黃 正 華

（同煤集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司防塵隊(duì)，山西 大同037001）

0 引 言

綜采工作面是煤礦井下粉塵污染最重的區(qū)域，粉塵污染的嚴(yán)重程度隨著機(jī)械化的提高而增加[1-2]。礦井下高濃度粉塵可能導(dǎo)致爆炸的發(fā)生，也會(huì)威脅井下員工的身體健康，所以，開展粉塵治理，降低粉塵含量對(duì)于煤礦生產(chǎn)安全和工人身體健康具有重要意義。

山西省挖金灣煤礦301#礦井開采部分采用通風(fēng)方式為壓入式風(fēng)筒。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定工作面粉塵含量為6mg/m3，該煤礦巷道內(nèi)粉塵含量300 mg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)定的安全濃度。開展綜采面的數(shù)值模擬研究，利用軟件ANSYS 分析粉塵含量，將模擬分析的結(jié)果和測量所得的粉塵含量結(jié)果對(duì)比。選擇合適的降低粉塵含量的方式，改善煤礦通風(fēng)環(huán)境，提高煤礦安全生產(chǎn)的可靠性。

1 建立數(shù)學(xué)模型與設(shè)置邊界條件

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

為了研究礦井中顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)更好的通風(fēng)降塵，結(jié)合歐拉方程，建立拉格朗日數(shù)學(xué)模型，對(duì)微塵作用下運(yùn)動(dòng)的微分方程求解，得出顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。

1）連續(xù)方程。

式中：ρ為連續(xù)相密度，單位kg/m3；x,y,z為質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)，單位m；t為時(shí)間，單位s；v,u,w在x,y,z 軸的速度分量，單位m/s。

2）標(biāo)準(zhǔn)K-ε 方程。

礦井中粉塵的運(yùn)動(dòng)形式為湍流，運(yùn)動(dòng)過程中，滿足動(dòng)能K 方程為

式中：k為湍流時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能，單位為J；ai、aj為坐標(biāo)位置（i,j=1，2，3，表示x，y，z 3 個(gè)不同的方向），單位是m；u為微塵沿方向a 運(yùn)動(dòng)的速度，單位是m/s；μ為動(dòng)力黏度，單位是N·s/m2；μ為微塵湍流黏度系數(shù)，無量綱；σ為試驗(yàn)常數(shù)，取1.0；Gb為巷道內(nèi)微塵浮力產(chǎn)生的湍流能量效率；Gk為微塵速度梯度產(chǎn)生的湍流能量效率；ε為微塵湍流耗散率；Sk為用II；YM為II 產(chǎn)生的的湍動(dòng)。

湍流耗散率ε 方程為

式中：C1ε，C2ε，C3ε，σ 為粉塵含量測試的常數(shù)，取1.44，1.92，0.9，1.3。

1.2 建立幾何模型

煤礦井下巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巷道通風(fēng)部位為圓柱體，煤礦綜采面與巷道周圍理想化為平面，巷道中氣管、水管對(duì)粉塵運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的影響忽略不計(jì)。結(jié)合綜采面真實(shí)情況，建立仿真分析幾何模型所用軟件為ANSYS，如圖1 所示。

圖1 巷道幾何模型

建立的幾何模型高3.4m，長為50m，寬為5.4m。通風(fēng)口距地面1.5m，能夠滿足粉塵擴(kuò)散，距離較近側(cè)壁面1.2m，直徑0.8m。

1.3 設(shè)置邊界條件

進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入仿真模擬軟件，選擇離散相瞬態(tài)模型，詳細(xì)的模擬參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 設(shè)置仿真運(yùn)行的模擬參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 巷道粉塵下降規(guī)律

開展采掘工作面的分析，選擇不同的底板離（Y=1，1.5，2m）和煤巖不同距離（X=5.4，4.2，2.7，1.2m），分析仿真所得云圖如圖2 所示。

圖2 距離煤巖壁不同距離的粉塵分布云圖

圖中Z代表所在位置與工作面之間的距離。由圖2 可知，粉塵在礦井巷道內(nèi)的分布不規(guī)律，粉塵沉降速度大小與其密度有關(guān)，濃度越高的粉塵且高濃度粉塵沉降較慢。巷道中的粉塵較多的聚集在遠(yuǎn)離風(fēng)筒的截面（X=1.2m）附近區(qū)域，其他區(qū)域（X=1.2，2.7m）粉塵也較多。粉塵積聚不均勻的原因是，粉塵隨風(fēng)擴(kuò)散，風(fēng)速降低，粉塵開始下降。壓風(fēng)筒形成一個(gè)高壓區(qū)域，風(fēng)的流動(dòng)帶著粉塵擴(kuò)散，在于工作面距離10～20m 的區(qū)域沉降。在巷道區(qū)域（X=4.2m，X=5.4m）處粉塵較少，風(fēng)速導(dǎo)致擴(kuò)散較大。

距離底板不同距離（Y=1，1.5，2m）的粉塵分布云圖如圖3 所示。

圖3 距離底板不同距離粉塵分布云圖

由圖3 可知，粉塵在巷道中下降的速度不一樣，不同區(qū)域表現(xiàn)出明顯的不同，高濃度粉塵沉降至1m以下在巷道中部（Z=25m），粉塵擴(kuò)散至該地區(qū)才全部沉降，粉塵沉降緩慢的區(qū)域在風(fēng)筒附近。與風(fēng)筒距離較近（X＞2.7m）粉塵濃度較低，該區(qū)域受風(fēng)筒作用的影響，顆粒下沉較慢，細(xì)小顆粒多分布再空氣中。

2.2 粉塵濃度實(shí)測對(duì)比

測量巷道粉塵濃度，測量工具為濃度測量儀，型號(hào)為IFC-2 防爆型，該儀器測量礦井內(nèi)粉塵濃度的準(zhǔn)確性較高。測量時(shí)選擇合適位置，測量高度1.5m，選擇多個(gè)測量點(diǎn)，不同測量點(diǎn)之間距離5m，多次測量求得平均值。將現(xiàn)場測量的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，如圖5 所示。

由圖5 可知，距離工作面遠(yuǎn)近不同，顆粒含量不同。距離工作面4m 處，煤礦井下粉塵含量為1 546mg/m3，5m 處所測含量為1 532mg/m3；隨著距離工作面的高度增加，粉塵濃度降低，在距工作面5～10m，粉塵濃低至400mg/m3，粉塵在通風(fēng)方向濃度更低，距離工作面40m 處，粉塵濃度維持在30mg/m3，并隨高度增加，濃度降低幅度減小?，F(xiàn)場測試顯示，仿真結(jié)果與測試基本吻合，證明數(shù)值模擬具有一定的可靠性。

圖4 模擬數(shù)據(jù)與測量點(diǎn)測得數(shù)據(jù)對(duì)比

3 除塵效果實(shí)際驗(yàn)證

引入2 種不同的通風(fēng)方式，即短壓長抽式和長壓短抽式，比較其通風(fēng)方式的降塵效果，將工作面的實(shí)際情況考慮在內(nèi)，通風(fēng)呼吸帶和粉塵采集分析儀如圖5、圖6 所示，風(fēng)筒參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

圖5 通風(fēng)呼吸帶范圍圖

圖6 粉塵濃度分析儀

表2 風(fēng)筒參數(shù)設(shè)置

為了研究粉塵對(duì)作業(yè)人員的影響，取不同通風(fēng)方式下巷道中部的粉塵濃度模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7 所示。

對(duì)比圖7（a）、（c），對(duì)于短壓長抽式通風(fēng)方式，距離工作面5m，巷道中粉塵擴(kuò)撒最快，通風(fēng)方式最優(yōu)，粉塵濃最低。

對(duì)比圖7（b）、（d），對(duì)于長壓短抽式通風(fēng)方式，巷道粉塵最低處位于距離工作面15m 時(shí)，粉塵下降速度較慢；出風(fēng)口于工作面距離不同，粉塵濃度不同，當(dāng)距離工作面5m 時(shí)，粉塵濃度降低速度較快，除塵效果好，距離工作面15m 降低到低水平，是一種較好的除塵通風(fēng)方式。

圖7 粉塵濃度隨通風(fēng)方式改變

對(duì)比圖7（a）、（b）可知，巷道通風(fēng)方式選擇長壓短抽式效果更優(yōu)。2 中不同的通風(fēng)方式均能將粉塵降低到6mg/m3以下，距離工作面20m 內(nèi)，通風(fēng)方式均可發(fā)揮較好效果。

通過仿真分析和試驗(yàn)對(duì)比可知，長壓短抽式除塵效果好，出風(fēng)口距離工作面5m 時(shí)，煤礦粉塵消除較快，粉塵濃度降低到6mg/m3以下，巷道中粉塵濃度達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，煤礦井下環(huán)境得到改變。

4 結(jié) 論

1）巷道通風(fēng)方式采用壓入式，粉塵較大，很多粉塵懸浮在巷道中，不能快速擴(kuò)散，沉降速度慢，對(duì)于煤礦的安全生產(chǎn)不利，存在較大安全隱患。

2）通過仿真分析和實(shí)地測量，對(duì)比得出最優(yōu)通風(fēng)方式為長壓短抽式通風(fēng)，風(fēng)筒出風(fēng)口距離工作面5m 時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速除塵，巷道中粉塵濃度可降低到6mg/m3以下。