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        綜掘工作面長壓短抽通風(fēng)下粉塵分布的數(shù)值模擬

        2018-03-05 07:05:49魯忠良
        中國煤炭 2018年1期

        孟 晗 魯忠良

        (河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南省焦作市,454000)

        隨著煤礦采掘機械化、自動化程度的不斷提高,煤礦井下粉塵的產(chǎn)生量也不斷加大,特別是綜掘工作面,產(chǎn)塵量大,粉塵的治理比較困難。綜掘工作面的粉塵濃度過高會降低工作面的能見度、影響井下工人的身心健康,甚至發(fā)生煤塵爆炸,綜掘工作面的粉塵治理已經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)重點治理工作之一。

        山西省潞安集團漳村煤礦2506掘進工作面的粉塵濃度高達0.0001~0.0002 kg/m3,粉塵濃度遠遠超出了《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定。本文以該掘進工作面為研究背景,分別對工作面在長壓短抽的通風(fēng)方式和壓入式通風(fēng)下進行了數(shù)值模擬研究,得出了這兩種通風(fēng)方式下掘進工作面的粉塵分布規(guī)律,通過對粉塵分布規(guī)律的分析,可以更好地指導(dǎo)該綜掘工作面的通風(fēng)除塵工作。壓入式通風(fēng)和長壓短抽通風(fēng)的區(qū)別在于,壓入式通風(fēng)只有壓入式風(fēng)筒,不存在抽出式風(fēng)筒和除塵風(fēng)機,其他設(shè)置與長壓短抽設(shè)置相同,故對于壓入式通風(fēng)不再詳細敘述。

        1 長壓短抽布置方式

        根據(jù)局部通風(fēng)機和風(fēng)筒的布置位置和2506綜掘工作面的特點,煤礦決定采用長壓短抽的局部通風(fēng)方式,即壓入式的長風(fēng)筒將新鮮的風(fēng)流送入工作面,工作面產(chǎn)生的污風(fēng)經(jīng)抽出式風(fēng)筒進行除塵凈化,被凈化后的風(fēng)流沿巷道排出。

        2506綜掘工作面采用的長壓短抽通風(fēng)方式由壓入式風(fēng)筒、抽出式風(fēng)筒、除塵器三部分構(gòu)成。該通風(fēng)方式在巷道內(nèi)的布置如圖1所示。壓入式風(fēng)筒出口距離工作面7 m,抽出式風(fēng)筒入口距離工作面3 m,壓入式風(fēng)筒和抽出式風(fēng)筒的直徑都是0.6 m,壓入式風(fēng)筒出口風(fēng)速為15 m/s,抽出式風(fēng)筒壓力為-300 Pa。

        1-壓入式風(fēng)機;2-壓入式風(fēng)筒;3-抽出式風(fēng)筒;4-抽風(fēng)機;5-除塵風(fēng)機圖1 2506綜掘工作面長壓短抽裝置布置圖

        2 數(shù)值模擬的計算方法以及邊界條件的設(shè)定

        2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

        綜掘工作面風(fēng)流為三維定常不可壓縮的湍流流動,數(shù)值模擬時所需要的數(shù)學(xué)模型主要用于研究風(fēng)流速度場的變化情況,對模擬結(jié)果的要求并不是非常精確,所以數(shù)值模擬采用工程中適用范圍最廣、最常用的標準k-ε兩方程模型,該模型假設(shè)流動為完全湍流,分子粘性的影響可以忽略,只考慮動量的傳輸,不考慮熱量的傳輸。

        連續(xù)性方程即是質(zhì)量守恒方程,根據(jù)這一定律可以得到流體的連續(xù)性方程為:

        (1)

        式中:ρ——流體密度,kg/m3;

        t——時間,s;

        u,v,w——三維空間的流體速度在x,y,z坐標方向上的速度分量,m/s。

        運動方程又稱動量守恒方程,根據(jù)牛頓第二定律,各坐標方向上的動量守恒方程為:

        式中:ν——運動粘性系數(shù),m2/s;

        f——單位質(zhì)量力分布函數(shù);

        p——單位面積上表面力分布函數(shù)。

        在標準k-ε模型中,湍動能k和湍流耗散率ε的輸運方程可以用式(3)、(4)表示:

        式中:μt——湍流動力粘度系數(shù);

        Cu——經(jīng)驗常數(shù),取0.09;

        Gk——平均速度梯度引起的湍流能量生成率;

        Gb——浮力引起的湍流能量生成率;

        YM——可壓湍流中脈動擴張引起的湍動能的產(chǎn)生項;

        Sk,Sε——用戶定義的源項;

        C1ε,C2ε,C3ε,σk,σε——試驗常數(shù),C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.9,σk=1.0,σε=1.3。

        2.2 幾何模型的建立

        選取2506綜掘工作面長度為15 m、寬度為3.6 m、高度為4 m的巷道,利用GAMBIT建立巷道的幾何模型,并且對巷道模型進行網(wǎng)格劃分,壓入式風(fēng)筒出口距離工作面7 m,抽出式風(fēng)筒距離工作面的距離是3 m,壓入式風(fēng)筒和抽出式風(fēng)筒的直徑是0.6 m,距離地面高2.5 m,壓入式風(fēng)筒出口風(fēng)速為15 m/s,抽出式風(fēng)筒壓力為-300 Pa,巷道出口風(fēng)速為0.35 m/s,入口邊界條件類型為Velocity-inlet,出口邊界條件類型為Outflow。

        2.3 邊界條件的設(shè)定

        將GAMBIT劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到FLUENT中,設(shè)定求解需要的各種參數(shù)。本文選用離散相模型非穩(wěn)態(tài)求解,采用k-ε湍流模型,根據(jù)2506綜掘工作面的產(chǎn)塵情況,噴射源為面源噴射,顆粒粒徑分布符合Rosin-rammler分布。其中離散相參數(shù)設(shè)定為:顆粒迭代步數(shù)為50000,相間耦合頻率為10,時間步長為0.01,阻力特征為球形顆粒;粉塵噴射源參數(shù)設(shè)置:顆粒材質(zhì)為高揮發(fā)性煤,組噴射源類型,質(zhì)量流率為0.02 kg/s,顆粒速度為-0.5 m/s,最小粒徑為2×10-6m,最大粒徑為1×10-4m,中粒徑為5×10-5m,分布指數(shù)為2.55。

        3 數(shù)值模擬的結(jié)果分析

        按照上述條件進行參數(shù)的設(shè)置,再進行迭代計算,并且保持風(fēng)筒直徑和巷道風(fēng)速不變,把長壓短抽的結(jié)果與壓入式通風(fēng)條件下的綜掘工作面的產(chǎn)塵情況進行比較分析。

        3.1 粉塵擴散的模擬結(jié)果分析

        壓入式通風(fēng)條件下粉塵的運移結(jié)果如圖2(a)所示,圖中從左到右依次是X=13 m,14 m,15 m(以綜掘巷道的出口為0點,正方向指向巷道的掘進端頭)的截面。從圖2(a)可以看出,在綜掘工作面前端由于掘進機的原因,粉塵濃度比較高,嚴重影響了掘進司機的視線,并且使得掘進司機長時間處于高濃度的粉塵濃度下;同時,工作面的風(fēng)流還會在掘進機前端產(chǎn)生渦流,帶動粉塵運動,使得掘進工作面的粉塵逐漸彌散到整個巷道中。

        長壓短抽的粉塵運移擴散結(jié)果如圖2(b)所示,圖中從左到右依次是X=13 m,14 m,15 m(以綜掘巷道的出口為0點,正方向指向巷道的掘進端頭)的截面。從圖2(b)可以看出,掘進工作面前端產(chǎn)生的粉塵在抽出式風(fēng)筒負壓作用下,會進入到抽出式風(fēng)筒,然后通過與抽出式風(fēng)筒相連的除塵風(fēng)機除去,沒有進入到抽出式風(fēng)筒的部分粉塵會在抽出式風(fēng)筒的外圍運動,就是通常所說的附壁運動。

        圖2 不同通風(fēng)方式粉塵擴散模擬結(jié)果

        3.2 粉塵質(zhì)量濃度分布結(jié)果分析

        壓入式通風(fēng)方式的粉塵質(zhì)量濃度結(jié)果如圖3(a)所示。

        圖3 不同通風(fēng)方式的粉塵質(zhì)量濃度

        可以看出壓入式風(fēng)筒進風(fēng)口的粉塵濃度相對比較低,在綜掘機機頭處的粉塵濃度最高,粉塵隨風(fēng)流不斷擴散,粉塵沿巷道擴散濃度逐漸變小,但是當粉塵沿巷道擴散到一定距離后,粉塵濃度保持穩(wěn)定的狀態(tài),基本不發(fā)生變化,粉塵濃度總體比較高。

        長壓短抽式通風(fēng)粉塵的質(zhì)量濃度模擬結(jié)果如圖3(b)所示,可以看出綜掘巷道中的粉塵濃度比較低,由于抽出式風(fēng)筒的作用,粉塵在抽出式風(fēng)筒的出口粉塵濃度偏高,大部分的粉塵被抽出式風(fēng)筒抽出經(jīng)過除塵器的作用而被除去,但是小部分粉塵在巷道中隨著風(fēng)流的運動會發(fā)生沉降作用,進而沉積在巷道中。

        4 結(jié)論

        (1)采用壓入式通風(fēng)時,綜掘工作面的粉塵濃度比較高,并且,掘進司機處長期處于高濃度粉塵的影響,嚴重危害作業(yè)人員的健康;采用長壓短抽式通風(fēng)后,綜掘工作面的粉塵濃度相對較低,除塵器的除塵可以起到很好的作用,粉塵穩(wěn)定后的濃度可以滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的標準。

        (2)長壓短抽通風(fēng)的抽出式風(fēng)筒會擾亂粉塵在綜掘機機頭附近形成的渦流,將工作面的粉塵抽出,從而凈化了掘進工作面的環(huán)境,保障了綜掘工作面作業(yè)人員的健康。

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