莫 樊 郁鐘銘 吳桂義

（1.貴州民族學(xué)院建筑工程學(xué)院，貴州省貴陽(yáng)市，550025；2.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州省貴陽(yáng)市，550003）

回風(fēng)巷斷面突然變化段粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律及濃度分布的數(shù)值模擬＊

莫 樊1郁鐘銘1吳桂義2

（1.貴州民族學(xué)院建筑工程學(xué)院，貴州省貴陽(yáng)市，550025；2.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州省貴陽(yáng)市，550003）

根據(jù)氣固兩相流理論，探索性地提出了利用回風(fēng)巷斷面突然變化降塵方法，采用計(jì)算流體力學(xué)的離散相模型對(duì)回風(fēng)巷斷面突然擴(kuò)大粉塵濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，總結(jié)出回風(fēng)巷斷面突然變化段粉塵濃度沿程分布及變化規(guī)律。

礦井防塵 氣固兩相流 流體力學(xué) 斷面突變

1 概述

通過(guò)對(duì)貴州省六盤(pán)水礦區(qū)煤礦進(jìn)行資料的收集及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，風(fēng)流凈化水幕濕式除塵是綜采工作面回風(fēng)巷最普遍的降塵方式，勞動(dòng)強(qiáng)度雖然不大，但需要專(zhuān)人負(fù)責(zé)，造成了許多不便。而目前采取的降塵方法是僅在回風(fēng)巷中安設(shè)兩道水幕，甚至有時(shí)由上班工人觀察粉塵量來(lái)控制灑水降塵。雖然也有一些礦井采用了自動(dòng)控制方式，但存在一定弊端，降塵效果也較差，不能解決粉塵污染的實(shí)際問(wèn)題。其噴霧壓力、噴頭組數(shù)的選擇基本也僅是依靠經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)置。貴州省內(nèi)部分煤礦，底板存在粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤等軟弱巖層，力學(xué)強(qiáng)度很低，在底板遇水后有膨脹的現(xiàn)象，對(duì)巷道支護(hù)及工作面的推進(jìn)極其不利，且煤層孔隙率低，不易注水，故大部分煤礦對(duì)于煤層注水和噴霧降塵方法的使用非常慎重。因此研究利用回風(fēng)巷斷面突然變化的方法對(duì)巷道粉塵進(jìn)行自然沉降具有重要的意義。

針對(duì)貴州地質(zhì)特殊的煤礦的防塵效果，筆者對(duì)六盤(pán)水礦區(qū)響水煤礦的W134綜采工作面進(jìn)行粉塵濃度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并探索性地提出了利用回風(fēng)巷斷面突然變化降塵方法，對(duì)回風(fēng)巷粉塵濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果提出綜采工作面回風(fēng)巷粉塵防治方法。

2 氣固兩相流模型

研究粉塵在回風(fēng)巷的運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)采面巷道里空氣的流動(dòng)，粉塵在氣流中的運(yùn)動(dòng)屬于氣固兩相流的范疇，故而建立粉塵移運(yùn)規(guī)律（濃度分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律）的數(shù)學(xué)模型，實(shí)質(zhì)上就是建立氣固兩相流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。

2.1 氣體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

氣體流動(dòng)數(shù)學(xué)模型主要用來(lái)確定工作面氣體的速度場(chǎng)和壓力分布。其中對(duì)回風(fēng)巷中的氣體流動(dòng)控制方程組采用三維穩(wěn)態(tài)不可壓N－S方程，湍流模型采用k－ε雙方程模型，是目前應(yīng)用最廣泛的工程湍流模型，模型內(nèi)只考慮動(dòng)量傳輸，忽略傳熱。具體形式如下：

連續(xù)方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

k方程：

ε方程：

式中：Gk——剪切力變化產(chǎn)生的湍動(dòng)能變化率；

k——湍動(dòng)能，m2／s2；

ε——湍動(dòng)能耗散率，m2／s3；

μ——層流粘性系數(shù)，Pa·s；

μt——湍流粘性系數(shù)，Pa·s；

p——湍流有效壓力，Pa；

ρ——?dú)怏w密度，kg／m3；

xi——x、y、z方向上的坐標(biāo)，m；

ui——x、y、z方向上的速度，m／s。

Cε1、Cε2、Cμ、σε和σk——常數(shù)，分別取1.441.920.091.3和1.0

2.2 離散相的數(shù)學(xué)模型

由于模擬粉塵在巷道斷面變化處的擴(kuò)散，回風(fēng)巷粉塵的濃度不超過(guò)12%，局部濃度也不會(huì)大于12%，其對(duì)連續(xù)相的作用可以忽略不計(jì)，因此本文擬采用歐拉－拉格朗日中的離散相模型（DPM），即用歐拉觀點(diǎn)描述氣相流場(chǎng)，而用拉格朗日觀點(diǎn)描述顆粒的運(yùn)動(dòng)。離散相模型采用球形顆粒（回風(fēng)巷中的粉塵顆粒）構(gòu)成的第二相分布在連續(xù)相（風(fēng)流）中，并且應(yīng)用隨機(jī)方法來(lái)考慮瞬時(shí)湍流速度對(duì)顆粒軌道的影響，從而模擬計(jì)算粉塵顆粒的運(yùn)移規(guī)律軌跡，以及濃度分布。

DPM模型通過(guò)積分拉格朗日坐標(biāo)下顆粒作用力的微分方程來(lái)求解顆粒的軌道，顆粒相的作用力

平衡方程為：

式中：mp——顆粒質(zhì)量，mg；

up——顆粒運(yùn)動(dòng)速度；m／s；

∑F——顆粒所受合力，N；

Fd——顆粒運(yùn)動(dòng)所受阻力，N；Fg——顆粒所受重力，N；Ff——顆粒所受浮力，N；

Fx——顆粒所受其它作用力，包括附加質(zhì)量力，旋轉(zhuǎn)時(shí)的馬格盧斯（Magnus）升力，熱泳力，薩弗曼（Saffman）升力，布朗力等等。其中附加質(zhì)量力，馬格盧斯（Magnus）升力，熱泳力等作用力的數(shù)量級(jí)都很小，文中忽略不計(jì)。

3 回風(fēng)巷幾何模型的建立及邊界條件的設(shè)定

3.1 幾何模型的建立

為了更全面地得到粉塵在回風(fēng)巷的擴(kuò)散規(guī)律，根據(jù)六盤(pán)水礦區(qū)響水煤礦W134綜采工作面及回風(fēng)巷具體情況及相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立由一個(gè)斷面變化前長(zhǎng)為20m、寬4.4m、高3m的長(zhǎng)方體巷道、一個(gè)長(zhǎng)10m、寬8.4m、高3m的斷面變化區(qū)域和一個(gè)斷面變化后長(zhǎng)為10m、寬4.4m、高3m的長(zhǎng)方體巷道3部分組成的計(jì)算區(qū)域。簡(jiǎn)化后使用GAMBIT2.0建立三維幾何模型，并劃分計(jì)算網(wǎng)格。其三視圖的局部放大見(jiàn)圖1、圖2。

3.2 邊界條件的設(shè)定

將GAMBIT2.0建立的三維幾何模型導(dǎo)入FLUENT6.2中，結(jié)合數(shù)學(xué)模型和FLUENT的模擬方法，確定數(shù)值模擬的各參數(shù)及邊界條件如下：巷道過(guò)流斷面面積為10.5m2，流體與固體基礎(chǔ)周長(zhǎng)14.8m，入口風(fēng)速3.3m／s，水力直徑3.57m，粒徑分布，羅辛－拉穆勒（Rosin－Rammler）分布，粉塵濃度16.8×10－6kg／m3（由于用FLUENT 6.2解算得到的粉塵濃度單位為kg／m3，所以本文中粉塵濃度的單位統(tǒng)一使用kg／m3，質(zhì)量流率0.00058212kg／s，噴射源類(lèi)型面噴射，湍流擴(kuò)散模型為隨機(jī)軌道模型。

其中，湍流強(qiáng)度由公式（9）確定：

式中：u、uavg——湍流脈動(dòng)速度與平均速度，m／s；

ReDH——按水力直徑計(jì)算的雷諾數(shù)水力直徑由公式（10）確定：

式中：A——過(guò)流斷面面積，m2；

S——流體與固體基礎(chǔ)周長(zhǎng)，m。

入口速度與實(shí)際回風(fēng)巷風(fēng)速相等，即入口風(fēng)速應(yīng)為3.3m／s。

質(zhì)量流率按照公式（11）計(jì)算：

式中：c——塵源處粉塵濃度，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取16.8×10－6kg／m3；

v——巷道內(nèi)的風(fēng)速，取3.3m／s；

A——巷道斷面積，10.5m2。

各參數(shù)如上所示，同時(shí)考慮到進(jìn)風(fēng)巷的粉塵濃度，各參數(shù)參照相關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置，文中不做詳細(xì)說(shuō)明。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

按照以上參數(shù)設(shè)置，通過(guò)FLUENT6.2解算后，經(jīng)過(guò)提高計(jì)算精度，區(qū)域網(wǎng)格自適應(yīng)等調(diào)試改進(jìn)后，將得到的計(jì)算結(jié)果做分析。

4.1 回風(fēng)巷斷面突然變化模型風(fēng)流流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

用FLUENT6.2進(jìn)行解算，模擬回風(fēng)巷斷面突然變化巷道的風(fēng)流流場(chǎng)，根據(jù)模擬風(fēng)流流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，巷道風(fēng)流出現(xiàn)了3個(gè)區(qū)域：層流區(qū)、湍流區(qū)和渦流區(qū)。

斷面突然變化時(shí)速度矢量分布、粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡和流線(xiàn)分布見(jiàn)圖3、圖4和圖5。由圖3和圖4可見(jiàn)層流區(qū)位于回風(fēng)巷中部，湍流區(qū)處于巷道邊界，兩幫和頂?shù)装逦恢茫陲L(fēng)流進(jìn)入斷面變化區(qū)域后，即出現(xiàn)了風(fēng)流的渦流區(qū)，同時(shí)由于能量的損失，風(fēng)速迅速減小。

4.2 回風(fēng)巷斷面突然變化模型粉塵濃度的分布規(guī)律

對(duì)回風(fēng)巷粉塵濃度分布的三維模擬如圖5所示：

圖5 跟蹤斷面突然變化粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡分布圖

由圖5（a）可見(jiàn)，粉塵進(jìn)入回風(fēng)巷附近時(shí)濃度最大，其在風(fēng)流作用下沿著巷道全斷面不斷前進(jìn)，部分粉塵隨著風(fēng)流進(jìn)入斷面擴(kuò)大區(qū)域后，受風(fēng)流形成旋渦區(qū)的影響，粉塵開(kāi)始旋轉(zhuǎn)沉降和被捕集，因此粉塵濃度沿程不斷減?。晃闯两祷虮徊都姆蹓m顆粒在隨風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，隨機(jī)擴(kuò)散，彌漫整巷道，使得巷道內(nèi)的粉塵濃度趨于穩(wěn)定。由圖5（b）可見(jiàn)，粉塵從回風(fēng)巷入口處進(jìn)入后，靠近巷道兩幫的粉塵濃度變化明顯，沿程逐漸降低；位于巷道中間2.2m處的粉塵濃度隨著距離的變化不明顯。由圖5（c）可見(jiàn)，回風(fēng)巷區(qū)域內(nèi)，距離巷道底板越近，因重力作用將要沉降的大顆粒粉塵越多，因此粉塵濃度越大；遠(yuǎn)離回風(fēng)巷入口處，粉塵濃度隨著高度的變化，粉塵濃度隨之下降。由圖5（d）可見(jiàn)，粉塵從回風(fēng)巷入口處流入巷道斷面面積突然變化區(qū)域前（10～20m），濃度粉塵變化不明顯，在進(jìn)入面積擴(kuò)大區(qū)域后至距離回風(fēng)巷入口35 m處時(shí)，粉塵濃度有明顯降低。

4.3 回風(fēng)巷斷面突然變化粉塵沿程濃度分布規(guī)律的比較

距離巷道兩幫分別為0.4m、2.2m和4m處粉塵濃度沿程變化對(duì)比如圖6所示；巷道中線(xiàn)處，距離巷道底板分別為0.5m、1.5m和2.5m的粉塵濃度沿程變化如圖7所示。

由圖6可見(jiàn)，在回風(fēng)巷中，距離靠近巷道兩幫越近，粉塵濃度越低，這種趨勢(shì)在回風(fēng)巷中面積擴(kuò)大處25～30m之間較明顯；從距離回風(fēng)巷入口30 m處開(kāi)始，靠近巷道兩幫距離條件下，粉塵濃度都降到6mg／m3以下。

由圖7可見(jiàn)，在巷道中線(xiàn)處，距回風(fēng)巷入口處40m處，距離巷道底板1.5m處的粉塵濃度趨于穩(wěn)定，距離巷道底板0.5m處的粉塵濃度由于受重力作用影響，粉塵在距入口10m處開(kāi)始升高后，濃度沿巷道長(zhǎng)度的增加，趨于不變；而從距離回風(fēng)巷入口處開(kāi)始，巷道頂部的粉塵濃度沿程穩(wěn)定下降，基本都下降到8mg／m3以下。

5 結(jié)論

（1）在流體動(dòng)力學(xué)中通風(fēng)管道斷面突變理論的基礎(chǔ)上，首次結(jié)合兩個(gè)學(xué)科，探索性地提出了利用回風(fēng)巷斷面突然變化段對(duì)巷道粉塵進(jìn)行自然沉降的方法，既是理論的創(chuàng)新，又是科研探索的新方向。

（2）將巷道斷面突然擴(kuò)大段用在采煤工作面的回風(fēng)巷處，在巷道中形成一道“無(wú)形透明屏障”，其降塵的方法并不是像固體壁一樣阻擋粉塵的穿透，而是利用風(fēng)流的不斷旋轉(zhuǎn)和風(fēng)速的突然降低讓粉塵顆粒自動(dòng)沉降或撞在巷道兩幫后失去能量后沉降，使得塵粒不能繼續(xù)前移，以達(dá)到降低粉塵濃度的目的。

（3）利用回風(fēng)巷道斷面突然變化的降塵方法是針對(duì)貴州特定的地質(zhì)條件特征提出的，在理論上切實(shí)可行，并且該方法若與風(fēng)流凈化水幕降塵技術(shù)相結(jié)合，不僅能提高降塵效果，而且能有效地減少巷道內(nèi)由于降塵時(shí)噴霧所留下的積水，防止底板底臌，改善了井下作業(yè)的工作難度及工人的工作環(huán)境，更有利于煤礦的安全生產(chǎn)。

[1] 王曉珍.采掘工作面粉塵運(yùn)動(dòng)和分布規(guī)律的數(shù)值模擬研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2007

[2] 劉毅，蔣仲安，蔡衛(wèi)等.綜采工作面粉塵濃度分布的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006（4）

[3] 陳卓如，金朝銘.工程流體力學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1987

[4] 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004

[5] 江帆，黃鵬.FLUENT高級(jí)應(yīng)用與實(shí)力分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008

[6] 白蘭永，王寬，周福寶，劉應(yīng)科.綜掘工作面綜合降塵技術(shù)在葛泉礦的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭，2011（7）

Numerical simulation of dust movement law and concentration distribution in return airway with sudden change of cross－section

Mo Fan1，Yu Zhongming1，Wu Guiyi2

（1.Architectural Engineering College，Guizhou University for Nationalities，Guiyang，Guizhou 550025，China；2.Mining College，Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550003，China）

According to the theory of gas－solid flow，the dustfall via sudden change of crosssection in return airway was proposed.And the distribution of dust concentration in sudden enlarged cross－section of return airway was simulated by using discrete phase model of computational fluid dynamics.The concentration distribution and the variation law of dust in the return airway with sudden change of cross－section were summed up.

dust－proof in mine，gas－solid flow，hydrodynamics，sudden change of section

TD714

B

國(guó)家民委科研項(xiàng)目資助（編號(hào)09GZ03）；貴州省優(yōu)秀科技教育人才省長(zhǎng)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目資助（黔省專(zhuān)合字（2010）29號(hào)）

莫樊（1984－），男，貴州都勻人，碩士研究生，講師，現(xiàn)貴州民族學(xué)院建筑工程學(xué)院工作，主要從事礦業(yè)系統(tǒng)工程和礦山安全方面研究。

（責(zé)任編輯 梁子榮）