趙建會，段 杰，楊 楠，王 豆

(1.西安科技大學(xué)， 陜西 西安 710054； 2.西安科技大學(xué) 高新學(xué)院, 陜西 西安 710054)

0 引 言

眾所周知，煤炭開采行業(yè)的作業(yè)環(huán)境是復(fù)雜和艱苦的，大多數(shù)井下作業(yè)人員會因為吸入固體顆粒而患有呼吸方面的疾病，在可吸入固體顆粒物中，PM2.5的含量占相當(dāng)大的比例，且PM2.5的質(zhì)量濃度與人體健康狀況顯著相關(guān)[1-2]。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)礦務(wù)局統(tǒng)計分析，在礦井內(nèi)作業(yè)的工作人員，長期吸入顆粒物后所引發(fā)的職業(yè)病導(dǎo)致死亡人數(shù)已經(jīng)達(dá)到工傷死亡總?cè)藬?shù)的6倍，而德國煤礦的研究表明，死于塵肺病的人數(shù)比工傷事故高出10倍[3]，并且PM2.5對于井下能見度也有重要的影響，所以也會造成礦井下的安全問題[4]。

各國學(xué)者對于大氣中PM2.5的防治進(jìn)行了大量實驗研究和理論分析，同時提出了許多防治對策及措施。但是目前對煤礦井下作業(yè)產(chǎn)生PM2.5的研究相對較少，其主要原因是井下作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，采煤過程中煤體的破碎或者風(fēng)流的揚(yáng)塵等造成粉塵種類過多并且容易對PM2.5的濃度分布造成影響；沒有精確的細(xì)微顆粒采樣儀器；同時PM2.5的形成具有多樣性，具體到系統(tǒng)不同區(qū)域、不同季節(jié)、不同狀態(tài)參數(shù)下PM2.5的形成及來源方向會有很大不同[5]。本論文主要采用實驗和模擬分析的方法對綜采面PM2.5分布運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行研究分析，對在礦井下采取相應(yīng)的降塵防塵措施及礦井內(nèi)安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 井下PM2.5 的形成機(jī)理

1.1 PM2.5 的產(chǎn)生

在礦井內(nèi)工作面作業(yè)時粉塵顆粒物的來源途徑主要有以下幾個方面：通風(fēng)時的風(fēng)流產(chǎn)生的污染，采煤機(jī)在切割工作時發(fā)生的周期性移架，運(yùn)輸機(jī)載運(yùn)和轉(zhuǎn)載工作以及工作面頂?shù)装迕奥浜推瑤偷漠a(chǎn)塵等。其中，井下作業(yè)時最主要的粉塵來源是采煤機(jī)作業(yè)(包括清底和割煤)[6]。

1.2 氣固兩相流理論

本文主要是研究煤礦綜采面所產(chǎn)生的PM2.5 濃度分布規(guī)律，對于礦井綜采面PM2.5研究的主要理論依據(jù)是氣固兩相流運(yùn)動的相關(guān)方程式。可以將煤礦綜采面做以下的假設(shè)：空間介質(zhì)視為不可壓縮粘性氣體，空間場視為等溫場，并且之間沒有任何的能量傳遞，方程如下[7-9]：

(1) 對于不可壓縮粘性氣體，其連續(xù)性方程為:

Ug=0

(1)

(2) 對不可壓縮粘性氣體，其流體運(yùn)動方程為：

(2)

式中,ρg為氣體密度，kg/m3；t為時間，s；F為單位體積上氣體的質(zhì)量力矢量，N/m3；p為氣體的壓力矢量，Pa；μ為氣體的粘性系數(shù)，Pa·s。

(3) 由牛頓第二定律可得粉塵顆粒的運(yùn)動方程為：

(3)

式中，mp為顆粒的質(zhì)量，kg；Up為顆粒的運(yùn)動速度，m/s；Fd為顆粒在氣流中所受的阻力，N；Ff為顆粒所受的浮力，N；Fg為顆粒所受的重力，N；Fx為顆粒所受的其他作用力，N。

2 煤礦綜采面PM2.5運(yùn)動規(guī)律實驗研究

2.1 實驗構(gòu)建

2.1.1 實驗對象選取

鑒于煤礦綜采面PM2.5形成的特殊性和多樣性，本次實驗主要通過研究某一特定的煤礦綜采工作面的情況來分析其濃度分布，實驗選取陜西省銅川市崔家溝煤礦三盤區(qū)2301工作面作為實驗研究對象。

2.1.2 采集器選取

實驗的測量儀器選用粉塵采樣器(見圖1)。粉塵采樣器的工作原理是已知該采集器的纖維濾膜質(zhì)量，采集煤礦綜采面指定地點(diǎn)含塵空氣，然后稱量采樣后濾膜的質(zhì)量，由采樣后濾膜的增量計算單位體積空氣中的粉塵濃度。

圖1 PM2.5采樣器裝置原理

2.1.3 測點(diǎn)布置

由于現(xiàn)場條件所限，采煤機(jī)機(jī)道空間無法進(jìn)行采樣，因為本次研究主要是針對PM2.5濃度分布規(guī)律的研究，為避免PM2.5被行人過多吸入導(dǎo)致危害身體健康，所以在支架內(nèi)行人道的呼吸帶上沿程布置采樣點(diǎn)能夠達(dá)到實驗的研究目的。具體布置點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 PM2.5 濃度測點(diǎn)布置

PM2.5粉塵采樣器在割煤的情況下，采樣點(diǎn)在順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤的情況下均不改變布置點(diǎn)位置。圖中采樣點(diǎn)1-2， 14-15相距50 m，采樣點(diǎn)2-3， 13-14相距5 m，采樣點(diǎn)4-12間各相距20 m。

2.1.4 實驗數(shù)據(jù)采集

步驟一：粉塵采樣器的氣密性檢查。

步驟二：粉塵采樣器的氣密性檢查完畢后將粉塵采樣器固定在采樣點(diǎn)的位置，采樣入口迎風(fēng)向放置，距離地面1.5 m。

步驟三：位置固定后，設(shè)定工作流量為16.67 L/min，啟動抽氣泵，連續(xù)運(yùn)行15 min，并記錄數(shù)據(jù)。

2.2 實驗數(shù)據(jù)分析

本次研究的實驗數(shù)據(jù)見圖3、圖4、圖5。

2.2.1 不割煤時PM2.5沿程濃度分析

從圖3可以看出，該煤礦的綜采工作面PM2.5的沿程濃度是逐漸增加的，這是由于PM2.5的粒徑較小所以大部分是隨著風(fēng)流擴(kuò)散出工作面。在進(jìn)風(fēng)巷道與工作面交界處和回風(fēng)巷道與工作面的交界處均出現(xiàn)PM2.5濃度驟然升高，這是因為風(fēng)流在這兩處方向發(fā)生改變，產(chǎn)生渦流，造成煤壁的PM2.5被吹落，同時使得該處出現(xiàn)部分PM2.5滯留。

2.2.2 割煤時PM2.5沿程濃度分析

從圖4可以看出，距離采礦綜采工作面越近的位置產(chǎn)生的PM2.5濃度值會越高，一方面原因是割煤時產(chǎn)生的PM2.5擴(kuò)散到行人道上，另一方面是由于割煤過程中移架和放頂煤導(dǎo)致PM2.5增加；在采樣點(diǎn)7處出現(xiàn)PM2.5濃度最大值為265～360 μg/m3不等，這主要是因為前、后滾筒處產(chǎn)生的PM2.5擴(kuò)散進(jìn)入人行道空間和移架作業(yè)時產(chǎn)生的PM2.5影響所致。

2.3 兩種情況下PM2.5沿程濃度對比

從圖5可以看出不割煤作業(yè)時，PM2.5的濃度含量十分低，且增長速度比較緩慢，表明風(fēng)流引起的揚(yáng)塵不是巷道PM2.5濃度含量增加的因素，其主要的因素是綜采工作面的煤體在割煤作業(yè)時引起的；割煤作業(yè)時，PM2.5的濃度越靠近綜采工作面其含量值越高。主要原因有：一是綜采工作面周圍的相關(guān)割煤設(shè)備儀器較多，占據(jù)一部分空間；二是綜采面的巷道截面偏小，導(dǎo)致該截面處的風(fēng)速要比其他地方的大，形成相對較大的風(fēng)流，造成更多揚(yáng)塵，最終導(dǎo)致該處PM2.5的濃度值迅速增加。

圖3 不割煤時PM2.5 濃度沿程分布

圖4 割煤時PM2.5 濃度沿程分布

圖5 兩種情況下PM2.5濃度對比

3 FLUENT建模模擬分析

3.1 模型建立

對氣固兩相流的計算原理是比較復(fù)雜的，本次研究主要利用Fluent的數(shù)值計算方法[7-8]。計算物理模型的建立：工作面物理模型為長×高×寬=150 m×10 m×4 m的長方體、內(nèi)部設(shè)備均按規(guī)則的立體結(jié)構(gòu)布置；采煤機(jī)的物理模型：長×寬×高=6 m×2 m×2 m；液壓支架的物理模型為：長×寬×高=1 m×1 m×4 m，將上述3個物理模型簡化后使用Gambit軟件建立割煤時的三維集合模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。相應(yīng)的邊界條件：入口邊界類型為VELOCITY_INLET，入口速度為1.2 m/s，湍流動力能量0.8 m2/s2，湍流擴(kuò)散比率為0.8 m2/s3，出口邊界類型為OUTFLOW。

3.2 模擬結(jié)果分析

本次僅分析沿煤壁至采空區(qū)方向的粉塵濃度，沿y軸正方向的行人道設(shè)置顯示粉塵濃度模擬結(jié)果的縱斷面，其中6，10 m兩個位置處縱斷面內(nèi)PM2.5的濃度具體模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 y=6 m處縱斷面內(nèi)的PM2.5濃度模擬分析

圖7 y=10 m處縱斷面內(nèi)的PM2.5濃度模擬分析

從圖6和圖7中可以看出：

(1) 在y=6處，PM2.5的濃度沿著風(fēng)流方向先逐漸增大，在行人道中央部位達(dá)到最大值，然后逐漸減小。同時在上風(fēng)向的濃度明顯小于下風(fēng)向的濃度。

(2) 在y=10處，即在煤壁處時，可以看出整個工作面區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)受割煤機(jī)作業(yè)的影響均有PM2.5的產(chǎn)生。

通過對比實地礦井綜采工作面的實驗數(shù)據(jù)，所得結(jié)果與利用FLUENT軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，可以得出，數(shù)值模擬的結(jié)果基本上論證了實驗所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

(1) 工作面不割煤時，進(jìn)風(fēng)巷道PM2.5的濃度較小，且工作面PM2.5的沿程濃度逐漸增加。 在進(jìn)風(fēng)巷道與工作面交界處和回風(fēng)巷道與工作面交界處均出現(xiàn)PM2.5濃度的驟然升高，回風(fēng)巷道的PM2.5整體較高。

(2) 工作面割煤時，越靠近綜采工作面，產(chǎn)生的PM2.5濃度值越高。由于回風(fēng)巷道的進(jìn)風(fēng)主要是通過工作面后的風(fēng)，所以PM2.5的濃度整體上比進(jìn)風(fēng)巷道的濃度要高。工作面PM2.5濃度較進(jìn)、回風(fēng)巷道要大，沿程濃度最大值為265～360 μg/m3不等，在工作面的下風(fēng)向PM2.5濃度值開始迅速下降，到采樣點(diǎn)10處以后逐漸減小，最終濃度基本上穩(wěn)定在88 μg/m3左右。

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