丁新啟 張瑞新 陳再明 鄧有燃 王璟川 孫健東

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司,山西 朔州 036000;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,河北 三河 065200;3.中煤平朔集團(tuán)有限公司安家?guī)X露天礦,山西 朔州 036000）

鉆機(jī)穿孔作業(yè)環(huán)節(jié)是露天開采工藝的首要環(huán)節(jié)。鉆機(jī)作業(yè)時,大量巖屑從鉆桿與孔壁間隙排出,隨風(fēng)流向采場四周擴(kuò)散,最高濃度超過1 000mg/m3,導(dǎo)致作業(yè)場所空氣質(zhì)量惡化[1-3],成為露天礦山主要塵源之一[4-5]。同時,在鉆機(jī)鑿巖過程中因巖石硬度、鉆頭進(jìn)給速度變化導(dǎo)致產(chǎn)塵量和粉塵粒徑分布差別較大,治理難度較大[6]。陳舉師等[7]對露天礦山邊坡鉆孔作業(yè)中采場風(fēng)速、供氣壓力和鉆具轉(zhuǎn)速對潛孔鉆機(jī)產(chǎn)生粉塵進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),風(fēng)速是采場影響粉塵分布的最主要因素。在治理穿孔環(huán)節(jié)超標(biāo)問題領(lǐng)域,眾多專家在除塵器制造和抑塵劑研制方面進(jìn)行了大量研究[8-9]?？紤]鉆機(jī)作業(yè)時,地面受擾動影響較大,易破壞抑塵劑使用效果,抑塵劑研制面臨挑戰(zhàn)。物理防治方面,葛少成、高振等[10-12]研究露天礦山潛孔鉆機(jī)粉塵分布規(guī)律,提出優(yōu)化單一式旋風(fēng)除塵系統(tǒng)并通過實驗驗證取得較好效果,但在實際應(yīng)用中受作業(yè)條件變化影響較大。研究發(fā)現(xiàn),粉塵從鉆桿與孔壁間隙向外排出后,大顆粒粉塵直接沉降在鉆孔周圍,粒徑較小顆粒隨風(fēng)流向采場擴(kuò)散,但露天礦領(lǐng)域內(nèi)對鉆孔粉塵產(chǎn)生和隨風(fēng)流運移規(guī)律研究較少[13]。

本項目以安家?guī)X露天礦使用的1175E牙輪鉆機(jī)為研究對象,對鉆孔粉塵運移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬,分析鉆孔粉塵在風(fēng)流影響下粉塵濃度的分布規(guī)律。通過研究鉆孔粉塵的運移規(guī)律,可有效指導(dǎo)現(xiàn)場實施降塵和抑塵措施,對降低鉆孔粉塵污染問題有現(xiàn)實意義。

1 粉塵產(chǎn)生機(jī)理

露天礦牙輪鉆機(jī)為旋轉(zhuǎn)沖擊式鉆孔機(jī)械,它依靠較大的軸壓力和回轉(zhuǎn)扭矩在地面同時鉆進(jìn)和回轉(zhuǎn)[14],多用于厚煤層穿孔作業(yè)。作業(yè)時,鉆機(jī)通過鉆桿將牙輪鉆頭送至孔底,在鉆桿的旋轉(zhuǎn)作用下,鉆頭上的牙輪滾動,通過滾齒傳遞沖擊和壓入力,使巖石破碎[15-16]。高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭與巖石相互作用,在強(qiáng)摩擦力作用下產(chǎn)生粉塵,隨著鉆孔深度加大,對巖層擾動作用加強(qiáng),產(chǎn)生大量粉塵。為使得后續(xù)的爆破作業(yè)預(yù)裝的乳化炸藥產(chǎn)生良好的爆炸效果,空壓機(jī)對外界空氣壓縮并通過鉆頭將高壓氣體作用于鉆孔內(nèi)壁,大部分粉塵顆粒受高壓氣體作用排到孔外。粒徑較大的巖屑在炮口附近自由沉降,細(xì)小顆?？呻S風(fēng)流在空氣中擴(kuò)散,造成粉塵污染。

2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)氣—固兩相流中對粉塵相和空氣相的2種處理方式,即歐拉—歐拉研究方法和歐拉—拉格朗日研究方法。本項目選用歐拉—拉格朗日研究方法,將空氣視為連續(xù)相,粉塵為離散相,選擇三維不可壓縮瞬態(tài)納維—斯諾克斯方程為控制方程和湍流的Realizable k-ε雙方程模型,根據(jù)壓力梯度影響在近壁面加強(qiáng)處理效果,重點研究某一粉塵顆粒在不同時刻的運動和分布狀態(tài)[17-18]。模型考慮連續(xù)相與離散相間動量傳遞、對流擴(kuò)散和離散相自身受力,得到模型求解方程如下。

質(zhì)量守恒方程:

動量守恒方程:

粉塵受力方程:

式中,ρ為連續(xù)相密度,kg/m3;t為顆粒運動時間,s;xp為粉塵運動距離,m;up為粉塵運動速度,m/s;Sp為粉塵源質(zhì)量,kg;ui、uj為連續(xù)相在x 和y方向的速度,m/s;xi、xj為顆粒在x和y方向坐標(biāo),m;p為流體相壓力,Pa;Fi為顆粒流阻力;τij為應(yīng)力張量;mp為粉塵質(zhì)量,kg;u為連續(xù)相速度,m/s;ρp為粉塵密度,kg/m3;tr為粒子的弛豫時間,s;dp為粉塵顆粒粒徑,m;g為重力加速度,m/s2;F為粉塵受到重力以外的其他力。

F可以根據(jù)如下公式計算:

式中,CD為阻力系數(shù)。

綜合上述粉塵顆粒在空氣中的受力情況,結(jié)合相關(guān)學(xué)者對空氣介質(zhì)中粉塵顆粒運動研究,可將粉塵在空氣中的運動方程[19-21]整理為

3 構(gòu)建幾何模型和邊界條件劃分

3.1 采場概況及作業(yè)機(jī)械幾何模型建立

以1175E電驅(qū)動牙輪鉆機(jī)為研究對象建立幾何模型,空壓機(jī)最大工作風(fēng)壓為0.690 MPa,鉆孔直徑為250 mm,模型外形尺寸為14 730 mm×5 685 mm×16 595 mm,鉆孔深度約為17 m,穿孔環(huán)節(jié)塵源位置為鉆桿與孔壁間的內(nèi)徑為15 mm,外徑為25 mm的環(huán)形區(qū)域。

因露天煤礦現(xiàn)場作業(yè)情況復(fù)雜,建模中難以考慮現(xiàn)場全部因素,對露天煤礦穿孔作業(yè)產(chǎn)生粉塵擴(kuò)散計算區(qū)間做出如下假設(shè):①鉆機(jī)機(jī)身簡化為長方體,底部行走部分以履帶形狀表示,鉆架用長方體表示;②鉆頭為穿孔環(huán)節(jié)核心作業(yè)器具,盡量接近現(xiàn)實;③粉塵在牙輪鉆機(jī)作業(yè)時產(chǎn)生,鉆機(jī)開始作業(yè)前和結(jié)束作業(yè)后不考慮。

為了得到準(zhǔn)確的粉塵擴(kuò)散規(guī)律,根據(jù)安家?guī)X露天礦穿孔環(huán)節(jié)所在平盤現(xiàn)場實際情況,使用SpaceClaim軟件建立尺寸為150 m×20 m×15 m的長方體作為穿孔作業(yè)計算區(qū)域,以鉆孔與地面相交圓心為坐標(biāo)原點,鉆桿與孔壁之間的環(huán)形區(qū)域為塵源位置,構(gòu)建幾何模型如圖1。

圖1 鉆機(jī)機(jī)身幾何模型和環(huán)形塵源Fig.1 Geometry model of the rig body and annular dust source

3.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置

本研究模型前處理使用Fluent Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對計算區(qū)域邊界和模型壁面邊界增加邊界層以獲得較高的計算精度,導(dǎo)入網(wǎng)格文件后,檢查網(wǎng)格質(zhì)量,無負(fù)體積網(wǎng)格生成,最小網(wǎng)格體積為3.590 023×10-12m3,網(wǎng)格扭曲度為0.201,導(dǎo)入求解器計算。求解模型利用結(jié)合增強(qiáng)型壁面函數(shù)法的Realizable k-ε湍流雙方程模型[22],通過Couple算法實現(xiàn)速度、壓力基分離求解器和二階精度的離散差分格式求解。

通過相關(guān)文獻(xiàn)查閱并結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)規(guī)程,實地調(diào)查現(xiàn)場作業(yè)現(xiàn)狀確定穿孔作業(yè)過程的相關(guān)參數(shù)設(shè)定,結(jié)合粉塵顆粒受力方程和Fluent數(shù)值模擬方法設(shè)定計算模型的參數(shù)如表1所示[23-25]。

表1 FLUENT數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定Table 1 FLUENT numerical simulation parameter setting

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 采場內(nèi)風(fēng)流速度分布與分析

研究穿孔環(huán)節(jié)粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律,首先應(yīng)該詳細(xì)了解采場內(nèi)風(fēng)流分布。根據(jù)我國北方人口平均身高取呼吸帶高度為1.5 m所在高度平面與鉆孔所在平面形成交叉平面,得到流場內(nèi)風(fēng)流速度分布渲染云圖如圖2。

從圖2可以看出,風(fēng)流從鉆機(jī)后方進(jìn)入采場,沿采場走向流動,在流場斷面受到鉆機(jī)后方和左側(cè)采場邊界影響,風(fēng)速隨距離壁面減小逐步降低;鉆機(jī)前方和采場前方出現(xiàn)風(fēng)流漩渦,因鉆機(jī)機(jī)身遮擋導(dǎo)致漩渦內(nèi)氣流與外界流通性能較差,一定程度上限制了采場排塵效果;在風(fēng)流入口附近,風(fēng)速保持在5.3 m/s左右,隨著風(fēng)流發(fā)展,風(fēng)速在靠近鉆機(jī)和壁面位置下降,保持在3.78～5.1 m/s內(nèi),在漩渦處風(fēng)速降低至1 m/s以下,隨風(fēng)流繼續(xù)向前流動,同時受湍流作用影響速度回升。

4.2 采場內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度分布與分析

1175E電驅(qū)動牙輪鉆機(jī)的鉆桿長10.7 m,完成單桿鉆進(jìn)需要約10min,為了研究鉆孔作業(yè)過程中粉塵質(zhì)量濃度隨時間變化規(guī)律及采場空間內(nèi)的分布規(guī)律,首先在安家?guī)X實地觀測穿孔環(huán)節(jié)產(chǎn)塵情況,現(xiàn)場拍攝得到鉆機(jī)在工作過程中粉塵實時分布狀態(tài)如圖3所示,通過實地觀測得知穿孔環(huán)節(jié)鉆機(jī)產(chǎn)塵量較大時間集中于鉆機(jī)開始工作2.5 min內(nèi)。

分析圖3得知,鉆機(jī)工作初期距離地面較近,鉆桿內(nèi)部高壓氣體與環(huán)境空氣相互作用造成粉塵顆粒受到擾動較大,鉆機(jī)自帶捕塵裝置難以收集全部粉塵,隨鉆頭進(jìn)給深度加大,產(chǎn)塵量變大,逸散粉塵濃度加大,后繼續(xù)增大進(jìn)給深度,捕塵裝置可收集環(huán)形間隙內(nèi)產(chǎn)生的大部分粉塵,從鉆孔逸散粉塵減少。

圖3 鉆機(jī)在工作過程中粉塵實時分布狀態(tài)Fig.3 The real-time distribution of dust during the working process of the drilling rig

為了動態(tài)反映穿孔環(huán)節(jié)粉塵的運移規(guī)律,從模擬計算開始至結(jié)束共10min,實時監(jiān)控采場內(nèi)粉塵分布狀態(tài)。如圖4所示,通過顯示計算域內(nèi)全部粉塵顆粒結(jié)合粉塵在采場內(nèi)的停留時間,可反映采場內(nèi)粉塵顆粒的分布狀態(tài)。由圖4可知,前80 s內(nèi),粉塵向采場下風(fēng)向和臺階高度增加的方向移動,且呈現(xiàn)粉塵顆粒先增多后減少的變化趨勢。170 s后粉塵顆粒停留在采場內(nèi)的時間變長,顆粒數(shù)目基本保持不變。

圖4能夠較直觀地反映采場內(nèi)粉塵的分布狀態(tài),但缺少粉塵濃度隨時間變化的連續(xù)性。為了較準(zhǔn)確描述穿孔環(huán)節(jié)粉塵質(zhì)量濃度隨時間變化規(guī)律,沿采場下風(fēng)向1 m、5m、10m、20 m、50m、70m、90 m、100 m各設(shè)置1個粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測面,監(jiān)測面以呼吸帶高度所在平面（y=1.5 m）與z=0 m垂面的交線上的點為中心,分別向y軸和z軸正負(fù)2個方向延伸1 m,形成面積為4 m2的監(jiān)測面,以研究粉塵從環(huán)形區(qū)域排出后沿采場下風(fēng)向（x軸正向）不同距離濃度隨時間變化規(guī)律。

圖4 不同時間采場內(nèi)粉塵顆粒的分布狀態(tài)Fig.4 The distribution of dust particles in the stope at different times

不同斷面粉塵質(zhì)量濃度隨時間變化圖如圖5所示。

圖5 不同斷面粉塵質(zhì)量濃度隨時間變化Fig.5 Graph of the variation of the dust mass concentration of different parts of the dust with time

由圖5可知,沿采場下風(fēng)向不同斷面粉塵質(zhì)量濃度變化規(guī)律大致相同,不同監(jiān)測點位置粉塵質(zhì)量濃度隨時間先急劇增大,后在一定濃度區(qū)間內(nèi)上下波動。鉆機(jī)開始作業(yè)39 s左右時,粉塵質(zhì)量濃度最高可達(dá)到480 mg/m3。 在 47、52、63 s時,粉塵擴(kuò)散至鉆孔下風(fēng)向 50、70、90 m處。在80 s左右時,距離鉆孔位置1 m處監(jiān)測面粉塵質(zhì)量濃度均在400 mg/m3上下浮動,距離鉆機(jī)下風(fēng)向5m左右采場風(fēng)流受機(jī)身影響最為嚴(yán)重,此處粉塵質(zhì)量濃度波動區(qū)間較大,監(jiān)測面隨采場向下延伸粉塵質(zhì)量濃度峰值下降。90 s時,粉塵擴(kuò)散至鉆孔下風(fēng)向100 m處,此處最高粉塵質(zhì)量濃度為73 mg/m3。 在 220、240、260 s時,50m、70m、90 m處粉塵質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定值,分別為140、115、95 mg/m3。270 s后,鉆孔下風(fēng)向100 m處平均粉塵質(zhì)量濃度在15mg/m3以下。不同高度斷面粉塵沿程質(zhì)量濃度分布如圖6所示。

圖6 不同高度斷面粉塵沿程質(zhì)量濃度分布Fig.6 Distribution diagram of mass concentration of the dust along different heights

如圖6所示為取采場內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度最大時刻（t=80 s）,鉆孔中心所在yOz平面內(nèi)不同高度粉塵質(zhì)量濃度沿程分布,由圖6可以看出,在各高度斷面沿采場下風(fēng)向粉塵質(zhì)量濃度均呈現(xiàn)先急劇上升到最大值,在鉆孔下風(fēng)向6 m處達(dá)到最大值,最大值出現(xiàn)在接近地面位置為510 mg/m3,之后快速降低到較小值,最后粉塵質(zhì)量濃度緩慢下降,距離鉆孔下風(fēng)向120 m處粉塵質(zhì)量濃度基本為3 mg/m3,認(rèn)為粉塵不再沿采場方向擴(kuò)散;隨采場監(jiān)測高度向上移動,粉塵質(zhì)量濃度變化趨勢大致相同,峰值隨高度變化呈現(xiàn)沿采場方向推移且降低趨勢,到達(dá)采場高度12m時,最高粉塵質(zhì)量濃度出現(xiàn)在采場下風(fēng)向13 m處,最高值為260 mg/m3,之后隨采場風(fēng)流擴(kuò)散至120 m處時,粉塵質(zhì)量濃度可降低為0。

4.3 實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比分析

根據(jù)《GB 5748—1985作業(yè)場所空氣中粉塵測定標(biāo)準(zhǔn)》和《GBZ/T 192—2007工作場所空氣中粉塵測定》中第一部分總粉塵濃度的測定方法及相關(guān)文獻(xiàn)中采樣方法,在呼吸平面（y=1.5m）高度且距離鉆孔水平距離-10 m、-5 m、-1 m、0 m、1 m、5 m、10 m、20 m、30 m、50 m、70 m、100 m、120 m處設(shè)置13個粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測點,每個測點測試5組數(shù)據(jù)取平均值,得出實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比如圖7所示。

圖7 模擬與實測粉塵濃度對比圖Fig.7 Comparison chart of simulated and measured dust concentration

從圖7可以得知,露天煤礦穿孔環(huán)節(jié)在進(jìn)行過程中,因露天作業(yè)過程中外界氣候環(huán)境因素變化較大,在構(gòu)建幾何模型和參數(shù)設(shè)置時存在一定誤差。測點粉塵質(zhì)量濃度實際數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)大致相符,沿采場方向粉塵質(zhì)量濃度變化趨勢基本相同。通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比,平均誤差在35mg/m3內(nèi),驗證模擬方法的可行性。

5 結(jié)論和建議

通過上述對安家?guī)X露天礦穿孔環(huán)節(jié)粉塵運移規(guī)律模擬和實驗驗證,得到如下結(jié)論:

（1）時間尺度上,采場空間內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度隨時間變化呈現(xiàn)先迅速增大在一定濃度區(qū)間內(nèi)波動趨勢,并在1.5 min左右時保持在較穩(wěn)定狀態(tài),在穿孔作業(yè)進(jìn)行到10 min時距離鉆孔下風(fēng)向100 m處粉塵質(zhì)量濃度降為10 mg/m3以下?？臻g尺度上,沿采場下風(fēng)向粉塵質(zhì)量濃度先增加后降低,因鉆機(jī)設(shè)備占有體積較大對采場內(nèi)空氣流動造成影響導(dǎo)致粉塵顆粒在鉆孔前方5～10 m處出現(xiàn)積聚現(xiàn)場,之后可隨風(fēng)流向外擴(kuò)散。

（2）在鉆孔中心所在豎直平面內(nèi),粉塵質(zhì)量濃度隨高度變化逐漸降低,在高度達(dá)到5 m左右時,粉塵質(zhì)量濃度保持在較低水平。不同高度粉塵質(zhì)量濃度沿采場走向先升高后降低,在x=35 m左右時可保持較低水平。

（3）根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)實際情況,監(jiān)測斷面在3 m以上時最高粉塵質(zhì)量濃度浮動較小,且最高粉塵質(zhì)量濃度均出現(xiàn)在采場下風(fēng)向6m左右位置,因此考慮在鉆機(jī)周圍5～10 m位置加固高度不低于5m的流動式圍擋設(shè)施,防止粉塵向外擴(kuò)散,可大大降低粉塵擴(kuò)散距離,并且該措施已應(yīng)用于現(xiàn)場,取得較好效果。