破碎硐室粉塵濃度的離散相模擬研究

破碎硐室粉塵濃度的離散相模擬研究

大型金礦床采用深孔和中孔的高效采礦方法，開采礦塊大，提高難度大。根據(jù)礦漿機(jī)準(zhǔn)備和最大開采準(zhǔn)備的要求，整體開挖毀井，安裝粗破碎作業(yè)系統(tǒng)，改善提升條件。粗破碎作業(yè)系統(tǒng)一般由翻車機(jī)、受礦倉、已破碎礦石的貯倉、下礦倉、板式給礦機(jī)、顎式破碎機(jī)等設(shè)備組成。在破碎硐室內(nèi)板式給礦機(jī)給礦及顎式破碎機(jī)破碎的過程中,會產(chǎn)生大量的粉塵,給現(xiàn)場作業(yè)人員身體健康和安全生產(chǎn)帶來了極大的威脅。目前國內(nèi)外對粉塵的研究成果主要集中在巷道型作業(yè)面,通過理論分析法、實驗研究法及數(shù)值模擬計算對粉塵運(yùn)移規(guī)律及濃度分布進(jìn)行研究,得出了大量粉塵運(yùn)移控制方程及濃度分布理論,而硐室類作業(yè)面的研究成果則較少。因此,研究破碎硐室在不同條件下粉塵運(yùn)移規(guī)律,掌握粉塵濃度分布特點,獲取通風(fēng)除塵設(shè)計的合理參數(shù),探索降低破碎硐室粉塵濃度的控制技術(shù),對于改善井下工人的作業(yè)環(huán)境、保障工人的身體健康具有十分重大的意義。1混合流體模型研究粉塵在空氣中的運(yùn)動規(guī)律,本質(zhì)上屬于氣固兩相流的研究范疇。目前對氣固兩相流動的數(shù)值模擬有兩種方法:歐拉-歐拉法及歐拉-拉格朗日法。歐拉-歐拉法又分為單流體和雙流體兩類模型,單流體模型將氣固兩相介質(zhì)看作一種混合流體;雙流體模型將氣固兩相看作相互獨(dú)立又相互作用的兩種流體。歐拉-拉格朗日法將氣體或液體看作背景流體,將另外一相看作離散分布于背景流體中的顆?；蛄Ｗ?用歐拉方法研究背景流體,用拉格朗日方法追蹤顆粒相的運(yùn)動,目前應(yīng)用較多的離散相模型(DPM)本質(zhì)上屬于歐拉-拉格朗日法。本文采用離散相模型(DPM)對破碎硐室粉塵濃度空間分布規(guī)律進(jìn)行模擬,將硐室內(nèi)空氣看作背景流體,運(yùn)用歐拉法進(jìn)行求解,將粉塵看作離散分布于空氣中的顆粒,運(yùn)用拉格朗日法對其運(yùn)動軌跡進(jìn)行求解,最終得出離散相的流場分布及質(zhì)量濃度分布。2幾何模型的構(gòu)建和求解2.1/97斜井27號破碎硐室地處西石門鐵礦提升車間系統(tǒng)27m水平,向上通過27/40風(fēng)井及27/40斜坡道與中央?yún)^(qū)40m水平主運(yùn)輸巷貫通,向下通過27/11行人井及11/96斜井與80m水平主回風(fēng)巷相連。目前硐室通風(fēng)線路為來自40m水平新鮮風(fēng)流經(jīng)27/40風(fēng)井進(jìn)入,經(jīng)硐室循環(huán)后沿27/11行人井及11/96斜井排出至80m水平,風(fēng)量約為2m3/s。由于硐室通風(fēng)量較小,壁面比較干燥,粉塵捕捉能力低。且給礦機(jī)、破碎機(jī)等塵源處未設(shè)置任何粉塵控制裝置,導(dǎo)致硐室空間粉塵顆粒難以去除。此外,硐室進(jìn)風(fēng)口與回風(fēng)口位置正對是硐室粉塵濃度偏高的又一主因,這直接造成了進(jìn)回風(fēng)風(fēng)流短路,未能在硐室內(nèi)形成有效循環(huán)風(fēng)流,極大地限制了懸浮粉塵的稀釋及排出。2.2計算區(qū)間簡化由于破碎硐室內(nèi)設(shè)備種類及數(shù)量較多,除板式給礦機(jī)及顎式破碎機(jī)外,還有大量的電纜電線、行車、梯子、支架及電機(jī)等雜物,現(xiàn)場情況極為復(fù)雜,建模比較困難,在模型中不能一一進(jìn)行表示。因此文中對27號破碎硐室粉塵擴(kuò)散計算區(qū)間進(jìn)行以下適當(dāng)?shù)暮喕?(1)將硐室斷面視為標(biāo)準(zhǔn)三心拱,板式給礦機(jī)、顎式破碎機(jī)以及支座視為規(guī)則的長方體;(2)將27/40斜坡道視為標(biāo)準(zhǔn)三心拱巷道,27/40風(fēng)井及27/11行人井視為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體;(3)硐室內(nèi)電纜電線、行車、梯子、支架及電機(jī)等雜物因體積較小,對粉塵擴(kuò)散過程影響較小而不予考慮;(4)壓入式風(fēng)筒及抽風(fēng)除塵管道是硐室內(nèi)通風(fēng)除塵設(shè)計的重要組成部分,應(yīng)全部考慮在內(nèi)。為了準(zhǔn)確地得到粉塵在硐室空間的擴(kuò)散規(guī)律,計算中建立一個尺寸為11m×9m×6m的三心拱主體計算區(qū)域,同時補(bǔ)充建立出硐室周邊的主要巷道及風(fēng)井,簡化后使用GAMBIT2.0建立破碎硐室三維幾何模型,并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖1所示。2.3數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定及驗證根據(jù)西石門鐵礦提升車間系統(tǒng)27號破碎硐室的具體情況及相關(guān)實測數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)學(xué)模型和FLUENT的數(shù)值模擬方法,并對區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)等調(diào)試,數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定見表1[9,10,11,12,13,14,15]。3數(shù)值模擬結(jié)果和分析3.1合理分布配方為了能直觀地了解粉塵顆粒在硐室空間內(nèi)的運(yùn)動軌跡,在滿足人體肉眼觀察及計算機(jī)計算能力的前提下,在DPM模型噴射參數(shù)中設(shè)置,令給礦機(jī)給礦口及破碎機(jī)落礦口處各隨機(jī)產(chǎn)生40個顆粒,計算得到其運(yùn)動軌跡如圖2所示。圖3為破碎硐室空間粉塵濃度分布。從圖2,3中可以看出:(1)粉塵顆粒自塵源產(chǎn)生后,在給礦及破碎過程誘導(dǎo)氣流的作用下先上升到一定高度,最后隨風(fēng)流在硐室空間內(nèi)循環(huán),橫向隨機(jī)脈動;(2)粉塵顆粒在運(yùn)動過程中與壁面、設(shè)備表面接觸時,被吸附住而終止其運(yùn)動軌跡,剩余顆粒隨風(fēng)流經(jīng)由27/11行人井進(jìn)入11/96斜井;(3)圖2中塵源處產(chǎn)生的大部分粉塵顆粒在100s以內(nèi)即沉降到地面或被壁面捕捉,在硐室空間內(nèi)粉塵顆粒最長停留時間為403s;(4)給礦機(jī)及破碎機(jī)附近粉塵濃度較高,硐室空間內(nèi)粉塵濃度以給礦機(jī)及破碎機(jī)為中心徑向逐步降低;(5)硐室空間二樓操作平臺處粉塵濃度較之地面要高,且在其呼吸帶高度范圍內(nèi)基本保持在50mg/m3左右,而地面呼吸帶高度范圍內(nèi)整體保持在35mg/m3以內(nèi)。3.2拾遺壁面條件下姜片淀粉濃度測定圖4為反彈壁面條件下破碎硐室空間粉塵濃度分布,從圖4可以看出:反彈壁面條件下硐室內(nèi)粉塵濃度較之捕捉壁面條件要高,空間分布比較均勻,但整體規(guī)律與捕捉壁面基本保持一致。在日常防塵工作中,可通過加強(qiáng)壁面灑水等措施來實現(xiàn)較高的降塵目標(biāo)。3.3由進(jìn)風(fēng)角度下的階次進(jìn)風(fēng)和風(fēng)速對段域的影響根據(jù)GB16423—2006《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對于巷道風(fēng)速的規(guī)定,在滿足破碎硐室需風(fēng)量計算結(jié)果的前提下,保持其他參數(shù)不變,分別取27/40斜坡道風(fēng)速為v=0.25m/s,v=0.5m/s,v=1m/s及v=2m/s對硐室粉塵濃度分布規(guī)律進(jìn)行求解。圖5為斜坡道進(jìn)風(fēng)時破碎硐室空間粉塵濃度分布,圖中從左至右、從上至下斜坡道入口風(fēng)速分別為v=0.25m/s,v=0.5m/s,v=1m/s及v=2m/s。從圖5可以看出:(1)當(dāng)27/40斜坡道進(jìn)風(fēng)時,破碎硐室空間粉塵濃度較之27/40風(fēng)井進(jìn)風(fēng)時要低得多,說明斜坡道進(jìn)風(fēng)時風(fēng)流循環(huán)效果較好;(2)當(dāng)風(fēng)速為0.25~1m/s時,風(fēng)速越高,硐室空間粉塵濃度越低;當(dāng)風(fēng)速為1~2m/s時,風(fēng)速越高,硐室空間粉塵濃度越高;(3)當(dāng)風(fēng)速為1m/s時,硐室空間粉塵濃度較低,除給礦機(jī)及破碎機(jī)附近區(qū)域外,硐室大部分空間粉塵濃度均保持在10mg/m3以內(nèi);(4)較大的風(fēng)速有利于粉塵顆粒的稀釋及排出,但同時也容易造成沉降粉塵的二次飛揚(yáng),綜合考慮,選取斜坡道進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為1m/s。3.4提升除塵效率圖6為安裝抽風(fēng)除塵系統(tǒng)后破碎硐室空間粉塵濃度分布,從圖6可以看出:(1)安裝抽風(fēng)除塵系統(tǒng)后,硐室空間粉塵濃度較之未安裝任何防塵措施時有較大程度的降低,整體保持在2mg/m3以內(nèi),除塵效率達(dá)到90%以上;(2)給礦機(jī)及破碎機(jī)塵源處散發(fā)的粉塵顆粒絕大部分被吸塵罩收集并經(jīng)抽風(fēng)管道送出,抽風(fēng)除塵系統(tǒng)效果較優(yōu);(3)由于在給礦機(jī)及破碎機(jī)上方安裝了吸塵罩,粉塵擴(kuò)散空間受限,部分自塵源散發(fā)的粉塵顆粒在運(yùn)動過程中被迫擠入礦倉而沉降。3.5凈化效果及驗證根據(jù)GBZ/T192.1—2007《工作場所空氣中粉塵測定第1部分:總粉塵濃度》以及相關(guān)文獻(xiàn)中的采樣點布置方法,在27號破碎硐室內(nèi)二樓平臺及地面呼吸帶高度共計布置13個測點,分別對安裝抽風(fēng)除塵系統(tǒng)前后硐室空間內(nèi)粉塵濃度進(jìn)行測定,測點布置如圖7所示。采用濾膜采樣器對粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測量,每個測塵點均進(jìn)行不少于3次的數(shù)據(jù)測定,并取平均值,整理后與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比,見表2。從表2可以看出,模擬結(jié)果中二樓平臺及地面呼吸帶高度粉塵濃度與現(xiàn)場實際情況基本吻合,分布規(guī)律基本相似。通過對比分析,驗證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,說明運(yùn)用氣固兩相流數(shù)學(xué)模型對破碎硐室粉塵運(yùn)移規(guī)律及濃度分布進(jìn)行模擬是可行的。通過數(shù)值模擬計算,可求解出破碎硐室在不同邊界條件下粉塵濃度空間分布規(guī)律,實現(xiàn)了通風(fēng)除塵系統(tǒng)各項參數(shù)的設(shè)計及優(yōu)化,大大節(jié)省了人力和物力資源,同時還能解決現(xiàn)場實測工作中硐室空間粉塵濃度測量困難的問題。4多進(jìn)風(fēng)口改造后提升階段消除氣的效果通過對27號破碎硐室內(nèi)粉塵運(yùn)動規(guī)律及濃度分布的模擬研究,得出如下結(jié)論:(1)破碎硐室內(nèi)給礦機(jī)及破碎機(jī)附近區(qū)域粉塵濃度最高,并以給礦機(jī)及破碎機(jī)為中心徑向逐步降低;(2)捕捉壁面條件下粉塵濃度較反彈壁面要低得多,粉塵沉降效果較好;(3)當(dāng)27/40斜坡道進(jìn)風(fēng)時,可極大地改善風(fēng)流在硐室內(nèi)循環(huán)效果,粉塵沉降效果顯著,當(dāng)斜坡道入口風(fēng)速v=1m/s時粉塵沉降效果較好;(4)在給礦機(jī)及破碎機(jī)上方安裝抽風(fēng)除塵系統(tǒng)后,除塵效率能達(dá)到90%以上,硐室空間粉塵濃度整體下降至2mg/m3以內(nèi)。根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)論,在27號破碎硐室日常生產(chǎn)過程中,對防塵工作提出以