胡勝勇，廖 奇，王和堂，馮國瑞，徐樂華，黃宜生，邵 和，高 揚，胡 斐

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 3.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024; 4.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024)

綜掘工作面是煤礦井下產(chǎn)塵量最大的場所之一，生產(chǎn)性粉塵質(zhì)量濃度最高可達1 000 mg/m3[1-2]。綜掘工作面的高濃度粉塵，易誘發(fā)黑肺病和矽肺，嚴(yán)重威脅工作人員的身體健康，據(jù)統(tǒng)計，我國每年的塵肺病例約占總職業(yè)病例達90%[3-6]。粉塵濃度過高還會降低工作面的可見度，導(dǎo)致掘進機司機無法判斷截割頭位置而漏割或重割[7]。對于高瓦斯礦井，為避免出現(xiàn)綜掘工作面出現(xiàn)瓦斯積聚，造成安全隱患，多采用壓入式通風(fēng)[8]。高瓦斯綜掘工作面一般通過增大通風(fēng)風(fēng)量來稀釋、排出瓦斯和粉塵[9-10]。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，存在瓦斯突出危險的掘進工作面不可采用長壓短抽式通風(fēng)，為避免瓦斯積聚，只可采用壓入式通風(fēng)，且要求通風(fēng)風(fēng)量不得低于360 m3/min，但風(fēng)量增大會導(dǎo)致工作面氣載粉塵運移紊亂，不利于粉塵防治[11-14]。亟需研究壓入式通風(fēng)條件下綜掘工作面的氣固兩相流動特性，為治理高瓦斯綜掘工作面粉塵提供理論依據(jù)[15]。

數(shù)值模擬作為一種高效可靠的方法被廣泛地用于綜掘工作面風(fēng)流場分布與粉塵運移規(guī)律的研究[16-17]。HARGREAVES和LOWNDES[18]研究了綜掘工作面截割和錨固階段通風(fēng)系統(tǒng)對粉塵分布特征的影響。王和堂[19]基于流體力學(xué)理論分析了井巷中粉塵顆粒在層流和湍流狀態(tài)下的運動特征。TORAO等[20]研究了長壓短抽通風(fēng)條件下，抽風(fēng)筒位置對掘進工作面內(nèi)粉塵擴散特征的影響。KURNIA等[21]分析了壓入式通風(fēng)、抽出式通風(fēng)和采用隔板條件下，掘進工作面內(nèi)粉塵的擴散特征。李雨成等[22]研究了綜掘工作面壓入式、抽出式和長壓短抽式通風(fēng)條件下，風(fēng)筒口距綜掘工作面不同距離時的粉塵分布規(guī)律。蔣仲安等[23]利用Fluent軟件，分析了采用長壓短抽通風(fēng)方式的巖巷掘進工作面風(fēng)筒高度與直徑對渦流的作用。王鵬飛等[24]研究了綜掘工作面射流屏蔽通風(fēng)不同送風(fēng)角度條件下的風(fēng)流場和粉塵濃度分布特征。程衛(wèi)民等[25]分析了風(fēng)幕發(fā)生器的壓抽比與安設(shè)位置對綜掘工作面風(fēng)流場與粉塵流場運移的影響。聶文等[26]研究了多徑向渦流風(fēng)在不同壓風(fēng)量與壓抽比條件下，綜掘工作面內(nèi)風(fēng)流場流動及粉塵擴散特征。上述成果主要研究綜掘工作面整體風(fēng)流場與粉塵擴散規(guī)律，鮮有專門針對綜掘工作面研究壓入式通風(fēng)綜掘工作面的氣固兩相流動特性。筆者通過數(shù)值計算，專門研究不同壓入式通風(fēng)風(fēng)速條件下，綜掘工作面風(fēng)流場與粉塵場的三維分布特性，為綜掘工作面除塵設(shè)計提供借鑒。

1 數(shù)值計算模型

綜掘工作面粉塵在氣流運載作用下的擴散過程屬于氣固兩相流范疇。筆者基于歐拉-拉格朗日法建立數(shù)學(xué)模型[27]，將風(fēng)流作為連續(xù)相，粉塵作為離散相，由于粉塵顆粒體積分數(shù)低于10%時，可以忽略顆粒之間的碰撞作用。為降低運算負荷，提高運算效率，未考慮粉塵顆粒之間的碰撞[9,22,28-29]。建立綜掘工作面氣載粉塵運動方程[25,30]。

連續(xù)性方程:

(1)

動量方程:

(2)

標(biāo)準(zhǔn)κ-ε兩方程:

(3)

(4)

式中，ρ為氣體密度，kg/m3;t為時間，s;u為氣體速度，m/s;x為X，Y，Z方向的坐標(biāo)，m;i為張量符號，取1，2，3;j為張量符號，取1，2，3;k為單位質(zhì)量的湍流動能，J/kg;ε為湍流動能的耗散速度，m2/s3;Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能項，kg/(s3·m);p為湍流有效壓力，Pa;μ為層流黏性系數(shù)，Pa·s;μt為湍流黏性系數(shù)，Pa·s;c1ε，c2ε，cμ，σk，σε為模型常數(shù)，分別取1.44，1.92，0.09，1.00，1.30[31-33]。

運用拉格朗日法求解粉塵運動軌跡[24],主要考慮曳力與重力作用，根據(jù)牛頓第二定律[34-36]

(5)

(6)

Cd=a1+a2/Re+a3/Re2

(7)

Re=ρdp|>up-u|/μ

(8)

式中，u為氣體速度，m/s;up為粉塵顆粒的速度，m/s;mp為粉塵顆粒的質(zhì)量，kg;Fd為粉塵顆粒受到的曳力，N;Fg為粉塵顆粒的重力，N;dp為粉塵顆粒的直徑，m;Cd為阻力系數(shù);a1，a2，a3為常數(shù);Re為雷諾準(zhǔn)則數(shù)[37]。

2 物理模型建立及參數(shù)設(shè)定

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

潞安集團漳村煤礦為高瓦斯礦井，為充分稀釋其綜掘工作面瓦斯，采用加大通風(fēng)風(fēng)量的壓入式通風(fēng)方式。本文以該礦480材料巷Ⅲ段2601綜掘工作面為研究背景，建立等比例物理模型，如圖1所示。采用fluent meshing對物理模型進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。該工作面尺寸(長×寬×高)為30 m×5 m×3.5 m，壓風(fēng)筒布置在巷道左側(cè)，風(fēng)筒出口距綜掘工作面4 m，固定高度為3 m。圖1中，將綜掘工作面至工作面出口方向設(shè)定為X正方向，將壓風(fēng)側(cè)至回風(fēng)側(cè)方向設(shè)定為Y正方向，將巷道底部至頂部的方向設(shè)定為Z正方向，掘進機司機坐標(biāo)為X=6.6 m，Y=1.8 m。將沿X方向定義為軸向，將沿Y方向定義為橫向。

圖1 2601綜掘工作面物理模型Fig.1 Physical model of the 2601 fully mechanized heading face

圖2 綜掘工作面計算網(wǎng)格Fig.2 Mesh of the fully mechanized heading face

2.2 參數(shù)設(shè)定

主要數(shù)值計算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值計算參數(shù)
Table 1 Parameter of numerical simulation

邊界條件參數(shù)設(shè)定求解器分離求解器湍流模型κ-ε雙方程入口邊界條件速度入口入口速度/(m·s-1)11,14,17,20,23,26水力直徑/m0.8湍流強度/(m2·s-2)2.92出口邊界類型自由出流離散格式二階迎風(fēng)氣相密度/(kg·m-3)1.225氣相黏度/(m2·s-1)1.789 4×10-5固相粒徑分布R-R固相分布指數(shù)1.95固相最大粒徑/m2×10-4固相中間粒徑/m1.05×10-4固相最小粒徑/m1×10-6固相密度/(kg·m-3)1 200固相質(zhì)量流率/(kg·s-1)0.01剪切邊界無滑移網(wǎng)格數(shù)量/1058

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 風(fēng)流流場分布

圖3為綜掘工作面風(fēng)流場分布圖。由圖3可知，通風(fēng)風(fēng)筒流出的高速氣流由于綜掘工作面的阻擋，向巷道左右兩側(cè)分流，且由于風(fēng)筒位于掘進機的左側(cè)，導(dǎo)致大部分的氣流在慣性作用下向巷道右側(cè)分流。掘進機前方空間狹小，且掘進機機體具有阻滯作用，導(dǎo)致X=0～8 m的風(fēng)流流動受阻而流場紊亂，風(fēng)流場的紊亂程度隨通風(fēng)風(fēng)速的增大而增大。在X=0～8 m，大部分氣流沿+Y側(cè)煤壁向+X方向流動。在掘進機后方，由于流通通道擴大，氣流具有-Y方向的分速度，開始沿橫向運動。

根據(jù)伯努利定律，流體中流速較大處壓強較小[38]。氣流的高速流動會造成周圍壓力降低，壓力差會反作用于氣流流動[39-40]。因此，需結(jié)合綜掘工作面的壓力分布來分析風(fēng)流場的變化。圖4為Z=1.75 m處的壓力云圖。由圖4可知，在掘進機前方存在一個“負壓區(qū)”，負壓區(qū)的面積隨風(fēng)速的增大而增大，其中心位于風(fēng)筒出口處(X=4 m，Y=0.5 m)附近，中心處氣壓由風(fēng)速u=11 m/s時的-3.23 Pa降低至u=26 m/s的-18.32 Pa。在X=0～10 m，部分+Y側(cè)的低速氣流由于負壓作用，向風(fēng)筒出口處流動，并在掘進機上方形成順時針旋轉(zhuǎn)的渦流，且掘進機司機處于渦流之中。當(dāng)風(fēng)速為11～17 m/s時，由于壓差增大，導(dǎo)致渦流面積隨風(fēng)速增大而增大，但當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速超過17 m/s時，負壓區(qū)的壓差較大，低速氣流還未向+X方向流動，就被吸引進入渦流區(qū)，因此渦流面積逐漸縮小。經(jīng)過掘進機右側(cè)的氣流由于流通通道向-Y方向擴大，氣流具有向-Y方向運動的趨勢。在掘進機后方，由于大部分氣流具有較大+X方向速度，脫離負壓區(qū)的吸引繼續(xù)向+X方向流動。而在+X方向速度較小的氣流，在負壓區(qū)吸引以及丁達爾效應(yīng)作用下，環(huán)繞著皮帶運輸機回流，最終匯入掘進機上方的渦流中。掘進機司機處于回流路徑上，因此司機同時受到右側(cè)渦流與后方回流的作用。當(dāng)風(fēng)速為11～20 m/s時，回流區(qū)面積隨風(fēng)速的增大而減小，但當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速超過20 m/s時，由于壓差增大，可吸引距離負壓區(qū)更遠的低速風(fēng)流，導(dǎo)致回流區(qū)面積反而增大。回流區(qū)的分布受風(fēng)速影響，但回流的氣流均在掘進機的左后方匯入渦流中。

3.2 粉塵運動軌跡及濃度分布

圖5為綜掘工作面粉塵運動軌跡圖，圖6為綜掘工作面粉塵分布圖。由圖5可知，在綜掘工作面處，塵源粉塵在風(fēng)流的攜帶作用下，沿回風(fēng)側(cè)煤壁向軸向運動。部分粉塵會在掘進機上方渦流的作用下做類圓周運動，粉塵會從右側(cè)運動至司機周邊。由于掘進機機體的阻滯作用，氣載粉塵的流通通道縮小，導(dǎo)致粉塵運移速度增大，在掘進機右側(cè)形成一道高速粉塵流，應(yīng)在掘進機右側(cè)攔截粉塵。當(dāng)高速粉塵流經(jīng)過掘進機機體時，流通通道突然擴大，粉塵流的運移速度減小，并逐漸沿橫向向工作面中部擴散。如圖5，6所示，由于存在氣流回流，沿回風(fēng)側(cè)煤壁運移速度較小的粉塵在氣流的攜帶作用下流向負壓區(qū)。在掘進機后方，粉塵擴散速度較小，發(fā)生積聚，形成1個環(huán)繞著掘進機的高濃度帶，當(dāng)風(fēng)筒出口風(fēng)速不足17 m/s時，粉塵帶平均質(zhì)量濃度高于300 mg/m3。圖7為綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度分布圖。如圖6，7所示，當(dāng)風(fēng)速超過20 m/s時，由于氣流單位時間內(nèi)攜帶的粉塵量更大，因此工作面整體粉塵質(zhì)量濃度下降。同時隨風(fēng)速增大，風(fēng)筒出口處形成的負壓值降低，吸引回流粉塵形成一個高濃度粉塵團。圖8為司機周邊粉塵質(zhì)量濃度分布圖。由于司機周邊除了有從回風(fēng)側(cè)運移而來的粉塵，還有由后方回流的粉塵，因此司機右側(cè)與后方的粉塵質(zhì)量濃度較高。由圖7，8可知，掘進機司機位于粉塵帶的前部，在風(fēng)筒出口風(fēng)速為11 m/s時，司機后部粉塵質(zhì)量濃度最大，為150 mg/m3，隨風(fēng)筒出口風(fēng)速增大，司機周邊粉塵質(zhì)量濃度迅速降低[41]，當(dāng)風(fēng)筒出口風(fēng)速為26 m/s時最大，此時司機右側(cè)粉塵質(zhì)量濃度最高，為15 mg/m3。為保護司機及提高綜掘工作面能見度，應(yīng)對掘進機回風(fēng)側(cè)的高速粉塵流和后方回流粉塵進行攔截。

圖4 Z=1.75 m壓力分布Fig.4 Pressure nephogram at Z=1.75 m

圖5 綜掘工作面粉塵流線分布Fig.5 Dust trajectories at the fully nechanized heading face

圖6 粉塵空間分布Fig.6 Spatial distribution of dust

圖7 綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.7 Quality concentration distribution at the fully nechanized heading face

圖8 司機周邊粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.8 Quality concentration distribution around the driver of roadheader

由圖7可知，綜掘工作面的粉塵質(zhì)量濃度隨通風(fēng)風(fēng)速的增大而降低。因此，可考慮通過提高通風(fēng)風(fēng)量來降低工作面的粉塵質(zhì)量濃度。由圖6，7可知，當(dāng)風(fēng)速為11～17 m/s時，隨通風(fēng)風(fēng)速增大，粉塵帶的面積與最高質(zhì)量濃度均減小。當(dāng)風(fēng)速為20～26 m/s時，進風(fēng)側(cè)距綜掘工作面2.5 m內(nèi)存在高質(zhì)量濃度粉塵團，平均質(zhì)量濃度高于300 mg/m3。由圖7可知，當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為11 m/s時，X≥6 m為高質(zhì)量濃度區(qū)，其中X=6～10 m區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度最高。隨風(fēng)速的增大，高質(zhì)量濃度區(qū)影響范圍縮小。在軸向上，高質(zhì)量濃度區(qū)由風(fēng)速為11 m/s時的X≥6 m縮小到風(fēng)速為26 m/s時的X≤2 m,圖7為綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度分布圖。在橫向上，高質(zhì)量濃度區(qū)由0～5 m均勻分布縮小到2～5 m。此粉塵團的中心會隨風(fēng)速增大而向綜掘工作面逐漸移動，在風(fēng)速為20 m/s中心位于X=6 m，當(dāng)風(fēng)速為26 m/s時移動至X=2 m，且隨風(fēng)速增加，高濃度區(qū)的平均粉塵質(zhì)量濃度增大。

3.3 模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比

根據(jù)2602綜掘工作面現(xiàn)場設(shè)備布置情況，設(shè)置5個檢測斷面，分別距離綜掘工作面4，6，8，10和12 m。每個斷面設(shè)置2個測點，分別測量風(fēng)速和粉塵質(zhì)量濃度。圖9為各截面的測點設(shè)置。分別采用AKFC-97-92A型礦用粉塵采樣器和CFJ-5低速風(fēng)表，在各測點處測量粉塵質(zhì)量濃度與風(fēng)速，各點的粉塵質(zhì)量濃度與風(fēng)速均測量3次，取平均值。圖10為各測點風(fēng)速、粉塵質(zhì)量濃度的實測值與數(shù)值計算結(jié)果。由圖10可知，各測點的風(fēng)速和粉塵質(zhì)量濃度的實測值與數(shù)值模擬值的變化趨勢基本一致，且平均相對誤差分別為6.50%和6.75%，相對誤差在可接受范圍內(nèi)[42]，因此數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖9 測點設(shè)置Fig.9 Layout of Measuring points

圖10 數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比Fig.10 Comparison between simulation results and experiment results

4 結(jié) 論

(1)綜掘工作面的風(fēng)筒出口處存在“負壓區(qū)”，負壓區(qū)的面積隨風(fēng)筒出口風(fēng)速的增大而增大，而其中心負壓值持續(xù)減小。負壓吸引掘進機右側(cè)風(fēng)流，在掘進機上方形成順時針旋轉(zhuǎn)的渦流。當(dāng)風(fēng)速小于17 m/s時，渦流面積隨風(fēng)速增大而增大，當(dāng)風(fēng)速大于17 m/s時，渦流面積逐漸縮小。掘進機后方氣流在負壓的吸引下回流，當(dāng)風(fēng)速為11～20 m/s時，回流區(qū)影響的范圍隨風(fēng)速的增大而減小，當(dāng)風(fēng)速大于20 m/s時，回流區(qū)面積反而隨風(fēng)速增大而增大。

(2)綜掘工作面的粉塵質(zhì)量濃度隨通風(fēng)風(fēng)速的增大而減小。在X=5～9 m，沿回風(fēng)側(cè)煤壁流動的粉塵流中部分粉塵隨渦流循環(huán)流動，從右側(cè)進入司機周邊。在掘進機后方，部分氣載粉塵回流經(jīng)司機周邊與渦流匯合而進入負壓區(qū)，導(dǎo)致司機的右側(cè)與后方的粉塵質(zhì)量濃度較高。當(dāng)風(fēng)速小于17 m/s時，回流粉塵形成一個面積隨風(fēng)速增大而減小的環(huán)掘進機高質(zhì)量濃度粉塵帶。當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速大于17 m/s時，回流粉塵在進風(fēng)側(cè)距綜掘工作面2.5 m的區(qū)域聚集，形成高濃度粉塵團，且其平均濃度隨風(fēng)速增大而增大。

(3)采用壓入式通風(fēng)綜掘工作面區(qū)域，回風(fēng)側(cè)和掘進機后方是粉塵防治的重點區(qū)域，為避免粉塵向工作面深處擴散，應(yīng)在回風(fēng)側(cè)設(shè)置粉塵攔截裝置或收集裝置攔截粉塵。同時，可在掘進機的后部設(shè)置覆蓋工作面斷面的除塵裝置，對沿回風(fēng)側(cè)運移的粉塵進行二次攔截，還可阻擋掘進機后方粉塵在負壓吸引作用下回流至綜掘工作面，避免粉塵阻擋司機的視線。