陸海濤

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦山西大同037037）

1 引言

目前，煤炭資源仍然在我國的能源結(jié)構(gòu)上占有很大比例，這在一定程度上說明煤炭作為國家主體能源的地位在未來仍是無可替代的?？梢灶A(yù)期在未來幾十年里，煤炭消費(fèi)將仍然是我國能源消費(fèi)的中堅力量[1]。而隨著科技的進(jìn)步，煤炭生產(chǎn)機(jī)械化進(jìn)程不斷推進(jìn)，煤礦生產(chǎn)開始向高產(chǎn)、集約化方向發(fā)展。在這種背景下，煤礦井下生產(chǎn)效率大幅提高的同時也導(dǎo)致局部粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)。作為煤礦井下主要產(chǎn)塵點(diǎn)之一的掘進(jìn)工作面，作業(yè)過程中粉塵濃度高達(dá)1 000 mg/m3以上[2-3]。高濃度粉塵極易增加工人罹患塵肺病的概率，嚴(yán)重威脅煤礦工人的職業(yè)健康。此外，高濃度的粉塵還加快井下機(jī)械設(shè)備的磨損、潛在粉塵爆炸隱患、降低工人可視范圍增大工人誤操作概率、降低作業(yè)效率等［4-5］。因此怎樣快速、高效的解決掘進(jìn)工作面粉塵污染成為當(dāng)下亟待解決的問題之一。

目前，掘進(jìn)工作面主要降塵技術(shù)有噴霧除塵、泡沫降塵、濕式除塵、干式過濾除塵等[6]。其中干式過濾除塵技術(shù)是通過除塵器對含塵氣流進(jìn)行處理，防粉塵擴(kuò)散，降塵效率高達(dá)99%以上，降塵效果較好。但是在掘進(jìn)工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律和時空分布未知的情況下貿(mào)然安裝上述設(shè)備，可能無法達(dá)到降塵設(shè)備的理想效果。掘進(jìn)工作面是一條獨(dú)頭巷道,一般情況下通風(fēng)系統(tǒng)僅有一條壓入式送風(fēng)管路。掘進(jìn)工作面通風(fēng)系統(tǒng)一般由礦用軸流式局部通風(fēng)機(jī)和正壓風(fēng)筒組成,主要為掘進(jìn)工作面提供新鮮的風(fēng)流用于稀釋和排出來自掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的大量粉塵。而風(fēng)筒送風(fēng)速度對掘進(jìn)工作面風(fēng)流場及粉塵場的形成具有很大影響，對此，國內(nèi)外大量學(xué)者采用實測、相似模擬與數(shù)值分析等方法對掘進(jìn)工作面粉塵時空分布、沿回風(fēng)方向運(yùn)動規(guī)律及風(fēng)速等影響因素進(jìn)行了研究［7］。本文采用數(shù)值分析方法通過FLUENT軟件對掘進(jìn)工作面送風(fēng)速度對粉塵運(yùn)移規(guī)律和時空分布變化進(jìn)行模擬研究。

2 建立模型

模型以燕子山礦掘進(jìn)工作面為對象，根據(jù)工作面實際情況，工作面斷面為矩形寬×高（4 m×3 m），根據(jù)模擬研究需要，將巷道內(nèi)運(yùn)輸皮帶及支架簡化，簡化后的模型為長×寬×高：20 m×4 m×3 m，如圖1所示。利用FLUENT流體仿真軟件和Euler-Lagrange方法，基于DPM 方法仿真分析掘進(jìn)工作面粉塵顆粒運(yùn)移規(guī)律及時空分布。為了模擬掘進(jìn)工作面現(xiàn)場工況，在掘進(jìn)工作面巷道內(nèi)中加入掘進(jìn)機(jī)。在數(shù)值模擬之前進(jìn)行以下適當(dāng)?shù)募僭O(shè)：

圖1 巷道模型

（1）由于空氣速度遠(yuǎn)小于聲速，氣體為不可壓縮理想氣體。

（2）忽略溫度對粉塵顆粒分布的影響。

（3）粉塵顆粒被認(rèn)為是球形顆粒。

通過ICEM 軟件劃分得到的結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格如圖2所示：

圖2 模型網(wǎng)格

3 設(shè)定邊界條件與模型參數(shù)

設(shè)定掘進(jìn)工作面掘進(jìn)機(jī)工作時粉塵顆粒產(chǎn)生率為0.006 kg/s，在模擬過程中粉塵顆粒以恒定的質(zhì)量流率進(jìn)入巷道內(nèi)。在此仿真分析中粉塵顆粒的粒徑服從Rosin-Rammler分布，具體參數(shù)見表1所示。模型邊界條件見表2，根據(jù)前人的研究，模型設(shè)置及求解參數(shù)如表3，表4所示。

表1 計算參數(shù)

表2 模型邊界設(shè)置

表3 模型設(shè)置

表4 求解參數(shù)設(shè)置

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 巷道內(nèi)氣固兩相的分布特征

掘進(jìn)工作面粉塵入口質(zhì)量流率不變，送風(fēng)筒送風(fēng)速度設(shè)置為9 m/s，通過fluent仿真模擬分析，得到了粉塵隨時間的運(yùn)移規(guī)律及時空變化。圖3為2、5、15、30、50 s 時刻粉塵顆粒在巷道內(nèi)運(yùn)移規(guī)律及時空分布圖。從圖中可以看出，粉塵顆粒在巷道內(nèi)的分布呈現(xiàn)時間和空間的不均勻性。在掘進(jìn)機(jī)剛開啟時（2 s），掘進(jìn)工作面開始產(chǎn)生粉塵，粉塵在送風(fēng)作用下向巷道另一側(cè)運(yùn)移(2 s～5 s)。新鮮空氣從送風(fēng)筒中流出撞擊到掘進(jìn)工作面后反彈流向巷道后方，在此過程中，掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的粉塵混合在新鮮風(fēng)流形成污風(fēng)，粉塵在風(fēng)流中向巷道橫向及縱向擴(kuò)散，最終彌漫整條巷道。

圖3 不同時刻粉塵空間分布

4.2 送風(fēng)風(fēng)速對巷道內(nèi)粉塵分布的影響

改變掘進(jìn)工作面送風(fēng)筒送風(fēng)速度7 m/s、9 m/s、13 m/s，分析送風(fēng)筒送風(fēng)速度對巷道內(nèi)粉塵顆?？臻g分布的影響，粉塵顆粒進(jìn)入巷道內(nèi)的速度及質(zhì)量保持恒定。

圖4為送風(fēng)筒出口速度為7 m/s、9 m/s、13 m/s時距離掘進(jìn)面分別為4 m、8 m、12 m、16 m、20 m 的橫截面上粉塵濃度分布圖。可以看出，在送風(fēng)速度不變的調(diào)節(jié)下，隨著距離掘進(jìn)工作面距離的增加，粉塵濃度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因為由于在巷道前端，粉塵剛進(jìn)入巷道內(nèi)部還未有效的擴(kuò)散。而粒徑較大的粉塵顆粒在綜掘面前端由于風(fēng)速較大能夠跟隨風(fēng)流運(yùn)動，但是隨著風(fēng)流向巷道后方流動（越過掘進(jìn)機(jī)），有效斷面增大，巷道內(nèi)的風(fēng)速開始減小，此時粒徑較大的粉塵在重力的作用下發(fā)生沉降，巷道后方粉塵濃度逐漸降低。而比較同一距離下不同送風(fēng)速度的粉塵濃度分布發(fā)現(xiàn)，送風(fēng)速度越大巷道后方的粉塵濃度減小。相比較巷道未安裝送風(fēng)筒一側(cè)的粉塵濃度，在安裝有送風(fēng)筒一側(cè)的粉塵濃度明顯較低。

圖4 不同送風(fēng)速度各橫剖面的粉塵分布

圖5為縱向剖面粉塵濃度分布圖，距巷道底部0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.5 m。比較剖面圖發(fā)現(xiàn)：當(dāng)送風(fēng)速度為7 m/s 時，此時送風(fēng)速度較小，風(fēng)流對粉塵顆粒的曳力（攜帶作用）較小。從不同的剖面圖可看出，大量粉塵在掘進(jìn)機(jī)前方附近聚集，粉塵無法快速排出，導(dǎo)致該處濃度急劇增大，嚴(yán)重危害掘進(jìn)機(jī)司機(jī)健康。當(dāng)送風(fēng)速度增加到9 m/s 時，氣流對粉塵顆粒的曳力增加，在掘進(jìn)工作面附近聚集的高濃度粉塵減少，掘進(jìn)機(jī)后方送風(fēng)筒一側(cè)粉塵濃度開始降低；當(dāng)送風(fēng)速度為13 m/s時，氣流對粉塵顆粒的曳力起到主導(dǎo)作用，顆粒運(yùn)動速度加快，在掘進(jìn)工作面附近顆粒聚集現(xiàn)象明顯減弱。掘進(jìn)機(jī)后方送風(fēng)筒一側(cè)粉塵濃度明顯低于另一側(cè)。

圖5 不同送風(fēng)速度各縱剖面的粉塵分布

由上述分析可知，增大送風(fēng)速度能夠減少粉塵顆粒在掘進(jìn)工作面的積聚，縮短粉塵滯留巷道內(nèi)的時間，降低巷道內(nèi)粉塵濃度。

5 結(jié)論

本文利用Euler-Lagrange 模型，初步探討了燕子山礦掘進(jìn)工作面不同送風(fēng)速度對巷道內(nèi)粉塵顆粒運(yùn)移規(guī)律及時空分布進(jìn)行了模擬分析。研究結(jié)果表明：巷道內(nèi)粉塵分布受掘進(jìn)工作面送風(fēng)速度變化影響較大。當(dāng)送風(fēng)速度為7 m/s 時，粉塵在掘進(jìn)機(jī)前端積聚，粉塵無法及時排出。當(dāng)增大送風(fēng)速度時，由于風(fēng)流對粉塵顆粒的曳力增大，能夠快速吹散掘進(jìn)機(jī)前端積聚的高濃度粉塵，加快粉塵排出巷道的時間。同時，在巷道后方送風(fēng)筒一側(cè)粉塵濃度明顯低于巷道另一側(cè)。

綜上所述，在本次仿真模擬中提高煤礦掘進(jìn)工作面送風(fēng)速度能夠快速排出巷道內(nèi)的粉塵，降低巷道內(nèi)粉塵濃度，減少一線工人罹患塵肺病的概率，保護(hù)工人職業(yè)健康安全。但在實際應(yīng)用中，若風(fēng)速過大則造成二次揚(yáng)塵，同時降低一線工人工作中的舒適度。因此，在實際應(yīng)用中提高送風(fēng)速度的同時要綜合考慮巷道二次揚(yáng)塵及一線工人舒適度問題，做到三者的有機(jī)結(jié)合，選取較為合理的送風(fēng)速度，避免或減少巷道二次揚(yáng)塵。