边坡钻孔作业中粉尘分布及其影响因素的数值模拟

工程科学学报，第37卷，第6期：685692,2015年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.6:685-692,June 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.06.002:http://journals.ustb.edu.cn 边坡钻孔作业中粉尘分布及其影响因素的数值模拟 陈举师，姜兰，蒋仲安⑧ 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:jzal963@263.nct 摘要为了改善露天矿边坡钻机穿孔作业粉尘质量浓度超标的现状，依据气固两相流动及梯度输送理论，对粉尘在风流中 运动、扩散及沉降过程进行分析，建立粉尘在空气中的运动、扩散及沉降方程.以某铁矿S03采场为例，运用计算流体力学的 Fut软件对边坡钻机粉尘质量浓度分布进行数值模拟，并与现场实测数据对比分析，模拟结果与实测数据基本吻合.研究 结果表明：采场内粉尘质量浓度沿测点线方向先急剧上升，达到最大值后迅速下降至一个较小值，后逐步缓慢下降：穿孔开始 后，粉尘质量浓度随时间推移逐步升高，至一定值时保持恒定.当采场风速为3.5ms1、供气压力为1MPa、钻孔深度为12m 及钻具转速为84rmin时，粉尘质量浓度较低. 关键词露天开采：钻进：矿尘：影响因素：数学模型：两相流：数值模拟 分类号TD714 Numerical simulation of dust distribution and influencing factors in slope drilling CHEN Ju-shi,JIANG Lan,JIANG Zhong-an School of Civil Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:jzal963@263.net ABSTRACT To improve the situation of dust concentration exceeding during side slope drilling in an open-pit mine,according to the theories of gas-solid two-phase flow and gradient transportation,the dust movement,diffusion and sedimentation equations were established based on the analysis of dust movement,diffusion and sedimentation characteristics in the air.Taking S03slope of an iron mine as an example,the Fluent software for computational fluid mechanics was used for numerical simulation of dust concentration distribution during side slope drilling.In contrast to field measured data,the simulation result almost conforms to the measured data. The research result shows that the dust concentration firstly increases sharply and reaches a maximum value with increasing distance from the drilling position.After that,it decreases quickly to a lower value and then gradually decreases.What is more,when the drill- ing begins,the dust concentration keeps on rise until a certain value and remains during the whole drilling process.Meanwhile,the dust concentration achieves its minimum value at a wind speed of 3.5 ms,an air pressure of I MPa,a drilling depth of 12m,and a drilling speed of 84rmin KEY WORDS open pit mining:drilling:mine dust;influencing factors;mathematical models:two-phase flow:numerical simulation 穿孔爆破是露天矿山生产过程中最为重要的工艺常事先沿露天矿设计边坡境界线使用边坡钻机钻凿炮 环节，是保证矿山年生产能力实现的前提.随着露天 孔，并采用临近边坡的预裂爆破、光面爆破及缓冲爆破 矿的向下延深，形成固定的最终边坡越来越高，边坡的 等爆破手段，对爆破过程严加控制，以减少对边坡岩体 稳定性问题也日益突出.为了保护边坡的稳定性，通 的破坏，提高边坡坡面的平整度，保护边坡的稳定性. 收稿日期：2014-03-17 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274024)：中央高校基本科研业务费资金资助项目(FRFP1439A1):中国博士后科学基金资助 项目(2014M560891)

工程科学学报，第 37 卷，第 6 期:685--692，2015 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 6: 685--692，June 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 06． 002; http: / /journals． ustb． edu． cn 边坡钻孔作业中粉尘分布及其影响因素的数值模拟 陈举师，姜 兰，蒋仲安 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: jza1963@ 263． net 摘 要 为了改善露天矿边坡钻机穿孔作业粉尘质量浓度超标的现状，依据气固两相流动及梯度输送理论，对粉尘在风流中 运动、扩散及沉降过程进行分析，建立粉尘在空气中的运动、扩散及沉降方程． 以某铁矿 S03# 采场为例，运用计算流体力学的 Fluent 软件对边坡钻机粉尘质量浓度分布进行数值模拟，并与现场实测数据对比分析，模拟结果与实测数据基本吻合． 研究 结果表明:采场内粉尘质量浓度沿测点线方向先急剧上升，达到最大值后迅速下降至一个较小值，后逐步缓慢下降;穿孔开始 后，粉尘质量浓度随时间推移逐步升高，至一定值时保持恒定． 当采场风速为 3. 5 m·s － 1 、供气压力为 1 MPa、钻孔深度为 12 m 及钻具转速为 84 r·min － 1 时，粉尘质量浓度较低． 关键词 露天开采; 钻进; 矿尘; 影响因素; 数学模型; 两相流; 数值模拟 分类号 TD714 Numerical simulation of dust distribution and influencing factors in slope drilling CHEN Ju-shi，JIANG Lan，JIANG Zhong-an School of Civil ＆ Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: jza1963@ 263． net ABSTRACT To improve the situation of dust concentration exceeding during side slope drilling in an open-pit mine，according to the theories of gas-solid two-phase flow and gradient transportation，the dust movement，diffusion and sedimentation equations were established based on the analysis of dust movement，diffusion and sedimentation characteristics in the air． Taking S03# slope of an iron mine as an example，the Fluent software for computational fluid mechanics was used for numerical simulation of dust concentration distribution during side slope drilling． In contrast to field measured data，the simulation result almost conforms to the measured data． The research result shows that the dust concentration firstly increases sharply and reaches a maximum value with increasing distance from the drilling position． After that，it decreases quickly to a lower value and then gradually decreases． What is more，when the drill￾ing begins，the dust concentration keeps on rise until a certain value and remains during the whole drilling process． Meanwhile，the dust concentration achieves its minimum value at a wind speed of 3. 5 m·s － 1 ，an air pressure of 1 MPa，a drilling depth of 12 m，and a drilling speed of 84 r·min － 1 ． KEY WORDS open pit mining; drilling; mine dust; influencing factors; mathematical models; two-phase flow; numerical simulation 收稿日期: 2014--03--17 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51274024); 中央高校基本科研业务费资金资助项目(FRF-TP-14-039A1); 中国博士后科学基金资助 项目(2014M560891) 穿孔爆破是露天矿山生产过程中最为重要的工艺 环节，是保证矿山年生产能力实现的前提． 随着露天 矿的向下延深，形成固定的最终边坡越来越高，边坡的 稳定性问题也日益突出． 为了保护边坡的稳定性，通 常事先沿露天矿设计边坡境界线使用边坡钻机钻凿炮 孔，并采用临近边坡的预裂爆破、光面爆破及缓冲爆破 等爆破手段，对爆破过程严加控制，以减少对边坡岩体 的破坏，提高边坡坡面的平整度，保护边坡的稳定性．

·686* 工程科学学报，第37卷，第6期 边坡钻机产尘是露天矿的主要尘源之一，自我国 2 数学模型的建立 露天矿山进入深凹开采后，随着开采深度的下降，采场 内形成一个锅底状的深坑，坑内风速急剧降低，通风不 2.1粉尘在空气中的运动方程 畅，粉尘难以往外逸散，坑内污染严重，空气质量恶化， 对露天矿边坡钻穿孔作业过程中粉尘颗粒的受力 钻孔尘源处粉尘质量浓度可高达数千mg·m,超标十 情况进行量级分析，发现除重力、浮力及气动阻力外， 分严重.同时，钻机在凿岩过程中，因岩石硬度、钻孔 其他作用力的数量级都很小，可以忽略不计，则可建立 速度的变化，产尘量和产生的粉尘粒度差别较大，尘源 出粉尘颗粒的运动方程为。 表征及构成较为复杂，治理难度较高Ⅲ 因此，对边坡钻机穿孔作业粉尘进行治理，是改善 君n,告-gn.-im.-,1+ 露天矿作业环境的主要任务之一：本文通过对边坡钻 吾n,pg (1) 机穿孔作业粉尘质量浓度分布进行数值模拟，探索影 响粉尘质量浓度分布的主要因素，获取粉尘质量浓度 式中：d。为粉尘颗粒直径，mp。为气体密度，kgm3: 分布较低的参数设置，以用于指导现场生产 P。为粉尘颗粒密度，kgm3:l为运动时间，s;Ca为气 动阻力系数；y。为气体运动速度ms;"。为粉尘颗 1粉尘产生机理 粒的运动速度，ms:g为重力加速度，ms2 露天矿穿孔作业大多采用风动类钻孔机械，其中 2.2粉尘在空气中的扩散方程 风枪和风动钻机使用频率最高.钻进过程中，钻孔机 研究粉尘颗粒在空气中扩散的过程有两种基本方 械在高压风的驱动下钻进成孔，钻头高速旋转将岩石 法，即统计理论和梯度输送理论.梯度输送理论的研 破碎成岩屑，并由钻杆注入孔内的高压风将岩屑沿钻 究方法是讨论在空气固定点上由于空气湍流运动而引 杆与孔壁的环状缝隙处喷射而出.由于风压在孔口处 起的质量通量，属于欧拉变量法.对于露天矿边坡钻 快速降低，大颗粒岩屑喷出孔口后就地沉降，而细小的 机穿孔作业过程中所产生的粒径较小的粉尘颗粒，其 岩粉颗粒则漂浮弥漫在空气中，随风流扩散，造成粉尘 重力很小，沉降速度也很小，由于受到空气分子布朗运 污染. 动的撞击，随之产生不规则的运动：粉尘颗粒越小，运 岩屑自孔底产生后，高压风形成的射流对孔底的 动越激烈，属于粉尘的扩散运动 冲击和冲击后产生的横向漫流共同作用将岩屑排出孔 取空间内任意一体积△V=△x·△y·△z的小六面体 底.首先，射流纵向地对孔底的冲击作用是射流动量 进行粉尘扩散过程分析，如图1所示.根据梯度输送 以压力波的形式作用在孔底的.以三个排气孔的钻头 理论，空间某点粉尘的湍流扩散通量正比于该点粉尘 来说，钻头旋转瞬间，射流作用给了孔底三个冲击圈. 质量浓度梯度，其比例系数为湍流扩散系数.沿x方 射流冲击到孔底后在冲击圈内形成不均匀的压力场分 向通过△y·△z面的粉尘流入量可用通量的概念来描 布，产生压力梯度，岩屑在压力梯度的作用下产生翻转 述.由于空气湍流运动，在单位时间沿着x方向通过 和移动.当钻头高速旋转时，冲击圈也随之快速移动， 单位面积的粉尘量与在x方向粉尘质量浓度梯度成正 使有压力梯度的孔底更具压力分布随时间变化的随机 比，其关系为网 性，更有利于岩屑的翻转和移动.其次，横向漫流是射 =K盖 (2) 流冲向孔底后形成的沿孔底的横向流动.某些实验研 究表明，漫流是一层很薄、紧贴并平行于孔底、对孔底遮 式中：c为粉尘质量浓度，mg·m:-C为沿x方向粉 ax 盖较好的横向流动，对孔底岩屑产生横向推动力，使岩 尘质量浓度的梯度：K为x方向的扩散系数 屑离开原破碎点，完成了岩屑从孔底排出的过程☒ 在环境风流的作用下，粉尘颗粒整体沿着风流方 岩屑在环状缝隙中随压缩空气排出钻孔，其基 向流动，设环境风流在x、y和z方向的风速分别为“、 本运动形式为在流动的空气中克服下沉重力而上 和地，根据质量守恒方程，三方向净流入等于累积率， 升.空气能否将岩屑携带返回至地面，主要取决于排 则有 岩风量的大小.合理的排岩风量，决定于环形缝隙内 有足够大的回风速度，以便及时地将孔底岩屑排出 dx -10 ay dz 孔外.这个回风速度必须大于最大颗粒岩屑在孔内 空气中的悬浮速度（即临界沉降速度）.根据国外的 +水+K警 (3) 经验，一般要求回风速度为25~35m·s1,最低不能 在实际应用中，为简化计算，可选取坐标系的x轴 小于15.3ms,对于某些比重较大的铁矿，甚至超 方向与环境风流的方向一致，在此坐标下，环境风在y 过45.7m·s1. 和z方向速度分量v=0=0,式(3)可以简化为

工程科学学报，第 37 卷，第 6 期 边坡钻机产尘是露天矿的主要尘源之一，自我国 露天矿山进入深凹开采后，随着开采深度的下降，采场 内形成一个锅底状的深坑，坑内风速急剧降低，通风不 畅，粉尘难以往外逸散，坑内污染严重，空气质量恶化， 钻孔尘源处粉尘质量浓度可高达数千 mg·m － 3 ，超标十 分严重． 同时，钻机在凿岩过程中，因岩石硬度、钻孔 速度的变化，产尘量和产生的粉尘粒度差别较大，尘源 表征及构成较为复杂，治理难度较高［1］． 因此，对边坡钻机穿孔作业粉尘进行治理，是改善 露天矿作业环境的主要任务之一． 本文通过对边坡钻 机穿孔作业粉尘质量浓度分布进行数值模拟，探索影 响粉尘质量浓度分布的主要因素，获取粉尘质量浓度 分布较低的参数设置，以用于指导现场生产． 1 粉尘产生机理 露天矿穿孔作业大多采用风动类钻孔机械，其中 风枪和风动钻机使用频率最高． 钻进过程中，钻孔机 械在高压风的驱动下钻进成孔，钻头高速旋转将岩石 破碎成岩屑，并由钻杆注入孔内的高压风将岩屑沿钻 杆与孔壁的环状缝隙处喷射而出． 由于风压在孔口处 快速降低，大颗粒岩屑喷出孔口后就地沉降，而细小的 岩粉颗粒则漂浮弥漫在空气中，随风流扩散，造成粉尘 污染． 岩屑自孔底产生后，高压风形成的射流对孔底的 冲击和冲击后产生的横向漫流共同作用将岩屑排出孔 底． 首先，射流纵向地对孔底的冲击作用是射流动量 以压力波的形式作用在孔底的． 以三个排气孔的钻头 来说，钻头旋转瞬间，射流作用给了孔底三个冲击圈． 射流冲击到孔底后在冲击圈内形成不均匀的压力场分 布，产生压力梯度，岩屑在压力梯度的作用下产生翻转 和移动． 当钻头高速旋转时，冲击圈也随之快速移动， 使有压力梯度的孔底更具压力分布随时间变化的随机 性，更有利于岩屑的翻转和移动． 其次，横向漫流是射 流冲向孔底后形成的沿孔底的横向流动． 某些实验研 究表明，漫流是一层很薄、紧贴并平行于孔底、对孔底遮 盖较好的横向流动，对孔底岩屑产生横向推动力，使岩 屑离开原破碎点，完成了岩屑从孔底排出的过程［2］． 岩屑在环状缝隙中随压缩空气排 出 钻 孔，其 基 本运动形 式 为 在 流 动 的 空 气 中 克 服 下 沉 重 力 而 上 升． 空气能否将岩屑携带返回至地面，主要取决于排 岩风量的大小． 合理的排岩风量，决定于环形缝隙内 有足够大的回风速度，以便及时地将孔底岩屑排出 孔外． 这个回风速度必须大于最大颗粒岩屑在孔内 空气中的悬浮速度(即临界沉降速度) ． 根据国外的 经验，一般要求回风速度为 25 ～ 35 m·s － 1 ，最低不能 小于 15. 3 m·s － 1 ，对于某些比重较大的铁矿，甚至超 过 45. 7 m·s － 1［3］． 2 数学模型的建立 2. 1 粉尘在空气中的运动方程 对露天矿边坡钻穿孔作业过程中粉尘颗粒的受力 情况进行量级分析，发现除重力、浮力及气动阻力外， 其他作用力的数量级都很小，可以忽略不计，则可建立 出粉尘颗粒的运动方程为［4--6］ π 6 d3 p ρp dvp dt = π 8 Cd d2 p ρg(vg － vp ) | vg － vp | + π 6 d3 p (ρp － ρg)g． (1) 式中:dp 为粉尘颗粒直径，m;ρg 为气体密度，kg·m － 3 ; ρp 为粉尘颗粒密度，kg·m － 3 ;t 为运动时间，s;Cd 为气 动阻力系数;vg 为气体运动速度，m·s － 1 ;vp 为粉尘颗 粒的运动速度，m·s － 1 ;g 为重力加速度，m·s － 2 ． 2. 2 粉尘在空气中的扩散方程 研究粉尘颗粒在空气中扩散的过程有两种基本方 法，即统计理论和梯度输送理论． 梯度输送理论的研 究方法是讨论在空气固定点上由于空气湍流运动而引 起的质量通量，属于欧拉变量法． 对于露天矿边坡钻 机穿孔作业过程中所产生的粒径较小的粉尘颗粒，其 重力很小，沉降速度也很小，由于受到空气分子布朗运 动的撞击，随之产生不规则的运动;粉尘颗粒越小，运 动越激烈，属于粉尘的扩散运动． 取空间内任意一体积 ΔV = Δx·Δy·Δz 的小六面体 进行粉尘扩散过程分析，如图 1 所示． 根据梯度输送 理论，空间某点粉尘的湍流扩散通量正比于该点粉尘 质量浓度梯度，其比例系数为湍流扩散系数． 沿 x 方 向通过 Δy·Δz 面的粉尘流入量可用通量的概念来描 述． 由于空气湍流运动，在单位时间沿着 x 方向通过 单位面积的粉尘量与在 x 方向粉尘质量浓度梯度成正 比，其关系为［7--9］ qx = － Kx c x ． (2) 式中:c 为粉尘质量浓度，mg·m － 3 ; － c x 为沿 x 方向粉 尘质量浓度的梯度;Kx 为 x 方向的扩散系数． 在环境风流的作用下，粉尘颗粒整体沿着风流方 向流动，设环境风流在 x、y 和 z 方向的风速分别为 u、v 和 w，根据质量守恒方程，三方向净流入等于累积率， 则有 c t = － u c x － v c y － w c z + Kx  2 c x 2 + Ky  2 c y 2 + Kz  2 c z 2 ． (3) 在实际应用中，为简化计算，可选取坐标系的 x 轴 方向与环境风流的方向一致，在此坐标下，环境风在 y 和 z 方向速度分量 v = w = 0，式(3)可以简化为 ·686·

陈举师等：边坡钻孔作业中粉尘分布及其影响因素的数值模拟 ·687 证*u 要+人老 =k d'e (4) +22~+34m.采场风速为1.5m·s,温度为10.6 0r2 0z2 ℃，湿度为26.8%.矿物组成比较简单，金属矿物以磁 对于稳定的产尘源，当环境条件（风速和湍流强 铁矿为主，脉石矿物以石英为主.原矿品位25%左右， 度)处于稳定状态，在式(4)中，=0.此外当环境风 矿石磁性率36%~42.8%，矿石普式硬度8~12，岩石 普式硬度8~10，矿石密度3.24tm3,岩石密度2.7 速较大，：方向的扩散项人盖远远小于环境风流的平 m3. 钻孔机械采用Atlas Copco全液压露天钻机ROC ,可以忽略不计.在此条件下，式(4)可以进 流项uc, F9-11,发动机怠速为1200r·minl,额定转速为 一步简化为 2000r~min.钻头直径为115mm,钻杆采用中空厚壁 无缝钢管制作，外壁直径为51mm,壁厚12mm,单节钻 (5) 杆长3.76m.空压机工作风压为0.8~1MPa,风量为 在各向同性的空气中粉尘颗粒的在x、y和：方向 1l.8m3·min.钻机机身尺寸约为8600mm× 上的扩散系数均相等，统一用K。进行表示.对此微分 2490mm×3800mm. 方程，由高斯公式给出粉尘质量浓度分布的解为 3.2几何模型的建立及网格划分 e=e卿次+] 露天矿山在进行临近边坡的炮孔钻凿过程中，为 (6) 了尽可能真实全面地描述粉尘在采场内的运动轨迹， 式中，k为波尔兹曼常数，k=1.38×10-2”JK 模型计算域应尽量大，结合采场实际尺寸及现场调查 结果，并作相应简化及假设，将模型计算区间取 120m×20m×12m大小区域，模型左侧及前方属于边 坡，其倾角为70°，模型后方为风流入口，底面为地面， 模型顶部及右侧为风流出口.相关简化及假设如下： △V=ArAyA (1)边坡钻机作为主要作业设备，其尺寸相对较 大，对风流及粉尘运动均会产生一定程度的影响，建模 x+△x 过程中应做到尽量详细： (2)钻头作为截割及破碎岩石的主要部件，是尘 源的制造者，模型建立过程中应尽量接近真实； (3)压气系统（空压机及压气管路）是边坡钻机 图1边坡钻机粉尘扩散模型建立示意图 Fig.I Dust diffusion model of slope drilling 工作的重要组成部分，并负责将钻孔内粉尘排出孔口， 应完全考虑在内： 2.3粉尘在空气中的沉降方程 (4)边坡钻作业粉尘全部产生于施钻阶段，准备 露天矿边坡钻机穿孔作业过程中粉尘颗粒在重力 阶段及钻后卸杆阶段产生的粉尘不予考虑. 作用下向水平表面的沉降，沉降过程中颗粒速度不断 基于上述简化及假设，运用Gambit建立采场边坡 变化，阻力也随之变化，当重力、浮力和气动阻力达到 钻机穿孔作业三维几何模型，模型中取钻孔中心与地 平衡时，尘粒以恒定速度沉降，此速度称为最终沉降速 面的交点作为坐标原点，并对其进行网格划分，得到露 度.在式(1)中，令d,/d=0,得到最终沉降速度 天矿采场边坡钻穿孔作业三维几何模型如图2所示 0-如下： 3.3相关参数的设定及求解 A(p。-PgL 通过查阅相关文献资料及现场实地调查，确定边 ,= (7) 3p.Ca 坡钻机作业过程的相关参数设定，结合粉尘运动数学 当粉尘颗粒较小时，取Ca=24/Re。,又因颗粒雷 模型和Fluent数值模拟方法，并对几何模型区域网格 诺数Re。=d,P,μ，则最终沉降速度可表示为 进行自适应等调试，最终求解出粉尘质量浓度分布 (p-p)gd 数值模拟参数设定如表1所示3- ,=- 18μs (8) 4数值模拟结果及分析 式中，u为空气的动力黏度，Pa·s 4.1风流流场分布及分析 3几何模型的建立及求解 为探究露天矿采场风流流场分布情况，结合边坡 3.1采场概况 钻穿孔作业三维几何模型，取呼吸带高度平面(z= 某铁矿S03“采场位于该矿西南角，开采深度为 1.5m)及钻孔中心所在垂面十字相交，得风流速度场

陈举师等: 边坡钻孔作业中粉尘分布及其影响因素的数值模拟 c t + u c x = Kx  2 c x 2 + Ky  2 c y 2 + Kz  2 c z 2 ． (4) 对于稳定的产尘源，当环境条件(风速和湍流强 度)处于稳定状态，在式(4)中，c t = 0． 此外当环境风 速较大，x 方向的扩散项 Kx  2 c x 2远远小于环境风流的平 流项 u c x ，可以忽略不计． 在此条件下，式(4)可以进 一步简化为 u c x = Ky  2 c y 2 + Kz  2 c z 2 ． (5) 在各向同性的空气中粉尘颗粒的在 x、y 和 z 方向 上的扩散系数均相等，统一用 Kp 进行表示． 对此微分 方程，由高斯公式给出粉尘质量浓度分布的解为 c = kx － 1 [ exp － u 4Kp x (y 2 + z 2 ] ) ． (6) 式中，k 为波尔兹曼常数，k = 1. 38 × 10 － 23 J·K － 1 ． 图 1 边坡钻机粉尘扩散模型建立示意图 Fig． 1 Dust diffusion model of slope drilling 2. 3 粉尘在空气中的沉降方程 露天矿边坡钻机穿孔作业过程中粉尘颗粒在重力 作用下向水平表面的沉降，沉降过程中颗粒速度不断 变化，阻力也随之变化，当重力、浮力和气动阻力达到 平衡时，尘粒以恒定速度沉降，此速度称为最终沉降速 度． 在式 ( 1 ) 中，令 dvp /dt = 0，得 到 最 终 沉 降 速 度 v ［10--12］ t 如下: vt = 4(ρp － ρg)gdp 槡 3ρgCd ． (7) 当粉尘颗粒较小时，取 Cd = 24 /Rep，又因颗粒雷 诺数 Rep = dp ρg vt /μg，则最终沉降速度可表示为 vt = (ρp － ρg)gd2 p 18μg ． (8) 式中，μg 为空气的动力黏度，Pa·s． 3 几何模型的建立及求解 3. 1 采场概况 某铁矿 S03# 采场位于该矿 西 南 角，开 采 深 度 为 + 22 ～ + 34 m． 采场风速为 1. 5 m·s － 1 ，温度为 10. 6 ℃，湿度为 26. 8% ． 矿物组成比较简单，金属矿物以磁 铁矿为主，脉石矿物以石英为主． 原矿品位 25% 左右， 矿石磁性率 36% ～ 42. 8% ，矿石普式硬度 8 ～ 12，岩石 普式硬度 8 ～ 10，矿石密度 3. 24 t·m － 3 ，岩石密度 2. 7 t·m － 3 ． 钻孔机械采用 Atlas Copco 全液压露天钻机 ROC F9--11，发 动 机 怠 速 为 1200 r·min － 1 ，额 定 转 速 为 2000 r·min － 1 ． 钻头直径为 115 mm，钻杆采用中空厚壁 无缝钢管制作，外壁直径为 51 mm，壁厚 12 mm，单节钻 杆长 3. 76 m． 空压机工作风压为 0. 8 ～ 1 MPa，风量为 11. 8 m3 ·min － 1 ． 钻 机 机 身 尺 寸 约 为 8600 mm × 2490 mm × 3800 mm． 3. 2 几何模型的建立及网格划分 露天矿山在进行临近边坡的炮孔钻凿过程中，为 了尽可能真实全面地描述粉尘在采场内的运动轨迹， 模型计算域应尽量大，结合采场实际尺寸及现场调查 结果，并 作 相 应 简 化 及 假 设，将 模 型 计 算 区 间 取 120 m × 20 m × 12 m 大小区域，模型左侧及前方属于边 坡，其倾角为 70°，模型后方为风流入口，底面为地面， 模型顶部及右侧为风流出口． 相关简化及假设如下: (1) 边坡钻机作为主要作业设备，其尺寸相对较 大，对风流及粉尘运动均会产生一定程度的影响，建模 过程中应做到尽量详细; (2) 钻头作为截割及破碎岩石的主要部件，是尘 源的制造者，模型建立过程中应尽量接近真实; (3) 压气系统(空压机及压气管路) 是边坡钻机 工作的重要组成部分，并负责将钻孔内粉尘排出孔口， 应完全考虑在内; (4) 边坡钻作业粉尘全部产生于施钻阶段，准备 阶段及钻后卸杆阶段产生的粉尘不予考虑． 基于上述简化及假设，运用 Gambit 建立采场边坡 钻机穿孔作业三维几何模型，模型中取钻孔中心与地 面的交点作为坐标原点，并对其进行网格划分，得到露 天矿采场边坡钻穿孔作业三维几何模型如图 2 所示． 3. 3 相关参数的设定及求解 通过查阅相关文献资料及现场实地调查，确定边 坡钻机作业过程的相关参数设定，结合粉尘运动数学 模型和 Fluent 数值模拟方法，并对几何模型区域网格 进行自适应等调试，最终求解出粉尘质量浓度分布． 数值模拟参数设定如表 1 所示［13--15］． 4 数值模拟结果及分析 4. 1 风流流场分布及分析 为探究露天矿采场风流流场分布情况，结合边坡 钻穿孔作业三维几何模型，取呼吸带高度平面(z = 1. 5 m)及钻孔中心所在垂面十字相交，得风流速度场 ·687·

·688 工程科学学报，第37卷，第6期 图2露天矿采场三维几何模型图.()边坡钻机：(b)钻头：(c)网格划分 Fig.2 3D geometric model of down-the-hole drilling:(a)side slope drilling:(b)drilling bit:(c)meshing 表1计算模型参数设定 进入采场后，整体沿采场走向继续流动，在流场横断面 Table 1 Parameter definition of the calculation model 内，受模型左侧及前方边坡影响，风速随距壁面距离的 边界条件 参数设定 减小逐步降低.(2)钻机后方及采场前方左下角处各 求解器 分离求解器 形成了一个风流漩涡；漩涡内气流与外界流通性能较 湍流模型 k€双方程模型 差，在一定程度上限制了边坡钻机的散热及采场排尘 入口边界类型 速度入口 (3)在风流入口附近区域内，风速基本保持在1.5m· 入口速度 1.5ms4 s左右：随着流场的发展，风速在靠近壁面区域内有 水力直径 16.85m 所下降，基本保持在0.8~1ms1内；此外，在一些风 湍流强度 2.66% 流漩涡内，风速降低至0.25ms以下. 出口边界类型 压力出口 风速m·少 1.50 风扇 打开 1.35 1.20 压力跳跃 900000Pa 1.05 钻杆转速 72rmin-1 0.90 0.75 离散相模型 打开 0.60 0.45 计算频率 10 0.30 喷射源类型 面喷射 0.15 材质 石英石 密度 2700kgm-3 X 粒径分布 RR分布 图3风流速度场三维道染图 分布指数 1.98 Fig.3 3D rendering of the wind velocity field 质量流率 0.0015kgs1 4.2粉尘质量浓度分布及分析 湍流扩散模型 随机轨道模型 边坡钻穿孔作业过程中，据现场实测得知，一根长 离散相边界 捕捉/反弹 约3.76m的钻杆，需要4~5min完成钻进.为了研究 剪切边界 无滑移 钻孔作业过程中粉尘质量浓度随时间的变化规律以及 在采场空间内的分布规律，监测模型在5min内粉尘质 渲染如图3所示.从图3中可以看出：(1)风流自后方 量浓度变化情况如图4所示，图中x代表采场下风向

工程科学学报，第 37 卷，第 6 期 图 2 露天矿采场三维几何模型图． (a) 边坡钻机; (b) 钻头; (c) 网格划分 Fig． 2 3D geometric model of down-the-hole drilling: (a) side slope drilling; (b) drilling bit; (c) meshing 表 1 计算模型参数设定 Table 1 Parameter definition of the calculation model 边界条件 参数设定 求解器 分离求解器 湍流模型 k-ε 双方程模型 入口边界类型 速度入口 入口速度 1. 5 m·s － 1 水力直径 16. 85 m 湍流强度 2. 66% 出口边界类型 压力出口 风扇 打开 压力跳跃 900 000 Pa 钻杆转速 72 r·min － 1 离散相模型 打开 计算频率 10 喷射源类型 面喷射 材质 石英石 密度 2 700 kg·m － 3 粒径分布 R-R 分布 分布指数 1. 98 质量流率 0. 001 5 kg·s － 1 湍流扩散模型 随机轨道模型 离散相边界 捕捉/反弹 剪切边界 无滑移 渲染如图 3 所示． 从图 3 中可以看出:(1)风流自后方 进入采场后，整体沿采场走向继续流动，在流场横断面 内，受模型左侧及前方边坡影响，风速随距壁面距离的 减小逐步降低． (2)钻机后方及采场前方左下角处各 形成了一个风流漩涡;漩涡内气流与外界流通性能较 差，在一定程度上限制了边坡钻机的散热及采场排尘． (3)在风流入口附近区域内，风速基本保持在 1. 5 m· s － 1 左右;随着流场的发展，风速在靠近壁面区域内有 所下降，基本保持在 0. 8 ～ 1 m·s － 1 内;此外，在一些风 流漩涡内，风速降低至 0. 25 m·s － 1 以下． 图 3 风流速度场三维渲染图 Fig． 3 3D rendering of the wind velocity field 4. 2 粉尘质量浓度分布及分析 边坡钻穿孔作业过程中，据现场实测得知，一根长 约 3. 76 m 的钻杆，需要 4 ～ 5 min 完成钻进． 为了研究 钻孔作业过程中粉尘质量浓度随时间的变化规律以及 在采场空间内的分布规律，监测模型在5 min 内粉尘质 量浓度变化情况如图 4 所示，图中 x 代表采场下风向 ·688·

陈举师等：边坡钻孔作业中粉尘分布及其影响因素的数值模拟 ·689* 距钻孔的距离，监测点均位于呼吸带高度平面与y= 穿孔开始后，钻头钻进过程中破碎及剥落岩石所 1m垂面的交线内.同时，对计算稳定后的采场空间质 产生的粉尘颗粒在供气系统所产生的高速气流作用 量浓度场进行对比分析.图5为呼吸带高度平面内距 下，自孔底由孔口喷射而出：受采场自然风流的作用， 钻孔中心不同距离的断面内粉尘质量浓度沿程分布情 由孔口喷射而出的粉尘颗粒纵向沿风流方向扩散，横 况，及距钻孔中心1m处断面内不同高度粉尘质量浓 向随机脉动，在运动过程中由于受到重力沉降、壁面拦 度沿程分布 截等作用，终止其运动轨迹 500 由图4可知，不同监测点处粉尘质量浓度随时间 rs5m -=50m x=10m -x=90m 推移逐步升高，到一定值时保持稳定，并在固定区间内 400 x=20m 上下波动.穿孔作业开始后5s时，粉尘扩散至钻机司 机处(x=5m),在10s时粉尘质量浓度趋于稳定，并基 本保持在200mg·m3左右.穿孔作业后8s时，粉尘扩 散至钻机机尾处(x=10m),在13s时粉尘质量浓度趋 于稳定，并基本保持在175mg·m3左右.穿孔作业后 150 200 25 15、42及80s时，粉尘分别扩散至钻孔后20、50及90m 时间s 处，并分别在25、75及175s时粉尘质量浓度趋于稳 图4粉尘质量浓度实时监测图 定，分别保持在100、75及50mgm3左右. Fig.4 Real time monitoring of dust concentration 600 300r (a b 500 250 +=150m 400 =0m 200 =2.25m +-1=05m -z-3.00m y=1.0m -=3.75m -=15m =4.50m 200 -1=2.0m 100 50 20 40 60 80 0 20 40 60 0 与钻孔中心距离m 与钻孔中心距离m 图5不同断面内()及不同高度内(b)粉尘质量浓度沿程分布 Fig.5 Dust concentration distribution at different cross sections (a)and heights (b) 由图5可知：在采场空间内，粉尘质量浓度沿程先 场风速、供气压力、钻孔深度和钻具转速是影响边坡钻 急剧升高，在钻孔后方8m处达到最大值，之后快速降 穿孔作业过程中粉尘质量浓度分布的四个主要因素 低，在钻孔后方约15m处降低至一较小值，再逐步缓 通过对不同风速、压力、孔深及转速条件下粉尘质量浓 慢下降，在采场前方边坡附近区域内，含尘气流基本不 度沿程分布情况进行对比分析，优化出粉尘质量浓度 进入，粉尘质量浓度较低.在水平方向上，粉尘质量浓 较低的参数设置，以指导现场作业.取呼吸带高度平 度以钻孔所在断面为中心，向两侧逐步降低，在靠近边 面与y=1m垂面的交线作为粉尘质量浓度测点线，得 坡一侧，粉尘质量浓度降低较快.在竖直方向上，粉尘 出边坡钻穿孔作业过程中不同采场风速条件下、不同 质量浓度随高度的增加逐步降低，在高度达到4.5m 供气压力条件下、不同钻孔深度条件下及不同钻具转 后，粉尘质量浓度整体保持在一个较低的水平，降低幅 速条件下粉尘质量浓度沿程分布，如图6所示 度较小.靠近边坡一侧，由钻孔中心所在断面(y= 采场自然风一方面可以将弥散在空气中的粉尘携 0m)至距钻孔中心2m处断面(y=2m)范围内，随着 带并排出，一方面又会将沉降粉尘吹起，造成二次污 距离的增加，粉尘质量浓度最大值由550mg“m3降至 染.由图6(a)可知：在风速为1.5~2ms区域内，粉 60mg·m3,钻孔后方15m外区域内粉尘质量浓度由 125mgm3降至25mgm3:当高度为1.5m~4.5m范 尘质量浓度随风速增大而增大，该区域内风流的排尘 围内，随着高度的升高，粉尘质量浓度最大值由 作用较之扬尘要弱：在风速为2~3.5ms区域内，风 285mgm3降至40mg“m3,钻孔后方15m外区域内 速越大，粉尘质量浓度整体越低，排尘作用较之扬尘要 粉尘质量浓度由100mgm3降至5mgm3 强.通过比较可知采场风速为3.5m·s时粉尘质量 4.3粉尘影响因素的确定 浓度较低.在现场作业过程中，应尽力解决好露天矿 根据现场经验总结及查阅相关文献资料可知，采 山的通风问题，保证采场有一个较高的排尘风速

陈举师等: 边坡钻孔作业中粉尘分布及其影响因素的数值模拟 距钻孔的距离，监测点均位于呼吸带高度平面与y = 1 m垂面的交线内． 同时，对计算稳定后的采场空间质 量浓度场进行对比分析． 图 5 为呼吸带高度平面内距 钻孔中心不同距离的断面内粉尘质量浓度沿程分布情 况，及距钻孔中心 1 m 处断面内不同高度粉尘质量浓 度沿程分布． 图 4 粉尘质量浓度实时监测图 Fig． 4 Real time monitoring of dust concentration 穿孔开始后，钻头钻进过程中破碎及剥落岩石所 产生的粉尘颗粒在供气系统所产生的高速气流作用 下，自孔底由孔口喷射而出;受采场自然风流的作用， 由孔口喷射而出的粉尘颗粒纵向沿风流方向扩散，横 向随机脉动，在运动过程中由于受到重力沉降、壁面拦 截等作用，终止其运动轨迹． 由图 4 可知，不同监测点处粉尘质量浓度随时间 推移逐步升高，到一定值时保持稳定，并在固定区间内 上下波动． 穿孔作业开始后 5 s 时，粉尘扩散至钻机司 机处(x = 5 m)，在 10 s 时粉尘质量浓度趋于稳定，并基 本保持在 200 mg·m － 3 左右． 穿孔作业后 8 s 时，粉尘扩 散至钻机机尾处(x = 10 m)，在 13 s 时粉尘质量浓度趋 于稳定，并基本保持在 175 mg·m － 3 左右． 穿孔作业后 15、42 及 80 s 时，粉尘分别扩散至钻孔后 20、50 及 90 m 处，并分别在 25、75 及 175 s 时粉尘质量浓度趋于稳 定，分别保持在 100、75 及 50 mg·m － 3 左右． 图 5 不同断面内(a)及不同高度内(b)粉尘质量浓度沿程分布 Fig． 5 Dust concentration distribution at different cross sections (a) and heights (b) 由图 5 可知:在采场空间内，粉尘质量浓度沿程先 急剧升高，在钻孔后方 8 m 处达到最大值，之后快速降 低，在钻孔后方约 15 m 处降低至一较小值，再逐步缓 慢下降，在采场前方边坡附近区域内，含尘气流基本不 进入，粉尘质量浓度较低． 在水平方向上，粉尘质量浓 度以钻孔所在断面为中心，向两侧逐步降低，在靠近边 坡一侧，粉尘质量浓度降低较快． 在竖直方向上，粉尘 质量浓度随高度的增加逐步降低，在高度达到 4. 5 m 后，粉尘质量浓度整体保持在一个较低的水平，降低幅 度较小． 靠 近 边 坡 一 侧，由 钻 孔 中 心 所 在 断 面(y = 0 m)至距钻孔中心 2 m 处断面( y = 2 m)范围内，随着 距离的增加，粉尘质量浓度最大值由 550 mg·m － 3 降至 60 mg·m － 3 ，钻孔后方 15 m 外区域内粉尘质量浓度由 125 mg·m － 3 降至 25 mg·m － 3 ;当高度为 1. 5 m ～ 4. 5 m 范 围内，随 着 高 度 的 升 高，粉 尘 质 量 浓 度 最 大 值 由 285 mg·m － 3 降至 40 mg·m － 3 ，钻孔后方 15 m 外区域内 粉尘质量浓度由 100 mg·m － 3 降至 5 mg·m － 3 ． 4. 3 粉尘影响因素的确定 根据现场经验总结及查阅相关文献资料可知，采 场风速、供气压力、钻孔深度和钻具转速是影响边坡钻 穿孔作业过程中粉尘质量浓度分布的四个主要因素． 通过对不同风速、压力、孔深及转速条件下粉尘质量浓 度沿程分布情况进行对比分析，优化出粉尘质量浓度 较低的参数设置，以指导现场作业． 取呼吸带高度平 面与 y = 1 m 垂面的交线作为粉尘质量浓度测点线，得 出边坡钻穿孔作业过程中不同采场风速条件下、不同 供气压力条件下、不同钻孔深度条件下及不同钻具转 速条件下粉尘质量浓度沿程分布，如图 6 所示． 采场自然风一方面可以将弥散在空气中的粉尘携 带并排出，一方面又会将沉降粉尘吹起，造成二次污 染． 由图 6(a)可知:在风速为 1. 5 ～ 2 m·s － 1 区域内，粉 尘质量浓度随风速增大而增大，该区域内风流的排尘 作用较之扬尘要弱;在风速为 2 ～ 3. 5 m·s － 1 区域内，风 速越大，粉尘质量浓度整体越低，排尘作用较之扬尘要 强． 通过比较可知采场风速为 3. 5 m·s － 1 时粉尘质量 浓度较低． 在现场作业过程中，应尽力解决好露天矿 山的通风问题，保证采场有一个较高的排尘风速． ·689·