陳 芳

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

近年來，隨著煤炭開采設(shè)備自動(dòng)化水平不斷提高，礦井開采能力在不斷提升，全國煤炭開采礦井正不斷邁向高產(chǎn)、集約化、智能化生產(chǎn)的發(fā)展模式，隨著一礦一面、千萬噸生產(chǎn)面等大型礦井典型綜采面投入生產(chǎn)，導(dǎo)致采場(chǎng)空間粉塵污染越來越嚴(yán)重，已經(jīng)成為現(xiàn)代化高效礦井健康開采的主要問題[1-3]。粉塵不僅會(huì)引起煤塵爆炸事故，還會(huì)使長期從事煤礦行業(yè)的工人患?jí)m肺病、硅肺病等職業(yè)病，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)問題[4-5]。

綜采工作面一直以來都是煤礦粉塵危害最為嚴(yán)重的地點(diǎn)，綜采工作面作業(yè)產(chǎn)生的粉塵主要來自采煤機(jī)割煤作業(yè)、降柱移架作業(yè)過程中，是煤礦產(chǎn)塵量最大的作業(yè)場(chǎng)所，其產(chǎn)塵量約占礦井產(chǎn)塵量的60%，其中采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵又占綜采面產(chǎn)塵量的70%～80%，粉塵濃度超國家有關(guān)管理標(biāo)準(zhǔn)幾十倍甚至幾百倍[6-8]。采煤機(jī)割煤產(chǎn)塵具有塵源移動(dòng)且易受風(fēng)流影響而快速擴(kuò)散等特點(diǎn)，采煤機(jī)對(duì)風(fēng)流產(chǎn)生阻擋效應(yīng)，滾筒割煤產(chǎn)塵會(huì)迅速發(fā)生橫向偏移擴(kuò)散，污染作業(yè)人員區(qū)域，此區(qū)域瞬間粉塵濃度高達(dá)500 mg/m3以上，對(duì)作業(yè)人員造成職業(yè)危害[9-10]。針對(duì)采煤機(jī)滾筒割煤產(chǎn)塵，目前主要采用噴霧降塵手段進(jìn)行治理，雖可有效解決部分粉塵，但隨著智能化采煤面建設(shè)進(jìn)程加快，生產(chǎn)設(shè)備及工作面內(nèi)將安裝大量傳感器、測(cè)量設(shè)備及視頻監(jiān)控等電子監(jiān)控元件，工作面使用噴霧降塵將受到限制[11-13]，而通風(fēng)除塵技術(shù)則可很好避開上述問題，但通風(fēng)除塵技術(shù)在綜掘工作面應(yīng)用較多，在采煤機(jī)上應(yīng)用是否有效、對(duì)工作面風(fēng)流會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響尚不清楚，因此，有必要針對(duì)采煤機(jī)割煤粉塵通風(fēng)除塵治理中抽塵風(fēng)量對(duì)工作面風(fēng)流分布影響關(guān)系進(jìn)行研究。針對(duì)以上問題，以寧夏羊場(chǎng)灣煤礦150201 綜放面為工程背景，受采煤機(jī)機(jī)面空間限制，提出了一種利用噴霧引射原理的機(jī)載除塵器對(duì)采煤機(jī)附近橫向擴(kuò)散風(fēng)流而引發(fā)的粉塵擴(kuò)散進(jìn)行治理，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，研究采煤機(jī)機(jī)載除塵器抽塵風(fēng)量對(duì)采場(chǎng)風(fēng)流分布影響關(guān)系，理論上論證機(jī)載除塵器對(duì)采煤機(jī)割煤粉塵治理有效性，為開展采煤機(jī)割煤粉塵采用通風(fēng)除塵方法治理提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

羊場(chǎng)灣煤礦位于寧夏寧東煤田，主要開采2#煤層，煤層平均水分含量為12.44%，煤層硬度系數(shù)1～2，礦井屬低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性。150201 綜放工作面，煤層平均厚度8.8 m，平均傾角8°，工作面長260 m，采用綜采放頂煤開采工藝，采高3.8 m，放煤高度5 m，采用MG750/1920-WD 雙滾筒采煤機(jī)割煤，采煤機(jī)機(jī)身長10 m、寬2.0 m、高1.6 m，滾筒直徑2.5 m。采用140 臺(tái)ZF13000/25/43D 型液壓支架支護(hù)頂板，工作面設(shè)計(jì)供風(fēng)量為1 267 m3/min，工作面平均風(fēng)速1.0 m/s。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

綜采工作面風(fēng)流流動(dòng)屬于連續(xù)相，氣體流動(dòng)可看作湍流流動(dòng)。綜采工作面氣流的湍流流動(dòng)可以用k-ε 模型求解[14-16]。

k 方程：

式中：t 為時(shí)間，s；ρ 為氣流密度，kg/m3；k 為湍流動(dòng)能，m2/s2；xi、xj為空間坐標(biāo)，i、j=1，2，3，…；ui、uj為x、y 方向上的速度分量，m/s；μ、μt為層流中的黏性系數(shù)，Pa·s；σk為模型常量，取1.0；Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；ε 為湍流動(dòng)能耗散率；YM為可壓縮湍流中過度的擴(kuò)散中產(chǎn)生的波動(dòng)，由于假設(shè)氣體為不可壓縮氣體，故取0；Sk、S 為自定義參數(shù)。

ε 方程：

式中：C1、C2、C1ε、C3ε、σε為模型常量，分別取0.85、1.92、1.44、0.09、1.2；v 為流體平行與重力的速度分量；Sε、η 為自定義參數(shù)。

考慮到氣流中大量粉塵粒子群可能會(huì)對(duì)氣流流動(dòng)產(chǎn)生影響，因此利用歐拉-拉格朗日模型描述氣相流場(chǎng)，采用SIMPLE 算法計(jì)算連續(xù)相的流場(chǎng)速度等參數(shù)，求解過程示意圖如圖1。

圖1 求解過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of solution process

2.2 CFD 模型

綜采工作面采場(chǎng)設(shè)備布局復(fù)雜、設(shè)備處于不同位態(tài)對(duì)空間內(nèi)風(fēng)流影響較大，為最大程度反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，根據(jù)影響風(fēng)流大小程度，對(duì)采場(chǎng)內(nèi)采煤機(jī)、液壓支架、擋煤板及刮板輸送機(jī)等進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)。

1）采煤機(jī)機(jī)體、搖臂及滾筒外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且位于采場(chǎng)風(fēng)流主要通道中，截?cái)嗝娲笮?duì)風(fēng)流阻擋作用明顯，在不改變阻擋斷面大小情況下，可近似將采煤機(jī)多個(gè)部件簡化為幾何尺寸相當(dāng)?shù)囊?guī)則多面體。

2）采場(chǎng)空間內(nèi)液壓支架結(jié)構(gòu)對(duì)工作面風(fēng)流影響較大，尤其是支架立柱、底座、頂梁及掩護(hù)梁對(duì)風(fēng)流有阻擋作用，因此應(yīng)根據(jù)液壓支架實(shí)際尺寸、結(jié)構(gòu)形式及有效通風(fēng)斷面進(jìn)行建模，保證模型采場(chǎng)空間大小與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際一致性。

3）擋煤板沿整個(gè)工作面縱向布置，其高度為1.6 m，將采場(chǎng)空間分割成靠近煤壁側(cè)的割煤區(qū)域和支架內(nèi)部的人行空間，會(huì)對(duì)風(fēng)流橫向擴(kuò)散產(chǎn)生一定阻擋效應(yīng)，因此應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐尺寸設(shè)計(jì)模型。

4）機(jī)載除塵器設(shè)計(jì)成近似長方體形狀，水平放置在采煤機(jī)機(jī)面并靠近迎風(fēng)側(cè)位置，按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸及放置位置進(jìn)行設(shè)計(jì)模型。CFD 模型如圖2。

圖2 CFD 模型Fig.2 CFD Model

同時(shí)，在采場(chǎng)空間中溫度、濕度相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)風(fēng)流場(chǎng)影響較小，因此忽略溫濕度對(duì)風(fēng)流速度分布的影響。根據(jù)空間實(shí)際尺寸建立模型，同時(shí)去除實(shí)體單元所占空間位置，只保留采場(chǎng)空間實(shí)際流場(chǎng)計(jì)算空間模型。

2.3 模型邊界條件

模型采用GAMBIT 網(wǎng)格劃分軟件對(duì)模型進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分，間距大小為0.1 m。關(guān)于數(shù)值模擬的邊界條件，采場(chǎng)空間設(shè)置湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε 雙方程模型，關(guān)閉能量方程，采場(chǎng)空間設(shè)置入口邊界類型為速度進(jìn)口，設(shè)置出口邊界類型為自由出流；機(jī)載除塵器迎風(fēng)側(cè)為入口，且為內(nèi)部自由入口，出口為壓力出口。CFD 模型及邊界基本參數(shù)見表1。

表1 CFD 模型及邊界基本參數(shù)Table 1 Basic parameters and boundary of CFD model

3 數(shù)值模擬結(jié)果

通過對(duì)綜采面采煤機(jī)機(jī)載除塵器抽塵風(fēng)量分別為92、115、155、190、265、345 m3/min 6 種條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，機(jī)載除塵器抽塵風(fēng)量對(duì)風(fēng)流影響云圖如圖3。

由圖3 可知，隨著機(jī)載除塵器抽塵風(fēng)量增加，在采煤機(jī)前方區(qū)域風(fēng)速呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，人行側(cè)風(fēng)流速度總體呈減小趨勢(shì)，尤其是采煤機(jī)中部區(qū)域出現(xiàn)了低風(fēng)速區(qū)域，說明機(jī)載除塵器抽走部分風(fēng)流，使得巷道風(fēng)流逐漸沿煤壁運(yùn)移，減小了風(fēng)流因采煤機(jī)阻擋而發(fā)生橫向擴(kuò)散的影響程度；也進(jìn)一步說明機(jī)載除塵器對(duì)阻止粉塵向人行側(cè)擴(kuò)散有積極影響。

圖3 機(jī)載除塵器抽塵風(fēng)量對(duì)風(fēng)流影響云圖Fig.3 Cloud diagrams of influence of air volume on air flow of airborne dust collector

通過提取采煤機(jī)區(qū)域支架內(nèi)人行道空間內(nèi)的人員呼吸帶高度位置的風(fēng)流速度，定量分析機(jī)載除塵器抽塵風(fēng)量對(duì)采煤機(jī)附近區(qū)域人行側(cè)風(fēng)流影響關(guān)系，得到采煤機(jī)附近支架內(nèi)人行道空間風(fēng)速變化規(guī)律，抽塵風(fēng)量對(duì)采煤機(jī)區(qū)域人行側(cè)風(fēng)流的影響如圖4。

圖4 抽塵風(fēng)量對(duì)采煤機(jī)區(qū)域人行側(cè)風(fēng)流的影響Fig.4 Influence of dust extraction air volume on pedestrian side air flow in shearer area

對(duì)比可知，當(dāng)風(fēng)量由92 m3/min 逐漸增加到345 m3/min 時(shí)，在采煤機(jī)前方區(qū)域風(fēng)速呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)流到達(dá)采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)端頭時(shí)，由于除塵器的抽塵負(fù)壓影響，人行側(cè)風(fēng)流發(fā)生偏轉(zhuǎn)并逐漸向煤壁側(cè)運(yùn)移，人行側(cè)風(fēng)流逐漸減小，除塵器抽塵風(fēng)量為92 m3/min 時(shí)，風(fēng)流速度由1.1 m/s 逐漸減小到0.9 m/s，風(fēng)速減小了18.2%；當(dāng)抽塵風(fēng)量增加到345 m3/min 時(shí)，風(fēng)流速度由1.2 m/s 逐漸減小到0.8 m/s，風(fēng)速減小了33.3%；說明機(jī)載除塵器可以減小人行側(cè)風(fēng)流擴(kuò)散，該措施可以改善人員通道作業(yè)環(huán)境。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為了驗(yàn)證在采煤機(jī)機(jī)面增加機(jī)載除塵器的方法可以解決因采煤機(jī)阻擋風(fēng)流易橫向擴(kuò)散而攜帶粉塵進(jìn)入人行側(cè)問題，在羊場(chǎng)灣煤礦150201 綜放工作面開展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)，機(jī)載除塵器水平安裝布置在采煤機(jī)機(jī)面靠近迎風(fēng)側(cè)位置，除塵器采用高壓水作為動(dòng)力源，利用水力引射原理形成負(fù)壓，供水壓力6 MPa 時(shí)，處理風(fēng)量為155 m3/min。通過實(shí)測(cè)采煤機(jī)附近區(qū)域支架內(nèi)人行側(cè)采煤機(jī)上風(fēng)側(cè)15 m 至下風(fēng)側(cè)15 m 范圍內(nèi)風(fēng)流速度變化，驗(yàn)證該方法的有效性和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性。風(fēng)速測(cè)定共布置11 個(gè)測(cè)點(diǎn)（1#～11#），每間隔1 個(gè)支架布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布置圖如圖5。實(shí)測(cè)風(fēng)流變化對(duì)比圖如圖6。

圖5 風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5 Layout of wind speed measuring points

圖6 實(shí)測(cè)風(fēng)流變化對(duì)比圖Fig.6 Comparison of measured air flow change

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知：在未增加除塵器時(shí)，在采煤機(jī)附近區(qū)域人行側(cè)風(fēng)速呈現(xiàn)先快速增加再趨于穩(wěn)定再逐漸降低的趨勢(shì)，在采煤機(jī)機(jī)身區(qū)域，風(fēng)流速度穩(wěn)定在1.3 m/s 左右，與工作面平均風(fēng)速相比，人行側(cè)風(fēng)速增加了約30%左右；而增加了除塵器后，人行側(cè)采煤機(jī)附近風(fēng)流速度呈現(xiàn)先增加再降低在小幅增加趨勢(shì)，而在采煤機(jī)機(jī)身段區(qū)域，風(fēng)流速度在0.85～1.0 m/s 之間變化，與未增加除塵器相比，風(fēng)流速度明顯降低，人行側(cè)風(fēng)流速度減小了23.1%以上，說明機(jī)載除塵器可有效減小因采煤機(jī)阻擋而橫向擴(kuò)散風(fēng)流速度，降低粉塵橫向擴(kuò)散程度，能起到很好控塵效果，實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 語

1）數(shù)值模擬表明：隨著機(jī)載除塵器抽塵風(fēng)量增加，在采煤機(jī)前方區(qū)域風(fēng)速呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，人行側(cè)風(fēng)流速度總體呈減小趨勢(shì)；采煤機(jī)中部區(qū)域出現(xiàn)了低風(fēng)速區(qū)域，說明機(jī)載除塵器抽走部分風(fēng)流，使得工作面風(fēng)流逐漸沿煤壁運(yùn)移，減小了風(fēng)流因采煤機(jī)阻擋而發(fā)生橫向擴(kuò)散的影響程度，進(jìn)一步說明機(jī)載除塵器對(duì)阻止粉塵向人行側(cè)擴(kuò)散有積極影響。

2）當(dāng)采煤機(jī)機(jī)載除塵器抽塵風(fēng)量由92 m3/min逐漸增加到345 m3/min 時(shí)，人行側(cè)風(fēng)流速度隨抽塵風(fēng)量增加而逐漸減小，人行側(cè)風(fēng)流速度由1.2 m/s 逐漸減小到0.8 m/s，風(fēng)速減小了33.3%，說明機(jī)載除塵器可以降低因采煤機(jī)阻擋而橫向流動(dòng)的含塵氣流擴(kuò)散程度，該措施可以改善人員通道作業(yè)環(huán)境。

3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比表明：采用機(jī)載除塵器后，人行側(cè)采煤機(jī)附近風(fēng)流速度呈現(xiàn)先增加再降低在小幅增加趨勢(shì)，而在采煤機(jī)機(jī)身段區(qū)域，風(fēng)流速度在0.85～1.0 m/s 之間變化，與未增加除塵器相比，風(fēng)流速度明顯降低，人行側(cè)風(fēng)流速度減小了23.1%以上，驗(yàn)證了機(jī)載除塵器可有效減小因采煤機(jī)阻擋而橫向擴(kuò)散風(fēng)流速度，降低粉塵橫向擴(kuò)散程度，能起到很好控塵效果，實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。