任志峰，李遠(yuǎn)知，武建君，王兵建，魯忠良

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 軒崗煤電公司，山西 原平 034114；2.盤(pán)江精煤股份有限公司 土城礦，貴州 六盤(pán)水 553529；3.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 裝備制造中央機(jī)廠，山西 大同 037000；4.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003）

煤礦井下粉塵是礦井七大災(zāi)害之一，綜采面內(nèi)工作人員因長(zhǎng)期接觸煤塵，采煤機(jī)司機(jī)及工作面工作人員成為煤礦生產(chǎn)中易患?jí)m肺病的受害群體，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響[1-3]。根據(jù)《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》精神，依據(jù)《職業(yè)病防治法》，軒崗煤電公司劉家梁礦對(duì)2214綜采工作面采煤機(jī)截割產(chǎn)塵治理進(jìn)行試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵是工作面第一大塵源，采煤機(jī)司機(jī)工作區(qū)域內(nèi)粉塵濃度最高可達(dá)到5 000 mg/m3以上[4]，距離煤礦工人職業(yè)病防治的達(dá)標(biāo)要求相差甚遠(yuǎn)，是采煤機(jī)司機(jī)易患?jí)m肺病的決定原因。近年來(lái)，數(shù)值模擬計(jì)算成功地被應(yīng)用于井下采掘工作面采掘機(jī)械附近風(fēng)流流場(chǎng)分布的模擬，時(shí)訓(xùn)先、蔣仲安等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M工作面巷道分析得出綜采工作面粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律；周剛等[6]針對(duì)大采高綜采面開(kāi)展了呼吸性粉塵運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬分析研究；Ting Ren,Zhongwei Wang等人[7]分析采掘工作面、煤倉(cāng)頂部運(yùn)輸長(zhǎng)廊中的風(fēng)流場(chǎng)和煤塵行為，較傳統(tǒng)分析方法更為直觀、形象、易于理解。因此，應(yīng)用fluent軟件[8]的數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析，掌握劉家梁煤礦2214綜采面截割產(chǎn)塵運(yùn)移及分布。

1 綜采工作面采煤機(jī)割煤時(shí)的產(chǎn)塵運(yùn)移模型

1.1 模型及網(wǎng)格劃分

粉塵靠氣流運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的，風(fēng)流流動(dòng)攜帶著粉塵進(jìn)行運(yùn)移。忽略了除重力外的其它力的作用，采煤機(jī)滾筒出來(lái)的粉塵是一次塵化氣流作用，工作面的通風(fēng)是二次塵化作用的氣流，二次塵化作用的氣流是粉塵運(yùn)移的主體[9]，故假設(shè)通風(fēng)氣流為定常三維不可壓縮黏性流動(dòng)；工作面內(nèi)設(shè)備眾多且布置密集，風(fēng)流呈現(xiàn)高湍流效應(yīng)流動(dòng)，是導(dǎo)致粉塵橫向運(yùn)移的主導(dǎo)因素，為充分考慮近壁面及湍流漩渦情況，選取RNG k-ε型湍流模型；利用Reynolds時(shí)均化的方法使湍流模型封閉，將通風(fēng)的氣流速度變量轉(zhuǎn)化為時(shí)均分量和瞬時(shí)脈動(dòng)量，展現(xiàn)湍流運(yùn)動(dòng)[10-12]。采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)塵在工作面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，屬氣固兩相流問(wèn)題，需考慮通風(fēng)氣流對(duì)粉塵顆粒運(yùn)移的影響，著重分析相間耦合，選擇離散相模型，在Euler坐標(biāo)系下計(jì)算風(fēng)流場(chǎng)獲得其速度、壓力、湍流動(dòng)能等信息，在Lagrange坐標(biāo)系下進(jìn)行耦合計(jì)算，對(duì)顆粒進(jìn)行積分，得到綜采面粉塵運(yùn)移及分布情況。

劉家梁礦2214綜采面平均走向長(zhǎng)560 m，平均傾斜長(zhǎng)130 m，煤層厚度4.79～5.85 m，采用“U”型全負(fù)壓通風(fēng)。利用SolidWorks軟件建立劉家梁礦2214綜采面采煤機(jī)直行割煤至中部時(shí)的瞬態(tài)物理模型，模型總尺寸為60.00 m×4.32 m×3.50 m，根據(jù)不同網(wǎng)格劃分技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)行組合網(wǎng)格劃分[13]，92%的網(wǎng)格其質(zhì)量達(dá)到0.8以上，可較好的顯示物理模型幾何征，滿(mǎn)足離散相計(jì)算要求。

1.2 主要邊界條件設(shè)定

合理的邊界條件能夠防止流場(chǎng)發(fā)散，加速計(jì)算速度，同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的合理性，主要邊界條件設(shè)置有入口風(fēng)速及粉塵源。

1）入口風(fēng)速。綜采面實(shí)際風(fēng)速受風(fēng)流阻礙作用自機(jī)道、檢修道、人行道依次減小，自頂?shù)装逑蚬ぷ髅嬷虚g區(qū)域風(fēng)速不斷增大[14-15]，為保證采煤機(jī)截割產(chǎn)塵點(diǎn)處空氣流動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際相符，在2214綜采面采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)25 m處機(jī)道、檢修道、人行道內(nèi)均勻取點(diǎn)，高度分別為1.5、2.0、2.5 m進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)編制入口風(fēng)速的Profile文件。

2）粉塵源。粉塵顆粒是數(shù)值模擬中主要觀察及研究部分，其影響參數(shù)有質(zhì)量流率、粉塵粒度、塵源初始速度等。根據(jù)采煤機(jī)落煤量、產(chǎn)塵量及粉塵飛揚(yáng)量，可得采煤機(jī)截割產(chǎn)塵量為0.042 kg/m3。粉塵粒度不同，受力后運(yùn)動(dòng)行為表現(xiàn)出明顯差異，其中Rosin-Rammler分布在工程上應(yīng)用最為廣泛，經(jīng)驗(yàn)證明該模型適用于煤的自然破碎情況[16-19]，對(duì)2214綜采工作面割煤工序粉塵分散度進(jìn)行測(cè)定，2214工作面采煤機(jī)割煤工序分散度測(cè)定見(jiàn)表1，將粒徑范圍設(shè)定為1～100μm，粉塵粒度的中位徑為8.75μm。

表1 2214工作面采煤機(jī)割煤工序分散度測(cè)定Table 1 Distribution of cutting coal in 2214 working face

采煤機(jī)滾筒為螺旋葉片結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)時(shí)高速旋轉(zhuǎn)形成渦旋風(fēng)流，將粉塵不斷地甩向工作面空間，將渦旋風(fēng)流在滾筒處的旋轉(zhuǎn)線(xiàn)速度和軸向速度視為粉塵顆粒離開(kāi)塵源的初始速度[17]，且為一次塵化氣流速度。前后滾筒旋轉(zhuǎn)方向不同，產(chǎn)生的渦旋風(fēng)流切向速度相反，且同一滾筒不同位置的切向速度不同，故將滾筒簡(jiǎn)化為4個(gè)具有不同速度分量的粉塵源，以前滾筒為例，采煤機(jī)前滾筒塵源示意圖如圖1。圖中：A、B、C、D為位于滾簡(jiǎn)處的4個(gè)噴射源；ν1為粉塵顆粒旋轉(zhuǎn)線(xiàn)速度；ν2為粉塵顆粒軸向速度。

圖1 采煤機(jī)前滾筒塵源示意圖Fig.1 Dust source in front of shearer drum

2 采煤機(jī)割煤產(chǎn)生粉塵的數(shù)值模擬

2.1 采煤機(jī)割煤產(chǎn)生粉塵的運(yùn)移分析

截割產(chǎn)塵離開(kāi)滾筒后即一次氣流與工作面通風(fēng)的二次氣流相擾動(dòng)，同時(shí)存在橫向運(yùn)移及縱向運(yùn)移，截割產(chǎn)塵運(yùn)動(dòng)軌跡俯視圖如圖2。

圖2 截割產(chǎn)塵運(yùn)動(dòng)軌跡俯視圖Fig.2 The top view of cutting dust particle lines

由圖2可知，大部分集中在煤壁附近和機(jī)道空間運(yùn)動(dòng)，部分運(yùn)移至檢修道和人行道；對(duì)比圖2（a）和圖2（b），前、后滾筒產(chǎn)塵橫向運(yùn)移分布范圍差異較大，后滾筒產(chǎn)塵短距離內(nèi)無(wú)明顯橫向運(yùn)移，但前滾筒產(chǎn)塵在機(jī)身范圍內(nèi)已經(jīng)完成向采煤機(jī)司機(jī)工作區(qū)域及人行道空間的橫向運(yùn)移，其原因在于前滾筒割頂煤而后滾筒割底煤，前滾筒割煤下落高度較大，產(chǎn)塵受風(fēng)流影響也較大，更易迅速橫向運(yùn)移至采煤機(jī)司機(jī)工作區(qū)域。

選取綜采工作面采煤機(jī)附近各空間中心截面，分析截割產(chǎn)塵的濃度分布，各空間截割產(chǎn)塵粉塵濃度分布云圖如圖3。

圖3 各空間截割產(chǎn)塵粉塵濃度分布云圖Fig.3 Different sections of cutting dust concentration distribution from rib to gob

因采煤機(jī)對(duì)風(fēng)流的阻礙作用，在機(jī)身前斷面處出現(xiàn)風(fēng)流分流及湍流效應(yīng)加劇情況，前滾筒產(chǎn)塵在此處大量向采煤機(jī)司機(jī)工作區(qū)域運(yùn)移，導(dǎo)致粉塵濃度急劇增高；至機(jī)身中部過(guò)程中風(fēng)流分流及橫向湍流效應(yīng)減弱，粉塵縱向擴(kuò)散加劇，且距塵源越遠(yuǎn)粉塵擴(kuò)散范圍越大，粉塵逐漸均勻分布于整個(gè)作業(yè)空間；一次氣流與工作面通風(fēng)的二次氣流相擾動(dòng)橫向上逐漸減弱，呈現(xiàn)自煤壁向人行道空間粉塵濃度逐漸降低的趨勢(shì)。

2.2 不同粒度的粉塵運(yùn)移規(guī)律

綜采面截割粉塵對(duì)工人患?jí)m肺病的影響因素不僅與粉塵濃度較高有關(guān)，而且受粉塵粒度差異的影響。分散度高、細(xì)微粉塵所占比重大導(dǎo)致其長(zhǎng)期漂浮于作業(yè)空間，使作業(yè)人員長(zhǎng)時(shí)間接塵，大幅度增加塵肺病發(fā)病率。粒徑10μm以上粉塵粒度越大粉塵沉降越快，而10μm以下粉塵粒度減小沉降速度急劇下降，尤其在采煤機(jī)機(jī)身附近，一次氣流與工作面通風(fēng)的二次氣流作用流場(chǎng)復(fù)雜、湍流現(xiàn)象嚴(yán)重，粉塵既有橫向運(yùn)動(dòng)又有縱向運(yùn)動(dòng)，很難表現(xiàn)出沉降趨勢(shì)。

統(tǒng)計(jì)了前滾筒產(chǎn)塵在機(jī)身附近各空間不同粒徑粉塵顆粒數(shù)量的比例，機(jī)身附近各空間不同粒徑粉塵顆粒數(shù)量變化如圖4。

圖4 機(jī)身附近各空間不同粒徑粉塵顆粒數(shù)量變化Fig.4 Proportion change of slight cutting dust particle in shearer vicinity

各粒徑粉塵運(yùn)移與分布情況如下：

1）受一次塵化氣流作用割煤產(chǎn)生的渦旋風(fēng)流將不同粒徑粉塵以相同速度拋出，細(xì)微粉塵呈現(xiàn)橫向運(yùn)移現(xiàn)象。粒徑越小的粉塵因其動(dòng)能較小，受二次塵化氣流影響較大，導(dǎo)致采煤機(jī)附近自煤壁至人行道空間細(xì)微粉塵數(shù)量急劇減小，大部分集中于煤壁及機(jī)道空間內(nèi)，粒徑<2μm、2～5μm、5～10μm的粉塵顆粒數(shù)量均超過(guò)70%。

2）粉塵在二次塵化氣流作用下沿工作面運(yùn)移，粉塵粒徑與受湍流影響呈現(xiàn)的擴(kuò)散趨勢(shì)呈反比，細(xì)微粉塵離開(kāi)塵源后逐漸擴(kuò)散，沿程粒徑<2μm、2～5 μm的粉塵所占比例均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，說(shuō)明擴(kuò)散逐漸加劇，采煤機(jī)司機(jī)工作區(qū)域所占比重最高達(dá)到15%左右，危害即為嚴(yán)重。

3）細(xì)微粉塵在機(jī)身前端面至機(jī)身中心的運(yùn)移過(guò)程中，機(jī)道及煤壁空間各粒徑粉塵數(shù)量降幅均超過(guò)10%，因受湍流效應(yīng)影響極難沉降，采煤機(jī)司機(jī)工作區(qū)域成為主要擴(kuò)散空間；對(duì)比機(jī)道空間各粒徑粉塵數(shù)量比重變化幅度，機(jī)身中心處降幅最大為15%，說(shuō)明產(chǎn)塵點(diǎn)至機(jī)身中心為粉塵快速擴(kuò)散區(qū)。

采煤機(jī)司機(jī)工作區(qū)域不同地點(diǎn)粉塵分散度變化如圖5。可以看出：在前機(jī)身端面處粒徑10μm以上粉塵所占比例較高，經(jīng)快速擴(kuò)散區(qū)后，粒徑10μm以上粉塵比例迅速下降，粒徑5μm以下粉塵比例快速上升，危害逐漸加??；至后端面時(shí)粒徑小于5 μm粉塵占比超過(guò)50%，其中粒徑2μm以下致病重的粉塵占比超過(guò)20%，整體看來(lái)，粉塵分散度不斷升高，治理難度逐漸加大。

圖5 采煤機(jī)司機(jī)工作區(qū)域不同地點(diǎn)粉塵分散度變化Fig.5 Cutting dust dispersion change of different locations in shearer operator zone

3 粉塵濃度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及對(duì)比

結(jié)合2214工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)檢修道呼吸帶高度粉塵濃度進(jìn)行測(cè)量，選取前滾筒中心、前端面、機(jī)身中心、后端面、后滾筒中心及下風(fēng)側(cè)5～25 m等共10個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)3個(gè)樣本數(shù)據(jù)的平均值與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，檢修道空間呼吸帶高度粉塵濃度對(duì)比如圖6。

圖6 檢修道空間呼吸帶高度粉塵濃度對(duì)比Fig.6 Dust concentration comparison in sidewalk breathing zone

從圖6可知，在機(jī)身前端面處，采煤機(jī)司機(jī)工作區(qū)域粉塵濃度迅速升高，至機(jī)身中心達(dá)到最大值，至后滾筒中心處粉塵濃度降至最低，濃度峰值影響范圍較廣；粉塵在采煤機(jī)后方沿程運(yùn)動(dòng)時(shí)，后滾筒截割產(chǎn)塵不斷擴(kuò)散，濃度逐漸升高?？傮w來(lái)看，采煤機(jī)機(jī)身附近粉塵濃度分布規(guī)律的數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差在可接受范圍內(nèi)，說(shuō)明數(shù)值模擬2214綜采工作面截割產(chǎn)塵形成的一次塵化氣流在采煤機(jī)機(jī)身附近的運(yùn)移一定程度上可以描述和代表現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。但是，在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)粉塵濃度明顯大于數(shù)值模擬結(jié)果，原因在于緊隨采煤機(jī)后方的支架移架產(chǎn)塵運(yùn)移的影響增大，而數(shù)值模擬中未考慮移架產(chǎn)塵。

4 結(jié)論

1）截割產(chǎn)塵離開(kāi)塵源后主要沿著風(fēng)流方向運(yùn)移，同時(shí)存在橫向運(yùn)移。由于雙滾筒采煤機(jī)割煤時(shí)都采用前滾筒割頂煤后滾筒割底煤的工藝，造成前滾筒割煤下落高度較后滾筒大，產(chǎn)塵受設(shè)備布置和強(qiáng)湍流風(fēng)流的影響也較大，更易迅速橫向運(yùn)移至采煤機(jī)司機(jī)工作區(qū)域，應(yīng)是粉塵控制的重點(diǎn)。

2）前滾筒產(chǎn)塵在機(jī)身前端面處迅速運(yùn)移至工作面整個(gè)通風(fēng)斷面，在采煤機(jī)司機(jī)工作區(qū)域形成濃度峰值，且在向后滾筒運(yùn)移過(guò)程中，不斷向整頂?shù)装宸较蜻\(yùn)移，在機(jī)身附近完成從局部向整個(gè)工作面的運(yùn)移擴(kuò)散。

3）前滾筒產(chǎn)塵在機(jī)身附近運(yùn)移時(shí)，10μm以下粉塵向采煤機(jī)司機(jī)工作區(qū)域運(yùn)移現(xiàn)象明顯，5μm以下致病粉塵運(yùn)移現(xiàn)象嚴(yán)重，是導(dǎo)致采煤機(jī)司機(jī)易患?jí)m肺病的重要因素。

4）工作面通風(fēng)的二次氣流是粉塵運(yùn)移的主要能源，采取采煤機(jī)割煤處除塵是今后除塵的重中之重，即采用采煤機(jī)滾筒處的除塵可使?jié)L筒的一次氣流與工作面通風(fēng)的二次氣流分開(kāi)，避免滾筒的一次氣流與工作面通風(fēng)的二次氣流相互作用，又避免了工作面通風(fēng)的二次氣流將帶到下風(fēng)流的場(chǎng)所。