李勇，張凱，史紀(jì)飛，閆濤，王亮

(1.國(guó)能億利能源有限責(zé)任公司黃玉川煤礦， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯市 017000; 2.山東科技大學(xué)， 山東 青島市 266590)

0 引言

隨著煤炭機(jī)械化作業(yè)程度的進(jìn)一步加大，開(kāi)采過(guò)程中煤碳顆粒破碎引起的粉塵量也在不斷加大。掘進(jìn)工作面是主要的產(chǎn)塵源，粉塵含量的加大，對(duì)安全生產(chǎn)以及工人健康構(gòu)成了極大的威脅，實(shí)踐表明，在不采取任何除塵措施的情況下，掘進(jìn)面作業(yè)時(shí)粉塵濃度可達(dá)3500 mg/m3，已經(jīng)嚴(yán)重超出了安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。由于礦井下環(huán)境條件的特殊性，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試很難全面地研究風(fēng)流和粉塵在井下巷道的運(yùn)移規(guī)律，但隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，一些現(xiàn)場(chǎng)難以測(cè)定的規(guī)律可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，這為研究風(fēng)速以及粉塵在巷道內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律提供了重要參考依據(jù)[3-5]。

本文運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件FLUENT對(duì)巷道內(nèi)壓入式通風(fēng)條件進(jìn)行仿真模擬，得出巷道內(nèi)風(fēng)速以及粉塵的運(yùn)移情況，并得到壓風(fēng)管道最優(yōu)的布置高度以及最優(yōu)的出風(fēng)口距掘進(jìn)面距離，以達(dá)到最優(yōu)的除塵效果。

1 工作面概述及模型構(gòu)建

1.1 物理模型搭建

以葫蘆素21404掘進(jìn)面為研究對(duì)象，21404工作面運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過(guò)程中主要用于煤炭運(yùn)輸、設(shè)備 備檢修及通風(fēng)行人，在回采期間主要用于煤炭運(yùn)輸、通風(fēng)。21404工作面運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)巷寬5.4 m，高度為3.8 m，選用MB670/265 型掘錨機(jī)一次成巷掘進(jìn)，由于巷道粉塵主要分布在距離掌子面50 m范圍內(nèi)，因此對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，巷道模型尺寸設(shè)定上底為3.8 m，下底為5.4 m，高為3.8 m，長(zhǎng)度為50 m的梯形截面巷道，通風(fēng)管道直徑為1 m，內(nèi)置掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)巷道模型

1.2 數(shù)學(xué)模型搭建

掘進(jìn)巷道粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡是多種外界因素作用的結(jié)果，因其數(shù)量級(jí)較小，期間所受的力可以簡(jiǎn)化為流體的阻力、自身的重力以及自身的浮力，其他因素可以忽略不計(jì)。一般將粉塵沿著巷道的擴(kuò)散簡(jiǎn)化為等強(qiáng)度源一維縱向擴(kuò)散，從某一時(shí)刻在產(chǎn)塵面加入粉塵顆粒[6-8]，其擴(kuò)散方程為：

式中，ρ為粉塵平均質(zhì)量濃度，mg/m3；v為平均速 度，m/s；K為綜合擴(kuò)散系數(shù)；t為擴(kuò)散時(shí)間，s。

粉塵在空氣中的運(yùn)動(dòng)方程可列為

式中，mP為粉塵總質(zhì)量，kg；v為粉塵與空氣相對(duì)速度，m/s；t為時(shí)間，s；ρP為粉塵密度，kg/m3；gρ為氣體密度，kg/m3；dP為粉塵的粒徑，m；CP為阻力系數(shù)。

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

將建立好的模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本次劃分選擇適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)約為162 460個(gè)，體網(wǎng)格數(shù)約為894 847個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量平均為0.85，質(zhì)量符合計(jì)算要求，網(wǎng)格劃分圖如2所示。

2.2 邊界條件及求解器設(shè)置

模擬巷道粉塵是典型的氣固兩相流，當(dāng)顆粒體積率在10%之內(nèi)，一般采用DPM模型[9-11]。先計(jì)算連續(xù)相，當(dāng)連續(xù)相計(jì)算收斂后，再打開(kāi)離散相，注入粉塵顆粒，繼續(xù)疊代計(jì)算，直至收斂。本次仿真連續(xù)相計(jì)算300步后，打開(kāi)離散型注入顆粒，分別在計(jì)算注入顆粒后5，20，40 s的粉塵分布情況。 根據(jù)現(xiàn)有資料以及工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)邊界體條件，連續(xù)相計(jì)算模型、離散相計(jì)算模型及沉源設(shè)置，見(jiàn)表1至表3。

圖2 網(wǎng)格劃分

表1 邊界條件

表2 連續(xù)相計(jì)算模型設(shè)置

表3 離散相模型及沉源設(shè)置

3 仿真結(jié)果分析

3.1 風(fēng)流場(chǎng)分布結(jié)果

將仿真結(jié)果導(dǎo)入后處理軟件CFD-Post中，得到壓風(fēng)筒通風(fēng)后風(fēng)流場(chǎng)的分布情況，為清晰直觀地觀察風(fēng)流場(chǎng)的分布情況，分別取其不同巷道高度平面速度云圖進(jìn)行觀察。如圖3所示，從下到上依次為巷道高度為1，1.5，2，2.5，3，3.5 m的平面風(fēng)速云圖，2.5 m高處風(fēng)速矢量圖見(jiàn)圖4。

由圖3、圖4可以看出，高速風(fēng)流從壓風(fēng)筒噴射而出，直接射向掘進(jìn)面，形成了典型的高速貼壁射流。當(dāng)高速風(fēng)流射向壁面后，風(fēng)速方向開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)變，在風(fēng)速轉(zhuǎn)向過(guò)程中，一部分風(fēng)速流向回風(fēng)區(qū)，并繼續(xù)往巷道出口方向繼續(xù)流動(dòng)，另一部分風(fēng)流會(huì)跟隨高速風(fēng)射流繼續(xù)轉(zhuǎn)向掘進(jìn)面，在掘進(jìn)機(jī)以及壓風(fēng)口處形成渦旋區(qū)，在靠近掘進(jìn)機(jī)和巷道角落交匯處，風(fēng)速基本不流動(dòng)，因此粉塵也不易排出，容易在此處位置積聚。

圖3 巷道不同高度風(fēng)流場(chǎng)速度云圖

圖4 風(fēng)速矢量圖

3.2 風(fēng)筒高度對(duì)粉塵分布的影響

當(dāng)連續(xù)相計(jì)算結(jié)果收斂后，打開(kāi)離散相加入粉塵源，分別計(jì)算加入粉塵通風(fēng)5，20，40 s后巷道粉塵分布情況。其他影響因素不變，對(duì)通風(fēng)管道布置高度進(jìn)行不同取值，分別取高度為2.2，2.5，3 m進(jìn)行數(shù)值模擬，得到粉塵分布情況見(jiàn)圖5至圖14。

由圖5、圖8、圖11可知，無(wú)論通風(fēng)筒高度布 置情況如何，在加入粉塵通風(fēng)5 s時(shí)，粉塵會(huì)布滿掘進(jìn)機(jī)回風(fēng)側(cè)處，這與現(xiàn)場(chǎng)情況也較為符合。隨著時(shí)間的推移，粉塵隨著風(fēng)流開(kāi)始往掘進(jìn)機(jī)后方移動(dòng)，當(dāng)通風(fēng)20 s后，粉塵基本運(yùn)移到掘進(jìn)機(jī)后方10 m后，當(dāng)通風(fēng)40 s后，粉塵基本移動(dòng)到距離工作面30 m處，此時(shí)工作面處粉塵基本已經(jīng)排走，粉塵含量較低。由圖5～圖13可以看出，當(dāng)通風(fēng)筒布置高度為2.5 m時(shí)，盡管巷道個(gè)別地方粉塵濃度相比于2.2，3 m的布置高度高一點(diǎn)，但是無(wú)論是在通風(fēng)5，20，40 s時(shí)，粉塵的運(yùn)移速度都是相對(duì)較快的，這有利于掘進(jìn)過(guò)程中粉塵的及時(shí)排除，還可以減小工作面處粉塵含量，提高工人工作環(huán)境質(zhì)量，因此，風(fēng)筒高度布置為2.5 m較為合理。

圖5 高度2.2 m通風(fēng)5 s粉塵分布

圖6 高度2.2 m通風(fēng)20 s粉塵分布

圖7 高度2.2 m通風(fēng)40 s粉塵分布

圖8 高度2.5 m通風(fēng)5 s粉塵分布

圖9 高度2.5 m通風(fēng)20 s粉塵分布

圖10 高度2.5 m通風(fēng)40 s粉塵分布

圖11 高度3 m通風(fēng)5 s粉塵分布

圖12 高度3 m通風(fēng)20 s粉塵分布

圖13 高度3 m通風(fēng)40 s粉塵分布

3.3 壓風(fēng)筒出口距掘進(jìn)面距離對(duì)粉塵分布的影響

將風(fēng)筒高度設(shè)置為2.5 m，調(diào)整風(fēng)筒出風(fēng)口與掘進(jìn)面的距離，分別設(shè)置距離為12，10，8，5 m進(jìn)行模擬，分別得到加入粉塵通風(fēng)40 s后的粉塵分布如圖14至圖17所示。

圖14 距掘進(jìn)面12 m粉塵分布

圖17 距掘進(jìn)面5 m粉塵分布

由圖14和圖15可以看出，當(dāng)通風(fēng)口距離掘進(jìn)面太遠(yuǎn)時(shí)，風(fēng)筒最佳的射流區(qū)域無(wú)法到達(dá)掘進(jìn)面，并且在掘進(jìn)機(jī)附近產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，因此，粉塵在掘進(jìn)面附近排出較慢，甚至無(wú)法排出。由圖16可以看出，當(dāng)通風(fēng)口距離掘進(jìn)面8 m時(shí)，此時(shí)掘進(jìn)面在風(fēng)筒的最佳射流區(qū)域內(nèi)，此時(shí)粉塵運(yùn)移速度快，能夠及時(shí)排出巷道。由圖17看出，當(dāng)距離為5 m時(shí)，粉塵運(yùn)移速度較快，但是風(fēng)筒口距離掘進(jìn)面太近， 使得粉塵產(chǎn)生粉塵團(tuán)聚集在風(fēng)筒口處，同時(shí)有可能會(huì)產(chǎn)生二次揚(yáng)塵現(xiàn)象，因此風(fēng)筒出口距離掘進(jìn)面7～8 m較為合適。

圖15 距掘進(jìn)面10 m粉塵分布

圖16 距掘進(jìn)面8 m粉塵分布

4 結(jié)論

（1）掘進(jìn)巷道布置壓入式通風(fēng)管道后，高速風(fēng)流射向掘進(jìn)面，然后風(fēng)流發(fā)生轉(zhuǎn)向流向回風(fēng)側(cè)，掘進(jìn)機(jī)附近風(fēng)流較為紊亂，會(huì)有渦旋產(chǎn)生，距離掘進(jìn)機(jī)后方10 m后，風(fēng)流逐步穩(wěn)定并流向巷道出口。

（2）在掘進(jìn)面粉塵產(chǎn)生5 s內(nèi)，粉塵便會(huì)遍布掘進(jìn)機(jī)附近，通風(fēng)20 s后粉塵基本運(yùn)移到距離掘進(jìn)面20 m處，通風(fēng)40 s后粉塵基本運(yùn)移到巷道35 m處后，因此，掘進(jìn)巷道布置通風(fēng)管道非常有利于粉塵及時(shí)排出巷道。

（3）當(dāng)壓風(fēng)筒布置高度為2.5 m，風(fēng)筒出口距離掘進(jìn)面8 m時(shí)，巷道內(nèi)的粉塵排出速度較快，達(dá)到最優(yōu)的除塵布置，能夠盡可能地減少工作面粉塵濃度，給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供一定參考，減少作業(yè)環(huán)境可能對(duì)工人產(chǎn)生的危害。