職業病，塵肺病例數占總病例數的90%，其中礦山塵肺和矽肺是塵肺病的最主要類型，兩者合計約占塵肺病病例總數的90%。因此，必須采取有效的技術手段降低掘進過程中的爆破煙塵和粉塵的濃度[1-5]。局部通風是解決掘進過程炮煙和粉塵污染問題的最經濟實用的技術手段，長壓短抽式通風系統是掘進巷道最常用的通風方式，抽風筒入口更靠近掘進面，能夠及時將產生的粉塵從抽風筒抽走，不會導致粉塵擴散到整個巷道內。針對金屬礦山掘進巷道特點和現狀，建立通風系統離散相模型并進行模擬，對長壓短抽式通風系統進行優化設計[6-8]。

1 數值模型及參數

1.1 模型建立

巷道模型斷面采用3.5 m×3.5 m三心拱形，風筒直徑為0.5 m，風筒中心到地面的垂直高度為2.5 m，掘進巷道總長度取50 m。壓入式風筒與抽出式風筒分別布置于巷道的左側壁與右側壁，其距掘進工作面的距離分別為20和10 m，其風筒中心線距離地表2.5 m，距離巷道兩側0.5 m。考慮掘進巷道的實際情況以及數據模擬分析的需要，對掘進工作面做出一定程度的簡化，同時假定風場的一些條件：

(1)假定流體的紊流黏性具有各向同性。

(2)假定礦井掘進巷道內的氣流不可壓縮，同時符合Boussinesq假設。

(3)假定礦井巷道內無熱源，同時也不考慮設備、圍巖、人員等的熱輻射現象。

(4)假設壁面不透風、漏風。

掘進巷道三維幾何模型見圖1。

圖1 掘進巷道幾何模型

人的呼吸帶高度大約為1.5 m，將流過掘進面的風流位置控制在1.5 m之下，能夠很好地保護工作人員的健康。本次優化通過改變抽風筒的數量和布置的位置，來達到優化傳統長壓短抽通風系統的目的。為了能夠使巷道內風流左右平衡，在巷道兩側分別設置一個抽風筒斷面，各抽風筒斷面分別為原風筒斷面面積的一半，抽風筒入口距掘進工作面10 m，距巷道側壁均0.5 m；將壓風筒布置在巷道頂部中心位置，壓風筒出口距掘進工作面20 m。優化幾何模型見圖2。

圖2 風筒在巷道內的布置形式

1.2 參數求解設置

根據某金屬礦掘進巷道的實際情況，結合Fluent軟件，確定數值模擬各參數及邊界條件。

(1)模型的設定。選用穩態(Steady)、隱式(Implicit)、非耦合求解器(Segregated)，選用湍流模型中的k-ε兩方程模型(k-epsilon)，由于沒有考慮到能量(Energy)、離散相(Discerte Phase Model)，所以能量方程和離散相模型要關閉。

(2)材料屬性。材質為金屬礦，設定密度為2 320 kg/m3。

(3)邊界條件。設定速度入口(Inlet Velocity Magnitude)、速度出口(Outlet Velocity Magnitude)、出口邊界(Outlet Boundary Type)以及壁面剪切條件(Wall Shear Condition)。速度入口為13 m/s，速度出口為-12 m/s，出流，邊界為無滑移流動。塵源參數見表1。

表1 塵源參數設定

2 數值模擬結果及分析

由于粉塵隨著風流擴散，壓風筒風流以一定速度射向掘進面，風流在掘進面附近不斷向下流動。當風流達到掘進面附近時，風流攜帶粉塵經過巷道底板，經抽風筒排出掘進巷道。

調整優化后長壓短抽通風系統模型抽風筒在巷道兩側布置高度，分別模擬傳統長壓短抽通風和改變風筒布置形式后整個巷道內粉塵濃度的分布規律，見圖3。

圖3 風筒不同布置形式下巷道內的粉塵濃度分布云圖

由圖3可知：

(1)在呼吸帶高度上，從掘進巷道口到掘進工作面的粉塵濃度大體趨勢是先增大后減小，在靠近掘進工作面的時候達到最大值。

(2)與抽風筒數量和布置位置改變后相比，傳統長壓短抽通風方式粉塵濃度明顯較高；抽風筒布置位置改變后，隨著兩側抽風筒的高度增高，粉塵濃度逐漸降低。

(3)與其他布置位置的高度相比，當巷道兩側抽風筒布置在掘進巷道2.5 m高度位置時，巷道內的粉塵濃度最低。

3 結 論

金屬礦掘進工作面在鑿巖和爆破過程中會產生大量的粉塵，因沒有貫穿風流，粉塵在掘進巷道內擴散，是井下無組織粉塵產生的典型場所，對礦山的安全生產和職工的身體健康構成嚴重威脅。掘進過程中局部通風效果最好的方式為長壓短抽式通風，具備壓入式和抽出式的共同優點，尤其適用于大斷面長距離巷道掘進時通風。同時，目前傳統的長壓短抽式通風方式也存在缺點，它降低了壓入式和抽出式2列風筒重疊段巷道內的風量，造成此處塵毒容易積聚。因此，通過改變抽風筒數量和位置對長壓短抽通風系統進行優化設計，結合金屬礦山實際情況，采用Fluent流體力學軟件對掘進巷道內產生的粉塵濃度分布規律進行數值模擬，對礦山掘進過程中粉塵治理研究具有重要的理論價值和指導意義。