李泳俊，王鵬飛1, 2, ，舒 威，譚烜昊

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綜掘面長壓短抽通風(fēng)合理壓抽比仿真及研究*

李泳俊3，王鵬飛1, 2, 3，舒 威3，譚烜昊3

(1.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害治理安全生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大學(xué) 煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭市 411201；3.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭市 411201)

為了確定合理壓抽流量比，采用長壓短抽式通風(fēng)對綜掘面進(jìn)行有效控塵，利用Fluent計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件，對不同壓抽流量比下綜掘面風(fēng)流流場及粉塵擴(kuò)散分布進(jìn)行討論研究。結(jié)果表明：隨著增大與掘進(jìn)面之間的距離，粉塵濃度逐漸下降，到距離掘進(jìn)面18，20 m時(shí)，粉塵平均濃度只有20 mg/m3。由此可見，長壓短抽式通風(fēng)能夠有效對巷道進(jìn)行降塵。當(dāng)壓抽流量比小于0.8時(shí)，能夠較好地將粉塵控制在產(chǎn)塵面前端5 m范圍內(nèi)，阻止粉塵向司機(jī)工作區(qū)域及其后方擴(kuò)散；當(dāng)壓抽流量比控制在1.0~1.2之間時(shí)，控塵效果最佳。

綜掘面；長壓短抽通風(fēng)；壓抽流量比；數(shù)值模擬

0 引 言

在煤礦井下開采時(shí)，尤其是綜掘工作面產(chǎn)塵量大，礦塵布漫于空氣中，對井下工人安全生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生極大危害，礦塵濃度過高使得塵肺病、矽肺病發(fā)生概率升高，還會降低工人作業(yè)的能見度，嚴(yán)重時(shí)還可能引起礦井粉塵爆炸等安全事故[1?4]。此時(shí)，控塵降塵尤為重要。綜掘工作面一般采用通風(fēng)的方式進(jìn)行控塵降塵，不同通風(fēng)方式對于礦井通風(fēng)降塵有不一樣的效果。因此，開展綜掘工作面通風(fēng)控塵降塵研究具有理論與實(shí)踐意義。

為了提升綜掘工作面通風(fēng)控塵降塵效果，王海橋研究了掘進(jìn)工作面射流通風(fēng)流場規(guī)律，在壓入式通風(fēng)下貼附射流會形成射流區(qū)和回流區(qū)[5]。劉榮華等對壓入式通風(fēng)掘進(jìn)工作面粉塵分布規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了射流區(qū)中粉塵濃度低于回流區(qū)、渦流區(qū)的結(jié)論[6]。近些年來，對于風(fēng)流流場與粉塵濃度分布規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方面研究，涉及不同的通風(fēng)方式及通風(fēng)風(fēng)筒不同位置對通風(fēng)控塵降塵效果的研究。蔣仲安等對長壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，得出了該通風(fēng)方式比單一壓入式通風(fēng)除塵效果更好，風(fēng)流流場較為平穩(wěn)，能更好將粉塵進(jìn)行控制并排出[7]。波蘭柯瑪格采礦機(jī)械化中心在附壁風(fēng)筒改進(jìn)中取得了重大突破，改進(jìn)的附壁風(fēng)筒可以改變風(fēng)筒中的風(fēng)流方向，實(shí)現(xiàn)了提高附壁風(fēng)筒縫隙出口風(fēng)速的目的[8?10]。影響通風(fēng)控塵降塵的通風(fēng)方式已在相關(guān)文獻(xiàn)中討論，但在不同壓抽比下長壓短抽式通風(fēng)控塵的研究較少。因此，本文作者通過Fluent計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件對不同壓抽比下長壓短抽通風(fēng)對風(fēng)流流場及粉塵濃度分布進(jìn)行了仿真模擬研究，得出了最佳壓抽流量比，為礦井通風(fēng)控塵降塵應(yīng)用提供理論參考。

1 物理模型構(gòu)建及邊界條件設(shè)定

1.1 物理模型構(gòu)建

本文著重研究長壓短抽通風(fēng)方式的綜掘工作面風(fēng)流流場及粉塵濃度分布情況。根據(jù)綜掘工作面的實(shí)際情況，為了簡化計(jì)算，選取一長為20 m，寬為3.2 m，高為3.42 m的矩形巷道進(jìn)行研究[4]。本次模擬將風(fēng)筒直徑設(shè)置為0.8 m；壓風(fēng)筒布置在水平高度為2.5 m處，壓風(fēng)筒中心軸線平行于巷道左側(cè)壁面，中心軸線距離壁面0.5 m，風(fēng)筒出風(fēng)口距離掘進(jìn)面7 m，符合壓入式通風(fēng)射程經(jīng)驗(yàn)公式；抽風(fēng)筒布置在水平高度為1.5 m處，為掘進(jìn)機(jī)司機(jī)呼吸高度，抽風(fēng)筒中心軸線平行于巷道右側(cè)壁面，中心軸線距離右側(cè)壁面0.5 m，風(fēng)筒出風(fēng)口距離掘進(jìn)面3 m，長壓短抽時(shí)抽風(fēng)筒吸風(fēng)口應(yīng)盡量靠近工作面產(chǎn)塵點(diǎn)且不大于5 m[5]，并符合抽出式通風(fēng)吸程經(jīng)驗(yàn)公式。參考相關(guān)文獻(xiàn)，送風(fēng)量設(shè)置為300 m3/min[7]。圖1為掘進(jìn)巷道斷面與巷道三維模型。

1.2 網(wǎng)格劃分

利用CFD軟件前處理模塊mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格元素主要由四面體構(gòu)成，并對模型需要著重研究部位進(jìn)行了網(wǎng)格加密。在網(wǎng)格劃分過程中進(jìn)行了“網(wǎng)格無關(guān)性”調(diào)試，使用該模型在局部加密的情況下對比了10萬、20萬、30萬、40萬、50萬網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)10萬、20萬、30萬網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果差別較大，而40萬、50萬網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果的誤差在5%內(nèi)，最后根據(jù)對計(jì)算機(jī)分配計(jì)算資源的規(guī)則選取了40萬網(wǎng)格，這一范圍網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果可靠度高，且驗(yàn)證了在該網(wǎng)格數(shù)量下計(jì)算結(jié)果是與網(wǎng)格無關(guān)。

圖1 掘進(jìn)巷道斷面與巷道三維模型/m

1.3 邊界條件

根據(jù)礦井中一般通風(fēng)的實(shí)際相關(guān)參數(shù)及實(shí)測數(shù)據(jù)，并對區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)等調(diào)試[11]，數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 計(jì)算模型相關(guān)參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 數(shù)學(xué)模型理論基礎(chǔ)

(1) 礦井巷道內(nèi)空氣流動為三維穩(wěn)態(tài)流動，流體的紊流黏性具有各項(xiàng)同性[12]。

(2) 礦井下的氣體視為不可壓縮氣體，符合Boussinesq假設(shè)[12]。

(3) 不考慮井下圍巖的熱輻射影響。

2.2 控制方程

風(fēng)流流場及粉塵顆粒流場在綜掘工作面的運(yùn)移均為湍流流動，基于氣固兩相流理論及流動特性，建立了闡述機(jī)掘工作面風(fēng)流流場與粉塵顆粒流場運(yùn)移的時(shí)均方程組[13?16]。

連續(xù)性方程：

顆粒相連續(xù)方程：

氣相動量方程：

顆粒相動量方程：

上述方程組利用Realizable模型進(jìn)行封閉，方程如下：

方程?湍流動能方程：

方程?湍流能量耗散率方程：

3 長壓短抽式通風(fēng)風(fēng)流流場特性及粉塵分布

3.1 風(fēng)流擴(kuò)散特性分析

對巷道整體與巷道前端局部設(shè)置顯示風(fēng)流流場矢量的三維立體圖，如圖2所示。巷道工作面風(fēng)速大小總體趨勢分布云圖如下：沿軸正方向?yàn)?0，13，16，19 m，如圖3所示。

從圖2可以看出，從=2.5 m處的附壁壓風(fēng)筒噴出高速空氣氣流，射流在到達(dá)綜掘面前的一段距離因空氣阻力而產(chǎn)生非正方向上的速度。到達(dá)產(chǎn)塵面時(shí)高速空氣氣流沖刷產(chǎn)塵面，一部分風(fēng)流產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，另一部分風(fēng)流沿著產(chǎn)塵面向四周擴(kuò)散，風(fēng)流流速急劇減小[17]，小部分風(fēng)流開始產(chǎn)生渦流，且因=1.5 m處的抽風(fēng)筒中形成較大負(fù)壓，把抽風(fēng)筒進(jìn)口前方空氣吸入抽風(fēng)筒內(nèi)，小于=13 m斷面的風(fēng)速逐漸減小。在長壓短抽式通風(fēng)時(shí)，壓風(fēng)筒內(nèi)高速射流自由射出后因碰撞掘進(jìn)面及吸風(fēng)風(fēng)筒吸風(fēng)口前負(fù)壓產(chǎn)生的卷吸效果，使風(fēng)流與射流方向的反向進(jìn)行流動。所以，在風(fēng)速不大的掘進(jìn)面內(nèi)會產(chǎn)生射流區(qū)與回流區(qū)。

(a) x=10 m剖面圖；(b) x=13 m剖面圖；(c) x=16 m剖面圖；(d) x=19 m剖面圖

比較圖3中=19，16，13，10 m等4處有代表性的風(fēng)流速度，在距離產(chǎn)塵面較近位置的風(fēng)流流速較大，大風(fēng)速區(qū)主要集中在壓風(fēng)筒噴出位置附近；在壓風(fēng)筒和抽風(fēng)筒重疊部分的斷面，風(fēng)速較大區(qū)域在壓風(fēng)筒附近和抽風(fēng)筒下方區(qū)域，壓風(fēng)筒出口與產(chǎn)塵面之間出現(xiàn)了一定區(qū)域的反轉(zhuǎn)回旋，=16 m處是掘進(jìn)機(jī)司機(jī)所處位置，在=1.5 m高處風(fēng)速不大，對司機(jī)呼吸有利；越遠(yuǎn)離產(chǎn)塵面巷道斷面的風(fēng)速越小，風(fēng)速在0~1.5 m/s之間。

3.2 粉塵擴(kuò)散特性分析

粉塵擴(kuò)散特性分析所得出的模擬結(jié)果剖面圖在截面位置上和風(fēng)流擴(kuò)散特性的剖面圖一致，圖4為巷道截面粉塵濃度分布云圖，在圖4中，彩軸上方定義的PMC為Particle Mass Concentration(顆粒質(zhì)量濃度)，表示為粉塵質(zhì)量濃度，單位為mg/m3；文中凡出現(xiàn)PMC都表示粉塵質(zhì)量濃度。

從圖4可以看出，粉塵主要集中在產(chǎn)塵面到距離產(chǎn)塵面7 m之間，距離產(chǎn)塵面1 m處(=19 m)的粉塵因壓風(fēng)筒噴出的高速射流沖刷產(chǎn)塵面使得大量粉塵集中在巷道左側(cè)下方，其中也有重力因素的影響，斷面中部粉塵濃度在100~300 mg/m3之間，斷面下部的粉塵濃度低于100 mg/m3；距產(chǎn)塵面4 m處(=16 m)高濃度粉塵不僅集中在左側(cè)壁面下方位置，一部分高濃度粉塵因高速風(fēng)流的帶動聚集在頂板處，靠近抽風(fēng)筒口附近的粉塵濃度在200 mg/m3左右，在掘進(jìn)司機(jī)位置高度的粉塵濃度經(jīng)過長壓短抽通風(fēng)方式降到100 mg/m3以下；通過觀察距離產(chǎn)塵面7 m處(=13 m)，能夠得到因風(fēng)流形成的渦流和回轉(zhuǎn)作用，使得粉塵主要集中在左側(cè)壁面和頂板下較近位置，右側(cè)上部分的粉塵濃度從前面的300 mg/m3降至100 mg/m3以下；到距離產(chǎn)塵面10 m處(=10 m)位置，斷面大部分粉塵已通過上述通風(fēng)方式達(dá)到很好的降塵效果，高濃度粉塵只在左側(cè)下方小范圍集聚，抽風(fēng)筒中也因負(fù)壓抽走了大量粉塵，提高了綜掘面通風(fēng)降塵的效率。

如圖5所示，在掘進(jìn)面處粉塵平均濃度高達(dá)973 mg/m3，到2 m處時(shí)粉塵濃度急劇下降，主要因?yàn)閴猴L(fēng)筒中噴射出的高速射流對掘進(jìn)面進(jìn)行沖刷，使匯集在一起的高濃度礦塵被吹散，所以粉塵平均濃度下降到137 mg/m3；長壓短抽通風(fēng)方式會產(chǎn)生渦流，在抽風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口前端會出現(xiàn)部分渦流與回轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，使本被吹散的粉塵又聚集了一部分，在4 m處粉塵濃度再次達(dá)到峰值，但相比掘進(jìn)面處粉塵平均濃度只有206 mg/m3；隨著增大與掘進(jìn)面所處的距離，粉塵濃度逐漸下降，到18 m、20 m處時(shí)，粉塵平均濃度只有20 mg/m3,可見，長壓短抽式通風(fēng)能夠有效對巷道進(jìn)行 降塵。

(a) x=19 m剖面；(b) x=16 m剖面；(c) x=13 m剖面；(d) x=10 m剖面

圖5 斷面粉塵濃度與掘進(jìn)面所處距離關(guān)系

4 不同壓抽比風(fēng)流流場特性及粉塵擴(kuò)散規(guī)律研究

根據(jù)礦山實(shí)際情況，將壓風(fēng)筒供風(fēng)量設(shè)置為300 m3/min[18]，按直徑為0.8 m的風(fēng)筒轉(zhuǎn)換，壓風(fēng)筒供風(fēng)風(fēng)速為10 m/s，為方便討論研究，使用希臘字母代表壓抽流量比，進(jìn)行討論的壓抽流量比為6組，分別為0.7，0.8，0.9，1.0，1.2，1.4。下面分別對不同壓抽流量比下風(fēng)流流場特性和粉塵擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行 研究。

4.1 風(fēng)流流場特性研究

選取具有代表性且對掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工作有影響的截面進(jìn)行分析，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)所處的呼吸帶高度一般為1.4~1.6 m，這里取其平均為1.5 m，圖6為=1.5 m截面處不同壓抽流量比下的速度矢量分布。

比較圖6中的6張圖，從整體上隨著壓抽比增大，風(fēng)流流場中的渦流數(shù)量增多，因?yàn)槌轱L(fēng)筒中負(fù)壓減小，抽風(fēng)筒進(jìn)口處沒有足夠負(fù)壓將全部含塵空氣吸入至抽風(fēng)筒中，所以相對壓風(fēng)筒噴出的高速射流更大，容易產(chǎn)生較多渦流數(shù)量；壓抽流量比越小，此時(shí)抽風(fēng)筒中的吸風(fēng)風(fēng)流占主導(dǎo)，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)前的含塵氣流能夠得到有效的控制，但氣流流動過大對于掘進(jìn)機(jī)司機(jī)呼吸也具有一定的影響，綜合比較下得出壓抽比在1.0~1.2之間較合適。

4.2 粉塵擴(kuò)散規(guī)律研究

沿巷道軸正方向每隔一段距離取一粉塵濃度分布結(jié)果截面，沿軸正向取0.3，1.0，1.7，2.4，3.1 m 5處截面進(jìn)行討論研究，圖7為沿巷道軸方向粉塵濃度總體變化趨勢。

從圖7可以看出，當(dāng)壓抽比較小時(shí)，大部分粉塵能夠被控制在產(chǎn)塵面前端附近，因?yàn)?，抽風(fēng)筒的抽風(fēng)量較大時(shí)，在抽風(fēng)筒前端形成較大負(fù)壓，能夠較好地把粉塵控制在抽風(fēng)筒前端并能吸入部分粉塵，起到控塵除塵的作用[19]，經(jīng)過模擬得出的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)壓抽流量比小于0.8時(shí)，控塵范圍是產(chǎn)塵面前端5 m范圍內(nèi)，阻止粉塵向司機(jī)工作區(qū)域及其后方擴(kuò)散，但巷道內(nèi)粉塵濃度依然較高；隨著壓抽流量比增大，巷道中的含塵量逐漸減少，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)附近的粉塵濃度顯著下降，壓抽流量比在1.0~1.2尤其明顯，但也出現(xiàn)了粉塵擴(kuò)散距離增大的結(jié)果，當(dāng)壓抽流量比達(dá)到1.4時(shí)，由于抽風(fēng)筒吸風(fēng)量相對較小，壓風(fēng)筒噴出的高速射流將產(chǎn)塵面上的粉塵沖刷且擴(kuò)散至整個(gè)巷道，抽風(fēng)筒來不及抽走含塵空氣，導(dǎo)致了司機(jī)處粉塵濃度的升高。

(a) β=0.7；(b) β=0.8；(c) β=0.9；(d) β=1.0；(e) β=1.2；(f) β=1.4

(a) β=0.7；(b) β=0.8；(c) β=0.9；(d) β=1.0；(e) β=1.2；(f) β=1.4

分別按6種壓抽流量比截取掘進(jìn)機(jī)司機(jī)呼吸帶高度=1.5 m的水平面進(jìn)行研究，討論司機(jī)呼吸帶高度的水平面粉塵濃度分布情況，分析出合理壓抽流 量比。

如圖8所示，圖8中定義為模型的長度坐標(biāo)位置，=0 m為距離掘進(jìn)面迎頭最遠(yuǎn)處，=20 m為掘進(jìn)面迎頭處；定義為模型寬度坐標(biāo)位置，抽風(fēng)筒靠近=0 m側(cè)壁面，壓風(fēng)筒靠近=3 m側(cè)壁面。根據(jù)巷道風(fēng)筒布置及司機(jī)所處位置，可確定掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置坐標(biāo)為(16,1)，即=16 m ，=1 m[20]?？梢钥闯鲭S著壓抽流量比增大，司機(jī)呼吸帶高度的粉塵濃度在穩(wěn)步下降，司機(jī)處的粉塵濃度也大大減少；壓抽流量比穩(wěn)定在1.0~1.2之間時(shí)，具有較好的稀釋粉塵的能力；當(dāng)壓抽流量比超過1.2后，粉塵濃度再次上升，不利于掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的生產(chǎn)作業(yè)。

上述模擬的結(jié)果和一般礦山實(shí)地測定的粉塵濃度的分布規(guī)律一致，說明程序運(yùn)算的結(jié)果是可靠的[21]。綜合上述模擬結(jié)果進(jìn)行分析，壓抽流量比是影響綜掘工作面長壓短抽通風(fēng)控塵效果的重要因素，壓抽比過大或過小，都不利于工作面降塵、抽風(fēng)筒吸塵。分析結(jié)果表明，當(dāng)壓抽流量比在1.0~1.2之間時(shí)，控塵效果最佳。

5 結(jié) 論

(1) 在長壓短抽式通風(fēng)時(shí)，壓風(fēng)筒內(nèi)高速射流自由射出后因碰撞掘進(jìn)面及吸風(fēng)風(fēng)筒吸風(fēng)口前負(fù)壓產(chǎn)生的卷吸效果，使風(fēng)流與射流方向的反向進(jìn)行流動。所以，在風(fēng)速不大的掘進(jìn)面內(nèi)會產(chǎn)生射流區(qū)與回流區(qū)。

(2) 隨著增大與掘進(jìn)面所處的距離，粉塵濃度逐漸下降，到距離掘進(jìn)面18，20 m處時(shí)，粉塵平均濃度只有20 mg/m3?？梢?，長壓短抽式通風(fēng)能夠有效對巷道進(jìn)行降塵。

(3) 當(dāng)壓抽流量比小于0.8時(shí)，能夠較好地將粉塵控制在產(chǎn)塵面前端5 m范圍內(nèi)，阻止粉塵向司機(jī)工作區(qū)域及其后方擴(kuò)散；當(dāng)壓抽流量比控制在1.0~1.2之間時(shí)，控塵效果最佳。

(a) β=0.7；(b) β=0.8；(c) β=0.9；(d) β=1.0；(e) β=1.2；(f) β=1.4

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國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51574123)；湖南省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(2017JJ3076).

(2018?07?17)

李泳俊(1994—)，男，江西宜春人，碩士生，研究方向?yàn)橥L(fēng)工程，Email：15273285186@163.com。