杜善周，莫金明，王全龍，馬 威，張?jiān)O(shè)計(jì)，陳 芳

(1.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

綜采工作面具有開采強(qiáng)度高、產(chǎn)塵量大等特點(diǎn)。近年來，隨著工作面采高不斷加大，開采速度不斷加快，導(dǎo)致工作面粉塵濃度大大升高，相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)表明，在無任何防塵措施的情況下，綜采工作面總粉塵質(zhì)量濃度最高可達(dá)5 000 mg/m3，嚴(yán)重影響作業(yè)人員身心健康[1-3]。目前，對(duì)于綜采工作面的粉塵治理措施多以噴霧為主，即綜合利用多種形式的噴霧來實(shí)現(xiàn)抑塵、控塵和降塵，在一般的綜采工作面降塵效率能夠達(dá)到90%左右，但在大采高綜采工作面，由于噴霧的射程不足，霧流覆蓋范圍有限，降塵效率僅能達(dá)到70%左右，且大采高綜采工作面噴霧配套工藝較為困難，采用噴霧降塵還會(huì)不可避免地影響煤質(zhì)等。因此，為進(jìn)一步提高綜采工作面的降塵效率，相關(guān)學(xué)者針對(duì)綜采工作面風(fēng)幕控塵、除塵器除塵等進(jìn)行了研究。王海橋等[4]根據(jù)流體力學(xué)空氣射流理論，研究了一種空氣隔塵技術(shù)；陳大偉等[5]設(shè)計(jì)了一套新型濕式集塵網(wǎng)系統(tǒng)，利用在采煤區(qū)域中的濕式卷簾門、集塵網(wǎng)和在回風(fēng)道中的全橫截面的濕式集塵網(wǎng)來進(jìn)行控塵；周剛等[6]研制了一套新型液壓軸流式除塵風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)在綜采工作面控塵效果良好；劉強(qiáng)等[7]研究分析了多徑旋流風(fēng)幕位置對(duì)綜采工作面粉塵擴(kuò)散規(guī)律及控塵效果的影響。雖然這些措施在很大程度上降低了綜采工作面粉塵濃度，改善了工作環(huán)境，但是由于對(duì)大采高綜采工作面產(chǎn)塵規(guī)律及粉塵運(yùn)移分布規(guī)律掌握不足，導(dǎo)致這些方法的應(yīng)用效果無法令人滿意。筆者在相關(guān)學(xué)者[8-10]對(duì)綜采工作面粉塵運(yùn)移分布規(guī)律的研究基礎(chǔ)上，深入分析8 m大采高綜采工作面粉塵運(yùn)移分布規(guī)律，并提出通過在采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)機(jī)身端面安裝機(jī)載除塵器的方法來控制粉塵擴(kuò)散，凈化作業(yè)場(chǎng)所。為了使機(jī)載除塵器達(dá)到更好的降塵效果，利用數(shù)值模擬方法分析除塵器處理風(fēng)量，以及吸塵口位置對(duì)粉塵運(yùn)移分布及降塵效果的影響，尋求最優(yōu)降塵效果時(shí)的吸塵口位置、風(fēng)量參數(shù)組合。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 風(fēng)流流動(dòng)數(shù)學(xué)方程

綜采工作面粉塵隨氣流的運(yùn)動(dòng)可以被看作是氣固兩相流，將粉塵看作稀疏相，巷道內(nèi)氣體屬于連續(xù)相，而常常將氣體流動(dòng)看作湍流流動(dòng)。綜采工作面氣流的湍流流動(dòng)可以用k-ε模型表示[11-14]。

k方程：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

ε方程：

(2)

1.2 粉塵流動(dòng)數(shù)學(xué)模型

在拉格朗日坐標(biāo)下通過積分顆粒作用力的微分方程進(jìn)行求解，顆粒相作用力平衡方程[15-16]為：

(3)

式中：mp為粉塵顆粒的質(zhì)量，mg；up為粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；∑F為粉塵顆粒所受合力，N；Fd為粉塵顆粒所受阻力，N；Fg為粉塵顆粒所受重力，N；Ff為粉塵顆粒所受浮力，N；Fx為粉塵顆粒所受的其他作用力，如Saffman升力、Magnus升力等，N。

粉塵顆粒所受阻力Fd可以表示為：

(4)

式中：Cd為阻力系數(shù)；Cφ為動(dòng)力形狀系數(shù)；Ap為顆粒迎風(fēng)面面積，m2；up為粉塵顆粒速度，m/s。

粉塵顆粒在湍流中運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡要受到湍流作用的影響。假設(shè)粉塵顆粒的瞬時(shí)脈動(dòng)速度符合高斯分布[17]，則：

(5)

對(duì)于k-ε模型，假設(shè)巷道內(nèi)湍流具有各向同向性，則有[18]：

(6)

為了計(jì)算湍流對(duì)顆粒擴(kuò)散的隨機(jī)影響，可將瞬時(shí)速度在分段時(shí)間內(nèi)積分。即在離散的時(shí)間步長(zhǎng)上逐步進(jìn)行積分運(yùn)算可求得顆粒軌跡方程。例如對(duì)于x方向而言，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可由式(6)得到：

(7)

同理，再沿y、z方向積分，即可得到粉塵顆粒在綜采工作面三維空間的運(yùn)動(dòng)軌跡[19]。

2 數(shù)值計(jì)算模型的建立及網(wǎng)格劃分

2.1 模型建立

以補(bǔ)連塔煤礦12511綜采工作面為研究對(duì)象，該工作面長(zhǎng)327.4 m，開采長(zhǎng)度3 138 m，工作面開采煤層平均厚度7.32 m，煤層傾角1°～3°，原始水分含量1.74%～10.26%，煤塵具有爆炸性，瓦斯含量較低。設(shè)計(jì)采高5.7～7.3 m，循環(huán)進(jìn)度0.865 m，落煤方式采用雙滾筒電牽引采煤機(jī)割煤，端部斜切進(jìn)刀，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤，雙向割煤往返一次割兩刀。選用JOY07LS08型采煤機(jī)采煤，滾筒直徑3.5 m；選用ZY21000/36.5/80D型支架作為中間支架，數(shù)量135架，支架中心距2 050 mm，支護(hù)范圍 3 650～8 000 mm；工作面供風(fēng)量2 322.4 m3/min，平均風(fēng)速1.2 m/s。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用CAD軟件建立計(jì)算模型。擬對(duì)工作面在原始條件下與安裝機(jī)載除塵器后粉塵運(yùn)移分布進(jìn)行對(duì)比分析，建立模型1、模型2，并對(duì)部分裝置進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如圖1所示。

圖1 補(bǔ)連塔煤礦12511綜采工作面數(shù)值模型

該模型主要由采煤機(jī)、液壓支架、擋煤板等組成。工作面尺寸長(zhǎng)×高×寬=150.0 m×8.0 m×6.8 m，本文只研究采煤機(jī)前方垮落煤層產(chǎn)塵情況，不考慮滾筒、支架等處。塵源設(shè)置如圖1所示。同時(shí)，在不影響模擬結(jié)果的前提下作出以下假設(shè)：

1) 將煤巷內(nèi)的空氣看作不可壓縮流體，煤巷內(nèi)風(fēng)流密度為常數(shù)，取1.225 kg/m3；

2) 將巷道內(nèi)的溫度默認(rèn)為恒溫不變，假設(shè)巷道內(nèi)溫度對(duì)結(jié)果沒有影響；

3) 將流場(chǎng)中各變量均認(rèn)為與時(shí)間無關(guān)，為穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)。

2.2 網(wǎng)格劃分

將建立的綜采工作面模型導(dǎo)入到ICEM-CFD中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在模擬計(jì)算中考慮到巷道的實(shí)際情況比較復(fù)雜，決定采用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分[20-21]。共生成網(wǎng)格305.740 7萬個(gè)，由于網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性影響很大，故對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，確保較小的尺寸扭曲率和角度扭曲率。

2.3 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)定模擬參數(shù)。解析通風(fēng)粉塵場(chǎng)時(shí)，選用穩(wěn)態(tài)風(fēng)流及其絕對(duì)速度來進(jìn)行解析；由于粉塵顆粒在巷道中會(huì)受到重力的影響，模擬計(jì)算時(shí)設(shè)定重力加速度。具體參數(shù)如表1所示。

表1 邊界條件參數(shù)

2.4 綜采工作面8 m采高原始粉塵場(chǎng)模擬結(jié)果

補(bǔ)連塔煤礦12511綜采工作面未安裝除塵器時(shí)原始場(chǎng)粉塵質(zhì)量濃度分布情況如圖2和圖3所示。

圖2 xOz截面粉塵質(zhì)量濃度分布圖

圖3 yOz截面粉塵質(zhì)量濃度分布圖

由圖2和圖3可以看出：①由垮落煤層產(chǎn)生的粉塵在風(fēng)流的帶動(dòng)下整體向后方擴(kuò)散(y軸正方向)，粉塵在遇到采煤機(jī)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，沿著采煤機(jī)機(jī)身向頂板運(yùn)動(dòng)，隨后開始向后方運(yùn)動(dòng)。②高濃度粉塵團(tuán)運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)可達(dá)5 m，之后向采煤機(jī)一側(cè)運(yùn)動(dòng)，由于粉塵顆粒自身重力作用，致使大顆粒粉塵逐漸沉降，小顆粒粉塵隨風(fēng)流繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，懸浮在工作面內(nèi)。高濃度粉塵主要積聚在采煤機(jī)前后10 m范圍及底板靠擋煤板一側(cè)，最高粉塵質(zhì)量濃度可達(dá)3 500 mg/m3，大大超過《煤礦安全規(guī)程》所規(guī)定的允許范圍，采煤機(jī)附近粉塵濃度高，會(huì)嚴(yán)重影響司機(jī)的視線，并且還會(huì)加劇設(shè)備的損耗，極大地影響煤礦的安全開采。③在采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)機(jī)身端面前后5 m范圍內(nèi)粉塵向人行側(cè)擴(kuò)散，擋煤板頂部靠人行側(cè)粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)2 500 mg/m3，嚴(yán)重超限，會(huì)影響工作人員的健康安全。由此可見，原12511綜采工作面粉塵污染嚴(yán)重，亟需開展井下粉塵防治研究工作。

3 不同工藝參數(shù)條件下粉塵運(yùn)移分布規(guī)律模擬結(jié)果分析

基于對(duì)補(bǔ)連塔煤礦8 m采高的12511綜采工作面原始粉塵場(chǎng)模擬結(jié)果的分析，提出利用機(jī)載除塵器的方法來控制塵源處粉塵擴(kuò)散。為了達(dá)到最佳降塵效果，對(duì)除塵器不同吸塵口位置及其處理風(fēng)量進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

3.1 三維空間粉塵分布模擬結(jié)果

3.1.1 吸塵口不同位置粉塵濃度分布

圖4為吸塵口距底板0.65、1.15、1.65 m，吸塵口處理風(fēng)量為30 m3/min時(shí)工作面三維空間粉塵質(zhì)量濃度分布圖。由于采煤機(jī)附近是塵源的集中區(qū)域，故為了更詳細(xì)研究采煤機(jī)附近粉塵濃度分布情況，分別截取采煤機(jī)前后xOz截面y=20～60 m進(jìn)行分析。由圖4可以明顯看出，隨著吸塵口與底板距離的增加，吸塵口距離塵源越遠(yuǎn)，相同處理風(fēng)量情況下除塵器捕塵能力減弱，導(dǎo)致粉塵逃逸增多，故粉塵向頂板和采煤機(jī)后方擴(kuò)散更嚴(yán)重。從圖4(c)可以看出，在y等于55、60 m截面上仍有高濃度粉塵積聚在底板及擋煤板附近，嚴(yán)重污染巷道環(huán)境。

(a)吸塵口距底板0.65 m

(b)吸塵口距底板1.15 m

(c)吸塵口距底板1.65 m

3.1.2 吸塵口不同處理風(fēng)量粉塵濃度分布

圖5為吸塵口與底板距離為1.65 m，吸塵口處理風(fēng)量分別為30、60、90 m3/min時(shí)工作面三維空間粉塵質(zhì)量濃度分布圖。可以看出：①當(dāng)吸塵口風(fēng)量為30 m3/min時(shí)，粉塵主要集中在擋煤板靠近采煤機(jī)一側(cè)，采煤機(jī)距端頭20～60 m，粉塵質(zhì)量濃度最高達(dá)到 1 000 mg/m3；當(dāng)吸塵口風(fēng)量為60 m3/min時(shí)，粉塵向后擴(kuò)散現(xiàn)象明顯減弱，粉塵主要集中在距采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)機(jī)身端面前5 m及后15 m范圍，此時(shí)高濃度粉塵積聚在距底板約2.5 m截面處，距采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)機(jī)身端面35 m之后無高濃度粉塵積聚現(xiàn)象；當(dāng)吸塵口處理風(fēng)量為90 m3/min時(shí)，高濃度粉塵只存在于溜槽與采煤機(jī)相鄰處，粉塵無向后擴(kuò)散現(xiàn)象。②隨著除塵器吸塵口風(fēng)量的增加，工作面粉塵濃度逐漸降低，當(dāng)吸塵口風(fēng)量為90 m3/min時(shí)，粉塵幾乎無擴(kuò)散現(xiàn)象存在，高濃度粉塵只存在于塵源附近，此時(shí)吸塵風(fēng)量最優(yōu)。

(a)吸塵口風(fēng)量30 m3/min

(b)吸塵口風(fēng)量60 m3/min

(c)吸塵口風(fēng)量90 m3/min

3.2 yOz截面粉塵濃度分布

3.2.1 吸塵口不同位置粉塵濃度分布

吸塵口處理風(fēng)量為30 m3/min時(shí)，吸塵口距底板不同高度情況下工作面yOz截面x=1、2、3 m時(shí)粉塵質(zhì)量濃度分布情況見圖6?？梢钥闯觯何鼔m口與底板距離的增加，減弱了除塵器的吸塵能力，粉塵擴(kuò)散能力增強(qiáng)。對(duì)比圖6(a)和圖6(c)可以發(fā)現(xiàn)，在x=1 m截面，圖6(c)中明顯有高濃度粉塵積聚在采煤機(jī)附近和沿巷靠近擋煤板一側(cè)；在x=3 m截面，圖6(a)中只有采煤機(jī)上方存在少量粉塵積聚現(xiàn)象，而圖6(c)中采煤機(jī)后方20 m還存在大量高濃度粉塵團(tuán)。同時(shí)對(duì)比圖6中x=2 m截面發(fā)現(xiàn)，隨著吸塵口距底板高度的增加，采煤機(jī)后方35 m范圍粉塵濃度急劇增高。由此可見，吸塵口位置變化對(duì)工作面粉塵的擴(kuò)散分布有明顯的影響，吸塵口距底板越高，粉塵擴(kuò)散越嚴(yán)重，除塵器捕塵效果越差。將吸塵口布置在距離底板0.65 m時(shí)最優(yōu)，除塵器捕塵效果最優(yōu)。

(a) 吸塵口距底板0.65 m(x=1、2、3 m)

(b) 吸塵口距底板1.15 m(x=1、2、3 m)

(c)吸塵口距底板1.65 m(x=1、2、3 m)

3.2.2 吸塵口不同處理風(fēng)量粉塵濃度分布

吸塵口處理風(fēng)量分別為30、60、90 m3/min，工作面yOz截面x=1、2、3 m時(shí)粉塵質(zhì)量濃度分布情況見圖7。對(duì)比圖7中的3個(gè)分圖可以發(fā)現(xiàn)，在沿工作面x軸方向上和z軸方向上，工作面粉塵質(zhì)量濃度和擴(kuò)散能力與除塵器吸塵口處理風(fēng)量成反比，當(dāng)吸塵口處理風(fēng)量為90 m3/min時(shí)，工作面除了在x=1 m截面溜槽附近存在少量高濃度粉塵外，均被除塵器捕集，此時(shí)除塵效率最高。

(a) 吸塵口風(fēng)量30 m3/min(x=1、2、3 m)

(b) 吸塵口風(fēng)量60 m3/min(x=1、2、3 m)

(c) 吸塵口風(fēng)量90 m3/min(x=1、2、3 m)

3.3 工作面整體降塵效率分析

在吸塵口不同位置及處理風(fēng)量的情況下，粉塵顆粒追蹤數(shù)量及除塵器捕集粉塵顆粒數(shù)量見表2，通過分析可以得出：①當(dāng)除塵器吸塵口距底板高度一定時(shí)，安裝機(jī)載除塵器的降塵效率與吸塵口處理風(fēng)量成正比；②當(dāng)除塵器吸塵口處理風(fēng)量一定時(shí)，安裝機(jī)載除塵器的降塵效率與吸塵口距底板高度成反比；③除塵器吸塵口位置與處理風(fēng)量最優(yōu)匹配時(shí)，安裝機(jī)載除塵器的降塵效率為99.9%。因此，可以通過調(diào)整除塵器吸塵口位置，以及處理風(fēng)量來有效降低工作面粉塵濃度。

表2 吸塵口不同位置及處理風(fēng)量時(shí)降塵效率

4 結(jié)論

1)以補(bǔ)連塔煤礦12511綜采工作面為研究對(duì)象，研究分析了大采高綜采工作面粉塵運(yùn)移分布規(guī)律。沿風(fēng)流方向，工作面粉塵濃度逐漸降低，由于風(fēng)流的作用及粉塵自身重力作用致使粉塵最終沉降在擋煤板靠采煤機(jī)一側(cè)附近。高濃度粉塵團(tuán)主要集中在采煤機(jī)前后10 m范圍內(nèi)的采煤機(jī)一側(cè)，向頂板擴(kuò)散高度可達(dá)到5 m左右，最高粉塵質(zhì)量濃度可達(dá) 3 500 mg/m3。與普通采高工作面相比，大采高工作面粉塵受風(fēng)流影響更大，導(dǎo)致在橫向風(fēng)流的影響下，粉塵向人行側(cè)的擴(kuò)散量增加。

2)除塵器吸塵口位置及其處理風(fēng)量對(duì)工作面內(nèi)粉塵分布有明顯的影響，特別是針對(duì)采煤機(jī)前后 5 m 范圍，有效抑制了粉塵向人行側(cè)擴(kuò)散。當(dāng)機(jī)載除塵器吸塵口與底板距離一定時(shí)，除塵器的降塵效率與處理風(fēng)量成正比；當(dāng)除塵器處理風(fēng)量一定時(shí)，除塵器的降塵效率與吸塵口距底板高度成反比。合理的除塵器吸塵口位置及匹配的處理風(fēng)量，能明顯降低工作面粉塵濃度，改善井下工作環(huán)境。

3)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝條件，針對(duì)補(bǔ)連塔煤礦12511綜采工作面給出最佳除塵器吸塵口位置并與處理風(fēng)量匹配：吸塵口安裝位置距底板1.15 m，除塵器處理風(fēng)量為120 m3/min，此時(shí)，除塵器捕塵效率為99.9%。