掘進面不同通風(fēng)除塵粉塵分布數(shù)值模擬研究

夏 潤，凌標燦，李文生，王素云

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.山西焦煤集團有限責(zé)任公司 地質(zhì)資源部，山西 030000)

0 引言

綜掘工作面粉塵治理是煤礦安全生產(chǎn)的主要難題之一，高濃度粉塵不僅影響井下作業(yè)環(huán)境且對操作者的身體健康也會產(chǎn)生嚴重傷害作用，并且煤炭行業(yè)塵肺病患病對我國經(jīng)濟發(fā)展也產(chǎn)生消極影響[1]。因此,對綜掘治理工作等方面的一些粉塵問題進行有效的粉塵治理措施是非常十分有必要的。

程衛(wèi)民等學(xué)者在數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)上，對掘進面粉塵分布和運移規(guī)律做了模擬分析粉塵濃度在掘進面不規(guī)則運移情況[2]；近年來，蔣仲安更是對通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬并進行參數(shù)優(yōu)化。目前，煤礦井下掘進過程多采用的是單一壓入式通風(fēng)方式進行降塵，這種方式可以有效減少粉塵在操作環(huán)境的污染擴散問題[3]，但是壓入式通風(fēng)除塵也會存在粉塵聚集嚴重，不容易擴散的弊端。相對壓入式通風(fēng)系統(tǒng)來說，混合式通風(fēng)除塵系統(tǒng)效率更高[4]。

本文以中煤大同能源塔山煤礦在3-5#煤層綜掘面為研究背景，采用平硐開拓方式，以一個工作面達產(chǎn)。煤層一般厚度15.72～26.77 m,平均17.93 m,含煤的夾層煤矸一般厚度為5～11層。掘進斷面寬度5600 mm，高4000 mm，毛斷面面積22.4 m2；凈斷面寬度5400 mm，高3900 mm，凈斷面面積21.06 m2。根據(jù)實際情況將該礦綜掘巷道簡化為矩形巷道模型。采用歐拉-拉格朗日方法模擬并進行分析運算，從解算結(jié)果分析獲得最佳通風(fēng)方式。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 離散相模型的確立

在大型掘進機主體掘進的制造過程中,無法精準化地確定主體截齒和在截齒切割時可能產(chǎn)生離散粉塵的具體位置,因此可以假設(shè)離散粉塵源顆粒是由各個綜掘面均勻的噴射面所產(chǎn)出,且將均勻噴射面的類型也假設(shè)為綜掘面均勻噴射[5],將粉塵碎屑顆粒抽象為離散相,而將風(fēng)流抽象為連續(xù)相,在歐拉-拉格朗日標準坐標系下對每個離散粉塵碎屑顆粒的風(fēng)流運動方向軌跡采用方程式可進行精準求解,建立離散相數(shù)學(xué)模型對井下粉塵的運移規(guī)律進行研究。

1.2 理論方程的建立

以N-S方程為基礎(chǔ)建立基于湍流強度及其耗散率的k-ε自由流動場方程，分析粉塵在流場中的受力狀況，建立基于粉塵顆粒在拉格朗日坐標系中受力平衡的離散相方程，確定求解條件[6-7]。

擴散方程：

(1)

式中，t為擴散時間，s；V為平均流速，m/s；K為綜合擴散系數(shù)；c為平均粉塵濃度，mg/m3。

動量守恒方程：

(2)

能量方程：

(3)

式中，V1為氣流速度，m/s；k為比熱比；ρ1為壓強，Pa；V2為激波后的氣流速度，m/s；k為比熱比；ρ1為激波后壓強，Pa。

粉塵顆粒作用力平衡方程：

(4)

式中，up為粒子運動加速度,m/s2；dp為固體顆粒運動直徑,m；C為相對阻力密度系數(shù),ns/m；ρp為相對顆粒流體密度,kg/m3；u為顆粒流體相對加速度，m/s；ρ為顆粒流體密度，kg/m3。

2 幾何模型建立及參數(shù)設(shè)定

2.1 巷道幾何模型建立

掘進機在工作臺表面主要裝備有皮帶掘進機和傳動皮帶等各種掘進設(shè)備,考慮到皮帶掘進機內(nèi)部由于粉塵容易擴散的周圍區(qū)域較多形狀復(fù)雜,因此對掘進工作臺表面粉塵容易擴散區(qū)域進行適當?shù)暮喕痆8]。將內(nèi)部掘進粉塵工作面結(jié)構(gòu)簡化后成為矩形平面,通風(fēng)口和風(fēng)筒結(jié)構(gòu)簡化后成為圓柱,忽略內(nèi)部其他因素影響掘進粉塵大量運移的主要因素[9-10]。采用Gambit軟件建立巷道并簡化幾何模型，掘進機簡化為長方體，長5 m，寬2.5 m，高2.5 m；巷道長27 m，寬5 m，高2.2 m，壓入式風(fēng)筒長24 m，直徑為0.6 m；混合式風(fēng)筒抽出式長24 m，直徑為0.6 m，壓入式長2 m，直徑為0.6 m。風(fēng)筒中心距離地面1.7 m，距離側(cè)壁2.5 m。網(wǎng)格劃分過程中，設(shè)置Type為trigd。綜掘面不同通風(fēng)方式網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 壓入式通風(fēng)巷道幾何模型

圖2 混合式通風(fēng)巷道幾何模型

2.2 求解參數(shù)的設(shè)置

在上圖Gambit中對各個網(wǎng)格相流進行初步模型劃分后,將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到了Fluent中并進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置,其中,由于熱空氣固體兩相流之間是完全不可連續(xù)壓縮的,采用非線性耦合隱式相流求解法,而離散相模型可以更精確描述粉塵運動軌跡。參數(shù)具體的設(shè)定見表1和表2。

表1 計算模型設(shè)定

表2 離散相模擬設(shè)定

3 模擬結(jié)果分析

3.1 壓入式通風(fēng)模擬結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)置的條件和物理模型,礦井綜掘工作面不同通風(fēng)條件下風(fēng)流變化情況進行研究，得出壓入式空氣速度矢量圖，如圖3所示。為了得到更加清晰的速度漩渦現(xiàn)象，分別選取距離x=1 m、x=3 m、x=5 m,x=14 m、x=22 m、x=27 m與z=1.5 m 的截面對比圖，對距離掘進面煤巖壁不同距離的模擬結(jié)果進行對比分析，如圖3所示。

圖3選取x=1 m、x=3 m、x=5 m,x=14 m、x=22 m、x=27 m情況下與y=1.5 m的空氣風(fēng)流速度矢量圖。觀察如圖3可以分析得出,在這種壓入式空氣通風(fēng)呼吸方式下,由于卷風(fēng)呼吸機的作用，風(fēng)流從風(fēng)筒射出，射流范圍在風(fēng)筒前端變化趨勢顯著。當取x=1 m、x=3 m、x=5 m,x=14 m、x=22 m、x=27 m不同截面進行對比時候，風(fēng)流主要集中在風(fēng)筒出口區(qū)域，風(fēng)流速度分布及其不均勻。當壓入式風(fēng)速固定在11 m/s時，壓入式風(fēng)筒兩側(cè)的風(fēng)流場及風(fēng)流速度都比較小，而壓風(fēng)筒對應(yīng)的風(fēng)流速度較大，且相對兩側(cè)與壓風(fēng)筒對比來說，壓風(fēng)筒風(fēng)流速度直接會增加綜掘面粉塵的運移速度，從而導(dǎo)致粉塵在風(fēng)筒處聚集過多而引發(fā)粉塵濃度過高現(xiàn)象。

圖3 壓入式通風(fēng)除塵Z=1.5與各X截面空氣速度矢量圖

3.2 混合式通風(fēng)模擬結(jié)果分析

3.2.1 混合式風(fēng)流場模擬結(jié)果分析

在混合式通風(fēng)除塵方式中，巷道中新鮮空氣由風(fēng)筒在逐漸進入，風(fēng)流在工作過程中風(fēng)量不斷減少。在巷道工作的迎頭處形成高速的風(fēng)流匯合，進入風(fēng)流場前端則形成了少量風(fēng)流，風(fēng)速也隨之不斷變化，而混合式通風(fēng)除塵漩渦現(xiàn)象較為明顯，因此選取距離煤巖壁不同距離x=1 m、x=3 m、x=5 m,x=14 m、x=22 m、x=27 m與z=1.5 m截面圖進行對比分析，得出不同截面距離的風(fēng)流速度矢量圖，如圖4所示。

圖4 混合式通風(fēng)除塵Z=1.5與各X截面下空氣速度矢量圖

圖5選取y=1和y=1.5 m的空氣風(fēng)流速度矢量圖。由圖5分析可以看出來，在混合是通風(fēng)方式下，速度會壓入式風(fēng)筒以及混合式風(fēng)筒兩個出口處形成巨大的漩渦作用，壓風(fēng)筒在向巷道輸入新鮮風(fēng)流的時候，高速的新鮮風(fēng)流首先流向綜掘工作面，在到達綜掘工作面后則沿著工作面流向抽風(fēng)筒，在這個過程中，大量的污風(fēng)被抽風(fēng)筒抽出，而少量的未被抽風(fēng)筒抽出的風(fēng)流則通過綜掘巷道流向巷道出口。這部分風(fēng)流在巷道流動的過程中，風(fēng)速逐漸減小。

3.2.2 混合式粉塵場模擬結(jié)果分析

粉塵在Z=1.5 m與x=1 m、x=3 m、x=5 m、x=8 m、x=15 m、x=27 m各截面的粉塵濃度分布如圖6、圖7所示。

圖5 混合式通風(fēng)除塵Z截面空氣速度矢量圖

圖6 混合式除塵Z=1.5與X各截面的粉塵分布圖

圖7 混合式通風(fēng)除塵下掘進迎頭不同距離粉塵濃度分布圖

由圖6和圖7可得出，當風(fēng)流速度固定在11 m/s 時，混合式通風(fēng)除塵工作中不同煤巖壁距離的粉塵效果不同，并且風(fēng)流速度是逐漸增加到減少的過程。巷道距離底板不同距離時，粉塵濃度變化也不一樣。當x=0時，粉塵濃度最高，此時濃度最密集，隨著距離不斷增長，粉塵濃度不斷降低，當x=8時，粉塵濃度降低到最低，并隨著距離持續(xù)降低，當x=15時，此時粉塵濃度已經(jīng)到達最低點，并且不會增長。

3.3 不同通風(fēng)除塵方式效果分析

數(shù)值模擬后處理分析得出煤礦掘進面巷道的中的粉塵濃度分布如圖8所示。

圖8 不同通風(fēng)方式下粉塵濃度分布圖

由圖8分析可知，采用壓入式通風(fēng)除塵方式情況下，掘進面巷道粉塵污染的最高值達到了4500 mg/m3，隨后粉塵在風(fēng)流的作用下降低減少，在距離綜掘面20 m左右仍有小部分擴散。采用混合式通風(fēng)除塵方式下，粉塵濃度隨著與工作面距離變化不斷減少，在距離工作面15 m時，粉塵濃度趨于穩(wěn)定并降低至0。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

按照《綜掘面掘進作業(yè)規(guī)程》，抽出除塵系統(tǒng)吸風(fēng)量需大于該集塵系統(tǒng)的風(fēng)量要求，在中煤大同能源塔山煤礦掘進巷道中安裝壓入式風(fēng)筒和混合式風(fēng)筒，取15個測塵點進行，其中第一個距離工作面5 m，接下來各間隔5 m，采用兩個采樣器分別測定風(fēng)量為270 m3/min時壓入式和混合式通風(fēng)時掘進巷道粉塵濃度，每個測塵點測定不少于三次，取最后結(jié)果平均值，最后結(jié)果如圖9所示。

由圖9分析可知，不同通風(fēng)方式下，采用混合式通風(fēng)除塵方式除塵效果更理想化。除塵效率可達到85%以上，驗證了歐拉-拉格朗日模型數(shù)值模擬的可行性和模擬結(jié)果的準確性。

圖9 不同通風(fēng)方式下粉塵濃度測定曲線圖

5 結(jié)論

(1) 壓入式通風(fēng)除塵時，巷道掘進面粉塵質(zhì)量濃度大，粉塵變化多端且不易控制，嚴重時粉塵不規(guī)律擴散也會污染整個工作面。

(2) 通過分析掘進面混合式通風(fēng)方式下的粉塵分布，得出采用混合式通風(fēng)除塵系統(tǒng)狀況下，掘進巷道的除塵效果最佳，可達到85%以上的除塵效率。

(3) 從模擬結(jié)果來看，混合式通風(fēng)除塵還存在粉塵在掘進機周圍循環(huán)往復(fù)現(xiàn)象，通風(fēng)除塵還需要更進一步研究。