基于氣固雙向耦合的采煤面粉塵分布規(guī)律研究

李 勇，張 凱，史紀(jì)飛，閆 濤，王 亮

（1.國能億利能源有限責(zé)任公司黃玉川煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步與發(fā)展，煤礦井下機械化、自動化作業(yè)程度不斷提高，采煤效率也得到進一步提高，但隨之而來的便是粉塵污染問題的加劇，據(jù)相關(guān)研究表明，采煤面在割煤過程中不采取任何降塵措施的情況下，全塵濃度可達到1 400 mg/m3，掘進面附近甚至高達4 000 mg/m3,呼吸性粉塵濃度可達800～91 000 mg/m3[1]。在采煤過程中，煤巖顆粒的破碎以及落煤、運煤等過程都會產(chǎn)生煤塵，粉塵顆粒主要會帶來兩方面的危害，一方面煤塵顆粒會加速井下設(shè)備的磨損速度，使得井下設(shè)備要經(jīng)常性的維修、保養(yǎng)，煤礦生產(chǎn)效率大大降低；另一方面煤塵會使得工人身體健康受到嚴重損害，特別是呼吸性粉塵會隨著工人的呼吸作用進入到肺泡中，長年累月積累會使得肺部纖維化，產(chǎn)生嚴重的塵肺病，根據(jù)國家衛(wèi)生部門統(tǒng)計，在統(tǒng)計報告的所有職業(yè)病例中，塵肺病的占比高達94.21%，其中煤礦工人占主要部分。同時高濃度的粉塵會產(chǎn)生煤塵爆炸的危險，煤塵爆炸一旦發(fā)生，會帶來一系列連鎖反應(yīng)，因此煤塵爆炸破會性極強，是煤礦重大災(zāi)害之一[2-3]。

近幾年來，隨著人們對于防患意識的提高，學(xué)者專家對于煤礦粉塵運移規(guī)律的研究也慢慢增多，楊勝來[4]等人對綜采工作面的粉塵分布規(guī)律進行了研究，將風(fēng)流以及粉塵顆粒分別作為氣固兩相，通過程序編輯模擬了氣流粉塵的分布狀況。左前明[5]等人運用數(shù)值模擬的方法對大采高工作面的粉塵分布進行了分析，發(fā)現(xiàn)在割煤過程中，采煤機的前滾筒上方會聚集大量粉塵，高濃度粉塵團出現(xiàn)在采煤機滾筒附近。蔣仲安[6]等人運用流體仿真軟件FLUENT對掘進工作面的粉塵進行了仿真分析，研究得出了掘進面不同條件下的粉塵分布規(guī)律。齊慶杰[7]等人對東榮煤礦采煤面進行實際粉塵濃度測量，總結(jié)出來了順風(fēng)割煤時粉塵顆粒的擴散規(guī)律。

周剛[8]等人運用氣固兩相流理論，對巷道內(nèi)部的風(fēng)流和粉塵進行了研究，得出了大采高綜采工作面的呼吸性粉塵的分布規(guī)律。程衛(wèi)民[9]等人根據(jù)流體力學(xué)三大守恒定律對風(fēng)流場中的粉塵運移過程進行方程的建立。劉亞力[10]對粉塵運移過程繼續(xù)模型的建立，并且根據(jù)建立的模型對風(fēng)流中的粉塵運動狀態(tài)進行了相關(guān)研究。

粉塵污染已經(jīng)成為煤礦作業(yè)時急需要解決的問題，因此本文運用FLUENT流體仿真軟件，基于雙向耦合的氣固兩相流模型，對采煤工作面不同通風(fēng)速度情況下的風(fēng)流及粉塵分布狀況進行研究，確當(dāng)其最佳通風(fēng)風(fēng)速，分析其防塵重點區(qū)域，給與現(xiàn)場降塵設(shè)備的安裝提供一定的理論指導(dǎo)意義。

1 模型構(gòu)建

1.1 采煤面物理模型構(gòu)建

本文以某礦的綜采面為背景進行物理模型建立，由于其井下作業(yè)場所環(huán)境的復(fù)雜性，因此對其模型進行簡化處理，保留其主要的影響模擬結(jié)果的機械設(shè)備--采煤機和液壓支架，運用三維建模軟件Solidwork對采煤機進行簡化建模，液壓支架簡化為均勻分布的圓柱體，采煤面長度為50 m，進風(fēng)巷和回風(fēng)巷均為25 m，其采煤面簡化模型如圖1所示。

圖1 采煤面模型簡圖

1.2 氣固兩相流數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

本文運用氣固兩相流模型也稱作為DPM模型進行仿真模擬，該模型下假設(shè)粉塵數(shù)量級小，粉塵主要受自身重力、空氣阻力以及自身浮力等的作用，其余影響作用小的因素可以忽略不計，其在運移過程遵循的方程如下式所示[11-12]。

其擴散方程為：

式中：ρ為粉塵平均質(zhì)量濃度，mg/m3；v為平均速度，m/s；K為綜合擴散系數(shù)；t為擴散時間，s。

根據(jù)牛頓力學(xué)定律，粉塵在空氣中的運動方程可列為：

式中：mP為粉塵總質(zhì)量，kg；v為粉塵與空氣相對速度，m/s；t為時間，s；ρP為粉塵密度，kg/m3；ρg為氣體密度，kg/m3；dp為粉塵的粒徑，m；g為重力加速度，m/s2；CP為阻力系數(shù)。

2 風(fēng)流及粉塵仿真模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

在仿真模擬之前需要對模型進行離散化處理，也即是對模型進行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格常見的有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對于結(jié)構(gòu)簡單的模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計算結(jié)果更為精準(zhǔn)，而結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分困難甚至無法劃分，且計算時間大大延長，而對于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來說，對復(fù)雜模型網(wǎng)格的劃分具有更好的適用性，因此本文選擇適應(yīng)性更強的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約1 449 283個左右，平均質(zhì)量為0.84，完全可達到計算精度要求[13]。

2.2 邊界條件設(shè)定

網(wǎng)格劃分結(jié)束后，將網(wǎng)格導(dǎo)入到計算仿真軟件FLUENT，然后進行模型參數(shù)以及邊界條件設(shè)定，準(zhǔn)確的邊界條件設(shè)定是達到精確仿真結(jié)果的前提，根據(jù)現(xiàn)場實際以及相關(guān)資料查詢對邊界條件以及粉塵源參數(shù)進行設(shè)定。

此次仿真模擬模型選擇氣固雙向耦合的DPM模型，該模型將空氣視作為連續(xù)相，粉塵顆粒視作為離散相，先將連續(xù)相計算收斂后，在加入離散相顆粒，開啟雙向耦合，此時由于粉塵顆粒的加入，導(dǎo)致連續(xù)相動能的改變，反過來繼續(xù)作用于離散相，直至計算收斂穩(wěn)定。該模型計算結(jié)果更符合實際情況，其具體設(shè)置見表1、表2。

表1 邊界條件設(shè)置

3 仿真結(jié)果分析

3.1 風(fēng)流分布結(jié)果分析

由于煤礦井下粉塵顆粒的運動主要受風(fēng)流作用的影響，研究其風(fēng)流的分布規(guī)律有助于對下一步粉塵分布規(guī)律的研究，因此對于風(fēng)流分布的研究是非常有必要的。分別設(shè)置進入進風(fēng)巷的風(fēng)速為0.5、0.8、1.2、1.6、2 m/s，通過仿真得出整個進風(fēng)巷-采煤面-回風(fēng)巷的風(fēng)流分布狀況，不同進風(fēng)速度下的風(fēng)流分布大致相同，因此取進風(fēng)速度為1.2 m/s時，距地板高度為1.5 m（呼吸帶）高度的速度云圖分析速度分布狀況，如圖2所示。

表2 塵源參數(shù)設(shè)置

圖2 距底板1.5 m速度分布云圖

由圖2可以看出，進風(fēng)巷由于其結(jié)構(gòu)簡單，風(fēng)流以一定的速度進入后，速度基本保持不變；當(dāng)風(fēng)流到達進風(fēng)巷與采煤面90°拐角處，風(fēng)流難以到達拐角處，因此此處速度基本保持0.15 m/s左右；當(dāng)風(fēng)流進入采煤面后，由于采煤機的阻擋作用，在采煤機前方形成高速湍流區(qū)，在此處風(fēng)速達到采煤面風(fēng)速的最大值；風(fēng)流沿著采煤機側(cè)面繼續(xù)前進，風(fēng)流速度有一定下降直至達到風(fēng)速穩(wěn)定狀態(tài)；然后風(fēng)流進入回風(fēng)巷道，風(fēng)速再一次加大，并且在回風(fēng)巷道形成一側(cè)風(fēng)速大，一側(cè)風(fēng)速小的分布狀況。

由圖3采煤面沿程速度分布圖可以看出，不同速度的風(fēng)速，在進入采煤面后，速度會出現(xiàn)增大-減小-增大-穩(wěn)定的分布狀況，在X為5 m左右也就是風(fēng)流從進風(fēng)巷進入采煤面時，風(fēng)速出現(xiàn)第一個峰值，在此處速度增大到進風(fēng)巷風(fēng)速的1.8倍左右，然后風(fēng)速發(fā)生急劇衰退，當(dāng)X為7 m左右時，風(fēng)速到達第二個峰值點，此時風(fēng)速增大到整個采煤面風(fēng)速的最大值，在此處風(fēng)速約為進風(fēng)巷風(fēng)速的2.1倍左右。在X為18 m左右時，風(fēng)速基本保持穩(wěn)定在進風(fēng)巷風(fēng)速的1.2倍左右。

圖3 沿采煤面沿程不同進風(fēng)速度速度分布

3.2 粉塵分布結(jié)果分析

分別取不同進風(fēng)速度下的距離底板0.5、1、1.5 m高度平面的粉塵分布云圖，分別如圖4所示:

圖4 不同進風(fēng)速度下的粉塵分布云圖

從圖4可以清楚的看出，割煤過程產(chǎn)生的粉塵會順風(fēng)擴散，并且主要沿著煤壁面進行運移，由于液壓支架的阻擋作用，風(fēng)流在液壓支架一側(cè)速度較小，粉塵主要被風(fēng)流帶到液壓支架另一側(cè)，導(dǎo)致液壓支架一側(cè)粉塵濃度相對較低；距離底板附近，粉塵濃度較大，隨著高度的增加，粉塵濃度也在逐漸減小，粉塵濃度最大的區(qū)域在采煤機前方的高速湍流區(qū)，此處風(fēng)流速度大，風(fēng)流較為復(fù)雜，同時由于割煤過程的持續(xù)，導(dǎo)致此處粉塵濃度最大。

煤礦工人工作時的呼吸高度大約為1.5 m，由圖4可知，在1.5 m高度的粉塵濃度隨著進風(fēng)速度的增大，粉塵濃度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)進風(fēng)速度為1.2 m/s時，此時1.5 m高度粉塵濃度最低，當(dāng)風(fēng)速大于1.2 m/s時，粉塵濃度出現(xiàn)一定的增大趨勢，這是由于風(fēng)速的增大導(dǎo)致已經(jīng)沉降的粉塵再次被揚起，出現(xiàn)了粉塵的二次揚起的現(xiàn)象，因此進風(fēng)速度為1.2 m/s時是最佳的排塵風(fēng)速。

圖5 粉塵粒子分布圖

圖5為進風(fēng)速度為1.2 m/s時的粉塵粒子分布圖，由圖5可以看出粒徑較大的粉塵顆粒，在產(chǎn)生后運移25 m左右就基本全部沉降，靠近回風(fēng)巷道以及回風(fēng)巷道以內(nèi)主要是粒徑較小的呼吸性粉塵，由于粒徑較小難以沉降，隨風(fēng)流一直漂浮在作業(yè)空間，并且隨著采煤機的運動，采煤機越靠近回風(fēng)巷，回風(fēng)巷的粉塵濃度越大，因此，可以在回風(fēng)巷道布置一些高壓噴霧裝置，對呼吸性粉塵進行沉降。

4 結(jié)論

1）不同速度的風(fēng)流進入采煤面后，由于采煤機以及液壓支架等的存在，風(fēng)速會出現(xiàn)增大-減小-增大-穩(wěn)定的分布，其中在風(fēng)流從進風(fēng)巷轉(zhuǎn)入采煤面時，速度增大到進風(fēng)速的1.8倍左右，然后速度發(fā)生驟降，風(fēng)流越過采煤機后出現(xiàn)風(fēng)速的最大值，此時風(fēng)速增大到進風(fēng)速的2.1倍左右，隨后風(fēng)速衰落穩(wěn)定在進風(fēng)速的1.2倍左右。

2）采煤面的粉塵隨著進風(fēng)速度的增大出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)進風(fēng)速度為1.2 m/s時，整個采煤面粉塵濃度較低，并且此時風(fēng)速處于二次揚塵的臨界狀態(tài)，此時風(fēng)速既有利于帶走粉塵，又防止風(fēng)流過大再次將沉降的粉塵揚起。

3）粒徑較大的粉塵顆?；驹诋a(chǎn)生后25 m左右就已全部沉降，粒徑較小的呼吸性粉塵會隨風(fēng)流一直漂浮在作業(yè)區(qū)及回風(fēng)巷道，因此可以給與現(xiàn)場回風(fēng)巷加裝高壓噴霧裝置，對呼吸性粉塵進行沉降。