佟林全，徐 洋，王雪濤，楊漢彬，馬 奎

（1.國(guó)家衛(wèi)生健康委職業(yè)安全衛(wèi)生研究中心 職業(yè)衛(wèi)生工程研究室，北京102308；2.國(guó)家衛(wèi)生健康委職業(yè)安全衛(wèi)生研究中心職業(yè)衛(wèi)生檢測(cè)與評(píng)價(jià)室，北京102308）

敏東一礦隸屬于蒙東能源有限公司，位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市鄂溫克旗境內(nèi)，為井工煤礦，主要采用帶式輸送機(jī)輸煤，從00工作面運(yùn)輸巷，煤經(jīng)過(guò)2個(gè)轉(zhuǎn)載點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)至東膠帶式輸送機(jī)巷，由東膠帶式輸送機(jī)運(yùn)向井下煤倉(cāng)，其中2號(hào)轉(zhuǎn)載處粉塵污染十分嚴(yán)重。轉(zhuǎn)載點(diǎn)作為井下煤塵主要污染源之一，針對(duì)其污染機(jī)理和粉塵運(yùn)移、擴(kuò)散規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展大量研究[1-10]。這些研究肯定了數(shù)值方法研究轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵污染的可靠性，且巷道內(nèi)風(fēng)流特性分布是主要影響因素。然而相關(guān)研究對(duì)于轉(zhuǎn)載點(diǎn)風(fēng)流三維空間分布的研究較少，并且轉(zhuǎn)載點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、各礦井差異性大，風(fēng)流流動(dòng)軌跡大相徑庭，因此缺乏針對(duì)性的研究很難達(dá)到理想的粉塵治理效果?；诖?，開(kāi)展了敏東一礦2號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)煤塵污染規(guī)律的CFD-DEM數(shù)值研究，利用COMSOL軟件建立三維數(shù)值模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，分析煤塵污染規(guī)律，并提出了適合的治理方案。

1 COMSOL軟件與CFD-DEM數(shù)值方法

COMSOL Multiphysics是基于有限元的多場(chǎng)耦合計(jì)算軟件，基礎(chǔ)模塊理論完善，可附加專(zhuān)業(yè)求解模塊求解。研究采用k-ε湍流模型建立內(nèi)蒙敏東一礦2號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)風(fēng)流場(chǎng)分布的三維數(shù)值計(jì)算模型。采用DEM的方法將粒子設(shè)定為離散質(zhì)點(diǎn)，并利用流體流動(dòng)粒子追蹤模塊對(duì)所釋放進(jìn)行追蹤，得到粒子的各種特性的時(shí)空分布結(jié)果。

利用CFD計(jì)算流體連續(xù)相的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，假設(shè)流體符合動(dòng)量、質(zhì)量、能量守恒方程。

1）動(dòng)量守恒方程。由牛頓第二定律得：

式中：ux、uy、uz為速度分量，m/s；ρ為流體的密度，kg/m3；τxx、τxy、τxz為黏性應(yīng)力，N；fx、fy、fz為單位質(zhì)量力，m/s2；?t為求變量的瞬態(tài)變化率；u→為速度矢量，m/s；?p為對(duì)壓力p求偏導(dǎo)數(shù)；?x、?y、?z為對(duì)變量在x、y、z方向上求偏導(dǎo)。

2）質(zhì)量守恒方程。

式中：E為內(nèi)能、動(dòng)能和勢(shì)能之和總能，J/kg，E=h-p/ρ+u2；p為表面壓強(qiáng)，Pa；h為焓，J/kg；hj為組分j的焓，J/kg；keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m·k）；Jj為組分j的擴(kuò)散通量；τeffμ為切應(yīng)力，Pa；Sh為體積熱源項(xiàng)。

假設(shè)粉塵顆粒主要受重力、浮力、曳力和升力作用。粉塵顆粒動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程[11]為：

式中：mp為固體顆粒的質(zhì)量，mg；up為固體顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；t為時(shí)間，s；Fg為顆粒自身重力，N；Ff為顆粒所受到的氣流浮力，N；Fd為顆粒所受阻力，N；Fx為其他作用在顆粒上的力，包括重力、浮力、stoke曳力、升力，N。

轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵粒徑主要分布在5～10μm，但往往與較大粒徑顆?；旌希虼思僭O(shè)離散項(xiàng)粒子粒徑分布符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布方程。小直徑的塵粒偏多，分布曲線不對(duì)稱(chēng)。在這種情況下，采用對(duì)數(shù)分布函數(shù)描述粒徑分布比較適宜：式中：D為粉塵粒徑，m；Dˉ為粉塵平均粒徑，m；σg為粉塵分布方差。

2 工作面2號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)幾何模型的建立

2.1 幾何模型

根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)圖在COMSOL軟件內(nèi)建模，2號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)三維幾何模型如圖1，用簡(jiǎn)單幾何代替帶式輸送機(jī)、控制箱等，忽略壓風(fēng)管路和壁面粗糙度。

圖1 2號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)三維幾何模型Fig.1 3D geometric model of the No.2 transfer point

2.2 網(wǎng)格劃分

幾何模型的網(wǎng)格劃分如圖2。網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格流體力學(xué)較細(xì)化自由填充，單元總數(shù)為6 559 134，平均元質(zhì)量0.675 2，當(dāng)網(wǎng)格質(zhì)量集中在0.4～1.0范圍時(shí)，網(wǎng)格分布穩(wěn)定，計(jì)算較為準(zhǔn)確。

圖2 幾何模型的網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid partitioning of geometric model

3 模擬結(jié)果

邊界條件設(shè)定依據(jù)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，下部帶式輸送機(jī)（東膠）運(yùn)輸巷測(cè)風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速為0.2 m/s，上部帶式輸送機(jī)聯(lián)絡(luò)巷測(cè)風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速為0.15 m/s，空氣密度設(shè)定1.25 kg/m3，出口設(shè)定自由出口，參考?jí)毫? atm（101 325 Pa），帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度取最大值4 m/s。帶式輸送機(jī)位置邊界采用廣義粗糙壁設(shè)定，按照實(shí)際煤體堆積高度設(shè)定100 mm，粗糙度系數(shù)0.24。參考溫度293.15 K。最大迭代次數(shù)400，求解時(shí)間42 290 s，求解器PARDISO，分離誤差估計(jì)5.4×10-5。

巷道風(fēng)速分布體圖如圖3。由圖3可知，帶式輸送機(jī)附近風(fēng)速較快0.8～1 m/s，距離帶式輸送機(jī)越遠(yuǎn)，風(fēng)速越小，但在轉(zhuǎn)載點(diǎn)附近風(fēng)流紊亂遠(yuǎn)離帶式輸送機(jī)處風(fēng)速出現(xiàn)增長(zhǎng)。主要由于運(yùn)煤時(shí)，帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度快，對(duì)風(fēng)流有牽引作用，使得帶式輸送機(jī)表面附近風(fēng)速較快，但接近轉(zhuǎn)載點(diǎn)時(shí)，由于上部聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)流的混入和擋板的阻擋，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)附近風(fēng)流速度降低，并向巷道壁面方向流動(dòng)，呈現(xiàn)出中間速度小周?chē)俣却蟮姆植?。為深入分析風(fēng)流分布規(guī)律，沿x方向從x=1 m開(kāi)始截取zy方向5個(gè)截面至x=3 m終止。

巷道風(fēng)速zy截面分布圖如圖4。由圖4可知，帶式輸送機(jī)截面上風(fēng)速最大，向巷道頂部風(fēng)速逐漸減小，擋板上側(cè)成渦旋狀態(tài)，在x方向上越遠(yuǎn)離帶式輸送機(jī)風(fēng)速越小，并且因上部巷道風(fēng)流混合渦流半徑先增大后減小，在x=2 m附近渦流半徑接近最大達(dá)到2 m左右，并且地面風(fēng)速可達(dá)0.4 m/s，造成了該區(qū)域粉塵在轉(zhuǎn)載點(diǎn)處大量積聚，難以排出，地面的二次揚(yáng)塵現(xiàn)象嚴(yán)重。為深入研究z=2 m處轉(zhuǎn)載點(diǎn)渦流形成原因，在該位置截取xy方向截面。

圖3 巷道風(fēng)速分布體圖Fig.3 Volume diagram of wind speed distribution in roadway

圖4 巷道風(fēng)速zy截面分布圖Fig.4 Distribution of zy section of roadway wind speed

巷道風(fēng)速z=2 m處xy截面分布圖如圖5。由圖5可知，巷道渦流在xy面上主要分布在擋板、帶式輸送機(jī)機(jī)控制箱、電機(jī)、變壓器等構(gòu)成的半包圍區(qū)域，此分布狀態(tài)造成了區(qū)域內(nèi)渦流和轉(zhuǎn)載點(diǎn)下風(fēng)側(cè)的風(fēng)流相對(duì)速度較大。轉(zhuǎn)載點(diǎn)處粉塵因紊亂渦流大量飛揚(yáng)，在0.3～0.6 m/s風(fēng)流作用下向周?chē)罅繑U(kuò)散，因此實(shí)際測(cè)量中此區(qū)域粉塵濃度相對(duì)較大。

圖5巷道風(fēng)速z=2 m處xy截面分布圖Fig.5 Distribution of xy section of roadway wind speed at z=2 m

巷道風(fēng)速z=18.5 m處zx截面分布圖如圖6。在z=18.5 m處，下部帶式輸送機(jī)、上部帶式輸送機(jī)、巷道壁面和控制箱組成的空間區(qū)域內(nèi)形成了環(huán)形渦流，上部帶式輸送機(jī)運(yùn)行和物料運(yùn)動(dòng)造成了氣流沿巷道壁面向下方弧形流動(dòng)，并與下部帶式輸送機(jī)牽引風(fēng)流匯合，兩巷道的風(fēng)壓風(fēng)流在下部運(yùn)輸巷底板匯聚，并被電控箱阻礙沿底板加速，導(dǎo)致了zx平面的環(huán)狀渦流揚(yáng)塵和沿底板的二次揚(yáng)塵。

圖6 巷道風(fēng)速z=18.5 m處zx截面分布圖Fig.6 The distribution of zx section of roadway wind speed at z=18.5 m

對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)收集的煤塵樣品經(jīng)實(shí)驗(yàn)室分析，測(cè)試后發(fā)現(xiàn)粒徑越小的粒子分布越多，符合對(duì)數(shù)分布規(guī)律，因此在軟件入口邊界條件設(shè)定中，粒子按照對(duì)數(shù)分布釋放，粒徑分布在5～50μm。為實(shí)現(xiàn)假定的連續(xù)性，釋放時(shí)間與計(jì)算時(shí)間一致。粒子初速度按照帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度設(shè)定。圖中色譜表示粉塵運(yùn)動(dòng)速度，粒子大小與粒子粒徑成正比。

轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵擴(kuò)散三維分布圖如圖7。在t=8 s時(shí)，粒徑在5μm左右的粉塵已經(jīng)運(yùn)移到下部巷道下風(fēng)側(cè)，粒徑在20μm以下的粉塵隨風(fēng)流擴(kuò)散能力強(qiáng)于較大粒徑粉塵，在t=10 s時(shí)運(yùn)移到上述相同位置。20～35μm粒徑范圍的粉塵擴(kuò)散范圍主要在轉(zhuǎn)載點(diǎn)附近，35～50μm粒徑范圍的粉塵主要在帶式輸送機(jī)附近運(yùn)移。

圖7 轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵擴(kuò)散三維分布圖Fig.7 3D distribution of dust diffusion at transfer point

可以分析得到，隨時(shí)間從1 s開(kāi)始，大粒徑粉塵隨風(fēng)流運(yùn)動(dòng)遷移較慢，粒徑越小擴(kuò)散速度越快，擴(kuò)散范圍越大，擴(kuò)散方向隨渦旋風(fēng)流向壁面方向游走，主要由于落料過(guò)程中細(xì)微粒徑的粉塵逐漸從落料誘導(dǎo)氣流中脫離，并易跟隨風(fēng)流流線運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散。風(fēng)流對(duì)大粒徑粉塵的作用力較弱，受重力作用向豎直方向沿拋物線運(yùn)動(dòng)沉降。巷道風(fēng)速三維流線速度矢量分布圖如圖8。

圖8 巷道風(fēng)速三維流線速度矢量分布圖Fig.8 3D streamline velocity vector distribution of wind speed in roadway

由圖8可知，越遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)載點(diǎn)巷道內(nèi)風(fēng)流分布越均勻、平順，轉(zhuǎn)載點(diǎn)風(fēng)流分布呈現(xiàn)出障礙內(nèi)渦旋，障礙外扭曲的狀態(tài)，在zy、xy、zx面分別存在渦旋流線，由此造成了轉(zhuǎn)載點(diǎn)內(nèi)粉塵大量飛揚(yáng)、擴(kuò)散，卻向外排塵困難，在附近巷道內(nèi)積聚的狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)總粉塵濃度達(dá)70 mg/m3。

4 粉塵防治方案

從風(fēng)流成因角度，應(yīng)合理布置轉(zhuǎn)載點(diǎn)各設(shè)備位置防止渦流產(chǎn)生。設(shè)置機(jī)頭罩、導(dǎo)料槽封閉粉塵避免逸散，內(nèi)部可采用濕式噴霧降塵。在渦流中心采用高強(qiáng)度噴射氣水霧化降塵破壞渦流并濕式降塵，利用霧滴捕捉粉塵。在轉(zhuǎn)載點(diǎn)下風(fēng)側(cè)設(shè)置布袋除塵器，將渦旋氣流向布袋除塵器內(nèi)引導(dǎo)。降低上部帶式輸送機(jī)高度，減少煤流落差，增加到頂板距離，降低頂板對(duì)風(fēng)流的干涉作用，降低zx截面渦流強(qiáng)度。降低轉(zhuǎn)載點(diǎn)整體阻尼，增加排塵風(fēng)速，在下風(fēng)側(cè)采用高效霧化降塵。轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧降塵治理三維布置圖如圖9（綠色立方體為噴霧系統(tǒng)控制箱，可利用觸控傳感器實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)抑塵；藍(lán)色管路為供水線路布置；橙色折線為電纜布置方式，為控制箱供電）。

圖9 轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧降塵治理三維布置圖Fig.9 3D layout plan for spray dust control at transfer point

根據(jù)粉塵的粒徑分布和風(fēng)流分布規(guī)律，在細(xì)微粒徑粉塵的擴(kuò)散方向上布置4組噴霧裝置，通過(guò)水霧抑塵方式對(duì)細(xì)微顆粒物進(jìn)行捕集，霧化噴頭采用氣液兩相的氣動(dòng)霧化噴頭，氣動(dòng)霧化噴頭能夠有效破壞轉(zhuǎn)載點(diǎn)渦旋風(fēng)流，并且微米級(jí)霧滴于20μm以下粉塵結(jié)合度好，降塵效率高。氣路氣壓擬定0.4 MPa，水流量4 L/min。

5結(jié)語(yǔ)

1）采用CFD-DEM和有限元方法，利用k-ε湍流模型建立了內(nèi)蒙敏東一礦2號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)風(fēng)流分布三維數(shù)值模型，并開(kāi)展對(duì)該轉(zhuǎn)載點(diǎn)的風(fēng)流分布研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)考察、測(cè)試、實(shí)驗(yàn)分析了粉塵嚴(yán)重污染的原因。

2）內(nèi)蒙敏東一礦2號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵嚴(yán)重污染與其內(nèi)zx、zy、xy 3個(gè)截面的渦流分布存在直接關(guān)系，渦流導(dǎo)致了轉(zhuǎn)載點(diǎn)內(nèi)粉塵大量飛揚(yáng)又無(wú)法隨風(fēng)流排出，在轉(zhuǎn)載點(diǎn)附近巷道內(nèi)擴(kuò)散積聚，存在安全隱患。

3）對(duì)風(fēng)流分布進(jìn)行了研究，造成風(fēng)流渦旋化、渦外風(fēng)速低的主要原因?yàn)椋D(zhuǎn)載點(diǎn)機(jī)頭、擋板、上部帶式輸送機(jī)、下部帶式輸送機(jī)、控制箱、電機(jī)、電壓器等空間分布阻礙壓風(fēng)風(fēng)流，扭曲風(fēng)流流線。上部帶式輸送機(jī)與巷道頂板過(guò)近，導(dǎo)致了牽引風(fēng)流受到頂板干涉，呈弧形向下流動(dòng)。