夏 潤(rùn)，凌標(biāo)燦，李文生，王素云

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 地質(zhì)資源部，山西 030000)

0 引言

綜掘工作面粉塵治理是煤礦安全生產(chǎn)的主要難題之一，高濃度粉塵不僅影響井下作業(yè)環(huán)境且對(duì)操作者的身體健康也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重傷害作用，并且煤炭行業(yè)塵肺病患病對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也產(chǎn)生消極影響[1]。因此,對(duì)綜掘治理工作等方面的一些粉塵問(wèn)題進(jìn)行有效的粉塵治理措施是非常十分有必要的。

程衛(wèi)民等學(xué)者在數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)上，對(duì)掘進(jìn)面粉塵分布和運(yùn)移規(guī)律做了模擬分析粉塵濃度在掘進(jìn)面不規(guī)則運(yùn)移情況[2]；近年來(lái)，蔣仲安更是對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。目前，煤礦井下掘進(jìn)過(guò)程多采用的是單一壓入式通風(fēng)方式進(jìn)行降塵，這種方式可以有效減少粉塵在操作環(huán)境的污染擴(kuò)散問(wèn)題[3]，但是壓入式通風(fēng)除塵也會(huì)存在粉塵聚集嚴(yán)重，不容易擴(kuò)散的弊端。相對(duì)壓入式通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，混合式通風(fēng)除塵系統(tǒng)效率更高[4]。

本文以中煤大同能源塔山煤礦在3-5#煤層綜掘面為研究背景，采用平硐開(kāi)拓方式，以一個(gè)工作面達(dá)產(chǎn)。煤層一般厚度15.72～26.77 m,平均17.93 m,含煤的夾層煤矸一般厚度為5～11層。掘進(jìn)斷面寬度5600 mm，高4000 mm，毛斷面面積22.4 m2；凈斷面寬度5400 mm，高3900 mm，凈斷面面積21.06 m2。根據(jù)實(shí)際情況將該礦綜掘巷道簡(jiǎn)化為矩形巷道模型。采用歐拉-拉格朗日方法模擬并進(jìn)行分析運(yùn)算，從解算結(jié)果分析獲得最佳通風(fēng)方式。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 離散相模型的確立

在大型掘進(jìn)機(jī)主體掘進(jìn)的制造過(guò)程中,無(wú)法精準(zhǔn)化地確定主體截齒和在截齒切割時(shí)可能產(chǎn)生離散粉塵的具體位置,因此可以假設(shè)離散粉塵源顆粒是由各個(gè)綜掘面均勻的噴射面所產(chǎn)出,且將均勻噴射面的類型也假設(shè)為綜掘面均勻噴射[5],將粉塵碎屑顆粒抽象為離散相,而將風(fēng)流抽象為連續(xù)相,在歐拉-拉格朗日標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下對(duì)每個(gè)離散粉塵碎屑顆粒的風(fēng)流運(yùn)動(dòng)方向軌跡采用方程式可進(jìn)行精準(zhǔn)求解,建立離散相數(shù)學(xué)模型對(duì)井下粉塵的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究。

1.2 理論方程的建立

以N-S方程為基礎(chǔ)建立基于湍流強(qiáng)度及其耗散率的k-ε自由流動(dòng)場(chǎng)方程，分析粉塵在流場(chǎng)中的受力狀況，建立基于粉塵顆粒在拉格朗日坐標(biāo)系中受力平衡的離散相方程，確定求解條件[6-7]。

擴(kuò)散方程：

(1)

式中，t為擴(kuò)散時(shí)間，s；V為平均流速，m/s；K為綜合擴(kuò)散系數(shù)；c為平均粉塵濃度，mg/m3。

動(dòng)量守恒方程：

(2)

能量方程：

(3)

式中，V1為氣流速度，m/s；k為比熱比；ρ1為壓強(qiáng)，Pa；V2為激波后的氣流速度，m/s；k為比熱比；ρ1為激波后壓強(qiáng)，Pa。

粉塵顆粒作用力平衡方程：

(4)

式中，up為粒子運(yùn)動(dòng)加速度,m/s2；dp為固體顆粒運(yùn)動(dòng)直徑,m；C為相對(duì)阻力密度系數(shù),ns/m；ρp為相對(duì)顆粒流體密度,kg/m3；u為顆粒流體相對(duì)加速度，m/s；ρ為顆粒流體密度，kg/m3。

2 幾何模型建立及參數(shù)設(shè)定

2.1 巷道幾何模型建立

掘進(jìn)機(jī)在工作臺(tái)表面主要裝備有皮帶掘進(jìn)機(jī)和傳動(dòng)皮帶等各種掘進(jìn)設(shè)備,考慮到皮帶掘進(jìn)機(jī)內(nèi)部由于粉塵容易擴(kuò)散的周圍區(qū)域較多形狀復(fù)雜,因此對(duì)掘進(jìn)工作臺(tái)表面粉塵容易擴(kuò)散區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化[8]。將內(nèi)部掘進(jìn)粉塵工作面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后成為矩形平面,通風(fēng)口和風(fēng)筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后成為圓柱,忽略內(nèi)部其他因素影響掘進(jìn)粉塵大量運(yùn)移的主要因素[9-10]。采用Gambit軟件建立巷道并簡(jiǎn)化幾何模型，掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)5 m，寬2.5 m，高2.5 m；巷道長(zhǎng)27 m，寬5 m，高2.2 m，壓入式風(fēng)筒長(zhǎng)24 m，直徑為0.6 m；混合式風(fēng)筒抽出式長(zhǎng)24 m，直徑為0.6 m，壓入式長(zhǎng)2 m，直徑為0.6 m。風(fēng)筒中心距離地面1.7 m，距離側(cè)壁2.5 m。網(wǎng)格劃分過(guò)程中，設(shè)置Type為trigd。綜掘面不同通風(fēng)方式網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 壓入式通風(fēng)巷道幾何模型

圖2 混合式通風(fēng)巷道幾何模型

2.2 求解參數(shù)的設(shè)置

在上圖Gambit中對(duì)各個(gè)網(wǎng)格相流進(jìn)行初步模型劃分后,將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到了Fluent中并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置,其中,由于熱空氣固體兩相流之間是完全不可連續(xù)壓縮的,采用非線性耦合隱式相流求解法,而離散相模型可以更精確描述粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡。參數(shù)具體的設(shè)定見(jiàn)表1和表2。

表1 計(jì)算模型設(shè)定

表2 離散相模擬設(shè)定

3 模擬結(jié)果分析

3.1 壓入式通風(fēng)模擬結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)置的條件和物理模型,礦井綜掘工作面不同通風(fēng)條件下風(fēng)流變化情況進(jìn)行研究，得出壓入式空氣速度矢量圖，如圖3所示。為了得到更加清晰的速度漩渦現(xiàn)象，分別選取距離x=1 m、x=3 m、x=5 m,x=14 m、x=22 m、x=27 m與z=1.5 m 的截面對(duì)比圖，對(duì)距離掘進(jìn)面煤巖壁不同距離的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示。

圖3選取x=1 m、x=3 m、x=5 m,x=14 m、x=22 m、x=27 m情況下與y=1.5 m的空氣風(fēng)流速度矢量圖。觀察如圖3可以分析得出,在這種壓入式空氣通風(fēng)呼吸方式下,由于卷風(fēng)呼吸機(jī)的作用，風(fēng)流從風(fēng)筒射出，射流范圍在風(fēng)筒前端變化趨勢(shì)顯著。當(dāng)取x=1 m、x=3 m、x=5 m,x=14 m、x=22 m、x=27 m不同截面進(jìn)行對(duì)比時(shí)候，風(fēng)流主要集中在風(fēng)筒出口區(qū)域，風(fēng)流速度分布及其不均勻。當(dāng)壓入式風(fēng)速固定在11 m/s時(shí)，壓入式風(fēng)筒兩側(cè)的風(fēng)流場(chǎng)及風(fēng)流速度都比較小，而壓風(fēng)筒對(duì)應(yīng)的風(fēng)流速度較大，且相對(duì)兩側(cè)與壓風(fēng)筒對(duì)比來(lái)說(shuō)，壓風(fēng)筒風(fēng)流速度直接會(huì)增加綜掘面粉塵的運(yùn)移速度，從而導(dǎo)致粉塵在風(fēng)筒處聚集過(guò)多而引發(fā)粉塵濃度過(guò)高現(xiàn)象。

圖3 壓入式通風(fēng)除塵Z=1.5與各X截面空氣速度矢量圖

3.2 混合式通風(fēng)模擬結(jié)果分析

3.2.1 混合式風(fēng)流場(chǎng)模擬結(jié)果分析

在混合式通風(fēng)除塵方式中，巷道中新鮮空氣由風(fēng)筒在逐漸進(jìn)入，風(fēng)流在工作過(guò)程中風(fēng)量不斷減少。在巷道工作的迎頭處形成高速的風(fēng)流匯合，進(jìn)入風(fēng)流場(chǎng)前端則形成了少量風(fēng)流，風(fēng)速也隨之不斷變化，而混合式通風(fēng)除塵漩渦現(xiàn)象較為明顯，因此選取距離煤巖壁不同距離x=1 m、x=3 m、x=5 m,x=14 m、x=22 m、x=27 m與z=1.5 m截面圖進(jìn)行對(duì)比分析，得出不同截面距離的風(fēng)流速度矢量圖，如圖4所示。

圖4 混合式通風(fēng)除塵Z=1.5與各X截面下空氣速度矢量圖

圖5選取y=1和y=1.5 m的空氣風(fēng)流速度矢量圖。由圖5分析可以看出來(lái)，在混合是通風(fēng)方式下，速度會(huì)壓入式風(fēng)筒以及混合式風(fēng)筒兩個(gè)出口處形成巨大的漩渦作用，壓風(fēng)筒在向巷道輸入新鮮風(fēng)流的時(shí)候，高速的新鮮風(fēng)流首先流向綜掘工作面，在到達(dá)綜掘工作面后則沿著工作面流向抽風(fēng)筒，在這個(gè)過(guò)程中，大量的污風(fēng)被抽風(fēng)筒抽出，而少量的未被抽風(fēng)筒抽出的風(fēng)流則通過(guò)綜掘巷道流向巷道出口。這部分風(fēng)流在巷道流動(dòng)的過(guò)程中，風(fēng)速逐漸減小。

3.2.2 混合式粉塵場(chǎng)模擬結(jié)果分析

粉塵在Z=1.5 m與x=1 m、x=3 m、x=5 m、x=8 m、x=15 m、x=27 m各截面的粉塵濃度分布如圖6、圖7所示。

圖5 混合式通風(fēng)除塵Z截面空氣速度矢量圖

圖6 混合式除塵Z=1.5與X各截面的粉塵分布圖

圖7 混合式通風(fēng)除塵下掘進(jìn)迎頭不同距離粉塵濃度分布圖

由圖6和圖7可得出，當(dāng)風(fēng)流速度固定在11 m/s 時(shí)，混合式通風(fēng)除塵工作中不同煤巖壁距離的粉塵效果不同，并且風(fēng)流速度是逐漸增加到減少的過(guò)程。巷道距離底板不同距離時(shí)，粉塵濃度變化也不一樣。當(dāng)x=0時(shí)，粉塵濃度最高，此時(shí)濃度最密集，隨著距離不斷增長(zhǎng)，粉塵濃度不斷降低，當(dāng)x=8時(shí)，粉塵濃度降低到最低，并隨著距離持續(xù)降低，當(dāng)x=15時(shí)，此時(shí)粉塵濃度已經(jīng)到達(dá)最低點(diǎn)，并且不會(huì)增長(zhǎng)。

3.3 不同通風(fēng)除塵方式效果分析

數(shù)值模擬后處理分析得出煤礦掘進(jìn)面巷道的中的粉塵濃度分布如圖8所示。

圖8 不同通風(fēng)方式下粉塵濃度分布圖

由圖8分析可知，采用壓入式通風(fēng)除塵方式情況下，掘進(jìn)面巷道粉塵污染的最高值達(dá)到了4500 mg/m3，隨后粉塵在風(fēng)流的作用下降低減少，在距離綜掘面20 m左右仍有小部分?jǐn)U散。采用混合式通風(fēng)除塵方式下，粉塵濃度隨著與工作面距離變化不斷減少，在距離工作面15 m時(shí)，粉塵濃度趨于穩(wěn)定并降低至0。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

按照《綜掘面掘進(jìn)作業(yè)規(guī)程》，抽出除塵系統(tǒng)吸風(fēng)量需大于該集塵系統(tǒng)的風(fēng)量要求，在中煤大同能源塔山煤礦掘進(jìn)巷道中安裝壓入式風(fēng)筒和混合式風(fēng)筒，取15個(gè)測(cè)塵點(diǎn)進(jìn)行，其中第一個(gè)距離工作面5 m，接下來(lái)各間隔5 m，采用兩個(gè)采樣器分別測(cè)定風(fēng)量為270 m3/min時(shí)壓入式和混合式通風(fēng)時(shí)掘進(jìn)巷道粉塵濃度，每個(gè)測(cè)塵點(diǎn)測(cè)定不少于三次，取最后結(jié)果平均值，最后結(jié)果如圖9所示。

由圖9分析可知，不同通風(fēng)方式下，采用混合式通風(fēng)除塵方式除塵效果更理想化。除塵效率可達(dá)到85%以上，驗(yàn)證了歐拉-拉格朗日模型數(shù)值模擬的可行性和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖9 不同通風(fēng)方式下粉塵濃度測(cè)定曲線圖

5 結(jié)論

(1) 壓入式通風(fēng)除塵時(shí)，巷道掘進(jìn)面粉塵質(zhì)量濃度大，粉塵變化多端且不易控制，嚴(yán)重時(shí)粉塵不規(guī)律擴(kuò)散也會(huì)污染整個(gè)工作面。

(2) 通過(guò)分析掘進(jìn)面混合式通風(fēng)方式下的粉塵分布，得出采用混合式通風(fēng)除塵系統(tǒng)狀況下，掘進(jìn)巷道的除塵效果最佳，可達(dá)到85%以上的除塵效率。

(3) 從模擬結(jié)果來(lái)看，混合式通風(fēng)除塵還存在粉塵在掘進(jìn)機(jī)周圍循環(huán)往復(fù)現(xiàn)象，通風(fēng)除塵還需要更進(jìn)一步研究。