姬玉成, 樓建國(guó), 張留祥, 黃建功

(1. 西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 四川 綿陽(yáng) 621010; 2. 四川師范大學(xué) 工學(xué)院, 四川 成都 610101)

隨著煤炭生產(chǎn)機(jī)械化的推進(jìn),煤礦井下生產(chǎn)效率大幅提高,同時(shí)井下粉塵產(chǎn)生量也越來(lái)越大.局部聚集的高濃度粉塵不僅存在粉塵爆炸危險(xiǎn)[1-2],而且嚴(yán)重影響井下一線作業(yè)人員的職業(yè)健康,增大員工患?jí)m肺病[3-4]的幾率.此外,高濃度的粉塵還加快井下機(jī)械設(shè)備的磨損[5],降低員工可視范圍[6],降低作業(yè)效率等.綜采工作面是煤礦粉塵的重要產(chǎn)塵點(diǎn)之一,采取內(nèi)外噴霧措施后,粉塵質(zhì)量濃度一般為400～800 mg/m3,局部甚至超過(guò)1 000 mg/m3,產(chǎn)塵量占礦井粉塵總量60%左右[7-8],是煤礦井下粉塵治理的重點(diǎn)區(qū)域,迫切需要有效措施控制粉塵.掌握綜采面粉塵運(yùn)動(dòng)變化對(duì)采取有效措施降低粉塵過(guò)高濃度十分關(guān)鍵.目前,國(guó)內(nèi)綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際主要防塵措施是工作面通風(fēng)[9]、采煤機(jī)內(nèi)外噴霧[10]、架間噴霧[11]與煤層注水[12-13]等.國(guó)外礦山因采場(chǎng)空間較大和技術(shù)條件等原因,較多采用除塵器[14]除塵,同時(shí)也較多的應(yīng)用了化學(xué)降塵材料[15].部分科研人員也采用實(shí)測(cè)、相似模擬與數(shù)值分析等方法對(duì)礦井粉塵在工作面空間的分布、沿工作面方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及風(fēng)速、濕度等影響因素進(jìn)行了研究.本文采用數(shù)值分析方法通過(guò)FLUENT軟件對(duì)綜采工作面粉塵運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行模擬研究[16-18].

1 建立幾何模型

模型以四川煤礦井下實(shí)際工作面為對(duì)象,選擇采用U型通風(fēng)方式和綜合機(jī)械化開(kāi)采的走向長(zhǎng)壁式回采工作面為原型.根據(jù)綜采面具體情況,工作面斷面尺寸長(zhǎng)方形部分為4 m×3.5 m,倒梯形部分上下底及高分別為1.5 m×3.5 m×1.8 m.綜采工作面上有綜合機(jī)械化采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等各種設(shè)備,風(fēng)流多屬湍流運(yùn)動(dòng),流場(chǎng)復(fù)雜多變.根據(jù)模擬研究目的的需要,本文在使用GAMBIT軟件建立幾何模型并劃分計(jì)算網(wǎng)格過(guò)程中,工作面傾斜長(zhǎng)度設(shè)置為100 m.同時(shí),對(duì)工作面粉塵擴(kuò)散計(jì)算區(qū)間和部分參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和設(shè)定.

1) 采用離散相(DPM)隨機(jī)軌道模型[19-20]對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析;

2) 粉體顆粒為球形顆粒;

3) 顆粒只受到重力、浮力以及氣流阻力的作用,其余力忽略不計(jì);

4) 工作面斷面形狀視為長(zhǎng)方形與倒梯形的組合;

5) 假設(shè)顆粒碰到煤壁后不再反彈,即顆粒被捕捉.

在上述基礎(chǔ)上用GAMBIT建立綜采工作面的幾何模型,并劃分計(jì)算網(wǎng)格,如圖1所示.

2 設(shè)定邊界條件與模型參數(shù)

根據(jù)綜采工作面實(shí)際情況,滾筒割煤作業(yè)產(chǎn)塵量是綜采工作面粉塵產(chǎn)生的主體,此處粉塵產(chǎn)生強(qiáng)度最大.模擬主要考察滾筒割煤作業(yè)產(chǎn)生的粉塵在后部空間的運(yùn)動(dòng)、沉降狀態(tài),在模型中設(shè)定滾筒位置為粉塵源.模型中,采煤機(jī)位置設(shè)置在距機(jī)巷端頭20 m處.為分析風(fēng)速對(duì)粉塵分布、運(yùn)移及沉降的影響,本次數(shù)值模型計(jì)算中設(shè)計(jì)1、1.5、2 m/s 3種工況模擬3組氣流速度.確定邊界條件及數(shù)值模擬的其他各主要參數(shù)如表1所示.

表 1 數(shù)值計(jì)算模型邊界條件及主要參數(shù)設(shè)定

3 數(shù)據(jù)分析

幾何模型和網(wǎng)格劃分完成后,通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)FLUNT軟件進(jìn)行解算.

3.1風(fēng)速對(duì)小顆粒粉塵沉降的影響在風(fēng)速相同的情況下,對(duì)于粒徑1～10 μm小顆粒粉塵,粉塵顆粒粒徑越大通風(fēng)降塵率越高;在粉塵粒徑相同的情況下,隨通風(fēng)風(fēng)速越大,粉塵顆粒的通風(fēng)降塵率越低,如圖2所示.顯然,對(duì)于顆粒較小的呼吸性粉塵,通風(fēng)斷面風(fēng)速越高反而越不利于粉塵的自由沉降;受工作面通風(fēng)需要的限制,通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)手段來(lái)控制粉塵難以起到顯著效果.

3.2粉塵在工作面空間運(yùn)動(dòng)的宏觀定性分析根據(jù)粉塵在建立的三維模擬回采空間中質(zhì)量濃度變化狀態(tài),可以分析得出:

1) 粉塵距離煤壁0.5 m,平行于煤壁面的回采工作面剖面的質(zhì)量濃度分布,受塵源直接影響,從塵源高質(zhì)量濃度逐漸降低,在剖面上粉塵覆蓋面積向風(fēng)流方向延伸擴(kuò)大.這表明粉塵自塵源開(kāi)始,在風(fēng)流的揚(yáng)散作用下,粉塵分布完成了從一點(diǎn)到一定空間的擴(kuò)散.從粉塵治理角度分析,降低高度集中微團(tuán)狀存在的粉塵遠(yuǎn)遠(yuǎn)比降低擴(kuò)散在大空間的分散狀粉塵的難度小.因此,從模擬結(jié)果和粉塵源頭治理的觀念考慮,治理粉塵應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到粉塵擴(kuò)散前的時(shí)間和空間優(yōu)勢(shì)對(duì)于治理粉塵效果的重要性.

2) 粉塵距離煤壁1 m,平行于煤壁面的回采工作面剖面的粉塵質(zhì)量濃度分布,距煤壁面距離增加,其粉塵峰值濃度區(qū)域位于距離煤壁面近的剖面粉塵直接產(chǎn)生源的后方,且其剖面上粉塵質(zhì)量濃度具有從低濃度向峰值濃度上升的過(guò)程.這表明在粉塵產(chǎn)生后具有擴(kuò)散的初始階段,粉塵在工作面方向和與之垂直的煤壁到采空區(qū)方向2個(gè)方向上存在同步擴(kuò)散,在粉塵源后方10～20 m內(nèi)形成粉塵質(zhì)量濃度峰值區(qū)域,之后粉塵質(zhì)量濃度逐漸降低.

3.3沿工作面方向各高程位置處粉塵質(zhì)量濃度變化分析圖3～5為回采工作面距煤壁面分別為0.5、1、1.5 m處,空間高度上距底板分別為0.5 、1 、1.5 和2 m位置處的粉塵質(zhì)量濃度曲線圖.

分析圖3～5,可以看出:

1) 距底板0.5 m、距煤壁0.5 m高度處,在沿工作面方向上粉塵質(zhì)量濃度從割煤處峰值濃度逐漸下降,原因主要是此位置割煤作業(yè)點(diǎn)靠近煤壁,為粉塵集中的區(qū)域.在后方區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度變化受到粉塵粒徑不同,沉降方式不同的影響.在粉塵源即采煤機(jī)滾筒后方20～50 m范圍內(nèi),塵源后方不同高程處的粉塵質(zhì)量濃度逐漸下降,并趨于一致特點(diǎn).在粉塵源后方工作面方向的這段距離上,較大顆粒的粉塵主要依靠重力沉降,難以長(zhǎng)時(shí)間自由懸浮在空氣中,絕大部分較大顆粒粉塵在沿工作面方向的運(yùn)移中沉降下來(lái);同時(shí),以呼吸性粉塵為主的小顆粒粉塵受靜電作用等因素影響顯著,呈現(xiàn)布朗運(yùn)動(dòng)狀態(tài),完成向空間的均勻化擴(kuò)散,并長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中,這2個(gè)過(guò)程在此段距離內(nèi)同時(shí)存在.

2) 距底板1和1.5 m高度,沿工作面方向上,各高程位置處的粉塵質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出在塵源后方的較短距離內(nèi)快速上升,粉塵質(zhì)量濃度峰值主要出現(xiàn)在滾筒后方10～20 m的范圍內(nèi).距離煤壁1、1.5 m不同高程處粉塵質(zhì)量濃度曲線出現(xiàn)峰值是粉塵源產(chǎn)生的粉塵向空間擴(kuò)散移動(dòng)的結(jié)果.其中,粉塵峰值濃度呈現(xiàn)隨距離煤壁距離的增加而減小.達(dá)到粉塵質(zhì)量濃度峰值之后,在后方較長(zhǎng)距離上緩慢變化并同樣呈現(xiàn)出逐漸趨于一致的特點(diǎn).

3.4工作面斷面上粉塵質(zhì)量濃度變化分析圖6反映了在同一工作面斷面距煤壁不同距離處粉塵擴(kuò)散規(guī)律.同一斷面上,距煤壁0.2、0.5 m處粉塵質(zhì)量濃度由峰值濃度開(kāi)始下降;距煤壁1、1.5 m處,粉塵質(zhì)量濃度逐步上升至峰值濃度.這說(shuō)明粉塵產(chǎn)生后,粉塵在工作面斷面上,也存在由塵源區(qū)域向非塵源區(qū)域的擴(kuò)散過(guò)程.在非塵源區(qū)域,粉塵質(zhì)量濃度具有一個(gè)上升過(guò)程.

3.5工作面粉塵運(yùn)動(dòng)的綜合分析綜合以上分析,結(jié)合多個(gè)礦井綜采工作面粉塵狀況,綜采工作面產(chǎn)塵點(diǎn)后方形成3個(gè)粉塵運(yùn)移帶.

1) 粉塵快速擴(kuò)散帶.此帶位于粉塵源(即采煤機(jī)滾筒)后20 m范圍內(nèi),大顆粒粉塵和呼吸性粉塵同時(shí)向全斷面快速擴(kuò)散,粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到峰值.此運(yùn)移帶也正是取得工作面降塵效果的關(guān)鍵區(qū)域和重中之重.

2) 呼塵彌漫帶.快速擴(kuò)散帶后為呼塵彌漫帶.在此帶,粒徑較大的粉塵顆粒開(kāi)始緩慢沉降,粒徑較小的粉塵繼續(xù)向整個(gè)工作面空間彌漫,長(zhǎng)時(shí)間懸浮,難以沉降.此運(yùn)移帶可達(dá)40 m以遠(yuǎn).

3) 穩(wěn)定懸浮帶.在沿工作面方向,呼塵彌漫帶后方形成粉塵穩(wěn)定懸浮帶.此帶,粉塵主要組成是小粒徑呼吸性粉塵,因靜電等多因素長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定懸浮在巷道空間,沒(méi)有外界降塵措施的情況下,粉塵質(zhì)量濃度基本保持不變.穩(wěn)定懸浮帶存在距離通常可以延至回風(fēng)巷數(shù)十米遠(yuǎn).

各運(yùn)移帶在工作面方向的實(shí)際存在距離受到風(fēng)速、斷面面積、生產(chǎn)設(shè)備、粉塵分散度等因素影響.在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,因采煤機(jī)割煤作業(yè)不停運(yùn)動(dòng),各粉塵運(yùn)移帶存在相互疊加的影響.

根據(jù)回采工作面粉塵階段性運(yùn)動(dòng)變化特點(diǎn)和粉塵源頭治理需要,綜采工作面應(yīng)該以粉塵快速擴(kuò)散帶作為粉塵治理的關(guān)鍵區(qū)域.在此運(yùn)移帶,粉塵質(zhì)量濃度高,空間集中度高,除塵降塵具有空間優(yōu)勢(shì);若粉塵擴(kuò)散之后,單位空間的粉塵顆粒數(shù)量降低,與水霧顆粒接觸的幾率降低,這導(dǎo)致噴霧等降塵措施的降塵效果降低.

4 結(jié)論

1) 在相同粒徑下的粉塵顆粒,通風(fēng)風(fēng)速越大,粉塵顆粒的通風(fēng)降塵率越低.通風(fēng)降塵措施對(duì)于小顆粒粉塵難以起到顯著作用.

2) 結(jié)合采面粉塵運(yùn)動(dòng)分布特點(diǎn),將采面產(chǎn)塵點(diǎn)后方劃分為3個(gè)粉塵運(yùn)移帶,即粉塵快速擴(kuò)散帶、呼塵彌漫帶、穩(wěn)定懸浮帶.

3) 根據(jù)回采工作面粉塵階段性運(yùn)動(dòng)、變化特點(diǎn)和粉塵有效治理的需要,確定回采工作面控塵應(yīng)該以粉塵快速擴(kuò)散帶降塵作為關(guān)鍵區(qū)域.

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