煤礦掘進工作面不同聲源位置下聲場分布

楊明, 全星苑, 劉毛毛, 賈改妮

(1.河南理工大學安全科學與工程學院, 焦作 454003; 2.煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心, 焦作 454003;3.瓦斯地質與瓦斯省部共建國家重點實驗室培育基地, 焦作 454003)

近年來,隨著中國煤礦井下機械化程度提高和大功率設備的使用[1-2],噪聲成為煤礦井下最嚴重的環境污染之一[3]。由于中國煤礦掘進工作面具有狹小、封閉的空間特征,噪聲種類比較復雜,且容易形成混合噪聲[4],煤礦掘進工作面在煤礦行業中屬于噪聲嚴重污染區域之一[5]。長期在此環境中工作,會對工作人員的身心健康造成傷害[6-7]。同時由于中國煤礦生產時噪聲超標率普遍較高[8],作業人員的煩躁感因聲壓級的升高而增加[9],作業人員的注意力受噪聲影響而導致高失誤率[10-11],造成煤礦生產事故發生。因此,預測和控制煤礦掘進工作面的工作環境噪聲十分必要。

由于煤礦掘進工作面的長度遠大于高度和寬度,屬于典型的聲學長空間[12],其聲場傳播衰減與自由聲場傳播衰減有著很大差異,且煤礦掘進工作面環境惡劣,對其作業過程中產生的噪聲直接測量存在一定困難,因此,在對煤礦掘進工作面的噪聲場進行研究時,可借鑒地鐵、公路隧道等長空間聲場特性的研究思路[13],選擇合理有效的數值模擬方法。蔣忠進等[14]基于射線跟蹤的思想,提出了一種受限矩形長空間聲場預測的數值計算方法。喬海濱等[15]通過建立隧道內噪聲模型,分析了隧道內噪聲的變化規律。褚華峰[16]通過模擬隧道聲場得出隧道內外以及隧道出入口的聲場分布情況、頻譜特性。江茂[17]通過建立地鐵噪聲的有限元模型,分析了不同聲源位置分布時地鐵隧道噪聲聲場分布,以及不同形狀的聲屏障的降噪效果。陳妍等[18-19]基于虛源法建立了較高精度的聲場傳播預測模型,對不同邊界的矩形長空間聲場進行研究。景國勛等[20-21]基于有限元法對綜采工作面的噪聲場進行了仿真模擬研究。研究表明,利用數值模擬方法分析噪聲分布可以有效解決噪聲測量困難的問題。目前對于長空間聲場的研究主要集中在地鐵、隧道以及大型設備的噪聲分布[22],而由于煤礦掘進工作面空間相對封閉、大功率設備相對集中且具有動態移動的特點,對煤礦掘進工作面噪聲場的聲壓級分布特征、衰減規律等認識還不充分,有待進一步深入研究。

基于此,在建立煤礦掘進工作面物理數學模型的基礎上,采用數值模擬和實驗驗證相結合的方法,分析煤礦掘進工作面噪聲分布特征及噪聲源位置變化對聲場的影響,以期為煤礦噪聲治理以及作業人員的職業健康防護提供一定的理論指導。

1 煤礦掘進工作面噪聲場的仿真模擬

利用COMSOL Multiphysics仿真軟件對煤礦掘進工作面噪聲場進行模擬,以研究煤礦掘進工作面噪聲的傳播規律,模擬過程如圖1所示。

圖1 仿真模擬流程圖Fig.1 Simulation flow chart

1.1 幾何模型

本文的研究對象為平煤集團十礦己17-33200工作面,幾何模型如圖2所示,該工作面截面為拱形,總高度為3.6 m、寬度為3.3 m,頂部拱形半徑為1.65 m,選擇的研究長度為50 m。動態條件為聲源位置、聲源條件。煤礦掘進工作面的主要噪聲設備為鑿巖機,且鑿巖機產生噪聲的主要頻率為 500 Hz,故選擇的噪聲頻率為500 Hz。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric Models

1.2 數學模型

本文中所用模擬軟件為COMSOL Multiphysics,其中壓力聲學接口可以用于模擬聲音的散射、反射和傳遞等,針對煤礦掘進工作面聲場分布的研究,故采用壓力聲學接口。其中聲場的波動方程為

(1)

pt=p+pb

(2)

(3)

式中:ρc為介質密度;pt為總聲壓場;p為求解得到的聲壓場;pb為背景聲壓場;qd為偶極源;keq為平衡波數;Qm為單極源;ω為角頻率;cc為聲速。

1.3 邊界條件

在建立有限元模型時,工作面壁面、頂板、路面的吸聲系數以及兩端吸聲屬性參數可以用作邊界條件,邊界條件的設定與仿真模擬結果的準確性有著直接聯系,所以在建模時要根據不同介質來選擇合理的參數。煤礦掘進工作面不同區域的吸聲系數如表1所示,工作面兩端選擇無反射邊界條件。

表1 各區域的吸聲系數

1.4 網格劃分

在利用有限元法進行仿真模擬時,有限元網格的大小和數量決定了模擬的計算精度。煤礦掘進工作面中噪聲主要來源于大功率設備,例如鑿巖機、鉆車,噪聲源的尺寸相對于聲波和傳播距離來說較小,且聲源的指向性不強,可近似看作是點聲源,故本文模擬聲源采用點聲源,為此本文中網格的最大剖分尺寸L不能大于1/5個波長,即

(4)

式(4)中:c為聲音在該介質的傳播速度;f為計算頻率。

由研究頻率為500 Hz和聲音在空氣中傳播的速度340 m/s可知,最大的網格尺寸不超過0.136 m。

2 模擬結果與分析

煤礦掘進工作面內設備在工作時會處于不同的位置,會對整個工作面的噪聲場產生不同的影響,故將噪聲源分別放置在距地面0.1、1、2、3 m及距左壁面0.1、1.15 m的位置,具體位置如圖3所示,為便于觀察聲壓分布情況,在模型內插入觀測點,間隔為5 m。并根據表2對工作面內的噪聲區域進行劃分。

表2 噪聲區域劃分依據

圖3 聲源布置圖Fig.3 Sound source arrangement diagram

2.1 噪聲源橫向位置變化對聲場的影響

為研究噪聲源橫向位置變化對聲場的影響,將聲源分別放置在點1、點3的位置,并對煤礦掘進工作面的聲場進行仿真模擬,仿真模擬所得聲場分布云圖如圖4所示。

圖4 不同橫向位置時掘進工作面聲場分布云圖Fig.4 Sound field distribution nephogram at different lateral positions of the working face

針對聲源頻率為500 Hz的噪聲,通過比較圖4中聲場分布云圖可以發現,隨著與噪聲源距離的增加,聲壓級都有不同程度的降低。煤礦掘進工作面前半段不同顏色色塊交錯,反映出聲場分布的紊亂,這是由反射聲波與直射聲波相遇出現聲場疊加或消減造成的,而隨著與聲源距離的增加,工作面后端色塊逐漸均勻,因為聲波在反射與直射過程中聲能逐漸減小,使工作面內出現聲壓級相對穩定的聲場。將巷道距地面1.5 m處中心軸線的聲壓級繪制成曲線,如圖5所示。

圖5 噪聲源位置橫向變化時軸向聲壓級分布Fig.5 Axial sound pressure level distribution when the noise source position changes laterally

由圖5可以看出,隨著與噪聲源距離的增加工作面中心的聲壓級逐漸降低,在0～10 m與40～50 m 時,噪聲源位于工作面中心時的聲壓級相較于靠近壁面時的聲壓級略高,而在10～40 m范圍內,距離壁面較近時聲壓級卻略高,尤其是在20 m處,噪聲源靠近壁面時的聲壓級要比噪聲源在工作面中間位置時的聲壓級高出4 dB,是因為在聲波傳播過程中,靠近壁面的聲源反射的聲波能量較多,反射的聲波與直射聲波在工作面內產生疊加,造成了聲能量的聚集。在聲音傳播過程中,聲源位于點1和點3時,聲壓級達到85 dB的距離分別為22 m與16 m,且聲壓級的衰減率分別為53.195%、53.210%,由此可知當聲源位置位于工作面中部時,聲壓級衰減較快。因此,在煤礦掘進工作面作業過程中,應盡量避免工作人員暴露距在設備22 m內,且由于噪聲源貼近壁面時,影響的區域較廣,故應避免大功率設備貼近壁面運行。

2.2 噪聲源豎向位置變化對聲場的影響

為研究噪聲源在橫向位置變化對聲場的影響,將聲源分別放置在距地面0.1、1、2、3 m的位置,在此情況下對煤礦掘進工作面的噪聲場進行仿真模擬。仿真模擬所得聲場分布云圖如圖6所示。

圖6 不同豎向位置時掘進工作面聲場分布云圖Fig.6 Sound field distribution nephogram at different vertical positions of the working face

針對聲源頻率為500 Hz的噪聲,通過觀察圖7可以發現,聲場分布云圖總是關于中心軸線對稱,這是因為在對噪聲源豎向位置變化對聲場影響研究時,噪聲源均布置在工作面截面的豎向中心軸線上。從圖7中明顯可以觀察出工作面前期聲場的衰減,30 m之后整個截面的色塊顏色趨于均勻,聲場也逐漸穩定。

圖7 工作面5 m處切面圖Fig.7 Section at 5 m of working face

從圖7切面圖中可以觀察出紅黃橘三種顏色交錯的色塊,并且聲源在點2與點5時,聲場分布最為紊亂,原因是聲源位于該兩點時,聲源接近于地面與頂板,更容易發生反射現象且拱形斷面的聚焦效應也更加明顯,容易形成紊亂聲場。

從圖8可以看出,噪聲源位置不同,聲壓級衰減趨勢基本相同。在0～10 m范圍內,當噪聲源距地面1 m時,聲壓級要高于聲源位于另外三個位置時的聲壓級高;在10～35 m范圍內,當噪聲源靠近地面與頂板時,聲壓級較高,原因是聲源位于該兩點時會使聲波集中反射,導致此區域的聲壓級較高。隨著聲能量的衰減,35 m之后,不同位置的聲壓級衰減曲線基本吻合。當聲源位于點2～點5時,聲壓級的衰減率分別為51.555%、53.210%、50.817%、51.026%,由此可知聲源位置位于工作面中部時,聲能量衰減最快。

圖8 噪聲源位置豎向變化時軸向聲壓級分布Fig.8 Axial sound pressure level distribution when the noise source location varies vertically

對照表2對噪聲區域進行劃分,如表3所示。

表3 聲源位置豎向改變時噪聲區域劃分

由此可知,噪聲源接近地面或頂板時,煤礦掘進工作面內受噪聲影響的區域最廣。因此,當大功率設備在接近工作面地面或頂板處工作時,應使人員盡量撤出24 m之外,若必須在大功率設備附近作業時,應做好防護。

2.3 噪聲源相對位置變化對聲場的影響

煤礦掘進工作面在工作時通常多臺設備同時運行,設備之間距離的改變也會對煤礦掘進工作面的聲場分布產生影響。為研究兩臺設備之間相對距離對工作面聲場的影響,設置兩個點聲源,使他們分別相距1、5、10、20 m,在此情況下對煤礦掘進工作面的噪聲場進行仿真模擬。仿真模擬所得聲場分布云圖如圖9所示。

圖9 不同相對位置時掘進工作面聲場分布云圖Fig.9 Sound field distribution nephogram at different relative positions of the working face

通過對比圖9聲場分布云可知,噪聲源附近聲壓級較高,隨著聲源相對距離的增加,煤礦掘進工作面中部的聲場逐漸紊亂。從圖10具體的聲壓級變化可以看出,隨著噪聲源相對位置的改變,煤礦掘進工作面聲場最大聲壓級的位置發生明顯改變、聲場聲壓級的最小值也有明顯的變化:①在噪聲源的相對距離為1 m和5 m時,聲壓級衰減曲線呈“W”形,工作面聲場聲壓級最大值出現在兩個噪聲源中間位置,隨后逐漸降低,在接近兩端位置時聲壓級又有所增加,且隨著噪聲源的相對距離的增加,聲場的最大聲壓級也隨之降低。②在噪聲源的相對距離為10 m和20 m時,聲壓級衰減曲線呈“M”形,整個工作面聲場的聲壓級在兩個噪聲源處達到最高值,均在120 dB左右,在兩噪聲源兩側,聲壓級降低,在靠近工作面兩端的位置聲壓級持續降低,至端口降至最低。③隨著噪聲源的相對距離增加,即噪聲源越靠近煤礦掘進工作面兩端區域時,工作面聲場的最小聲壓級增大。

圖10 噪聲源相對位置變化時軸向聲壓級變化Fig.10 Axial sound pressure level change when the relative position of the noise source changes

因此,在掘進工作面作業時,應盡量避免兩臺大功率設備相距較近,且應避免人員在兩設備中間工作;若兩設備相距小于10 m,又無法避免在兩設備中間工作,則應在兩設備周圍加隔聲板,避免噪聲疊加,對設備中間工作人員造成嚴重傷害。

3 實驗驗證

3.1 測試方法

驗證掘進工作面噪聲傳播特性的方法主要有揚聲器實驗法和典型工作面實測法,其中揚聲器實驗法是利用設定聲源在實驗工作面中進行,沿工作面軸向測量聲壓級;典型工作面實測法可以對工作面內的聲場進行有效測量,但由于煤礦井下工作面分布有高濃度粉塵以及一定含量的瓦斯,對測量設備要求較高,實驗設備需要具有較高的防爆性能,故在井下進行實際測量具有一定困難,因此測試方法選擇揚聲器實驗法,并利用筆者單位防空洞的一段獨頭巷道,搭建了掘進工作面實測平臺,在此實驗平臺開展對應的實驗研究,可以有效反映出聲音的衰減規律。

噪聲測試儀器選用愛華AWA6292型多功能聲級計(圖11),符合GB 12348—2008《工業企業廠界環境噪聲排放標準》,為防止煤礦掘進工作面風流干擾數據結果。測試過程中聲級計外套防風罩。聲源與測量點的布置方式、數量與數值模擬一致,選擇的噪聲源頻率為500 Hz,分別布置在距地面0.1、1、2、3 m及距左壁面0.1、1.15 m的位置,每隔5 m設置一個測量點,為了保證實驗數據的準確性,對各測量點的噪聲數據進行測量記錄時,每組數據重復測量3次,取有效數據平均值作為最終實驗數據,測試前測量設備均已校準。

圖11 聲級計測量Fig.11 Sound level meter measurement

3.2 實驗巷道概況

圖12為實驗巷道尺寸以及測量點布置圖。實驗巷道截面為拱形,總高度為3.6 m、寬度為3.3 m,頂部拱形半徑為1.65 m,長度為50 m,位于地下,屬于獨頭巷道,其空間較封閉,壁面材料為巖石,實驗巷道內各參數與研究對象均一致,故聲場分布規律無明顯不同。

圖12 實驗巷道尺寸以及測量點布置圖Fig.12 Experimental roadway dimensions and measurement point layout

3.3 測試結果

對測量所得的數據進行整理,得到噪聲源位置變化時的聲壓級隨距離衰減曲線,并與數值模擬所得結果進行對比,具體情況如圖13所示。從圖13中可以看出煤礦掘進工作面中,噪聲源處于不同位置時,其現場實測值與數值模擬值的衰減規律基本一致,但部分數據存在一定偏差,因為在現場實測過程中存在環境噪聲的干擾,故部分現場實測值要略高于數值模擬值,但總體的結果在可接受范圍內,現場實測驗證了搭建的物理數學模型以及模擬結果的可靠性。

圖13 噪聲源位置變化時實驗結果與數值模擬結果對比Fig.13 Comparison of experimental results and numerical simulation results when the noise source location changes

4 結論

(1)根據煤礦掘進工作面的情況,對井下掘進工作面頻率為500 Hz的噪聲進行了數值模擬與實驗測試,通過對比數值模擬與實驗測試的結果,驗證了模型的可靠性。

(2)煤礦掘進工作面內噪聲源位置變化時,會對工作面聲場聲壓級分布產生影響,工作面內高噪聲區域也會發生變化。當噪聲源靠近壁面或頂面時,由于聲波的反射效應,更容易形成紊亂的聲場,使高噪聲區域延伸,故應盡可能將大功率設備放置在工作面中部。

(3)當兩噪聲源的相對距離在10 m以下時,由于聲波在兩噪聲源中間產生疊加,聲壓級衰減曲線呈“W”形,當兩噪聲源的相對距離超過10 m時,聲壓級衰減曲線呈“M”形,因此應盡量減少或避免工作人員在兩大功率設備中間工作,從而減少噪聲對其造成的影響。