半封閉水霧降塵過程中粉塵運(yùn)移規(guī)律的研究

胡 偉，司俊鴻，邵意添，侯佳音，李 潭

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 東燕郊 065201;2.華北科技學(xué)院 應(yīng)急管理與技術(shù)學(xué)院,北京 東燕郊 065201)

0 引言

近年來，隨著煤炭產(chǎn)量的迅速增長和礦井生產(chǎn)能力的逐年提升，煤炭粉塵所造成的井下生產(chǎn)安全事故也日益增加。在粉塵、高溫、噪聲、有毒有害氣體等煤礦主要職業(yè)病危害因素中，由粉塵引起的塵肺病占比最高，煤礦新發(fā)塵肺病占煤礦新發(fā)職業(yè)病比例超過70%，占全國新發(fā)塵肺病比例高達(dá)55%以上[1]。因此，煤礦粉塵是當(dāng)前煤礦最主要的職業(yè)危害因素[2]。所以為了降低粉塵對煤礦工作所造成的危害，我們有必要了解井下粉塵產(chǎn)生和運(yùn)移規(guī)律，這對于煤礦粉塵治理工作具有重要意義。

目前主要的防塵技術(shù)有注水防塵[3]、通風(fēng)除塵[4-5]、除塵器除塵[6]、噴霧降塵[7]、空氣幕隔塵[8]、化學(xué)除塵以及個體防護(hù)七大類。但是在這七類防塵措施當(dāng)中，由于受各自技術(shù)特點(diǎn)的影響，在井下安裝、適用范圍、污染物殘留和應(yīng)用條件等因素的綜合考慮下，噴霧降塵是目前工作面除塵工作當(dāng)中，應(yīng)用最為廣泛和綜合效果最好的技術(shù)手段。

噴霧降塵技術(shù)已有大量學(xué)者從不同方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9-11]對空氣霧化噴嘴流量特性、霧化粒度的空間分布規(guī)律及影響因素開展了實(shí)驗(yàn)研究。還對氣水噴霧霧化特性與噴霧降塵效率進(jìn)行了全面的理論研究，還分析了粉塵中位徑及粒徑分布指數(shù)對降塵效率的影響。文獻(xiàn)[12-13]等采用Fluent軟件的粒子追蹤技術(shù)，對掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵過程中的粒子運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了大量模擬研究，仔細(xì)分析了粉塵顆粒在礦井掘進(jìn)過程中的分布規(guī)律。文獻(xiàn)[14]探究了喉管直徑、擴(kuò)張角及氣——液體積等物理參數(shù)對拉瓦爾式結(jié)構(gòu)噴嘴霧化性能的影響規(guī)律。目前噴霧降塵技術(shù)主要應(yīng)用于采煤機(jī)滾筒割煤、裝煤及移架過程，對于皮帶轉(zhuǎn)載處多采用封閉技術(shù)。由于井下皮帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)是皮帶通廊內(nèi)粉塵的主要貢獻(xiàn)源[15]，故本文從皮帶轉(zhuǎn)載點(diǎn)的粉塵控制的角度出發(fā)[15-16]，通過研究半封閉空間內(nèi)的粉塵運(yùn)移規(guī)律，在氣水噴霧的基礎(chǔ)上，提出了半封閉空間的水霧降塵技術(shù)，為工作面局部降塵工作提供指導(dǎo)。

1 礦井水霧防塵裝置

礦井水霧防塵裝置主要是采用自動化噴霧和半封閉式防塵罩聯(lián)合降塵的方式，通過內(nèi)置傳感器反饋數(shù)據(jù)置控制中樞，來控制噴霧的壓力大小，在半封閉空間內(nèi)消除大部分粉塵，以此來達(dá)到轉(zhuǎn)載點(diǎn)降塵的目的。

采用半封閉式的防塵罩設(shè)計是為了防治防塵罩內(nèi)瓦斯聚集的現(xiàn)象發(fā)生，但在使用過程中，皮帶進(jìn)出口以及上部出風(fēng)口處會產(chǎn)生大量粉塵，這些粉塵擴(kuò)散到巷道內(nèi)，會嚴(yán)重污染工作面工作環(huán)境。為了研究裝置內(nèi)的粉塵運(yùn)移規(guī)律以及減少粉塵從未完全封閉的防塵罩中擴(kuò)散到工作面的現(xiàn)象，本文通過Fluent軟件對礦井水霧防塵裝置進(jìn)行模擬，擬找出裝置空間內(nèi)的粉塵運(yùn)移規(guī)律，再通過水霧噴頭安裝位置的調(diào)整，從而提高水霧防塵的工作效率。并與柴家溝42222工作面轉(zhuǎn)載處實(shí)際現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而以檢驗(yàn)除塵效果。礦井水霧防塵裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦井水霧防塵裝置主要結(jié)構(gòu)示意圖

2 裝置模型建立

2.1 礦井水霧防塵裝置模型建立及其網(wǎng)格劃分

利用SolidWorks三維建模軟件建立礦井水霧防塵裝置除塵時的瞬態(tài)物理模型，在對其網(wǎng)格化劃分過程中省去對粉塵運(yùn)移規(guī)律影響不大的結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同網(wǎng)格劃分技術(shù)特點(diǎn)，對裝置內(nèi)部空間進(jìn)行組合網(wǎng)格劃分[17]。簡化后的模型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分后的模型空間如圖2所示。此次網(wǎng)格劃分共得到1593個網(wǎng)格。

圖2 簡化后的結(jié)構(gòu)模型和其網(wǎng)格劃分

整個水霧防塵裝置尺寸為1.5 m×1.5 m×1.5 m的梯形，在梯形的后方和側(cè)方各開一個1 m×2 m的漏風(fēng)口，模擬防塵罩與皮帶之間無法密封的部位，機(jī)身上方有一個0.5 m×1 m的防止瓦斯聚集的氣體出口。

2.2 模型及邊界條件設(shè)置

合理的邊界條件能夠防止流場發(fā)散，加速計算速度，同時保證計算結(jié)果的合理性，主要邊界條件設(shè)置有入口風(fēng)速及粉塵源[18]。機(jī)身內(nèi)空間設(shè)置reflect固體反彈面，模擬煤粉在防塵罩內(nèi)與內(nèi)壁在相互作用力結(jié)果下的的運(yùn)動軌跡。設(shè)置‘入口1’和‘入口2’為速度邊界模型，設(shè)置‘入口2’為面噴射源，噴射源入射速度為30 m/s，粒子直徑為0.002 m。噴射源類型設(shè)置Coal-hv無煙煤，重力設(shè)置為y方向的-9.81 m/s2。

在ANSYS ICEM CFD中初步設(shè)置幾何模型的邊界條件之后，將該模型導(dǎo)入Fluent當(dāng)中設(shè)置求解類型、噴射源參數(shù)、湍流模型、離散相模型等計算模型參數(shù)設(shè)置，具體設(shè)置參數(shù)如表所示。其中，由于氣固兩相流是不可壓縮的，采用非耦合隱式求解法[19]在空氣中運(yùn)動設(shè)置離散型模型描述流場對煤粉運(yùn)行的影響，在拉格朗日坐標(biāo)系下模擬流場中的煤粉顆粒，采用k-ε湍流模型求解混合相的動量方程、第2相的體積分?jǐn)?shù)方程以及相對速度的代數(shù)表示，離散方法采用有限體積法，在考慮湍流對離散相軌跡的影響時主要考慮顆粒運(yùn)動的隨機(jī)性，選擇隨機(jī)軌跡模型[20-22]，具體數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

對模型中的流場分布和粉塵分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究，F(xiàn)luent軟件解算直至模型收斂，得到模型內(nèi)的粉塵運(yùn)行軌跡。三視圖截面取各方向的0.75 m處的截面，且由于模型的Y-Z面和X-Z面具有對稱性，故在選擇研究面時選擇了模型的X-Y面進(jìn)行研究，截取了Z方向0.75 m處的截面。由圖3、圖4可知，受湍流效應(yīng)的影響，在重力和模型內(nèi)壁對粉塵顆粒的相互作用力的共同作用下，粉塵運(yùn)行主要軌跡集中在裝置的下部，且在兩個漏風(fēng)口處形成渦流，渦流粘度如圖所示最大能達(dá)到0.37 Pa，對粉塵降粉塵主要集中在下方皮帶和裝置的縫隙處，可以在下方皮帶的下部安裝清洗噴頭，沉降粉塵可隨著水流通過裝置底部的排水孔流入巷道內(nèi)。

圖3 粒子運(yùn)行軌跡三視圖

圖4 渦流粘度云圖

由圖可知，噴射源正對的模型內(nèi)壁，其受噴射源射出的煤粉作用，壁面所受的壓力最大達(dá)到459 Pa，在壁面濕潤條件下，粉塵會更多的聚集到該壁面上，但由于粉塵沖擊力的影響，極易造成噴頭堵塞的現(xiàn)象，故在上方皮帶加裝面朝該壁面的噴頭，在裝置運(yùn)行過程中，由于噴頭對壁面的浸潤作用，會使煤粉更快的貼附在壁面上，提高除塵效率，模型所受壓力云圖如圖5所示。

圖5 壓力分布云圖

圖6為模型內(nèi)部的粉塵運(yùn)行速度云圖，由圖可知在漏風(fēng)口附近粉塵運(yùn)行的速度會達(dá)到2.7 m/s，這會對濕式除塵的效果產(chǎn)生較大的影響，由于粉塵此時的動能較大，故應(yīng)當(dāng)在皮帶出口處和入口處加裝向內(nèi)噴射的水霧噴頭，用噴頭射出水霧的動能抵消粉塵在漏風(fēng)口附近的動能，從而達(dá)到更好的除塵效果。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

通過數(shù)值模擬的結(jié)果，我們在原有裝備的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改進(jìn)。我們在裝置下方皮帶下部的位置安裝了清洗沉降粉塵的清洗噴頭，同時在上方皮帶加裝面向壁面的水霧噴頭，最后在裝置的進(jìn)出口部分各加裝了兩個水霧噴頭，防止粉塵從進(jìn)出口處散出。

為了充分地試驗(yàn)轉(zhuǎn)載破碎機(jī)降塵設(shè)備的應(yīng)用效果，在柴家溝井42222綜采面現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)，將粉塵測試儀器分別安裝在轉(zhuǎn)載破碎機(jī)進(jìn)煤口，破碎機(jī)觀察眼處以及轉(zhuǎn)載機(jī)出煤口，在轉(zhuǎn)載機(jī)出口處測點(diǎn)測得的全塵和呼塵的濃度分別由258.00 mg/m3和85.70 mg/m3降低到32.40 mg/m3和9.20 mg/m3，全塵的降塵率為87.44%，呼塵的降塵率為89.26%，具體數(shù)據(jù)見表2。

現(xiàn)場實(shí)測效果表明，改進(jìn)后的礦井水霧防降塵裝置在工作過程中，所添加的水霧噴頭工作狀況良好，達(dá)到了數(shù)值模擬的預(yù)期，進(jìn)出口的水霧噴頭能夠有效將溢出防塵罩的粉塵迅速沉降，所添加的清洗噴頭會將沉降的煤塵溶解入水后通過排水孔排入巷道內(nèi)。經(jīng)過礦井水霧防塵裝置的多級降塵處理過后，由轉(zhuǎn)載點(diǎn)產(chǎn)生并且擴(kuò)散到工作面的粉塵濃度大大降低，在很大程度上改善了工作面轉(zhuǎn)載點(diǎn)處的工作環(huán)境，且裝置運(yùn)行效果良好，沒有出現(xiàn)噴頭堵塞的現(xiàn)象，安裝的清洗噴頭也在一定程度上解決了后期裝置的維護(hù)工作。

5 結(jié)論

(1) 受湍流作用、重力和內(nèi)壁與粉塵的相互作用力的影響下，粉塵在裝置兩個漏風(fēng)口出形成渦流，能夠?qū)⒋罅科》蹓m捕捉在裝置內(nèi)部。故在漏風(fēng)口附近加裝向內(nèi)的水霧噴頭能夠提高粉塵的沉降，同時在降塵集中的區(qū)域，如下方皮帶和裝置的縫隙處加裝清洗噴頭，能夠提高除塵效率。

(2) 由于噴射源射出的粉塵動能較大，故噴射源正對裝置內(nèi)避免所受的壓力也較大，在上方皮帶下部加裝面對該壁面的噴頭能夠在浸潤作用的影響下使的粉塵更多的貼附在壁面上，從而減少了粉塵的產(chǎn)生。

(3) 礦井水霧防降塵裝置可以有效的控制轉(zhuǎn)載破碎機(jī)處塵源煤粉擴(kuò)散問題，全塵的降塵率為87.44%，呼塵的降塵率為89.26%。