独头巷道掘进通风因素影响程度分析

摘要：爆破烟尘是矿山生产中所面临的主要危害之一，深部开采独头巷道爆破掘进产生的烟尘，其危害往往高于一般工作地点和生活场所粉尘的危害。因此，开展深部独头巷道烟尘排除研究，对于保障矿山工作人员的身心健康具有重要现实意义。对独头巷道范围内的其它附属建筑进行省略或作简化描述，确定模型的模拟区域。在此基础上，采用几何建模软件GAMBIT建立独头巷道的三维模型并对模型进行网格划分。然后在FLUENT中设置相关参数并进行运算，得到用于后处理的文件。基于正交试验设计方法，在对影响独头巷道局部通风的5个因素进行分析的基础上，合理选择参数，确定参数范围。得出各因素对通风排尘效果影响程度的排列顺序、单参数对通风效果的影响及通风参数的最优组合。

关键词: 独头巷道；烟尘；FLUENT；正交试验法

中图分类号：TD263文献标识码： A

引言

矿产资源关系到我国铁路、建筑，航空航天等众多行业的发展，是我国国民经济发展的重要物质保障[1]。然而，我国矿产资源的总体形势却不容乐观，很多矿山的浅部矿产资源和易开采资源已经接近枯竭[2]。为了保障矿产资源对我国国民经济发展的基础物质供应、维护国家的经济秩序，深部开采越来越成为大多数企业的选择，我国很多主要的地下金属矿山都不断的在探索深部矿产资源，不少矿山已经进入深部开采阶段[3]。然而，国内许多矿山刚进入深部开采，技术起步晚，在深部开采方面面临一系列的难题和问题[4]。某矿面临的问题主要体现在：随着采场向下延伸，矿山进入到深部开采阶段，旧有的局部通风方案在深部开采中已经难以适应。独头巷道爆破过程中由于空间的限制，产生的烟尘不易排出，而长期处在烟尘浓度较高的工作地点会对工作人员的健康造成很大损害，因此有必要采取措施来抑制这种危害。因此研究影响烟尘浓度因素的重要度及合理的通风参数，对于缓解该矿爆破烟尘的危害有重要意义。

一、深部独头巷道掘进通风除尘方式

目前在矿山烟尘抑制方面应用最广泛的技术是通风除尘，其理论研究也最为完善。

独头巷道局部通风包括三种类型：压入式通风、抽出式通风和混合式通风。

压入式通风的优点为：可以使用柔性风筒，安装比较方便；有效射程大且冲淡和排出炮烟的能力比较强；工作面回风不通过通风机械，在有瓦斯涌出的工作面这种通风比较安全。缺点是：长距离巷道掘进排出炮烟需要的风量大，所排出的炮烟在巷道中随风流扩散蔓延范围大、时间长，影响其它的区域，导致工作环境变差。采用压入式通风时，吸风口应设在上风侧，风筒出口距工作面不得超过10 m。

抽出式通风的优点是烟尘不易向其它巷道扩散，排出速度快，有利于保障作业人员的身体健康和提高掘进效率，管理方便，控制可靠。其缺点是风流由风筒末端吸入，通风效果较差；局部通风机安设在乏风中，乏风有局部通风机中流过，安全性能较差。同时，抽出式通风必须使用硬质风筒，或带刚性骨架的可伸缩风筒，成本高且适应性较差。采用抽出式通风时，排风口应设在下风侧，吸风口距工作面的距离不得超过5 m。

当掘进独头巷长度大于100 m时，则应采用混合式通风，混合式通风是压入式通风和抽出式通风的联合运用，它兼有压入式和抽出式的优点。

二、计算模型构建

独头巷道混合式通风流场模型的计算区域为风流出口断面到独头巷道迎头之间的空间，求解器、湍流模型及压力－速度耦合方式的设置同压入式通风流场。以风流入口的边界类型为速度入口，风流入口（压）速度为10m/s，风流入口（抽）速度为-12m/s，风流出口边界类型为出流，其它壁面的边界类型设为“wall”，压入式风筒通风和抽出式通风风筒直径均为φ500mm，如图1所示。

在GAMBIT软件中划分三维模型的网格，然后可以导入FLUENT中进行计算。

图1 混合式通风独头巷道三维模型

三、试验方案设计及结果分析

正交试验设计的基本程序包括试验方案设计及试验结果分析两部分，其基本步骤为①明确试验目标②确定试验指标③选取因素和水平④确定合适的正交表⑤进行表头设计⑥列试验方案⑦分析试验结果。

在局部通风中，烟尘的浓度随时间的改变而发生变化。选取爆破后200 s巷道空间内的烟尘平均浓度为考察的指标。烟尘浓度越低，表示通风的效果越好。

本文仅考虑了局部通风的参数设置作为研究对象，并考虑到速度和抽压比这两个条件相互排斥，分别选取速度、高度、距离和风筒直径以及抽压比、高度、距离和风筒直径2组试验为影响因素来研究其对烟尘排除效果的影响。

某矿局部通风机的最大速度约为12~22 m/s，抽压比为1.25。矿山目前风筒的安装高度为1.3 m~1.5 m，结合相关文献的研究，确定模拟的风筒安装高度的取值范围为h=1.3 m~1.7 m。抽出式风筒出口到迎头的距离为L=3 m~5 m。至于管径大小的影响，风流量过大，可能造成烟尘在巷道方向扩散过快、过远的问题；风量过小又可能同样致使烟尘不能顺利排除，还要考虑通风的经济性，故设定其范围为400 mm~600 mm。表1为正交试验结果。

表1 试验正交试验结果

采用直观分析法，得到各因素极差的大小。各因素对烟尘浓度影响的排序为：风筒直径>风筒高度>速度>距离。

由试验结果可知：

排尘效果随高度增加变差，随后又越好，取1.3 m时最有利于烟尘的排除。风筒在巷道中间对排除烟尘不利，原因可能是风筒在下部可以在爆破不久后带走大量下沉的烟尘，在上部则可以带走空气中的浮尘；

风速越高，其排尘效果越好；

排尘效果在风筒距掘进迎头4 m时最好；

Φ=500 mm时排尘效果最好。

因此通风最佳组合为：因素A（速度）的最优水平为水平3（12 m/s）；因素B（高度）的最优水平为水平1（1.3 m）；因素C（距离）的最优水平为水平2（4.0 m）；因素D（风筒直径）的最优水平为水平2（500 mm）。

总结

得出了各因素对排尘效果的影响的重要程度排序为：风筒直径、风筒高度、速度、距离，并确定一组通风最优组合。

正交试验结果研究表明，在选定的范围内，风速越高，排除烟尘的效果越好；排除烟尘的效果随风筒高度增加变差，随后又越好，应避免风筒安装在巷道的中部；风筒离掘进迎头3~4 m时排除烟尘的效果好于该距离等于5 m；Φ=500 mm时排除烟尘的效果最好。

[1]古德生, 周科平. 现代金属矿业的发展主题[J]. 金属矿山, 2012, (7): 1-8.

[2]国务院. 国务院关于印发全国资源型城市可持续发展规划（2013-2020年）的通知-国发(2013)45号[EB/OL]. 中华人民共和国政府, 2013年11月12日.

[3]吴国珉. 典型有色金属矿山矿井通风系统优化与防尘技术研究[D]. 中南大学, 2008.

[4]李锋. 基于FLUENT的硐室采场粉尘浓度分布规律模拟研究[D]. 青岛理工大学, 2010.