施展 趙藝菲 張子屹 方磊

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，中國(guó)·北京 100000

1 引言

煤礦作為中國(guó)的主體能源，在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)上占有重大比例，這也確立了煤在中國(guó)能源無(wú)可替代的地位。近年來(lái)，隨著科技進(jìn)步，社會(huì)的發(fā)展，國(guó)家能源的需求日益增大，這也給煤礦的開采使用提出了巨大的任務(wù)。

2 煤礦粉塵濃度超標(biāo)背景下的治理方法

在這種背景下，煤礦井下生產(chǎn)效率大幅提高的同時(shí)也導(dǎo)致局部粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)。作為礦井高產(chǎn)塵地點(diǎn)的掘進(jìn)工作面，在煤礦開采的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生高濃度的局部粉塵，濃度高達(dá)1000mg/m3以上。就目前來(lái)看，煤礦的粉塵已經(jīng)成為中國(guó)最大的職業(yè)危害之一。第一，高濃度的粉塵第一會(huì)嚴(yán)重威脅工人的身心健康，長(zhǎng)期吸入高濃度的粉塵會(huì)誘發(fā)塵肺病等高危險(xiǎn)職業(yè)病。同時(shí)，高濃度的粉塵也會(huì)加速機(jī)械的磨損，縮短機(jī)械的使用壽命，大大增加了煤礦的生產(chǎn)成本。第二，在高濃度的粉塵環(huán)境中，存在煤塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，易造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，造成人員與財(cái)產(chǎn)的損失。因此，在此類嚴(yán)峻形勢(shì)的推動(dòng)下，如何防治礦井煤塵，減少其對(duì)于礦井生產(chǎn)的影響，已經(jīng)成為了當(dāng)下煤礦行業(yè)急需研究的重點(diǎn)問(wèn)題[1]。

目前，在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中主要的防塵、降塵方法主要有通風(fēng)除塵、煤層注水、噴霧降塵、泡沫除塵等。為取得更好的除塵效果，進(jìn)一步了解掘進(jìn)工作面粉塵的運(yùn)移規(guī)律和時(shí)空分布，是能否實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面高效除塵的基礎(chǔ)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，掘進(jìn)工作面往往是一條獨(dú)頭巷道，通風(fēng)系統(tǒng)一般是由礦用局部通風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒組成的，其作用是引入進(jìn)風(fēng)巷道內(nèi)的新鮮風(fēng)流對(duì)掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行稀釋和排出。通風(fēng)風(fēng)速和粉塵粒徑對(duì)獨(dú)頭巷道中煤塵的運(yùn)移、分布、排出產(chǎn)生巨大影響。

3 建立模型

模型以實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)煤礦掘進(jìn)工作面為對(duì)象，根據(jù)掘進(jìn)工作面的實(shí)際情況，進(jìn)行構(gòu)建模型，并進(jìn)行一定簡(jiǎn)化處理，再利用FLUENT流體仿真軟件，利用DPM模型模擬獨(dú)頭巷道掘進(jìn)工作面煤塵顆粒在不同風(fēng)速下的運(yùn)動(dòng)軌跡與分布狀況。為了更加合理地模擬掘進(jìn)工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，在數(shù)值模擬之前進(jìn)行了一定的假設(shè)。

①巷道內(nèi)大氣溫度濕度相對(duì)穩(wěn)定，忽略溫濕度變化造成的影響。

②忽略重力作用造成的空氣流速變化。

③將粉塵顆粒視為密度相同的球體。

④忽略顆粒之間的作用，考慮顆粒與壁面的碰撞。

4 設(shè)定邊界條件與模型參數(shù)

設(shè)定掘進(jìn)工作面工作時(shí)粉塵產(chǎn)生量為0.006kg/s，在模擬過(guò)程中粉塵微粒以恒定的質(zhì)量率0.006kg·s-1流入巷道內(nèi)。在此仿真分析中，粉塵顆粒的粒徑服從Rosin-Rammler分布，粉塵粒徑范圍在1.8×10-6～1×10-4，1.15×10-5平均粒徑，其他具體參數(shù)如表1所述。

表1 模型參數(shù)

5 使用模型

工作面粉塵運(yùn)移、擴(kuò)散以及分布問(wèn)題屬于多相流問(wèn)題中的氣固兩相流問(wèn)題。離散相模型（DPM——Discrete Phase Model），F(xiàn)luent中對(duì)氣固兩相顆粒流問(wèn)題的模擬，主要采用其自帶的離散相模型（DPM——Discrete Phase Model）。此模型是以歐拉—拉格朗日方法為基礎(chǔ)建立的[2]。其把流體作為連續(xù)介質(zhì)，在歐拉坐標(biāo)系內(nèi)加以描述，對(duì)此連續(xù)相求解輸送方程，而把粉塵顆粒群作為離散體系，通過(guò)積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來(lái)求解離散相顆粒的軌道，可以計(jì)算出這些顆粒的軌道以及由顆粒引起的熱量/質(zhì)量傳遞。

同時(shí)，在計(jì)算中，相間耦合以及耦合結(jié)果對(duì)離散相軌道、連續(xù)相流動(dòng)的影響均可考慮進(jìn)去。當(dāng)計(jì)算顆粒的軌道時(shí)，F(xiàn)luent跟蹤計(jì)算顆粒沿軌道的熱量、質(zhì)量、動(dòng)量的得到與損失，這些物理量可作用于隨后的連續(xù)相的計(jì)算中去。于是，在連續(xù)相影響離散相的同時(shí)，也可以考慮離散相對(duì)連續(xù)相的作用。交替求解離散相與連續(xù)相的控制方程，直到二者均收斂（二者計(jì)算解不再變化）為止，這樣就實(shí)現(xiàn)了雙向耦合計(jì)算，從而得到工作面的壓力場(chǎng)、風(fēng)流速度場(chǎng)、每個(gè)位置粉塵粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及粉塵的濃度分布。

6 模擬結(jié)果與分析

6.1 模型的構(gòu)建

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10m/s。通過(guò)fluent仿真模擬分析，得到了粉塵隨時(shí)間的運(yùn)移規(guī)律及時(shí)空變化。

隨著時(shí)間的推移，粉塵顆粒在巷道中隨氣流不斷擴(kuò)散，直至充滿巷道。同時(shí)，在巷道內(nèi)的粉塵分布是隨著風(fēng)流變化而變化，在粉塵在2s時(shí)開始產(chǎn)生，粉塵在通風(fēng)筒風(fēng)流作用下偏移原本的運(yùn)動(dòng)方向，向一側(cè)集中，形成高濃度地區(qū)。新鮮風(fēng)流從送風(fēng)筒中流出后由巷道后方排出，將新鮮空氣污染形成污風(fēng)，同時(shí)巷道內(nèi)的粉塵濃度也不斷上升，使工作面環(huán)境變差。在巷道中間位置形成一個(gè)較窄的污染面，粉塵在其位置集中在通風(fēng)風(fēng)筒的對(duì)側(cè)，而在風(fēng)筒附件粉塵濃度較低[3]。

6.2 粉塵顆粒大小對(duì)于巷道內(nèi)粉分布的影響

模型中粉塵顆粒的粒徑服從Rosin-Rammler分布，改變掘進(jìn)工作面產(chǎn)生顆粒的粒徑平均值，從而得到不同顆粒粒徑對(duì)粉塵運(yùn)移的影響，分別改變模型中粉塵顆粒的粒徑為2×10-5和5×10-5。

6.3 送風(fēng)風(fēng)速對(duì)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7m/s、10m/s、13m/s，分析送風(fēng)筒風(fēng)流出口速度對(duì)獨(dú)頭巷道內(nèi)掘進(jìn)產(chǎn)生粉塵顆粒濃度隨時(shí)間變化狀況，設(shè)粉塵顆粒進(jìn)入巷道內(nèi)的速度為0，由掘進(jìn)壁面上的圓形區(qū)域內(nèi)對(duì)外噴出，噴出的粉塵量保持固定為0.006kg/s，保持恒定。

掘進(jìn)工作面面風(fēng)速不變的作用下，越靠近掘進(jìn)面，粉塵濃度有先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谙锏狼岸耍蹓m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能在風(fēng)速較大的情況下隨著風(fēng)流運(yùn)移，但是隨著風(fēng)流向巷道后方流動(dòng)，有效斷面增大，巷道內(nèi)的風(fēng)速逐漸減小，粒徑較大的粉塵因?yàn)樽陨碇亓^大，在自身重力作用下發(fā)生沉降，巷道后方粉塵濃度逐漸降低。對(duì)比于同一距離下不同送風(fēng)風(fēng)速的粉塵濃度分布發(fā)現(xiàn)，送風(fēng)速度越大，巷道后方的粉塵濃度卻越小。在靠近掘進(jìn)面位置，7m/s時(shí)的粉塵濃度與13m/s的粉塵濃度都大于10m/s，因此對(duì)于風(fēng)速過(guò)大或過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致粉塵在掘進(jìn)面處加快傳播，造成污染面增大。

粉塵主要集中在巷道的中下部且在平面區(qū)域呈三角形，隨著與出口距離的增加，粉塵擴(kuò)散加劇。在風(fēng)速為7m/s時(shí)粉塵大量在巷道內(nèi)積聚，粉塵無(wú)法快速排出，造成環(huán)境快速惡化，嚴(yán)重危害掘進(jìn)作業(yè)的安全生產(chǎn)與工作人員的身心健康。當(dāng)送風(fēng)速度增加到10m/s時(shí)，氣流對(duì)粉塵顆粒的曳力增加，模擬結(jié)果中顯示為紅色的高濃度粉塵區(qū)域面積減少，表明此時(shí)的掘進(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13m/s時(shí)，氣流對(duì)粉塵顆粒的曳力加強(qiáng)使其能夠起到主要作用，顆粒受到風(fēng)流的作用大于其他力，使其定向朝逃離方向在掘進(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)。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(shí)間，降低巷道內(nèi)粉塵濃度。

7 結(jié)語(yǔ)

論文利用Euler-Lagrange模型，探討了掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵粒徑和不同送風(fēng)速度兩個(gè)影響因素對(duì)巷道內(nèi)粉塵顆粒運(yùn)移規(guī)律及分布進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析。研究結(jié)果表明：粉塵粒徑越小，擴(kuò)散作用越強(qiáng)，易在航帶內(nèi)擴(kuò)散，形成多處高濃度區(qū)域，不利于粉塵防治。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7m/s時(shí)，粉塵在掘進(jìn)機(jī)前端積聚，粉塵無(wú)法及時(shí)排出。當(dāng)增大送風(fēng)速度時(shí)，由于風(fēng)流對(duì)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(shí)間。同時(shí)，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，控制煤塵粒徑大小可以改變粉塵擴(kuò)散的范圍及高濃度區(qū)域分布，提高工作面送風(fēng)速度能夠快速有效的排出巷道內(nèi)的粉塵，降低巷道內(nèi)粉塵濃度，保證安全生產(chǎn)，減少工人患?jí)m肺病的概率，提高生產(chǎn)效率。但在生產(chǎn)過(guò)程中，要注意風(fēng)速應(yīng)當(dāng)選取最優(yōu)值防止產(chǎn)生二次揚(yáng)塵，同時(shí)要采取多種措施控制其產(chǎn)生煤塵的粒徑，增強(qiáng)除塵效率，同時(shí)提高一線工人工作中的舒適度[4]。