出風(fēng)口距離調(diào)控對掘錨一體機工作面粉塵控制與流場特性的影響

苗繼軍

（國家能源集團烏海能源有限責(zé)任公司，烏海 016099）

煤炭是我國能源安全的“壓艙石”，是國家能源戰(zhàn)略穩(wěn)定安全的重要保障。煤礦井下粉塵是煤炭生產(chǎn)過程中的必然產(chǎn)物，嚴重危害礦井工人的身體健康。在煤礦掘進生產(chǎn)中，掘進工作面粉塵危害尤為嚴重。降低粉塵危害的關(guān)鍵是探明粉塵的產(chǎn)塵與運移規(guī)律，以及粉塵控制的影響因素。為了降低掘進工作面的粉塵，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列有關(guān)研究。WANG 等人采用氣固兩相流理論，研究了粉塵運移規(guī)律與氣流之間的關(guān)系，得出了粉塵運移分布主要受到風(fēng)流的影響[1]。謝耀社等人介紹了負壓二次除塵技術(shù)和超聲波粉塵抑制系統(tǒng)[2]。周智勇等人研究了風(fēng)筒空間位置及壓抽比對粉塵分布規(guī)律的影響，得出了掘進工作面最佳通風(fēng)布置方案[3]。王凱等人研究了綜掘面風(fēng)筒直徑變化時粉塵運移分布規(guī)律，得出了在風(fēng)量一定的情況下最佳的降塵風(fēng)筒直徑[4]。聶文等人通過數(shù)值模擬研究了附壁風(fēng)筒吹出徑向渦流控塵的可能性[5]。李曉芳等人對比研究了不同壓抽比下的粉塵分布規(guī)律，得出了混合式通風(fēng)降塵的最佳壓抽比[6]。賈寶山等人建立了風(fēng)幕集塵風(fēng)機內(nèi)流場的數(shù)學(xué)模型，并通過試驗測試驗證了數(shù)學(xué)模型的有效性，證明風(fēng)幕射流可以有效抑制粉塵擴散[7]。周福寶等人和王寬等人研究了綜掘工作面復(fù)合通風(fēng)條件下粉塵顆粒的擴散、沉降和聚集，以及混合通風(fēng)系統(tǒng)下粉塵的時空變化分布[8-9]。GENG 等人研發(fā)了柔性附壁風(fēng)筒輔助降塵技術(shù)，配合除塵風(fēng)機使用時可產(chǎn)生螺旋狀風(fēng)流場，應(yīng)用后取得了良好的輔助降塵效果[10-11]。

采用數(shù)值模擬方法對綜掘工作面出風(fēng)口距掘進工作面不同距離下的粉塵擴散規(guī)律進行深入研究，確定了高效的掘進工作面通風(fēng)系統(tǒng)的控塵參數(shù)，為綜掘工作面井下通風(fēng)除塵提供了理論基礎(chǔ)。

1 計算模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

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。

1.2 幾何模型建立與求參設(shè)置

為研究壓風(fēng)筒距掘進工作面不同距離下煤礦粉塵分布情況和除塵效果，提出了4 種方案。模型統(tǒng)一采用除塵風(fēng)機風(fēng)筒距離掘進工作面3 m 的模型進行研究，如圖1所示。圖1中，除塵風(fēng)機風(fēng)筒距掘進面距離為3 m。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)筒的4 個布置方案

利用SolidWorks 軟件進行物理模型構(gòu)建，基于Fluent Meshing 完成網(wǎng)格劃分工作。巷道采用壓入式通風(fēng)+除塵風(fēng)機通風(fēng)的方式，壓風(fēng)筒布置在巷道右側(cè)，固定高度為3.5 m。

1.3 邊界條件和離散相參數(shù)

在巷道掘進過程中，粉塵主要來源于掘進設(shè)備對煤巖體的破壞。結(jié)合實際生成條件，在Fluent 數(shù)值模擬軟件中設(shè)置合適的求解器和邊界條件進行計算。求解器采用瞬態(tài)和絕對速度進行計算。連續(xù)相和離散相求解程序均基于壓力求解。計算模型的湍流模型和壓力速度耦合模型分別為Realizablek-ε、SIMPLE。壓風(fēng)筒壓風(fēng)口、除塵風(fēng)筒入口、巷道出口和壁面類型的邊界條件分別為壓力入口、壓力出口、壓力出口和無滑移壁面。粒徑分布、粉塵釋放初速度和粉塵質(zhì)量流率分布為Rosin-Rammler、0.1 m·s-1和0.002 kg·s-1。粉塵最小直徑、最大直徑和中間直徑為8.50×10-7m、2.69×10-5m 和4.86×10-6m。

1.4 網(wǎng)格獨立性驗證

為了驗證模擬結(jié)果的準確性，進行網(wǎng)格獨立性檢驗。網(wǎng)格數(shù)量分別為50 萬個、127 萬個和160 萬個。氣流是粉塵載體，影響模擬結(jié)果，因此選擇氣流速度作為網(wǎng)格獨立性驗證的主要參數(shù)，并對3 組網(wǎng)格進行比較，結(jié)果如圖2 所示。127 萬網(wǎng)格和160 萬網(wǎng)格下氣流速度曲線幾乎重合且誤差較小。綜合考慮計算資源與計算可靠性，127 萬網(wǎng)格模型能夠滿足數(shù)值模擬要求，因此選擇采用網(wǎng)格數(shù)為127 萬網(wǎng)格模型。

圖2 不同質(zhì)量網(wǎng)格下氣流速度變化

2 掘錨一體機工作面粉塵分布規(guī)律與流場特性分析

2.1 掘錨一體機通風(fēng)流場結(jié)構(gòu)

圖3為壓風(fēng)筒不同距離下巷道風(fēng)流場分布圖，其中Lf為通風(fēng)風(fēng)筒距掘進面距離。由圖3 可知，壓風(fēng)筒流出的高速氣流與掘進工作面碰撞后沿掘進工作面向下流動。由于壓風(fēng)筒位于巷道右側(cè)，且掘進機機體具有阻擋作用，導(dǎo)致距掘進機2 m 處的風(fēng)流場紊亂。風(fēng)流場的紊亂程度隨著壓風(fēng)筒距掘進工作面距離的增加而減弱。高速氣流撞擊掘進工作面后，大部分氣流沿掘進工作面向左下方流動。由于巷道左側(cè)煤壁的存在，氣流沖擊巷道底板后向上流動。在Lf為3 m 時可以明顯觀察到氣流在左側(cè)拐角處存在渦流場。在除塵風(fēng)筒和掘進機機體的阻擋作用下，在Lf為8 m 時掘進機鏟斗上方也出現(xiàn)渦流場，能在很大程度上阻止粉塵向巷道后端擴散。在Lf為13 m 時，隨著壓風(fēng)筒距掘進工作面距離增加，掘進機鏟斗上方的渦流場逐漸減弱，鏟斗上方的粉塵濃度相應(yīng)降低。在Lf為18 m 時，壓風(fēng)筒流出的氣流只有小部分被除塵風(fēng)筒吸入，大部分氣流從掘進機上方流向巷道后端。

圖3 壓風(fēng)筒不同距離時的掘進工作面流場流線圖

2.2 粉塵的動態(tài)擴散過程分析

2.2.1 截割粉塵在巷道內(nèi)的擴散過程研究

圖4為壓風(fēng)筒不同距離下巷道內(nèi)粉塵濃度分布圖，其中Lf為通風(fēng)風(fēng)筒距掘進面距離。由圖4 可知，從壓風(fēng)筒流出的高速氣流沖刷掘進工作面，同時塵源粉塵在風(fēng)流的攜帶下沿回風(fēng)側(cè)煤壁軸向流動。當(dāng)Lf為3 m和8 m 時，巷道前部氣流速度大，除塵風(fēng)筒除塵能力低，氣流攜帶著大量粉塵從掘進機上方向巷道末端擴散。隨著粉塵沿巷道進一步擴散，掘進巷道底板和頂板均存在一定數(shù)量的粉塵顆粒。

圖4 壓風(fēng)筒不同距離時巷道粉塵分布圖

頂板附近氣流速度大，因此在巷道頂板處觀察到高濃度粉塵區(qū)。當(dāng)Lf為18 m 時，除塵風(fēng)筒除塵能力略微下降，巷道頂板處的粉塵濃度相比Lf為3 m 和8 m有所下降，但仍有大量高濃度粉塵從巷道左側(cè)煤壁擴散到巷道末端，因此巷道內(nèi)的總體粉塵濃度較大。當(dāng)Lf為13 m 時，除塵風(fēng)筒除塵效果達到最佳，可以明顯觀察到巷道的總體粉塵濃度降低，大顆粒粉塵主要積聚在工作面附近，少量大顆粒粉塵沿巷道左側(cè)煤壁向后移動，說明該距離下具有更好的除塵效果。

2.2.2 不同高度下的粉塵分布規(guī)律研究

在壓風(fēng)筒至掘進工作面距離對粉塵的分布影響研究中，分別設(shè)置距離為3 m、8 m、13 m 和18 m 共4 種情況，迭代計算完成后分別截取1.6 m 和3 m 處的巷道整體粉塵分布如圖5 所示，其中dx為設(shè)置距離。

圖5 不同高度下巷道內(nèi)粉塵分布情況

從粉塵分布情況可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)dx為3 m 和8 m 時，掘進巷道前端高濃度粉塵區(qū)域較大，同時巷道內(nèi)整體粉塵濃度高，大量粉塵明顯未被除塵風(fēng)筒吸入，導(dǎo)致高速氣流將粉塵運移至掘進機后方。這表明當(dāng)壓風(fēng)筒距掘進工作面距離較小時，過快的氣流會讓粉塵大范圍擴散，從而導(dǎo)致巷道內(nèi)粉塵濃度過高。從1.6 m 高度處的巷道整體粉塵分布圖可以看出，高濃度粉塵集中在巷道的左側(cè)拐角處。這是由于氣流在拐角處發(fā)生轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致大顆粒粉塵不能及時改變方向。掘進機后方粉塵分布均勻且濃度低。當(dāng)dx為18 m 時，部分粉塵在氣流的攜帶下從掘進機左側(cè)擴散到掘進機后方，導(dǎo)致巷道后方的粉塵濃度升高，使得巷道總體粉塵濃度較dx為13 m 有所上升。從3 m 高度處的巷道整體粉塵分布圖可以看出，高濃度粉塵帶集中在壓風(fēng)筒一側(cè)。這是由于高速氣流在沖擊掘進工作面后，大部分氣流沿巷道左側(cè)煤壁向后流動，導(dǎo)致巷道左側(cè)煤壁附近的氣流速度遠大于右側(cè)煤壁的氣流速度，大量的粉塵被沖擊到巷道右側(cè)區(qū)域。綜上，粉塵控制最優(yōu)的壓風(fēng)筒距掘進面距離依次為13 m、18 m、8 m、3 m。

2.2.3 掘錨一體機工作面粉塵時空變化規(guī)律

圖6顯示了0 ～60 s 與掘進工作面不同距離處的巷道截面平均粉塵濃度分布。

圖6 壓風(fēng)筒不同距離下巷道不同路段的平均粉塵濃度隨時間的變化

如圖6（a）所示，掘進工作面產(chǎn)生粉塵，導(dǎo)致粉塵濃度不斷增加，達到72 mg·m-3。由于粉塵沉降，一些粉塵積聚在巷道底板上，同時一些粉塵被除塵風(fēng)筒吸收。因此，粉塵濃度沿著巷道顯著降低。在0 ～10 s 時，掘進機前部氣流紊亂，只有少量粉塵跟隨氣流擴散到掘進機后方。隨著時間的增加，氣流攜帶大量未被吸收的粉塵向巷道后方擴散，使得粉塵濃度增加。

如圖6（b）所示，隨著壓風(fēng)筒距離的增加，掘進機前部粉塵濃度有所降低，但前部氣流相對穩(wěn)定，不同時間段下巷道不同截面的平均粉塵濃度大體一致。

如圖6（c）所示，巷道內(nèi)整體粉塵濃度降低，掘進工作面處粉塵濃度略微增加，高濃度粉塵團被控制在掘進機前部，巷道后方粉塵濃度低于20 mg·m-3。同時，隨著時間的增加，4 m 處被掘進機阻擋的粉塵由于除塵風(fēng)筒負壓的作用被風(fēng)筒吸收，粉塵濃度降低。

如圖6（d）所示，由于壓風(fēng)筒與掘進工作面距離過大，到達掘進機前部的氣流速度小，導(dǎo)致掘進工作面的粉塵濃度極高，達到114 mg·m-3。大量的粉塵聚集在掘進機前部，巷道后部的粉塵濃度相比與Lf為3 m 和8 m 略有下降?？梢?，壓風(fēng)筒距掘進工作面的距離設(shè)置為8 ～18 m 時，粉塵控制效果較好。

3 結(jié)論

采用Fluent 數(shù)值模擬的方式研究不同壓風(fēng)筒位置對巷道內(nèi)粉塵擴散的影響，并通過巷道內(nèi)的粉塵分布情況和不同截面粉塵分布情況分析壓風(fēng)筒最佳位置。

（1）當(dāng)壓風(fēng)筒距掘進工作面距離較近時，巷道前部的氣流速度大，氣流場紊亂，除塵風(fēng)筒無法發(fā)揮最佳的除塵效果。大量粉塵跟隨氣流擴散至掘進機后方，煤巷道后部的平均粉塵濃度增加，同時在掘進機后方形成高濃度粉塵帶。

（2）當(dāng)壓風(fēng)筒距掘進工作面距離遠時，巷道前部氣流速度小，掘進機前段粉塵濃度較低，但仍有部分粉塵在氣流的攜帶下從掘進機左側(cè)擴散到掘進機后方，導(dǎo)致掘進機后方出現(xiàn)高濃度粉塵區(qū)域。同時，在氣流的攜帶下，巷道末端出現(xiàn)了高濃度粉塵帶。

（3）當(dāng)壓風(fēng)筒距掘進工作面距離近時，巷道前部的氣流速度較小，氣流場穩(wěn)定，除塵風(fēng)筒能更好地吸入掘進機掘進產(chǎn)生的粉塵，將高濃度粉塵團控制在掘進機前段，使得掘進機后方的粉塵濃度低且分布均勻，進一步改善了井下作業(yè)環(huán)境，有助于保證井下安全生產(chǎn)。

大多數(shù)煤礦巷道的通風(fēng)除塵環(huán)境、氣流和粉塵遷移規(guī)律與本次研究環(huán)境較為相似，因此本研究成果可為類似工況下其他巷道的通風(fēng)參數(shù)設(shè)置提供理論分析依據(jù)。