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·