曹旭生

(潞安環(huán)能股份有限公司 王莊煤礦,山西 長(zhǎng)治 046031)

我國(guó)是當(dāng)今世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),煤炭行業(yè)為社會(huì)提供了大量的就業(yè)崗位,在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到基礎(chǔ)和支柱作用。我國(guó)能源資源“富煤、缺油、少氣”的基本特點(diǎn)決定了煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的主體地位長(zhǎng)期不會(huì)改變,而煤礦井下的采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸、提升等生產(chǎn)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量粉塵,根據(jù)資料顯示,綜采工作面主要塵源產(chǎn)生的粉塵中,10 μm以下的微細(xì)粉塵占很大比例,粉塵質(zhì)量濃度的嚴(yán)重超標(biāo),對(duì)井下職工的身心健康以及礦井的安全生產(chǎn)極為不利。本文運(yùn)用Fluent軟件建立模型,結(jié)合氣固兩相流理論和傳質(zhì)理論,對(duì)王莊煤礦7105工作面風(fēng)流和呼吸帶粉塵運(yùn)移以及分布規(guī)律進(jìn)行研究分析,為該煤礦進(jìn)一步的粉塵防治提供理論指導(dǎo)。

1 工作面概況

王莊煤礦7105工作面所采3號(hào)煤,賦存于二疊系山西組地層中下部,為陸相湖泊型沉積,煤層下部夾矸最厚的一層為0.05 m,工作面是一個(gè)褶曲構(gòu)造,局部有起伏,煤層傾角在2°～16°之間,煤層厚度穩(wěn)定,總煤厚為7.2 m,屬不易自燃煤層,地壓和地溫正常。該工作面采取“W”型通風(fēng)方式,如圖1所示。工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷長(zhǎng)1 700 m,工作面切眼長(zhǎng)252 m,容重為1.35 t/m3,采用走向長(zhǎng)壁、后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤一次采全高全部垮落采煤法,總工業(yè)儲(chǔ)量為367萬(wàn)噸,總可采儲(chǔ)量為341.3萬(wàn)噸。

圖1 王莊煤礦7105綜采面巷道布置圖

2 幾何模型的建立以及邊界條件的確定

2.1 幾何模型的建立

以王莊煤礦7105工作面為研究背景,運(yùn)用Designmodeler軟件建立等比例模型,如圖2所示。

圖2 綜采工作面幾何模型

由于綜采工作面內(nèi)存在多個(gè)其他的工藝流程,且部分生產(chǎn)設(shè)備的零件結(jié)構(gòu)、布置情況復(fù)雜多變,模型完全復(fù)制現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相對(duì)困難,所以需要在滿足運(yùn)算精度的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。具體處理結(jié)果如下:

1) 將7105綜采工作面、進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷和運(yùn)巷分別簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體,綜采面長(zhǎng)252 m,寬4.51 m;進(jìn)風(fēng)巷寬4.2 m,高3.3 m;回風(fēng)巷寬5 m,高3.3 m;運(yùn)巷寬5.1 m,高3.3 m.本文主要對(duì)綜采面附近的風(fēng)流分布和粉塵分布進(jìn)行研究,因此,進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷及運(yùn)巷選取長(zhǎng)度160 m.

2) 綜采工作面液壓支架的移架步距0.8 m,中心距1.5 m,共設(shè)置170架。不可忽略液壓支架對(duì)風(fēng)流的擾流作用和對(duì)粉塵的捕集作用,因此將液壓支柱簡(jiǎn)化為一排圓柱體,排列在采煤機(jī)后側(cè),沿工作面方向一字排列,液壓支架后邊的空間對(duì)實(shí)際的研究意義不大,因此忽略其后的設(shè)備放置情況。

3) 采煤機(jī)在工作面中占的空間大,且是由多部分組成。將采煤機(jī)的機(jī)身簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體,長(zhǎng)6.26 m,寬1.5 m,高1.35 m.將采煤機(jī)的兩個(gè)搖臂簡(jiǎn)化為厚度0.8 m的兩個(gè)組合體以連接前后滾筒和采煤機(jī)機(jī)身。將采煤機(jī)前后滾筒簡(jiǎn)化為兩個(gè)圓餅,半徑0.9 m,厚度0.8 m.采煤機(jī)的其他部件對(duì)風(fēng)流的擾流作用不明顯,為了模擬方便將他們簡(jiǎn)化掉。

4) 電纜槽對(duì)風(fēng)流的阻礙作用也相當(dāng)明顯,將電纜槽簡(jiǎn)化為一長(zhǎng)方體,排列于液壓支架前部,采煤機(jī)后部。長(zhǎng)252 m,寬0.3 m,高0.8 m,沿工作面方向排布,電纜槽上的相關(guān)設(shè)備簡(jiǎn)化掉。

5) 轉(zhuǎn)載機(jī)位于運(yùn)巷與工作面交接處,距運(yùn)巷壁面寬1 m,將轉(zhuǎn)載機(jī)簡(jiǎn)化為一個(gè)小長(zhǎng)方體,長(zhǎng)為34.51 m,寬為1.8 m,高為2.2 m;將運(yùn)巷采用的可伸縮巷道式帶式輸送機(jī)簡(jiǎn)化為長(zhǎng)130 m,寬1.6 m,高1 m的長(zhǎng)方體與轉(zhuǎn)載機(jī)相鄰;乳化泵及其相關(guān)設(shè)備,位于輸送機(jī)對(duì)面,將其簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)60 m,寬2.2 m,高1.55 m的長(zhǎng)方體。

2.2 邊界條件及顆粒源參數(shù)的確定

根據(jù)王莊煤礦7105綜采工作面具體情況及相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合Fluent的計(jì)算方法和數(shù)學(xué)模型確定數(shù)值模擬的主要邊界條件如表1、表2所示。

表1 主要邊界條件設(shè)置

表2 采煤機(jī)截割產(chǎn)塵塵源參數(shù)設(shè)定

3 風(fēng)流-粉塵場(chǎng)分布特征規(guī)律分析

首先求解單相風(fēng)流場(chǎng),收斂后再對(duì)粉塵的離散粒子進(jìn)行求解,計(jì)算時(shí)選擇穩(wěn)態(tài)求解器和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,采用 SIMPLE 算法。在迭代平衡后,對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

為了更直觀地分析風(fēng)速在巷道的分布情況,現(xiàn)截取z=1.5 m(距地面高1.5 m)的截面,如圖3所示。

圖3 呼吸帶巷道風(fēng)速分布

由圖3呼吸帶高度巷道風(fēng)速分布云圖可以看出,風(fēng)速大小關(guān)系大體是:人行道空間的風(fēng)速小于風(fēng)巷(進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、運(yùn)巷)風(fēng)速小于采煤機(jī)機(jī)道空間的風(fēng)速。在進(jìn)風(fēng)巷道中,風(fēng)速分布均勻,基本等于進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速1.3 m/s,當(dāng)風(fēng)流流經(jīng)進(jìn)風(fēng)巷與工作面的交界處時(shí),風(fēng)速明顯增加并向靠近煤壁側(cè)的采煤機(jī)機(jī)道空間運(yùn)移,同時(shí)以液壓支架為界發(fā)生分流,液壓支架后的人行道空間風(fēng)速較小,局部出現(xiàn)大的擾動(dòng),而液壓支架前的機(jī)道空間,風(fēng)速沿工作面方向逐漸增大,并在液壓支架與煤壁之間形成一條狹長(zhǎng)的高風(fēng)速帶。運(yùn)巷風(fēng)流由于受到運(yùn)輸機(jī)、乳化泵等相關(guān)設(shè)備阻礙作用的影響,風(fēng)速先增大后減小再增大,當(dāng)運(yùn)巷風(fēng)流流經(jīng)運(yùn)巷與工作面的交界處時(shí),發(fā)生明顯擾流,最大風(fēng)速達(dá)2.5 m/s,也以液壓支架為界發(fā)生分流。在回風(fēng)巷與綜采工作面的交接處,風(fēng)速發(fā)生極大變化,兩向風(fēng)流對(duì)流使風(fēng)速迅速增加,形成面積較大的高風(fēng)速區(qū),最高風(fēng)速達(dá)到3.2 m/s之后,風(fēng)速逐漸減少并最終穩(wěn)定在2.2 m/s沿回風(fēng)巷流出。

以綜采工作面與回風(fēng)巷交界處為原點(diǎn),回風(fēng)巷至運(yùn)巷方向?yàn)閤軸正方向,沿x=8 m、12 m、16 m、20 m、26 m、28 m,建立縱向切面,得到風(fēng)速分布云圖如圖4所示。

結(jié)合圖4采煤機(jī)前后風(fēng)速分布云圖可知,風(fēng)速分布大致呈現(xiàn)頂?shù)装濉㈦娎|槽、采煤機(jī)及液壓支架附近風(fēng)速偏低,巷道呼吸帶高度風(fēng)速較高且分布均勻的特點(diǎn)。在采煤機(jī)的上風(fēng)側(cè)移架完成區(qū),風(fēng)流主要受電纜槽以及液壓支架的阻礙作用,風(fēng)流流場(chǎng)也以電纜槽、液壓支架為分界線,在電纜槽與煤壁之間的風(fēng)速穩(wěn)定在1.2 m/s左右,電纜槽與液壓支架立柱之間的風(fēng)速穩(wěn)定在0.8 m/s左右,液壓支架后的風(fēng)速穩(wěn)定在1 m/s以下;當(dāng)風(fēng)流經(jīng)過(guò)采煤機(jī)時(shí),由于工作面斷面減小,采煤機(jī)附近的流場(chǎng)出現(xiàn)較大擾動(dòng),風(fēng)流產(chǎn)生繞流,在采煤機(jī)上方及右側(cè)風(fēng)流速度增加明顯,部分位置風(fēng)速達(dá)到1.6 m/s,且在液壓支架后的人行道空間內(nèi),風(fēng)流有較為明顯的“煤壁-立柱”方向的偏移,說(shuō)明由于采煤機(jī)的阻礙,有一部分風(fēng)流流向了人行道空間,這段風(fēng)流會(huì)把工作面塵源產(chǎn)生的粉塵帶至人行道空間,因此,必須在采煤機(jī)前滾筒處采取措施,在粉塵還未擴(kuò)散前進(jìn)行降塵;在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)未移架區(qū),由于巷道斷面增大,在機(jī)道空間風(fēng)流有較為明顯的“立柱-煤壁”方向的偏移,說(shuō)明部分風(fēng)流從人行道空間流入機(jī)道空間,并在巷道未移架區(qū)沿煤壁處形成一段高速風(fēng)流帶,風(fēng)速趨于穩(wěn)定。

3.2 粉塵質(zhì)量濃度分布特征

按照實(shí)際生產(chǎn)的情況,將采煤機(jī)前后滾筒設(shè)置為面塵源,在采煤機(jī)前方15 m位置的工作面頂部設(shè)置1個(gè)長(zhǎng)1.8 m、寬1.5 m的長(zhǎng)方形,作為液壓支架移架產(chǎn)塵的面塵源,通過(guò)數(shù)值模擬得到綜采面塵源產(chǎn)塵時(shí),巷道空間內(nèi)高度0.5 m、1.5 m、2.5 m的粉塵質(zhì)量濃度云圖如圖5所示。

結(jié)合圖5分析可知,綜采工作面前后滾筒割煤產(chǎn)生的粉塵,大部分隨風(fēng)流沿煤壁在機(jī)道空間運(yùn)移,最終進(jìn)入回風(fēng)巷排出工作面,少數(shù)粉塵沿液壓支架向人行道空間擴(kuò)散。這是由于靠近煤壁側(cè)風(fēng)速較大,且風(fēng)流比較穩(wěn)定,而在采煤機(jī)附近,斷面的大面積減少致使風(fēng)流發(fā)生橫向偏移,部分呼吸性粉塵隨風(fēng)流橫向繞流擴(kuò)散至人行道空間并逐漸向下風(fēng)測(cè)運(yùn)移、擴(kuò)散、沉降;移架產(chǎn)生的粉塵在不同高度沉降位置不同,并以液壓支架為界在人行道空間與機(jī)道空間各形成一條粉塵質(zhì)量濃度帶;在這三處塵源的共同作用下,粉塵質(zhì)量濃度在采煤機(jī)中心、回風(fēng)巷與綜采工作面交界處等位置的疊加效應(yīng)最為明顯;在回風(fēng)巷內(nèi),隨著風(fēng)速逐漸減少以及粉塵的沉降作用,粉塵質(zhì)量濃度持續(xù)減少,大部分粉塵被煤壁捕獲,少部分粉塵沿著回風(fēng)巷流出。

在液壓支架底板的附近位置(距地面高0.5 m),較高質(zhì)量濃度的粉塵出現(xiàn)在距離移架工序下風(fēng)測(cè)約3～4 m的位置,說(shuō)明移架工序產(chǎn)生的粉塵開始發(fā)生沉降,在距離移架塵源20 m左右的采煤機(jī)中心位置,粉塵質(zhì)量濃度增大,質(zhì)量濃度最高的位置已經(jīng)超過(guò)0.001 kg/m3,證明粉塵發(fā)生大面積沉降,沉降粉塵的位置主要集中在電纜槽及液壓支架之間。在液壓支架后的人行道處,出現(xiàn)一條長(zhǎng)度為25 m的帶狀低質(zhì)量濃度粉塵帶。

巷道的呼吸帶高度截面(距地面高1.5 m)的上風(fēng)側(cè),移架產(chǎn)生的粉塵在機(jī)道空間與人行道空間各形成一條粉塵帶,在距離移架塵源2～10 m的機(jī)道空間內(nèi),出現(xiàn)質(zhì)量濃度達(dá)0.001 kg/m3的粉塵帶,此粉塵帶由于風(fēng)流在采煤機(jī)附近的橫向繞流,出現(xiàn)明顯的向人行道空間偏移的趨勢(shì),部分呼吸性粉塵隨橫向分流運(yùn)移至人行道空間并與該空間內(nèi)的粉塵混合,導(dǎo)致液壓支架后的粉塵帶在此區(qū)域內(nèi)質(zhì)量濃度升高且有逐漸變寬的趨勢(shì),在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè),斷面增加又使部分風(fēng)流從人行道空間運(yùn)移至機(jī)道空間,此部分風(fēng)流裹挾了大量呼吸性粉塵,導(dǎo)致人行道空間粉塵質(zhì)量濃度降低,并在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)的機(jī)道空間形成幾個(gè)點(diǎn)狀的高質(zhì)量濃度粉塵區(qū)。在回風(fēng)巷與綜采工作面交界處的高風(fēng)速區(qū),兩向?qū)α髦率狗蹓m發(fā)生飛揚(yáng),粉塵質(zhì)量濃度又略有升高。

巷道頂板附近的截面上(距地面高2.5 m),也以液壓支架為界,在人行道空間及機(jī)道空間各有一條狹長(zhǎng)的帶狀高質(zhì)量濃度粉塵區(qū),一直持續(xù)到采煤機(jī)中部位置,而后被風(fēng)流吹往下風(fēng)側(cè),隨著綜采工作面風(fēng)速逐漸減小以及自身的重力發(fā)生沉降,粉塵質(zhì)量濃度逐漸減小。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 由于液壓支架,電纜槽和采煤機(jī)對(duì)風(fēng)流流場(chǎng)的阻礙作用,工作面空間區(qū)域近巷道端風(fēng)流較大,回風(fēng)巷兩向風(fēng)流對(duì)流使風(fēng)速迅速增加,最大風(fēng)速達(dá)3.2 m/s,沿程機(jī)道空間風(fēng)速基本大于人行道空間。采煤機(jī)對(duì)風(fēng)流的流場(chǎng)影響較大,風(fēng)流流經(jīng)采煤機(jī)時(shí),機(jī)道及人行道上各形成了區(qū)域不等的高風(fēng)速區(qū),風(fēng)速增大,風(fēng)流的分布規(guī)律模擬有助于粉塵分布規(guī)律的研究。

2) 割煤過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵,大部分隨風(fēng)流沿煤壁在機(jī)道空間運(yùn)移,少部分被風(fēng)流的橫向分流裹挾至人行道空間,由于粉塵自身的沉降作用,在不同高度下粉塵質(zhì)量濃度帶的位置不同。