516綜采工作面煤塵運(yùn)移規(guī)律計(jì)算模擬

賀 倩，馬漢鵬，李文琳，曹宇鋒，寧文博

（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 安全培訓(xùn)中心，北京 東燕郊 065201)

陜西澄合百良旭升煤炭有限責(zé)任公司隸屬于陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司，井田面積5.065 7 km2，礦井東西長(zhǎng)3.9 km，南北寬1.6 km。采用立井+斜井綜合開(kāi)拓方式，單水平布置，水平標(biāo)高為+275 m。礦井采用中央分列式通風(fēng)方式，在通風(fēng)方法上該礦井選擇機(jī)械抽出式通風(fēng)。

隨著煤礦開(kāi)采技術(shù)的日漸成熟，在厚煤層開(kāi)采方面綜合機(jī)械化采煤開(kāi)始取代舊的采煤技術(shù)[1]。與此同時(shí)，機(jī)械化開(kāi)采使采煤工作面空間更大更復(fù)雜，煤塵的運(yùn)移規(guī)律也日益復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)防塵除塵的工作難度增加[2]。惡劣的工作環(huán)境，對(duì)井下工作人員的身心健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，致使井下設(shè)備的磨損速度加快，發(fā)生煤塵爆炸的危險(xiǎn)程度也更大[3]。當(dāng)前，隨著科技的進(jìn)步和煤炭資源的機(jī)械化開(kāi)采，煤塵彌散規(guī)律日益復(fù)雜，普通的降塵方式難以適應(yīng)目前的開(kāi)采形式。以陜西澄合百良旭升煤炭有限責(zé)任公司為研究對(duì)象，對(duì)該礦516工作面的煤塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為綜采工作面有效降塵提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)幾何模型搭建

1.1 基本假設(shè)

鑒于綜采工作面影響因素較多且物理?xiàng)l件復(fù)雜，故作出以下假設(shè)以便于研究[4-5]：

（1）忽略工作面巷道內(nèi)的設(shè)備、管線的影響；

（2）不考慮各巷道沿傾斜或者走向的坡度變化；

（3）忽略氣流中熱源的存在，假設(shè)氣流各組份之間不會(huì)發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了研究顆粒在井下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)更好的通風(fēng)降塵，基于歐拉方程建立拉格朗日數(shù)學(xué)模型，求解細(xì)煤塵作用下的運(yùn)動(dòng)微分方程，得到了顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。

（1）連續(xù)性方程

（2）標(biāo)準(zhǔn)K-ε方程

煤塵在礦井中做湍流運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過(guò)程，滿足動(dòng)能K方程為：

式中：K為湍流時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能，單位為J。

（3）湍流耗散率ε方程為：

式中：σ，C1ε，C2ε，C3ε均為煤塵含量測(cè)試的常數(shù)，取1.3，1.44，1.92，0.9。

1.3 工作面幾何數(shù)據(jù)

516工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，采用全部垮落法管理頂板。工作面布置有兩條順槽，工作面長(zhǎng)度171 m，可采走向長(zhǎng)度1 398 m。

該礦井通風(fēng)方式采用中央分列式通風(fēng)，礦井通風(fēng)任務(wù)是由2個(gè)進(jìn)風(fēng)井筒以及2個(gè)回風(fēng)井筒承擔(dān)。進(jìn)風(fēng)任務(wù)由混合立井及皮帶斜井筒完成，擔(dān)負(fù)回風(fēng)任務(wù)是回風(fēng)立井。礦井負(fù)壓為1 580 Pa。

1.4 幾何模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)百良礦井516工作面的有關(guān)參數(shù)，選擇該綜采工作面設(shè)置幾何模型。建立的幾何模型高5 m，長(zhǎng)為170 m，寬為6 m。

采用網(wǎng)格劃分軟件Gambit2.4.6進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目為23 647個(gè)。

網(wǎng)格劃分完成之后，導(dǎo)入FLUENT軟件中，根據(jù)建立的方程，進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 邊界條件及求解設(shè)置

2.1 離散相參數(shù)設(shè)置

表1 離散相參數(shù)設(shè)置

2.2 邊界條件及求解器設(shè)置

表2 邊界條件及求解器設(shè)置

3 煤塵運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬

3.1 風(fēng)流模擬

（1）在湍流模型條件下，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，管道入口為顆粒噴入口，出口按照壓力出口設(shè)置，首先對(duì)該模型進(jìn)行100次迭代計(jì)算，之后觀察其速度云圖，壓力云圖，速度矢量圖，模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 100次迭代后運(yùn)算結(jié)果

如圖1所示，在迭代次數(shù)從0開(kāi)始到第15次時(shí)可以看出殘差和參數(shù)曲線有明顯的震蕩，從第25次迭代開(kāi)始到之后的運(yùn)算殘差和參數(shù)曲線開(kāi)始趨于穩(wěn)定，迭代收斂。

在采煤機(jī)附近出現(xiàn)渦流，如圖2所示。此時(shí)渦流處產(chǎn)生負(fù)壓，在采煤機(jī)后方15 m處煤塵濃度最大。此時(shí)的壓力也最大，之后煤塵隨著風(fēng)流在巷道內(nèi)運(yùn)移，壓力也隨之減小。

圖2 壓力云圖

進(jìn)口速度1.5 m/s時(shí)，從圖3可以看得到煤塵運(yùn)移速度在進(jìn)口到采煤機(jī)段分布較均勻，基本維持在1.5～1.6 m/s，采煤機(jī)后方風(fēng)速最大，在巷道的其他地方也有出現(xiàn)風(fēng)速突然變大的情況。

圖3 速度云圖

由圖4可以看到由于采煤機(jī)的阻擋，風(fēng)流向采煤機(jī)未到達(dá)的一側(cè)流動(dòng)。導(dǎo)致局部風(fēng)量加大，風(fēng)速也加大。

圖4 速度矢量圖

（2）在湍流模型條件下，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速為3 m/s時(shí)，管道入口為顆粒噴入口，出口按照壓力出口設(shè)置。首先對(duì)該模型進(jìn)行100次迭代計(jì)算，之后觀察其速度云圖，壓力云圖，速度矢量圖，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 100次迭代后運(yùn)算結(jié)果

圖5顯示殘差和參數(shù)曲線在經(jīng)過(guò)25次迭代之后逐漸趨于平穩(wěn)，此時(shí)可基本判定迭代收斂。

與進(jìn)口風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)煤塵運(yùn)移規(guī)律相似，壓力呈現(xiàn)出小—大—小的變化趨勢(shì)。由圖6可以看出在采煤機(jī)附近出現(xiàn)渦流，此時(shí)渦流處產(chǎn)生負(fù)壓，由于風(fēng)流速度的增大，使得渦流處的壓力小于1.5 m/s時(shí)產(chǎn)生的壓力。

圖6 壓力云圖

如圖7所示，在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m內(nèi)煤塵運(yùn)移速度大于進(jìn)口速度，下風(fēng)側(cè)10 m之后的區(qū)域風(fēng)速逐漸減小。

圖7 速度云圖

如圖8所示，巷道前端約30 m范圍內(nèi)受到采煤機(jī)的影響，巷道斷面變化使得風(fēng)流分布不均勻，在這之后的巷道內(nèi)風(fēng)速逐漸穩(wěn)定，煤塵以層流狀態(tài)擴(kuò)散。

圖8 速度矢量圖

由此可得：

隨著風(fēng)速的增加，連續(xù)的高濃度煤塵帶在工作面的分散總體上減少。

采煤機(jī)內(nèi)的煤塵濃度較高，并呈順風(fēng)方向逐漸下降的趨勢(shì)。

在1.5 m/s與3 m/s兩種風(fēng)速條件下，煤塵的運(yùn)移規(guī)律具有較高程度的相似性，風(fēng)流的大小影響著煤塵擴(kuò)散角的大小，擴(kuò)散角和風(fēng)速呈現(xiàn)反比例關(guān)系。同樣的，風(fēng)速增大的同時(shí)，煤塵的濃度則逐漸降低。

采煤機(jī)順風(fēng)割煤時(shí)，產(chǎn)生的煤塵會(huì)隨風(fēng)擴(kuò)散到下風(fēng)側(cè)區(qū)域。此時(shí)工作面整體煤塵濃度較高，煤塵飛揚(yáng)分散，污染更加嚴(yán)重。

4 結(jié)論及建議

4.1 研究結(jié)論

對(duì)風(fēng)速分別為1.5 m/s、3 m/s綜采工作面進(jìn)行對(duì)比：

（1）綜采面采煤機(jī)主體是煤塵堆積最多的部位，容易產(chǎn)生渦流，且在下風(fēng)側(cè)20 m處煤塵濃度高。綜采工作面氣流在采煤機(jī)附近產(chǎn)生湍流，其他區(qū)域氣流相對(duì)穩(wěn)定，符合層流特征。

（2）綜采工作面煤塵濃度在采煤機(jī)背風(fēng)位置10～15 m處達(dá)到最大值，在采煤機(jī)背風(fēng)位置25～30 m處逐漸減少到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)與采煤機(jī)的割煤方向沒(méi)有太大關(guān)系。

4.2 建議措施

（1）工作面的風(fēng)速對(duì)煤塵濃度影響很大。煤塵濃度隨著風(fēng)速的增大，呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)。實(shí)際上，適當(dāng)提高風(fēng)速可以對(duì)降塵起一定作用。

（2）采煤機(jī)采煤時(shí)，采煤機(jī)附近易出現(xiàn)渦流和煤塵積聚，容易發(fā)生紊流。其他區(qū)域符合層流特性，風(fēng)流相對(duì)穩(wěn)定。在實(shí)際工作中，采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)30 m以內(nèi)要加強(qiáng)防塵措施。

（3）采煤機(jī)采煤時(shí)，煤塵在工作面中飛揚(yáng)，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。因此，應(yīng)從控制煤塵來(lái)源、降低煤塵濃度、加強(qiáng)員工個(gè)人防護(hù)等多方面完善預(yù)防措施。為了保護(hù)井下工作人員身體健康，在采煤作業(yè)中必須設(shè)置捕塵網(wǎng)、噴霧等除塵設(shè)施，創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境。采煤機(jī)后方的液壓支架能夠擋住附近的一部分煤塵，必須在液壓支架之間設(shè)置噴霧除塵設(shè)備，這樣可以有效降低移架時(shí)產(chǎn)生的煤塵。也可采用泡沫除塵法，泡沫的黏性較好，可以較好地與煤塵黏合，此法可有效降低采煤工作面的煤塵濃度。