張 凱，陳天明，王冰洋，馬陸軍，劉元強，張 猛

（1.國能億利能源有限責(zé)任公司黃玉川煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590 3.曲阜益得機電設(shè)備有限公司，山東 曲阜 273100）

0 引言

隨著煤礦井下機械化、智能化作業(yè)程度的不斷提高，礦井下粉塵污染日益加重，掘進面是井下作業(yè)時主要的產(chǎn)塵點之一[1-2]。據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計，掘進面在不采取任何降塵措施的情況下，其全塵濃度可達到1 300 mg/m3，掘進面附近甚至高達3 500 mg/m3,呼吸性粉塵濃度可達800～900 mg/m3,當(dāng)這些高濃度的粉塵不斷聚集，到達一定濃度會產(chǎn)生粉塵爆炸的危險，其破壞性強巨大，同時漂浮在空氣中的粉塵會被工作人員吸入呼吸道中，長年累月，使得人員患有“塵肺病”等職業(yè)病。高濃度的粉塵已經(jīng)嚴(yán)重危害到人員的身體健康以及井下的生產(chǎn)安全[3-4]，粉塵問題成為了亟需解決的煤礦安全問題之一。目前掘進面通風(fēng)除塵主要采取壓入式通風(fēng)進行稀釋粉塵濃度，但是由于壓入式通風(fēng)方式的特點是往掘進面高速吹入新鮮風(fēng)流，快速吹散作業(yè)時產(chǎn)生的粉塵，這也就導(dǎo)致了粉塵會隨風(fēng)流擴散到整個掘進巷道，使得整個掘進巷道被粉塵所污染[5]。為了控制粉塵對巷道整體的污染，抽出式通風(fēng)以其自身的特點具備了控塵和除塵的兩方面優(yōu)勢，抽出式通風(fēng)使得風(fēng)流由于其抽出風(fēng)筒負(fù)壓的作用，隨巷道方向流入工作面，將粉塵控制在掘進面附近，然后隨著風(fēng)流被風(fēng)筒抽出工作面，有效的解決了粉塵污染整個巷道的問題[6-7]。為進一步研究抽出式通風(fēng)方式下的風(fēng)筒不同布置方式對其控塵和除塵效果的影響，運用計算機流體仿真軟件對其抽風(fēng)筒風(fēng)口距掘進面的距離以及風(fēng)筒風(fēng)速2個參數(shù)不同設(shè)置進行研究，確定其最優(yōu)的風(fēng)筒布置方式，給與現(xiàn)場降塵設(shè)備的安裝提供一定的理論指導(dǎo)意義。

1 工作面模型搭建

1.1 物理模型

由于其粉塵分布大多聚集在掘進巷道工作面30～50 m范圍內(nèi)，同時為了加快計算速度，將計算模型進行簡化，建立巷道模型簡（如圖1所示）。巷道模型全長為30 m,巷道斷面寬4.2 m，高為3.4 m，內(nèi)置掘進機，巷道斷面為半圓拱形，斷面面積18.4 m2，周長為16.3 m，風(fēng)筒距離巷道底板高2.8 m，其半徑為0.8 m。

圖1 巷道模型簡圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

煤礦井下作業(yè)時產(chǎn)生的粉塵在巷道內(nèi)的運動是多重因素作用的結(jié)果，可以簡化為流體的阻力，自身的重力以及自身的浮力，其他因素可以忽略不計，粉塵在巷道內(nèi)的擴散可以簡化為等強度一維縱向擴散，一般在巷道內(nèi)某一時刻產(chǎn)生粉塵顆粒，用其擴散方程進行描述[8]。

擴散方程：

式中：ρ為粉塵平均質(zhì)量濃度，mg/m3；v為平均速度，m/s；K為綜合擴散系數(shù)；t為擴散時間，s；

根據(jù)牛頓力學(xué)定律，粉塵在空氣中的運動方程可列為：

式中：mP為粉塵總質(zhì)量，kg；v為粉塵與空氣相對速度，m/s；t為時間，s；ρP為粉塵密度，kg/m3；ρg為氣體密度，kg/m3；dP為粉塵的粒徑，m；g為重力加速度，m/s2；CP為阻力系數(shù)。

2 仿真模擬

2.1 仿真基本假設(shè)

在流體仿真開始前要對其仿真模型以及仿真環(huán)境進行基本假設(shè)。

1）掘進巷道內(nèi)的空氣在沒有其他通風(fēng)設(shè)備進行通風(fēng)的情況下，巷道內(nèi)部的空氣流動速度變化不大且基本保持穩(wěn)定，巷道內(nèi)部的空氣基本密度保持穩(wěn)定不變，且性質(zhì)為不可壓縮流體。

2）巷道內(nèi)部溫度變化忽略不計，巷道模型進行模擬時內(nèi)外不進行溫度交換，基本溫度保持不變。

3）風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)流具有各向相同的屬性，包括速度。壓力、密度等屬性不隨時間的變化而變化。

4）將煤塵顆粒視為球形顆粒，且不考慮顆粒之間的相互影響和凝聚，并且認(rèn)為模擬過程中只有煤塵球顆粒產(chǎn)生，不產(chǎn)生其他粉塵顆粒。

2.2 邊界條件設(shè)置

運用FLUENT進行煤礦掘進面仿真分析時，要對其邊界條件進行準(zhǔn)確的設(shè)置對其計算結(jié)果是極其重要的。粉塵運移是典型的氣固兩相流模擬，一般對于顆粒體積率在10 %以內(nèi)的模擬仿真，選用DPM模型進行模擬。

DPM模型也即是將空氣視作為背景流體，將煤塵顆粒視作為分布在空氣中的粒子[9-10]。

此次模擬采用歐拉-拉格朗日法進行模擬，歐拉-拉格朗日法下的DPM模型就要先進行風(fēng)流連續(xù)相穩(wěn)態(tài)計算，待連續(xù)相計算收斂結(jié)束后，加入離散相顆粒進行非穩(wěn)態(tài)計算，直到計算結(jié)束。本次仿真連續(xù)相計算收斂后進行離散相計算，離散相計算4 000步，觀察其粉塵在巷道內(nèi)的分布情況。根據(jù)已有的參考資料[10-11]，對邊界條件以及離散相進行設(shè)置，具體設(shè)置見表1。

表1 邊界條件及離散相參數(shù)

其中水力直徑、湍流強度由下式3、4計算

式中：dH為水力直徑，m；A為巷道斷面積，m2；S為過流斷面上流體與固體壁面接觸的周界線,m。

式中：dH為巷道水力直徑，m；ρ為空氣密度，kg/m3；v為風(fēng)流速度，m/s；u為風(fēng)流粘性系數(shù)；

式中：I為湍流強度；u'、u為湍流脈動速度與平均速度，m/s；ReH為雷諾數(shù)。

3 仿真結(jié)果分析

建立好的仿真模型進行網(wǎng)格劃分，選擇適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為了后續(xù)仿真快速收斂以及計算結(jié)果準(zhǔn)確，將網(wǎng)格質(zhì)量均控制在0.85以上。將模型導(dǎo)入仿真軟件FLUENT中，進行邊界條件設(shè)定，等待計算結(jié)果。工作人員呼吸帶高度一般在1.5 m左右，掘進機司機工作處呼吸高度在1.7 m左右，因此后續(xù)仿真將呼吸帶高度以及司機工作處呼吸高度的粉塵分布情況作為主要指標(biāo)進行研究。

3.1 風(fēng)筒出口距掘進面距離對粉塵分布影響

為研究抽風(fēng)口距離掘進面的距離對粉塵分布的影響，將風(fēng)筒的抽風(fēng)速度設(shè)置為-10 m/s不變，風(fēng)筒風(fēng)速設(shè)置為負(fù)值表示風(fēng)流吸入管道的，以風(fēng)筒口到掘進面距離為自變量，分別選取1、2、3、5、7 m的距離，建立5組仿真模型，依次進行仿真模擬，等到仿真結(jié)束，得到如圖2到圖6所示的粉塵分布圖。

圖2 風(fēng)筒口距離掘進面1 m

圖3 風(fēng)筒口距離掘進面2 m

圖4 風(fēng)筒口距離掘進面3 m

圖5 風(fēng)筒口距離掘進面5 m

圖6 風(fēng)筒口距離掘進面7 m

由圖2到圖6明顯可以看出，抽出式通風(fēng)可以很好的將粉塵控制在掘進面附近，防止粉塵擴散到整個巷道內(nèi)，當(dāng)風(fēng)筒口距離掘進面1 m時，可以看出粉塵被全部控制在風(fēng)筒口下方，局部粉塵濃度大，而此時粉塵聚集處正是司機工作處，高濃度的粉塵聚集在此處對司機的健康危害以及視線造成巨大影響。

隨著風(fēng)筒出口距離掘進面的距離加大，粉塵開始向四周擴散，但整體仍舊控制在掘進機周圍，此時粉塵平均濃度大幅度降低，粉塵由于風(fēng)流及自身重力作用在距離地面高0.5 m以內(nèi)出現(xiàn)高濃度區(qū)域。當(dāng)風(fēng)筒口距離掘進面5 m時，粉塵整體濃度和擴散范圍都相對較低，此時抽風(fēng)除塵效果較好。

3.2 風(fēng)筒風(fēng)速隨粉塵分布的影響

風(fēng)筒風(fēng)速的大小對粉塵分布的影響較大，因此控制風(fēng)筒出口到掘進面距離為5 m以及其它參數(shù)不變，選擇8、10、12、14、16 m/s幾個不同風(fēng)速，分別進行仿真分析，確定其風(fēng)速對粉塵分布的影響。其仿真得到對不同風(fēng)速下距離地面1.5 m（呼吸帶）高度的粉塵分布情況，如圖7所示。

圖7 呼吸帶高度不同風(fēng)速粉塵分布圖

由圖7可以看出，當(dāng)抽風(fēng)筒風(fēng)速為8 m/s時，相對其它風(fēng)速其呼吸帶高度的粉塵濃度相對較低，但從總體上來看，隨著風(fēng)速的改變，呼吸帶高度的粉塵濃度分布基本一致，局部范圍的高濃度粉塵基本均分布在無風(fēng)筒側(cè)的掘進機尾部，也就是說，改變風(fēng)速對于呼吸帶高度的粉塵分布影響不大。

圖8 司機側(cè)高度不同風(fēng)速沿程粉塵分布折線圖

通過仿真測定風(fēng)筒下方距地面高度1.7 m（司機處）處，巷道沿程方向的粉塵濃度分布如圖8所示。由圖8可以清晰看到粉塵全部分布在距離掘進面10 m范圍內(nèi)；當(dāng)風(fēng)速為16 m/s時，在距離掘進面1m范圍內(nèi)粉塵濃度極高；當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時，在距離掘進面6～9 m范圍內(nèi)會出現(xiàn)局部高濃度區(qū)，且粉塵整體平均濃度較高；風(fēng)速為12 m/s時，在距離掘進面5 m和8 m處出現(xiàn)了高濃度粉塵區(qū)域；當(dāng)風(fēng)速8 m/s時，粉塵的沿程濃度一直處于較低的狀態(tài)。因此綜合考慮工人呼吸帶以及司機呼吸處的粉塵分布狀況，當(dāng)抽風(fēng)筒風(fēng)速8 m/s時，除塵效果較為理想。

4 結(jié)論

1）風(fēng)筒口距離掘進面的距離對粉塵分布具有較大影響，隨著距離增大，粉塵擴散范圍相對增大，但粉塵被稀釋，整體平均濃度降低，當(dāng)風(fēng)筒口距離掘進面5 m時，粉塵整體濃度和擴散范圍都相對較低，此時抽風(fēng)除塵效果較好。

2）抽風(fēng)筒風(fēng)速對于呼吸帶高度粉塵分布影響較小，但對于司機處的粉塵濃度影響較大，綜合考慮工人呼吸帶以及司機呼吸處的粉塵分布狀況，當(dāng)抽風(fēng)筒風(fēng)速為8 m/s時，除塵效果較為理想。

3）相對于壓入式通風(fēng)，抽出式通風(fēng)可以更好的防止粉塵擴散，防止粉塵污整個巷道，有效的將粉塵控制在距離掘進面10 m范圍內(nèi)。在掘進機尾部無風(fēng)筒側(cè)會出現(xiàn)局部范圍的高濃度粉塵，因此可以在此處安裝局部噴霧降塵，以進一步降低粉塵濃度。

4）通過對風(fēng)筒不同布置情況下的壓入式通風(fēng)進行仿真分析，觀察其粉塵分布情況，可以給予現(xiàn)場各類降塵設(shè)備的安裝提供一定的理論指導(dǎo)意義。