涼水井礦綜采工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律數(shù)值仿真

王建國 周侗柱 戚斐文 張亞平

摘?要：為研究涼水井礦42112綜采工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律，基于Fluent數(shù)值仿真軟件，選用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型以及DPM計算模型建立了氣-固兩相流的粉塵運(yùn)移數(shù)學(xué)和物理模型。用數(shù)值仿真及現(xiàn)場實(shí)測的方法研究了涼水井礦綜采工作面風(fēng)流運(yùn)動情況，以及在移架和割煤時粉塵的運(yùn)移規(guī)律和懸浮時間。研究表明：風(fēng)流沿工作面在速度上表現(xiàn)出“小-大-小”的規(guī)律，速率和湍流強(qiáng)度在采煤機(jī)附近達(dá)到最大，在人行道空間有一定的低值區(qū)域。移架產(chǎn)生的粉塵一部分隨風(fēng)流運(yùn)動，另一部分因粒徑不同沉降到巷道底板不同位置。采煤機(jī)割煤產(chǎn)生的大粒徑粉塵在重力作用下逐漸沉降，小粒徑粉塵隨氣流繼續(xù)運(yùn)動，粉塵濃度最大處為前后滾筒附近及后滾筒下風(fēng)向10 m左右靠近煤壁一側(cè)區(qū)域，但擴(kuò)散性不大，隨著粉塵團(tuán)向后移動，影響范圍不斷擴(kuò)大，直至向整個工作面彌散。綜采工作面粉塵在距底板1 m處粉塵濃度最高且分布范圍最廣，在巷道上部空間，直徑大于100 μm的粉塵粒子迅速沉降，而隨著粒徑減小，粉塵懸浮時間也逐漸延長。本研究可為綜采工作面除塵、抑塵提供參考。

關(guān)鍵詞：安全科學(xué)與工程;粉塵運(yùn)移規(guī)律;數(shù)值仿真;粉塵防治

中圖分類號：TD 724

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2020）02-0195-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0202開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Numerical simulation ofdust movement rules atfully-

mechanized mining faces in Liangshuijing coal mine

WANG Jian-guo1，2，ZHOU Tong-zhu1，2，QI Fei-wen1，2，ZHANG Ya-ping2，3

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.College of EnergyEngineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：In order to explore the movement pattern of dust generated by support advancing and shearer cutting at 42112 fully-mechanized mining face in Liangshuijing Coal Mine，based on Fluent numerical simulation software，the standard k-epsilon turbulence model and DPM on model were used to establish the mathernatical and physical models ofthe gas-solid two-phase flow dust transportation.The numerical simulation and on-site measurement method were used to study the air movement of the working faces，the dust migration law in moving and cutting the coal，and the suspension time at different heights and with different particle sizes.The results reveal that the airflow velocity shows the “small-large-small” pattern when the airflow enters the mining face，and the flow rate and turbulence intensity reach the maximum in the vicinity of the shearer and a low value area in the sidewalk space.Part of the dust generated by the moving frame is moving with the wind flow，and the other part is sliding to different positions of the roadway bottom plate due to different particle sizes.Among the dust generated by the coal cutting machine，the large-size dust gradually settles under the action of gravity，and the small-sizedcontinues to move with the airflow.The maximum concentration is near the front and the rear drums and the wind direction of the rear drum is about 10 m near the coal wall side，wherethe diffusivity is not large.As the dust group moves backwards，the scope of influence continues to expand until it spreads to the entire working surface.In the fully mechanized mining working face，the dust has the highest concentration and the widest distribution range at 1 m from the bottom plate.In the upper space of the roadway，the dust particles with a diameter larger than 100 μm settle rapidly，and as the particle size decreases，the dust suspension time also gradually increases.The conclusion here is helpful for dust removal and suppression in the fully mechanized mining face.

Key words：safety science and engineering;dust movement rules;numerical simulation;dust control

0?引?言

綜合機(jī)械化采煤已成為厚煤層開采的重要手段，然而，大型機(jī)械的應(yīng)用也使得采煤工作面的產(chǎn)塵量不斷增加[1]。據(jù)測量，在無除塵措施的情況下，移架和割煤時粉塵濃度可達(dá)8 000 mg/m3，嚴(yán)重污染了井下作業(yè)環(huán)境[2-3]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家相關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重威脅著井下工作人員的身心健康，惡化了工作條件，加大了井下設(shè)備的磨損，甚至還有煤塵爆炸的危險[4]。此外，機(jī)械化開采厚煤層使得工作面空間更大也更復(fù)雜，進(jìn)一步加劇了含塵氣流擴(kuò)散和運(yùn)動的復(fù)雜性[5]，增加了現(xiàn)場防塵、控塵的工作難度。

目前，研究工作面粉塵運(yùn)移及擴(kuò)散規(guī)律主要通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真。在數(shù)值仿真方面，Patankar和Joseph使用大渦模擬法來模擬氣流，用拉格朗日方法描述塵粒運(yùn)動，分析了不同Stokes數(shù)下煤塵與空氣流場的空間分布[6]。王曄通過分析采煤機(jī)在順風(fēng)、逆風(fēng)割煤時粉塵運(yùn)移規(guī)律以及不同風(fēng)速下呼吸性粉塵分布規(guī)律，得出了控制人行道呼吸帶最低粉塵濃度的最優(yōu)風(fēng)速[7]。白若男等對工作面不同風(fēng)速條件下粉塵分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，提出了“綜采面高濃度粉塵連續(xù)帶”的概念[8]。雷猛通過數(shù)值模擬的方法分析了割煤20，40，80 s后工作面不同空間粉塵分布及運(yùn)移規(guī)律，得出了在不同時間人行道粉塵濃度分布規(guī)律[9]。蔣仲安等通過建立氣-固兩相流模型，研究了硐室、采煤工作面和掘進(jìn)工作面等地點(diǎn)的產(chǎn)塵機(jī)理和擴(kuò)散規(guī)律，對比分析了移架和割煤等工序在不同條件不同地點(diǎn)下的粉塵分布規(guī)律、最優(yōu)除塵風(fēng)速等[10-12]。張廣等通過氣-固兩相流理論，結(jié)合數(shù)值模擬分析，得出煤塵質(zhì)量濃度在作業(yè)面處濃度最大，其運(yùn)移速度也最大[13]。吳立榮等通過分析工作面流場粉塵顆粒在塵源高度和塵源濃度不同時粉塵濃度變化規(guī)律，得出了塵源高度及濃度與巷道內(nèi)粉塵濃度及運(yùn)移規(guī)律[14]。左前明通過模擬得到了大采高綜采工作面與一般綜采工作面風(fēng)流-粉塵運(yùn)移規(guī)律的區(qū)別[15]。譚聰?shù)韧ㄟ^模擬研究了風(fēng)速、采煤機(jī)割煤時滾筒轉(zhuǎn)速以及溜子速度與工作面粉塵質(zhì)量濃度的關(guān)系[16]。周剛等利用數(shù)值模擬的方法研究了綜采工作面移架、割煤等工序產(chǎn)生的呼吸性粉塵運(yùn)移規(guī)律并設(shè)計了綜采工作面呼吸性粉塵防治方法[17]。

綜上可見，目前對綜采工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律的仿真研究主要集中在整個工作面粉塵濃度分布及運(yùn)移規(guī)律上，而對不同高度不同粒徑粉塵在空氣中的分布規(guī)律及懸浮時間研究較少，而對不同粒徑粉塵在不同高度的懸浮時間的研究能有效指導(dǎo)現(xiàn)場防塵、控塵工作。鑒于此，采用數(shù)值仿真及現(xiàn)場實(shí)測的方法研究了涼水井礦42112綜采工作面風(fēng)流運(yùn)動情況，以及在移架和割煤時粉塵的運(yùn)移規(guī)律和懸浮時間，以期為綜采工作面防塵提供理論指導(dǎo)。

1?綜采工作面粉塵運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

1.1?連續(xù)相數(shù)學(xué)模型

目前，對顆粒-氣體兩相流的模擬方法有歐拉-歐拉法（Euler-Euler）和歐拉-拉格朗日法（Euler-Lagrange）2種[18-19]，本研究以Euler-Lagrange法理論為基礎(chǔ)[20]，視空氣為連續(xù)相，通過求解時均Navier-Stokes方程得到速度等參量。把粉塵顆?？醋鞣稚⑾?，采用拉格朗日方法描述，建立離散相模型（Discrete Phase Model，DPM）[21-22]，通過對大量質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方程進(jìn)行積分運(yùn)算得到其運(yùn)動軌跡。分散相與連續(xù)相可以交換動量、質(zhì)量和能量，即實(shí)現(xiàn)雙向耦合求解。

綜采工作面空氣流動滿足質(zhì)量守恒定律、牛頓第2定律和能量守恒定律等，將工作面風(fēng)流視為不可壓縮流體，有流體流動控制方程守恒形式

式中?ρ為流體密度，kg/m3;t為時間，s;V為流體速度矢量，m/s;p為流體壓力梯度，Pa/m;f為單位質(zhì)量流體的體積力，N;e為單位質(zhì)量流體的內(nèi)能，J;E為總能，J;Γ為表面應(yīng)力，N;為單位質(zhì)量體積加熱率，W·m3/kg.雙方程湍流模型通過求解2個單獨(dú)的運(yùn)輸方程來確定湍流長度和時間尺度。標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon模型是基于湍動能k及其湍流耗散ε模型的輸運(yùn)方程模型[23]，分別為

式中?k為湍動能，m2/s2;

ε為湍流耗散率，m2/s3;ui為i方向上平均速度分量，m/s;μt為空氣動力學(xué)粘度，kg/（m·s）;Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能，kg/（m·s3）;μ為流體的粘度，Pa·s;Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動能，kg/（m·s3）;YM為可壓縮流動中波的膨脹對整體擴(kuò)散率的影響，kg/（m·s3）;

C1ε，

C2ε，

和

C3ε為常數(shù);

σk和σε分別是k和ε的無量綱湍流普朗特數(shù)，其中Sk為源項(xiàng)，kg/（m·s3）;Sε為源項(xiàng)，m2/s4.

1.2?離散相數(shù)學(xué)模型

ANSYS Fluent軟件通過分析微粒在拉格朗日參考系中的受力平衡來預(yù)測離散相粒子的運(yùn)動軌跡，這種力的平衡將粒子的慣性等同于作用在粒子上的力[24-25]，可以表示為

dup

dt=FD（u-up）

+g（ρp-ρ）

ρp

+F

（6）

式中?F為其它力的作用，N;

FD（u-up）為單位質(zhì)量顆粒的曳力。

FD=18μρpd2p

·

CDRe24

（7）

u為連續(xù)相速度，m/s;up為粒子速度，m/s;ρ為連續(xù)相密度，kg/m3;

ρp為微粒密度，kg/m3;μ為流體的粘度，Pa·s;

dp為顆粒直徑，mm;Re為無量綱相對雷諾數(shù);CD為無量綱阻力系數(shù)，分別定義為

式中?a1，a2和a3為常數(shù)，適用于由Morsi和Alexander根據(jù)光滑球試驗(yàn)給出的Re的范圍。顆粒在運(yùn)動過程中受到許多種力的作用，除了重力和浮力的合力及阻力外還包括壓力梯度力、“虛擬質(zhì)量”力、Saffman升力、布朗力等。本研究中作為分散相的粉塵顆粒的體積比率低，且由于塵粒粒徑小，顆粒間相互作用力弱，空氣與粉塵在等溫條件下運(yùn)動，因此，在計算過程中只考慮流體對其曳力，其次為重力與浮力。

2?幾何模型及邊界條件

2.1?幾何模型及網(wǎng)格

涼水井礦42112綜采工作面采用U型通風(fēng)方式，布置在4-2煤層中，采用一次采全高開采方式。工作面長度約為300 m，采高約3 m，煤層傾角為0°～3°，煤層厚約2.8～3.6 m，采煤機(jī)前后滾筒割煤。圖1為涼水井礦42112采煤工作面簡化幾何模型。如圖1所示，將整個工作面簡化為長方體，長、寬、高分別為65，5，3 m，采煤機(jī)長、寬、高分別為6，1.5，1.2 m，將采煤機(jī)滾筒簡化為一個圓柱，直徑為1.2 m，搖臂簡化為長方體，長1.8 m.液壓支架底部及電纜槽簡化為長方體，支架上部簡化為傾斜的圓柱體。采煤機(jī)置于巷道中部，前滾筒距入口27 m.圖2顯示了幾何模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果，經(jīng)網(wǎng)格檢查，滿足求解要求。

2.2?邊界條件及求解設(shè)置

綜采工作面采煤時主要由采煤機(jī)割煤和液壓支架移架產(chǎn)生粉塵，將采煤機(jī)前后滾筒割煤時的塵源設(shè)定為面塵源。移架產(chǎn)塵點(diǎn)布置在頂板處，為面塵源。工作面粉塵顆粒粒度分布符合羅辛-拉姆勒（R-R）分布[25]。表1為離散相主要設(shè)置，表2為邊界條件及求解器設(shè)置。其中工作面入口風(fēng)速由現(xiàn)場測量得到，水力直徑由公式（10）計算得出，湍流強(qiáng)度由公式（11）計算得出，煤粉密度由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得[20]。水力直徑DH定義為

式中?A為過流斷面面積，m2;S為流體與固體的基礎(chǔ)周長，m.

湍流強(qiáng)度I定義為

式中?ReH為由水力直徑計算得出的Re數(shù)。

3?結(jié)果及討論

3.1?風(fēng)流分布規(guī)律

采煤工作面粉塵的運(yùn)移擴(kuò)散受多種因素影響，其中空氣的運(yùn)移對其影響最為明顯，氣流場的分布規(guī)律有助于了解粉塵的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律。圖3為沿底板方向的空氣速度云圖。

空氣從左端進(jìn)入工作面，入口風(fēng)速為1.5 m/s，受液壓支架及電纜槽等設(shè)備的影響，其流速在巷道內(nèi)發(fā)生變化，增加到1.75 m/s左右，而靠近支架的區(qū)域風(fēng)速減小。在遠(yuǎn)離采煤機(jī)區(qū)域時巷道內(nèi)風(fēng)速變化程度相對較小，從水平方向風(fēng)速云圖（a）、（b）、（c）不難看出，距底板1 m處風(fēng)速受支架影響最大，距底板1.5 m處受影響程度減小，距底板2 m處又增大?？諝饨?jīng)過采煤機(jī)位置時，由于巷道斷面減小，導(dǎo)致風(fēng)速增大到2 m/s以上，此時工作面空氣存在橫向流動并涌向行人道方向，這是由“文丘里效應(yīng)”所導(dǎo)致。經(jīng)過采煤機(jī)后由于巷道內(nèi)沒有大型設(shè)備，風(fēng)流逐漸平穩(wěn)，但仍在靠近煤壁一側(cè)空間形成高速區(qū)域，且從液壓支架往煤壁呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。就整體而言，風(fēng)速沿風(fēng)流方向表現(xiàn)出“小-大-小”的規(guī)律。

圖4為沿重力方向空氣速度云圖，（a）、（b）、（c）分別為垂直于底板方向距煤壁2，1，0.5 m處空氣速度云圖。由圖4可看出，風(fēng)速沿風(fēng)流方向依舊表現(xiàn)出“小-大-小”的規(guī)律。圖4（a）為行人道處空氣速度云圖，在風(fēng)速以1.5 m/s進(jìn)入工作面后，采煤機(jī)順風(fēng)前部處和背風(fēng)后部處出現(xiàn)風(fēng)流紊亂的情況。由圖4（b）可看出，在采煤機(jī)位置，風(fēng)速最高出現(xiàn)在采煤機(jī)上部，風(fēng)速在采煤機(jī)上部有明顯的梯度分布，空氣在過流斷面變化的影響以及滾筒的擾動下風(fēng)流速度增加而且產(chǎn)生了縱向的、涌向頂?shù)装宸较虻臍饬鳎诳拷敯宓奈恢卯a(chǎn)生高速流動區(qū)域，風(fēng)速高達(dá)2.5 m/s.在采煤機(jī)下風(fēng)向由于流動空間又突然增大，空氣的速度整體開始減小，且在采煤機(jī)后方10～20 m的區(qū)域內(nèi)下降到2 m/s左右，但由于高速流過的空氣在采煤機(jī)后滾筒下方產(chǎn)生了低壓渦流區(qū)域，導(dǎo)致風(fēng)流開始向煤壁靠近，而流速則沿著流動方向逐漸減小。由圖4（c）可見，在距煤壁0.5 m處的采煤機(jī)滾筒部位，風(fēng)速受采煤機(jī)的影響，在采煤機(jī)上部速度增大，由于前方的煤炭尚未被剝落，巷道斷面較小，風(fēng)速較大。

圖5給出了沿風(fēng)流方向空氣速度的實(shí)測值和解算值。在42112綜采工作面中部豎直方向高為1，1.5，2 m處分別每5 m布置測點(diǎn)，測得沿風(fēng)流方向風(fēng)速分布，如圖5（a）所示。數(shù)值仿真計算解得上述同樣位置風(fēng)速變化，如圖5（b）所示。

由圖5不難看出，實(shí)測風(fēng)速與解算風(fēng)速雖然在數(shù)值上存在一定差異，但在整個工作面風(fēng)速分布呈現(xiàn)出大致相同的趨勢。不同之處在于，解算風(fēng)速值在工作面40 m后產(chǎn)生震蕩，可能的原因在于風(fēng)流經(jīng)采煤機(jī)主體和滾筒的擾動后在其后方產(chǎn)生了復(fù)雜的尾流和渦流，風(fēng)流向采煤空間四周逸散，導(dǎo)致采煤機(jī)前臂處風(fēng)速產(chǎn)生較大的橫向偏移，空氣流動的方向和大小變得復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致了工作面40 m后的解算風(fēng)速值產(chǎn)生震蕩。

3.2?粉塵分布運(yùn)移規(guī)律

工作面移架及割煤時產(chǎn)生的粉塵在氣流場作用下的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

移架時，如圖6（a）所示，設(shè)置粉塵從模型上表面一處釋放，此時不同粒徑粉塵呈現(xiàn)出完全不同的運(yùn)移規(guī)律：受重力及氣流場的影響，粒徑較小的粒子隨空氣流向采煤機(jī)方向，在經(jīng)過采煤機(jī)位置后開始向液壓支架方向擴(kuò)散，粉塵濃度逐漸減小，懸浮時間較長，而粒徑較大的粉塵由于受到重力的影響更明顯，在從塵源釋放后很快沉降，懸浮時間很短且水平方向的沉降距離與粉塵粒徑大小大致呈現(xiàn)反比規(guī)律。

割煤時，如圖6（b）所示，粉塵從采煤機(jī)滾筒釋放，較大粒徑的粉塵粒子迅速沉降，但由于氣流場速度增大，大部分粉塵粒子繞過采煤機(jī)向后方運(yùn)動，沉降現(xiàn)象和擴(kuò)散現(xiàn)象不明顯，采煤機(jī)后滾筒下方的低壓區(qū)域使空氣裹挾著粉塵粒子向靠近煤壁一側(cè)流動，在滾筒后方由于巷道斷面增大，風(fēng)速逐漸減小，粒徑大的粉塵逐漸沉降，而粒徑小的隨空氣繼續(xù)運(yùn)動，在采煤機(jī)下風(fēng)向約10 m的位置粉塵開始向液壓支架方向擴(kuò)散。

移架跟割煤同時作業(yè)時，從圖6（c）和6（d）中可看出，移架產(chǎn)生的粉塵中，大粒徑的迅速沉降，小粒徑的粉塵向后運(yùn)動到達(dá)采煤機(jī)前滾筒位置時部分粉塵隨空氣涌向液壓支架方向，其余大部分

粉塵跟割煤產(chǎn)生的粉塵混合在一起，向采煤機(jī)后方運(yùn)動，粉塵在采煤機(jī)后方10 m左右處濃度大幅減小，并開始向液壓支架方向運(yùn)移。

采煤工作面粉塵的運(yùn)移規(guī)律可由其濃度和分布情況來表征。圖7為距底板1，1.5，2 m處平面上粉塵濃度分布云圖。由圖7可見，在距底板1 m處粉塵濃度最高且分布范圍最廣，這是由于大量粉塵隨風(fēng)流運(yùn)動后逐漸沿重力方向沉降，使得較低的平面顯現(xiàn)出更高的粉塵濃度。距底板2 m處除移架產(chǎn)生的粉塵外，割煤產(chǎn)生的粉塵對上部空間的影響很小，在采煤機(jī)位置由于產(chǎn)生縱向的氣流，使部分粉塵向上移動，但很快向下部空間運(yùn)動。因此，實(shí)際工作中應(yīng)注意下部沉降粉塵的處理，以免其受風(fēng)流卷揚(yáng)，造成二次污染。

圖8為不同粒徑粉塵平均懸浮時間曲線，圖中分別為距底板1，1.5，2 m平面上不同粒徑粉塵粒子懸浮時間的曲線。由圖8可見，在巷道上部空間，直徑大于100 μm的粉塵粒子很快沉降，而隨著粒徑減小，其懸浮時間也逐漸延長。

圖9給出了井下綜采工作面不同測點(diǎn)的粉塵濃度實(shí)測值與解算數(shù)據(jù)對比，其中1#測點(diǎn)為落煤處，2#測點(diǎn)為采煤機(jī)司機(jī)處，3#測點(diǎn)為移架處，4#測點(diǎn)為多工序作業(yè)時采煤機(jī)后方10 m處。

由圖9可見，解算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)存在差異，解算值一般大于現(xiàn)場實(shí)測值，一方面原因可能是解算數(shù)據(jù)是在工作面未采取降塵措施情況下模擬出的各點(diǎn)粉塵濃度，與現(xiàn)場實(shí)際情況存在差別。

4?結(jié)?論

1）采煤工作面空氣經(jīng)過采煤機(jī)位置時空氣流速增大，總體風(fēng)速表現(xiàn)為中間大兩頭小的規(guī)律。

2）移架作業(yè)產(chǎn)生的粉塵沿風(fēng)流方向運(yùn)動時，粒徑較大的逐漸沉降，粒徑越大，粉塵沉降速度越快，相應(yīng)的沉降距離越小，粒徑較小的粉塵粒子難以沉降，隨風(fēng)流運(yùn)動，繞過采煤機(jī)后向巷道中擴(kuò)散。

3）割煤作業(yè)產(chǎn)生的粉塵在采煤機(jī)滾筒位置濃度最大，沿風(fēng)流方向逐漸降低，且主要沿煤壁一側(cè)運(yùn)動，在采煤機(jī)后方約10 m處開始向巷道中彌散。

4）粉塵沉降率主要由重力和空氣的曳力決定，這導(dǎo)致工作面下部粉塵濃度明顯高于上部。

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