李 刚 吴将有

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

在矿井开采过程中，掘进工作面在钻孔、爆破及装运过程中均会产生大量粉尘，是矿山井下作业最主要的产尘场所之一[1-2]。目前，我国相当一部分矿山已经进入了深部开采阶段，井下粉尘的污染问题越发严重。由于掘进工作面为无组织扩散尘源，且通风条件差、粉尘易积聚，致使作业面粉尘浓度高且不易排出。高浓度的粉尘会加快机械设备磨损，干扰作业人员生产操作视线，可能会引发一系列安全事故；另一方面会污染工作场所，产生一系列的环境污染问题，严重影响了生产作业人员的安全与健康[3-5]。研究矿山掘进巷道的粉尘分布规律可对矿山掘进巷道的粉尘控制技术方法研究、通风除尘系统设计提供理论参考，对于保护矿工安全与健康，改善矿井作业环境具有重要意义。本研究以某矿井巷道掘进工作面为研究对象，采用“离散相”模型法对掘进巷道的通风系统构建数值模型[6-8]，分析掘进巷道的粉尘浓度分布规律，为矿井掘进巷道粉尘浓度预测及治理提供可靠依据。

1 数值模型构建及参数设计

本研究以某矿井巷道掘进工作面为例，构建几何模型，该矿山井下掘进巷道采用长抽短压混合式通风系统。根据现场实测，巷道断面尺寸为3.7 m×2.5 m的三心拱，风筒直径为0.5 m，风筒中心到地面的垂直高度为2.5 m，掘进巷道总长度为50 m。压风筒出口与掘进工作面的距离约为10 m，抽风筒入口与掘进工作面的距离约为20 m。综合考虑掘进巷道的实际情况以及模拟分析需要，对掘进工作面现场情况进行了一定程度简化[9]。本研究掘进工作面几何模型如图1、图2所示。

图1 掘进巷道几何模型

图2 掘进巷道几何模型网格划分

模型尘源参数见表1。

表1 尘源参数设定结果

2 粉尘浓度数值模拟结果

通过迭代计算，得出该矿山掘进巷道粉尘浓度分布的模拟结果，图3、图4为掘进巷道各断面的粉尘浓度分布图，其中X平面为巷道纵截面(宽度方向)，Y平面为巷道横截面(高度方向)。

图3 巷道横断面粉尘浓度分布

3 模拟值与实测值对比分析

由于现场测量难度较大，本研究仅在呼吸带高度(取1.5 m)每隔5 m选取1个测点进行测量，共选取了11个测点。采用IFC-2防爆型粉尘采样仪对巷道中心线呼吸带高度进行粉尘浓度测量，并将数值模拟结果导出，与现场实测结果进行对比，结果见图5。

图4 巷道纵断面粉尘浓度分布

图5 现场实测数据和模拟数据对比

综合分析图3、图4、图5可知：①掘进工作面粉尘浓度最高，随着与掘进工作面距离的增加，粉尘浓度整体上逐步减小，与现场测量结果基本一致；②在掘进面附近1 m处，粉尘浓度较高，且与掘进面距离增大时，粉尘浓度变化较大，与现场测量结果基本一致；③在巷道横断面上，靠近巷道两侧壁面附近的粉尘浓度比其他位置的粉尘浓度高；④在靠近抽风筒处，粉尘浓度变化比较明显，粉尘浓度较高。

4 结 语

以某矿井巷道掘进工作面为例，结合矿山实际情况，采用Fluent软件对掘进巷道内的粉尘浓度分布规律进行了数值模拟分析，认为掘进巷道中的粉尘主要分布于掘进工作面区域、抽风筒区域以及距离掘进面约15 m的区域，该类区域是掘进巷道中的重点除尘范围。