盧英東，陳洋洋，呂凱旋

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.中國(guó)能建 江蘇電建三公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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不同抽壓比煤巷掘進(jìn)工作面粉塵濃度分布的數(shù)值模擬

盧英東1，陳洋洋2，呂凱旋1

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.中國(guó)能建 江蘇電建三公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

針對(duì)掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵量大，除塵效率低，造成粉塵濃度大的現(xiàn)實(shí)狀況，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)中的氣固兩相流理論，采用離散相模型來(lái)研究抽壓比對(duì)掘進(jìn)工作面巷道中粉塵濃度分布的影響，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：當(dāng)抽出風(fēng)筒的風(fēng)量一定時(shí)，可提高壓入風(fēng)流的風(fēng)速來(lái)減小抽壓比，達(dá)到降低掘進(jìn)巷道粉塵濃度的目的。本模型中，當(dāng)抽出風(fēng)量為170 m3/min時(shí)，抽壓比選取0.55，除塵效果較好。

掘進(jìn)工作面；計(jì)算流體力學(xué)；抽壓比；數(shù)值模擬

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，礦塵一貫是干擾安全生產(chǎn)的主要因素之一，它不僅影響煤礦的生產(chǎn)效率，更為嚴(yán)重的是威害了煤礦工人的身體健康，使得他們患上不同程度的職業(yè)病?，F(xiàn)階段，煤礦開(kāi)采機(jī)械化水平不斷提高，采煤工作面粉塵問(wèn)題越來(lái)越突出，在有一般程度防塵措施時(shí)，機(jī)采工作面作業(yè)點(diǎn)粉塵濃度為1 000～3 000 mg/m3,綜采割煤時(shí)粉塵濃度會(huì)高達(dá)4 000～8 000 mg/m3，工人作業(yè)環(huán)境不容樂(lè)觀。掘進(jìn)工作面通常采用通風(fēng)除塵方式降低巷道內(nèi)的粉塵濃度，常見(jiàn)的通風(fēng)除塵方式有壓入式、抽出式以及長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)除塵[1-3]。研究與經(jīng)驗(yàn)表明，長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)是一種可有效降低掘進(jìn)工作面粉塵濃度的通風(fēng)方式，同時(shí)具有壓入式和抽出式的優(yōu)點(diǎn)，除塵效果比單一的壓入式與抽出式通風(fēng)明顯，因而在綜掘工作面除塵領(lǐng)域得到了較好地應(yīng)用，但這種混合式除塵技術(shù)的除塵效果受到一些因素的影響，抽出風(fēng)量與壓入風(fēng)量的比值(抽壓比)就是影響通風(fēng)除塵效果一個(gè)重要因素[4]。因此研究長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)的抽壓比對(duì)分析工作面的粉塵濃度分布規(guī)律有著重要的意義。

利用Gambit軟件建立巷道幾何模型并通過(guò)Fluent數(shù)值軟件模擬，采用離散相模型(DPM)對(duì)長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)掘進(jìn)巷道內(nèi)粉塵分布規(guī)律進(jìn)行模擬。在保持抽出風(fēng)量不變的情況下，改變壓入風(fēng)量，達(dá)到改變抽壓比的目的，從而研究粉塵的分布規(guī)律，并與山西某礦6512工作面實(shí)際粉塵分布進(jìn)行對(duì)比分析。

1 數(shù)值模型及邊界條件

1.1 物理模型建立

根據(jù)實(shí)際情況對(duì)掘進(jìn)面巷道進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，采用半圓拱形巷道。拱形巷道的長(zhǎng)寬高分別為50 m、4 m、3.45 m。壓入風(fēng)筒的中心距離底板為1.5 m，抽出風(fēng)筒的中心距離底板為1.0 m；抽、壓風(fēng)筒的直徑均為0.6 m；抽、壓風(fēng)筒距離掘進(jìn)面的距離分布為10 m和3 m，其值由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出[5]；巷道截面面積為12.36 m2。運(yùn)用前處理器gambit軟件進(jìn)行模型建立以及網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元采用Hex/Wedge，單元類(lèi)型為copper模式，網(wǎng)格尺寸取0.3 m。幾何模型如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格幾何模型

1.2 連續(xù)性方程

連續(xù)性方程也就是質(zhì)量守恒方程。任何流體問(wèn)題都必須滿足質(zhì)量守恒定律。該定律可以表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元中質(zhì)量增加等同于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。由上述描述可以得出質(zhì)量守恒方程[6](P54-56)：

(1)

引入矢量符號(hào)：

上式可以改寫(xiě)為：

(2)

其中ρ為密度，t為時(shí)間，u是速度矢量，u、v和w是速度矢量u在x、y和z方向上的分量。

1.3 邊界條件

粉塵顆粒在巷道中運(yùn)動(dòng)規(guī)律屬于氣固兩相流，它的數(shù)學(xué)模型通常有單流體模型、雙流體模型和離散相模型[7](P4-6)。離散相模型(DPM)，也就是歐拉-拉格朗日方法，用歐拉觀點(diǎn)描述氣相流場(chǎng)，拉格朗日觀點(diǎn)描述巷道空氣中粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡分布。數(shù)值模型采用Fluent軟件進(jìn)行求解計(jì)算，運(yùn)用SIMPLE算法求解連續(xù)性流場(chǎng)，利用標(biāo)準(zhǔn)的K-epsilon模型模擬三維湍流；建立離散相噴射源，采取隨機(jī)軌道模型描述粉塵運(yùn)動(dòng)，對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡在特定的坐標(biāo)系下進(jìn)行軌道分析。

噴射源面位于迎頭位置，粉塵的粒徑分布服從Rosin-Rammler分布，質(zhì)量流速為305 mg/s。巷道模型斷面尺寸為12.36m2，初始?jí)喝腼L(fēng)量為250 m3/min，抽壓比為0.67，湍流強(qiáng)度為3.02%，其計(jì)算公式如下[8](P9-12)：

(3)

ReH——按照水力直徑計(jì)算的雷諾數(shù)；

I——湍流強(qiáng)度。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 粉塵的運(yùn)移規(guī)律

邊界條件參數(shù)設(shè)置完成后，通過(guò)fluent數(shù)值模型軟件進(jìn)行運(yùn)算，經(jīng)過(guò)提高計(jì)算精度，區(qū)域網(wǎng)格自適應(yīng)的調(diào)整，然后初始化和迭代后可以得到粉塵的移運(yùn)規(guī)律。粉塵的在巷道的速度矢量圖和顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖如圖2、3所示。

圖2 速度矢量

圖3 粉塵運(yùn)動(dòng)三維軌跡圖

從圖2、3可知：由于壓入風(fēng)流距離煤壁較近，壓入風(fēng)流由風(fēng)筒出口流出，沿著煤壁運(yùn)動(dòng)形成附壁射流效應(yīng)。隨著沿程的增加，射流的截面也隨之?dāng)U大，空氣流沿著巷道流動(dòng)與工作面發(fā)生碰撞，形成沖擊射流效應(yīng)，將工作面的粉塵吹散；射流一方面使得風(fēng)流由進(jìn)風(fēng)側(cè)流向回風(fēng)側(cè)，另一方面由于射流的卷吸作用會(huì)造成在進(jìn)回風(fēng)流之間區(qū)域形成渦流；風(fēng)流帶動(dòng)粉塵運(yùn)動(dòng)，回風(fēng)流將粉塵帶出巷道，達(dá)到降低工作面粉塵濃度的目的。

2.2 不同抽壓比粉塵濃度的分布

保持抽出風(fēng)筒的風(fēng)量和其他參數(shù)不變，改變壓入風(fēng)筒的風(fēng)量來(lái)分析抽壓比對(duì)粉塵濃度的影響。根據(jù)抽壓比實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)值0.7，取壓入風(fēng)筒的風(fēng)量別為220 m3/min、240 m3/min、305 m3/min和340 m3/min，對(duì)應(yīng)的抽壓比分別為0.77、0.7、0.55與0.5，用FLUENT后處理軟件調(diào)出距離中心底板處1.5m粉塵濃度的沿程變化圖，如圖4～7所示。

圖4 抽壓比為0.5

圖5 抽壓比為 0.55

圖6 抽壓比為0.7

圖7 抽壓比為0.77

根據(jù)不同抽壓比的粉塵濃度沿程模擬結(jié)果，可以看出：粉塵濃度最大處并不是出現(xiàn)在粉塵源處，而是出現(xiàn)在沿程42 m處，高濃度粉塵主要集中在35～45 m處，原因主要是由于抽風(fēng)筒的風(fēng)流對(duì)粉塵的作用，粉塵顆粒容易聚集在抽風(fēng)筒附近，使得該處濃度變得相對(duì)較高；隨著抽壓比數(shù)值的減小，粉塵濃度峰值相應(yīng)減小，但高粉塵濃度范圍會(huì)向巷道出口處擴(kuò)大，濃度分布較為雜亂；由圖可以看出，當(dāng)抽壓為0.5時(shí)，雖然最高粉塵濃度相對(duì)較小，但是巷道前段的粉塵分布范圍相對(duì)較廣；當(dāng)抽壓比取0.77時(shí)，最大濃度較高，達(dá)到2.25×10-3kg/m3。抽壓比為0.7時(shí)，最高粉塵濃度雖與抽壓比0.55時(shí)相當(dāng)，但粉塵分布較為分散，不好集中處理。所以，本模型最適抽壓比的選擇應(yīng)為0.55，此時(shí)的粉塵濃度最大值為1.6×10-3kg/m3，巷道前段粉塵濃度保持在一個(gè)很低的狀態(tài)。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

3.1 實(shí)測(cè)工程概況

以山西某礦6512掘進(jìn)工作面采集的數(shù)據(jù)為例來(lái)研究粉塵濃度沿程分布規(guī)律。該工作面的煤塵厚度穩(wěn)定，平均厚度8 m，容重1.46 t/m3工作面長(zhǎng)度為200 m；測(cè)試點(diǎn)的位置距離地板約為1.5 m，位于人的呼吸帶處；測(cè)塵儀器采用以濾膜質(zhì)量法為基礎(chǔ)的國(guó)產(chǎn)KBS-1型礦用采樣機(jī)。測(cè)量距壓風(fēng)側(cè)煤壁不同距離(1 m,2 m,3 m)粉塵濃度沿程分布。測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 測(cè)點(diǎn)分布圖

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

圖9 距壓風(fēng)側(cè)煤壁不同距離粉塵濃度沿程分布

圖10 3 m處的實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比

圖11 2 m處實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比

圖12 1 m處實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比

由圖9～12中可以看出：在掘進(jìn)巷道的前段部分粉塵濃度較大，粉塵濃度最高峰值可以達(dá)1 500 mg/m3，隨著距離塵源的距離的增大，粉塵濃度也開(kāi)始逐漸降低，大約在40 m處粉塵的濃度不發(fā)生變化，最后粉塵濃度趨于穩(wěn)定，大約在100 mg/m3；橫向?qū)Ρ瓤傻茫瑝喝腼L(fēng)流一側(cè)的粉塵濃度要高于回風(fēng)側(cè)粉塵濃度，主要由于風(fēng)流的作用使得壓入風(fēng)流一側(cè)的粉塵運(yùn)移到回風(fēng)側(cè)，使得粉塵濃度相對(duì)比較高；實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比可以看出，曲線走向趨勢(shì)一致，吻合性較好，表明數(shù)值模擬具有一定的合理性和可行性，所以數(shù)值模擬對(duì)礦井粉塵防治有著重要的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

在長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)方式下，掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的粉塵

會(huì)隨著風(fēng)流的作用向著抽出風(fēng)筒一側(cè)運(yùn)動(dòng)，使得該側(cè)粉塵濃度高于壓入風(fēng)筒一側(cè)的濃度。礦井粉塵防治過(guò)程中，抽壓比是一項(xiàng)重要的除塵參數(shù)，當(dāng)抽出風(fēng)筒的風(fēng)量一定時(shí)，適當(dāng)提高壓入風(fēng)流的風(fēng)速可減少抽壓比，使得引射作用增強(qiáng)，降低掘進(jìn)巷道粉塵的濃度，當(dāng)抽壓比選擇為0.55，除塵效果良好。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，數(shù)值模擬粉塵的濃度具有一定的參考價(jià)值，同時(shí)與傳統(tǒng)研究手段相比具有操作方便、速度快、流場(chǎng)可視化以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以數(shù)值模擬的結(jié)論可以作為控制粉塵濃度的一項(xiàng)重要參考依據(jù)。

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[3]王曉珍，蔣仲安，劉毅.抽出式通風(fēng)煤巷掘進(jìn)過(guò)程中粉塵濃度分布規(guī)律的數(shù)值模擬[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2006，2(5)：24-28.

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Numerical Simulation of Dust Distribution in Excavation Face with Different Extraction Pressure Ratio

LU Yingdong1, CHEN Yangyang2, LV Kaixuan1

(1.SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China； 2.JiangsuElectricPowerConstructionNo.3EngineeringCompany,ChinaEnergyEngineeringGroup,Zhenjiang212003,China)

Due to large dust generating quantity and low removal efficiency that resulting in dust abundantly concentration. In this paper, the gas-solid two-phase flow theory and discrete phase model were used to study the dust concentration distribution effect of extraction pressure ratio on mining working face. Result shows that when the extraction air volume remains a certain extent, improving pressing air amount to reduce extraction pressure, which could make dust concentration stay in a low level. In this model, when extraction air volume is 170 m3/min, ratio is 0.55, could get a high dust removal effect.

excavation face; discrete phase model; extraction pressure ratio; numerical simulation

2016-07-20

盧英東(1991—)，男，安徽無(wú)為人，碩士研究生，研究方向：通風(fēng)除塵。

TD82

A

1009-9735(2016)05-0099-04