王志寶 黃立寧
(中國煤炭科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶市沙坪壩區(qū),400037)
綜掘工作面作為煤礦井下作業(yè)過程中粉塵的其中一個(gè)主要產(chǎn)塵源,其工作面的高濃度粉塵一直威脅著煤礦的安全高效生產(chǎn)。在沒有防護(hù)措施的情況下,掘進(jìn)工作面粉塵濃度為1200 mg/m3以上,個(gè)別地方甚至高達(dá)3000 mg/m3,呼吸性粉塵濃度達(dá)800~900 mg/m3,總粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度都嚴(yán)重超標(biāo),工人長期處于粉塵超標(biāo)的作業(yè)環(huán)境下,會增加塵肺病的發(fā)病率。抽出式通風(fēng)作為綜掘工作面的主要通風(fēng)方式之一,可有效稀釋工作面區(qū)域的粉塵濃度,降低作業(yè)人員遭受粉塵危害的可能性,有效地保護(hù)工人身心健康。這種通風(fēng)方式可使無序運(yùn)移的粉塵變得定向有序,進(jìn)一步研究其粉塵沿巷道通風(fēng)風(fēng)流的分布規(guī)律,對抽出式通風(fēng)綜掘工作面粉塵防治與治理具有重要意義。
建立簡化的矩形巷道物理模型:
(1)模型巷道全長25 m(Y軸方向),巷道斷面為矩形,巷道凈高3.5 m(Z軸方向)、凈寬3.6 m(X軸方向),巷道斷面積S為12.6 m2。以掘進(jìn)工作面所在平面為Y=0的平面、巷道底板所在平面為Z=0的平面、以巷道左右兩側(cè)煤壁的中面為X=0的平面。
(2)圓柱形風(fēng)筒中心線距離巷道底板2.0 m,距離巷道左側(cè)煤壁3.1 m,根據(jù)計(jì)算可得吸程為5.65 m。
利用ICEM軟件對模型巷道進(jìn)行網(wǎng)格劃分,整體采用六面體網(wǎng)格,以提高數(shù)值模擬的計(jì)算精度,準(zhǔn)確分析粉塵沿風(fēng)流的分布規(guī)律。模擬巷道網(wǎng)格劃分示意圖見圖1。
圖1 模擬巷道網(wǎng)格劃分示意圖
利用ICEM軟件對模擬巷道模型進(jìn)行劃分后,得到的六面體網(wǎng)格總數(shù)為46.6萬個(gè)。經(jīng)運(yùn)算檢驗(yàn),Determinant比值在0.6~1之間,0.6~0.8區(qū)間占比3.463%,比推薦的最低值0.1大,Determinant比值滿足模擬計(jì)算要求。在網(wǎng)格劃分時(shí),單元格的最小內(nèi)角越大網(wǎng)格質(zhì)量越好。對劃分的單元格最小內(nèi)角質(zhì)量進(jìn)行運(yùn)算檢驗(yàn),最小內(nèi)角在40.5°~67.5°區(qū)間的單元格占總數(shù)的6.059%,其余單元格內(nèi)角均為67.5°~90°,所有單元格最小內(nèi)角均比推薦的最小角度18°大,單元格的最小內(nèi)角滿足模擬計(jì)算要求。
采用多相流計(jì)算中的離散相模型(Discrete Phase Model ,DPM模型)進(jìn)行計(jì)算,其中風(fēng)流流場(連續(xù)相)采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算,顆粒軌跡追蹤(離散相)采用瞬態(tài)計(jì)算。依次按表1的參數(shù)對抽出式通風(fēng)流場、DPM離散相模型、顆粒入射參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在完成風(fēng)流場穩(wěn)態(tài)計(jì)算的基礎(chǔ)上,添加DPM離散相模型,進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。模擬計(jì)算時(shí)采用密度為1.45 g/cm3、最大粒徑小于10 μm的固體顆粒代替粉塵微粒進(jìn)行計(jì)算。
表1 模擬參數(shù)設(shè)置表
為了研究粉塵沿風(fēng)流分布規(guī)律,抽出式通風(fēng)風(fēng)筒入風(fēng)口與掘進(jìn)頭距離設(shè)置為3 m,抽出風(fēng)量為150 m3/min。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,分別得出開始產(chǎn)塵后30 s、120 s、210 s、300 s、390 s、480 s時(shí)粉塵微粒在巷道空間的瞬態(tài)云圖,如圖2所示。
由圖2可以得出,產(chǎn)塵后30 s時(shí),有少量粉塵進(jìn)入抽風(fēng)風(fēng)筒,隨著時(shí)間推移,工作面的粉塵沿著風(fēng)筒軸向運(yùn)移,然后大量粉塵微粒被抽入風(fēng)筒,其余粉塵基本被控制在掘進(jìn)面附近的范圍內(nèi),只有少量粉塵沿靠近風(fēng)筒一側(cè)的煤壁向外擴(kuò)散,由于風(fēng)流的作用,向外擴(kuò)散的速度逐漸降低,最后積聚在底板和煤壁的角落里。
在產(chǎn)塵后480 s時(shí)粉塵微粒在巷道空間的瞬態(tài)云圖上,分別選取距離工作面2 m、3 m、4 m、5 m、7 m、9 m、12 m、15 m的斷面,計(jì)算巷道中的粉塵濃度,得到如圖3所示結(jié)果。
圖2 不同時(shí)間粉塵微粒在巷道空間的位置圖
從圖3可以看出,在距工作面3 m范圍以內(nèi)時(shí)(即在風(fēng)筒入風(fēng)口前),巷道中的粉塵濃度隨距工作面的距離增大而迅速降低,在距工作面5 m以外(即在風(fēng)筒入風(fēng)口后),巷道內(nèi)的粉塵濃度很小。
通過對比分析可以發(fā)現(xiàn),距工作面3~4 m處的粉塵濃度值比距工作面15 m處的粉塵濃度值大,結(jié)合粉塵微粒在巷道空間的瞬態(tài)云圖,有少量粉塵沿靠近風(fēng)筒一側(cè)的煤壁向外擴(kuò)散,該部分粉塵導(dǎo)致距工作面3~4 m處的粉塵濃度值較距工作面15 m處的粉塵濃度值偏大。通過分析還可以發(fā)現(xiàn),距工作面5~9 m處的濃度值與距工作面15 m處的粉塵濃度值比較接近,結(jié)合粉塵微粒在巷道空間的瞬態(tài)云圖,少量沿風(fēng)筒一側(cè)煤壁向外擴(kuò)散的粉塵由于風(fēng)流作用運(yùn)移速度降低而積聚在煤壁與底板的角落里。
圖3 粉塵濃度沿程分布圖
綜上,在抽出式通風(fēng)綜掘工作面,粉塵主要分布于距工作面5 m以內(nèi)的巷道空間。
為了分析掘進(jìn)工作面到抽出式風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離L的變化對粉塵分布規(guī)律的影響,L依次選取1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m,建立不同的物理模型進(jìn)行模擬分析,其中風(fēng)量統(tǒng)一設(shè)置為150 m3/min,模擬產(chǎn)塵時(shí)間為900 s。
根據(jù)數(shù)值模擬運(yùn)算結(jié)果,分別計(jì)算出不同距離L的物理模型距工作面0 m、0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、7.0 m、9.0 m、12 m、15 m處斷面的平均粉塵濃度,分析不同物理模型的粉塵在巷道空間內(nèi)的分布規(guī)律,得出如圖4所示的結(jié)果。
圖4 掘進(jìn)面與入風(fēng)口不同距離的粉塵變化趨勢圖
由圖4可以看出,在掘進(jìn)面與入風(fēng)口距離不同的條件下,距工作面1 m以內(nèi)巷道空間內(nèi)粉塵濃度急劇下降,在距工作面1~3 m的巷道空間最高粉塵濃度為22 mg/m3,在距工作面3 m以外的巷道空間粉塵濃度不超過1 mg/m3,距工作面5 m處(大約為掘進(jìn)機(jī)司機(jī)所在位置)粉塵濃度幾乎為0。掘進(jìn)面與風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離L越小,在距工作面0~1.5 m巷道空間內(nèi)的粉塵濃度越小。
由于巷道內(nèi)風(fēng)速的變化對巷道內(nèi)粉塵分布規(guī)律的影響較大,巷道斷面一定時(shí),風(fēng)量的大小決定風(fēng)速的大小,根據(jù)大量抽出式通風(fēng)綜掘工作面的風(fēng)速數(shù)據(jù),結(jié)合模擬斷面的大小,選取120 m3/min、130 m3/min、140 m3/min、150 m3/min、160 m3/min幾個(gè)不同的風(fēng)量建立物理模型,分析不同風(fēng)量對粉塵分布規(guī)律的影響。工作面與風(fēng)筒入風(fēng)口的距離統(tǒng)一設(shè)置為2.5 m,模擬產(chǎn)塵時(shí)間為900 s。
根據(jù)數(shù)值模擬運(yùn)算結(jié)果,分別計(jì)算出不同風(fēng)量下的物理模型距工作面0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、7.0 m、9.0 m、12.0 m、15.0 m處斷面的平均粉塵濃度,分析不同物理模型的粉塵沿風(fēng)流的分布規(guī)律,得出如圖5所示粉塵濃度變化結(jié)果。
圖5 不同風(fēng)量條件下粉塵濃度變化趨勢圖
由圖5可以看出,在風(fēng)量不同的條件下,在距工作面0~0.5 m范圍內(nèi)的巷道空間中粉塵濃度下降很快,距工作面0.5~2.5 m的巷道空間中粉塵濃度最小為0.4 mg/m3、最大為22 mg/m3。在距工作面2.5 m以外的巷道空間內(nèi)(包括掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處),粉塵濃度幾乎為0,不同風(fēng)量對應(yīng)的粉塵分布規(guī)律變化曲線比較相似。風(fēng)量的不同對抽出式通風(fēng)工作面粉塵分布規(guī)律的影響不大。
(1)掘進(jìn)工作面與風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離L為3 m時(shí),距工作面0~1 m范圍內(nèi)的巷道空間粉塵急劇下降,在距工作面5 m以外的巷道空間粉塵濃度幾乎為零。
(2)在風(fēng)量一定的條件下,風(fēng)筒前端巷道內(nèi)的粉塵濃度隨L(掘進(jìn)工作面與風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離)的增大而增大。
(3)在掘進(jìn)工作面與風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離L一定時(shí),在距工作面2.5 m以外的巷道空間內(nèi),風(fēng)量的不同對抽出式通風(fēng)工作面粉塵分布規(guī)律的影響不大。
(4)掘進(jìn)工作面與風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離L和風(fēng)量對風(fēng)筒入風(fēng)口前端巷道空間的粉塵分布均有影響,掘進(jìn)工作面與風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離L的變化比風(fēng)量大小的變化對粉塵分布的影響效果強(qiáng),應(yīng)當(dāng)首選改變抽出式風(fēng)筒入風(fēng)口到掘進(jìn)頭的距離L來控制掘進(jìn)面前端的粉塵。