馬慧波
(晉煤集團(tuán)澤州天安恒源煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000)
煤礦井下綜采、掘進(jìn)等工序作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量粉塵,粉塵濃度過(guò)高嚴(yán)重危害井下人員的身體健康,甚至導(dǎo)致粉塵爆炸事故的發(fā)生[1,2]。因此,降低粉塵濃度對(duì)于礦井的安全生產(chǎn)十分必要。
馬素平等[3]通過(guò)對(duì)回風(fēng)巷中影響粉塵沉降效率的因素進(jìn)行分析,結(jié)果表明水霧粒徑越小降塵效率越高,降塵效率主要取決于供水壓力大?。恢軇偟萚4]基于動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)出顆粒相應(yīng)力的表達(dá)式,并采用數(shù)值模擬的方法對(duì)工作面粉塵濃度的分布規(guī)律進(jìn)行分析,其結(jié)果用于液壓支架噴霧降塵裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì);程衛(wèi)民等[5]對(duì)高壓噴霧降塵機(jī)理進(jìn)行分析,并推導(dǎo)出霧化捕捉最小粉塵粒度的解析式,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)不同壓力下霧化粒度進(jìn)行測(cè)定,得出粒徑隨壓力增大霧化粒度變小的結(jié)論。
雖然目前一些學(xué)者對(duì)煤礦噴霧降塵技術(shù)做了一定的研究,但由于煤礦對(duì)于改善作業(yè)環(huán)境、確保安全生產(chǎn)的迫切要求,仍有諸多問(wèn)題需要研究。本文以恒源煤業(yè)151209巷為工程背景,采用理論分析和數(shù)值模擬的方法對(duì)旋轉(zhuǎn)噴霧降塵方法進(jìn)行研究,研究結(jié)果具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
恒源煤業(yè)隸屬于晉煤集團(tuán),井田位于澤州縣東北,井田面積5.32km2,主采15#煤層,核定生產(chǎn)能力60萬(wàn)t/a。151305工作面推進(jìn)長(zhǎng)度270m,煤層平均厚度2.75m,平均傾角8°,采用綜采一次采全高采煤法。151209巷(運(yùn)輸順槽)采用矩形斷面,寬4.0m,高2.8m,運(yùn)輸皮帶在運(yùn)煤過(guò)程中產(chǎn)生大量粉煤塵,并隨風(fēng)流四處飄散充滿整條巷道,因此急需采取噴霧降塵措施。
依據(jù)旋轉(zhuǎn)理論[6],旋轉(zhuǎn)噴霧的狀態(tài)與旋轉(zhuǎn)初始速度及旋轉(zhuǎn)方式有極大的關(guān)系。旋轉(zhuǎn)速度的差異導(dǎo)致流場(chǎng)內(nèi)壓強(qiáng)分布不同,使得噴霧在做螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)還向四周擴(kuò)散形成紊流作用,因此其擴(kuò)散角相對(duì)較大,增大了噴霧的擴(kuò)散范圍,同時(shí)噴霧吸附粉塵的性能相應(yīng)提高。旋轉(zhuǎn)切向速度較大,使得流場(chǎng)中心壓力降低形成低壓區(qū),低壓區(qū)導(dǎo)致場(chǎng)內(nèi)流體的回流現(xiàn)象,并且其離心力吸引周圍小顆粒粉塵。
旋轉(zhuǎn)噴霧的霧化過(guò)程是不同相態(tài)間相互耦合的過(guò)程,霧化本質(zhì)是霧化介質(zhì)在離開(kāi)噴嘴后受到空氣剪切力與表面張力的作用,使其破碎形成細(xì)小液滴的過(guò)程,包括兩次霧化過(guò)程:第一次霧化為霧化介質(zhì)離開(kāi)噴嘴形成細(xì)小顆粒成霧的過(guò)程,第二次霧化為噴霧與環(huán)境介質(zhì)繼續(xù)作用,形成超細(xì)化噴霧的過(guò)程。
旋轉(zhuǎn)噴霧降塵包括:①碰撞捕捉:小粒徑粉塵在原運(yùn)動(dòng)慣性的作用下與旋轉(zhuǎn)噴霧發(fā)生碰撞被捕捉;②截留作用:當(dāng)旋轉(zhuǎn)噴霧與小粒徑粉塵群間距極小時(shí),由于噴霧間的引力和表面力作用,使得粉塵群被阻礙截留;③擴(kuò)散作用:小粒徑粉塵受空氣流場(chǎng)作用相互碰撞,做不規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng),與旋轉(zhuǎn)噴霧發(fā)生碰撞被捕捉。
采用ANSYS軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)噴霧降塵進(jìn)行建模,建立模型時(shí)依據(jù)含有粉塵的空氣流在巷道中不同的運(yùn)動(dòng)分布情況以及風(fēng)流場(chǎng)與噴射源的耦合作用。為更好地模擬噴霧降塵過(guò)程,作如下假設(shè):
1)風(fēng)流為不可壓縮的理想狀態(tài);
2)巷道側(cè)壁摩擦系數(shù)相同;
3)忽略溫度的影響,不考慮風(fēng)流間的熱交換作用;
4)忽略除重力以外其它作用力對(duì)環(huán)境場(chǎng)的影響。
建立的旋轉(zhuǎn)噴霧降塵模型主體包含粉塵源、噴嘴及巷道三部分,其中粉塵源為圓錐臺(tái),根據(jù)151209巷情況,建立巷道模型長(zhǎng)30.0m,寬4.0m,高2.8m,模型如圖1所示。
圖1 有限元模型
將建立的模型代入Fluent計(jì)算流體力學(xué)軟件中,考慮重力的影響g=9.8m/s2,其中湍流模型選擇k-ε雙方程模型,進(jìn)口邊界類型為Velocity Inlet,出口邊界類型為Outflow,巷道壁設(shè)置為不捕捉粉塵Reflect,并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定,見(jiàn)表1。
表1 參數(shù)設(shè)定
根據(jù)旋轉(zhuǎn)噴霧降塵模擬系統(tǒng)設(shè)置要求,在巷道端部設(shè)置粉塵源,參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表2。
表2 粉塵源參數(shù)設(shè)定
在巷道掘進(jìn)時(shí),風(fēng)流場(chǎng)的分布特征對(duì)于粉塵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律十分重要,對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行分析,圖2為穩(wěn)流時(shí)的速度矢量圖。分析可知,當(dāng)風(fēng)從端部流入巷道后,風(fēng)速發(fā)生突變,從5m/s降低到1.1m/s,從而使得風(fēng)流變化較復(fù)雜發(fā)生紊亂;在巷道前部風(fēng)速逐漸減小并產(chǎn)生分層現(xiàn)象,且巷道下部風(fēng)速明顯較大;巷道中部風(fēng)流在頂部噴嘴噴射旋轉(zhuǎn)噴霧后發(fā)生擾動(dòng),風(fēng)流場(chǎng)的風(fēng)速急劇增大,之后巷道后部風(fēng)流逐漸趨于穩(wěn)定。
圖2 流速矢量圖
為分析風(fēng)流場(chǎng)在巷道斷面的分布情況,分別選定x=-2m、0m和2m三個(gè)斷面,圖3為三個(gè)斷面的風(fēng)速云圖??梢钥闯?,在巷道豎直方向風(fēng)流以一定角度流入,并迅速分成上下兩層,在在巷道前部風(fēng)速較小,經(jīng)過(guò)中間頂部噴嘴噴射旋轉(zhuǎn)噴霧后,形成低速渦流低壓區(qū),且風(fēng)流方向發(fā)生偏移。在x=-2m處,巷道上部風(fēng)速較大,且由于初始穩(wěn)流的回流影響使得該處風(fēng)速在三個(gè)斷面處最大;在x=0m處,受中部噴霧作用的影響,風(fēng)速呈先增大后減小的規(guī)律,先由穩(wěn)流時(shí)的3.4m/s降至噴霧阻礙作用時(shí)0.7m/s,后又升至6.1m/s;在x=2m處,巷道前部穩(wěn)流段風(fēng)速擴(kuò)散較紊亂,之后風(fēng)流分布均勻,風(fēng)速保持在2.0m/s附近。
圖3 風(fēng)速云圖
在巷道掘進(jìn)時(shí),粉塵顆粒隨風(fēng)流四處運(yùn)動(dòng),圖4為巷道粉塵分布云圖。可以看出,沿巷道走向粉塵濃度分布有較明顯的分布差異,按其濃度可以劃分為高濃度、中濃度、低濃度三段。高濃度段發(fā)生在巷道端部粉塵源發(fā)射區(qū)域,在粉塵源發(fā)射后,粉塵濃度極高,在巷道端部迅速擴(kuò)散濃度略微降低,因受風(fēng)流壓力和速度的影響,使其在巷道端頭局部產(chǎn)生渦流現(xiàn)象,同時(shí)由于重力作用使得粒徑較大的粉塵向巷道底板側(cè)偏移,濃度最大約為1000mg/m3。中濃度段發(fā)生在巷道前中部區(qū)域,該區(qū)域粉塵濃度逐漸減小,分布較均勻,同時(shí)由于巷道中間頂部噴霧的阻礙作用,使得前中部粉塵較難繼續(xù)向巷道后部擴(kuò)散形成繞流。低濃度段發(fā)生在巷道后部區(qū)域,經(jīng)噴射旋轉(zhuǎn)噴霧影響,使得原小粒徑粉塵的運(yùn)動(dòng)路線發(fā)生較大偏移形成紊流,致使巷道后部粉塵濃度較小,低至約100mg/m3,表明旋轉(zhuǎn)噴霧可以有效降低粉塵濃度。
圖4 粉塵濃度分布圖
旋轉(zhuǎn)噴霧的粒徑分布特征與噴射壓力、速度及噴嘴設(shè)計(jì)有很大關(guān)系,較好的霧化過(guò)程可以提高噴霧覆蓋范圍及分散度。為分析旋轉(zhuǎn)噴霧的粒徑分布特征,選定噴嘴壓力2MPa時(shí)的霧化效果進(jìn)行模擬分析,粒徑分布如圖5所示。可以看出,在旋轉(zhuǎn)噴霧后,水霧沿噴射嘴呈放射性分布,距離噴嘴越近壓力越大霧化擾動(dòng)越明顯,噴霧分布較均勻,粒徑尺寸范圍為60μm~448μm,其中200μm~300μm尺寸的水霧最多,且水霧的覆蓋面積廣、粒徑較小。
1)受巷道中部旋轉(zhuǎn)噴霧的作用,風(fēng)流場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng),風(fēng)速急劇增大,之后在巷道后部風(fēng)速趨于穩(wěn)定;
2)沿巷道走向粉塵濃度分布有較明顯的分布差異,按其濃度可以劃分為高濃度、中濃度、低濃度三段;
3)旋轉(zhuǎn)噴霧覆蓋面積廣、粒徑較小,可以有效降低粉塵濃度。
圖5 噴霧粒徑分布圖