李明星

國家能源集團烏海能源有限責任公司 內(nèi)蒙古烏海 016099

智能快掘技術(shù)是煤炭安全高效生產(chǎn)的客觀需求，是解決采掘失衡問題的根本途徑[1-2]。隨著掘錨一體機理論和裝備水平的不斷提高，在掘進速度和強度增大的同時，工作面產(chǎn)塵量也不斷增大，井下粉塵問題也越來越嚴峻[3-5]，國內(nèi)外學者對此進行了研究。王和堂等人[6-7]研究了掘進機截齒幾何形狀和截割參數(shù)對截割過程中粉塵產(chǎn)生特性的影響，從理論上研究了層流和湍流兩種情形下粉塵顆粒的運動特性，導出了粉塵顆粒在礦井空氣中的運動方程。焦志遠等人[8]針對長距離掘進工作面，分析了 6 種通風方式，確定了局部通風機的選型，形成了長距離掘進工作面安全高效的供風方案。朱斌等人[9]提出了一種風筒出風口參數(shù)能動態(tài)跟隨粉塵濃度變化而自適應調(diào)節(jié)的智能調(diào)控方法。焦婉瑩[10]通過改變壓入式風筒末端角度，優(yōu)化了綜掘工作面的風流場。Li Y J 等人[11-13]采用正交設計方法，通過仿真試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段進行了相應研究，得出了壁掛式旋流通風裝置最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝位置參數(shù)，高效地抑制了綜掘工作面的粉塵擴散問題。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當前研究人員大多關(guān)注掘進巷道的除塵方法和技術(shù)，少有研究關(guān)注采取何種措施在掘錨一體機截割區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對粉塵擴散的抑制。因此，筆者提出掘錨一體機除塵風筒精細化布局，增加支路風筒，對掘錨一體機工作面的流場結(jié)構(gòu)和粉塵特性進行了深入研究，確定了高效掘進工作面通風系統(tǒng)的控塵方案，為綜掘工作面井下通風除塵提供了理論基礎。

1 計算模型的建立

1.1 數(shù)學模型

以N-S 方程為基礎，建立基于湍流強度及其耗散率的κ-ε自由流動場方程，分析粉塵在流場中的受力狀況，建立基于粉塵顆粒在拉格朗日坐標系中受力平衡的離散相方程，確定求解條件。

連續(xù)性方程

動量方程

標準κ-ε方程

式中：ρ為氣體密度；t為時間；u為氣體速度；x為坐標；i為張量符號，i=1，2，3；j為張量符號，j=1，2，3；κ為單位質(zhì)量的湍流動能；ε為湍流動能的耗散速度；Gκ為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能項；p為湍流有效壓力；μ為層流黏性系數(shù)；μ t為湍流黏性系數(shù)；c1ε，c2ε，cμ，σκ，σε為模型常數(shù)，分別取 1.44，1.92，0.09，1.00，1.30。

1.2 幾何模型建立與求參設置

采用數(shù)值模擬軟件 Fluent 對巷道中的粉塵分布進行研究。模型長 45.0 m，寬 6.3 m，高 4.8 m，局部通風系統(tǒng)的送風筒布置在巷道的右側(cè)，出風口距離掘進工作面 13 m，設置簡化的掘進機。研究不同數(shù)量除塵風筒對除塵效率的影響時設置了 3 種布局方案，其物理模型如圖1 所示。

圖1 不同布置方案的物理模型Fig.1 Physical models of different layout schemes

方案一，掘錨一體機僅布置 1 個風筒，位于其中上部，連接除塵風機。風筒橫截面直徑為 800 mm。

方案二，2 個支路風筒分別布置在掘進機左右兩側(cè)，且與除塵風機相連。2 個支路風筒橫截面直徑均為 480 mm。

方案三，掘錨一體機中部上方布置 1 個除塵風筒，掘進機左側(cè)布置 1 個支路風筒。2 個風筒橫截面直徑均為 480 mm。

物理模型采用整體六面體網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格間距為 0.3，如圖2 所示。計算模型、邊界條件和離散相參數(shù)設置如表1～3 所列。其中，粉塵最大、最小及中位粒徑的選取依據(jù)為相似地質(zhì)條件煤礦掘進工作面的相關(guān)研究[14]。

表1 計算模型設置Tab.1 Settings of calculation model

表2 邊界條件設置Tab.2 Settings of boundary condition

表3 離散相參數(shù)設定Tab.3 Parameter settings of discrete phase

圖2 物理模型網(wǎng)格Fig.2 Physical model grid

1.3 網(wǎng)格獨立性與數(shù)值計算可靠性驗證

為了驗證模擬結(jié)果的準確性，進行網(wǎng)格獨立性檢驗。網(wǎng)格數(shù)分別為 50 萬、127 萬 和 160 萬個。由于氣流是粉塵載體，影響模擬結(jié)果，因此選擇氣流速度作為網(wǎng)格獨立性驗證的主要參數(shù)，并對 3 組網(wǎng)格進行了比較，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可以看出，160 萬和 127 萬個網(wǎng)格下氣流速度曲線幾乎重合且誤差較小。綜合考慮計算資源與計算可靠性，127 萬個的網(wǎng)格模型能夠滿足數(shù)值模擬要求，最終采用網(wǎng)格數(shù)為127 萬個的網(wǎng)格模型。為了確保數(shù)值模擬的可靠性，筆者在烏海能源有限責任公司某煤礦掘進工作面進行了現(xiàn)場粉塵濃度測量，粉塵濃度測試儀安裝位置位于掘錨設備側(cè)，如圖3 所示?，F(xiàn)場整體工況與數(shù)值模擬方案一類似，測點的實測平均粉塵濃度和數(shù)值模擬粉塵濃度誤差約為 2 mg/m3，說明數(shù)值模擬方法具有較高的可靠性。

圖3 網(wǎng)格獨立性與粉塵試驗驗證Fig.3 Grid independence and dust experimental verification

2 掘錨一體機工作面粉塵分布規(guī)律與流場特性分析

完成數(shù)值模擬參數(shù)設置之后，進行迭代計算。保持壓風筒直徑、壓風筒的進氣速度和除塵風筒的負壓值，通過改變除塵風筒的數(shù)量來對綜掘工作面的產(chǎn)塵情況進行比較分析。

2.1 掘錨一體機通風流場結(jié)構(gòu)

除塵風筒數(shù)量不同的巷道風流場結(jié)構(gòu)如圖4 所示，高速氣流通過壓風筒進入巷道中，沖刷掘進工作面。由圖4(a) 可以看出，掘進機上方僅單獨布置 1 個除塵風筒時，附壁射流撞擊巷道底板，部分氣流向上被除塵風筒吸入；掘進機后方到巷道中段位置氣流不穩(wěn)定，存在較多的渦流區(qū)，這會導致顆粒的積聚，使粉塵濃度升高。由圖4(b) 可以看出，在掘進機兩側(cè)布置 2 個除塵風筒時，氣流撞擊巷道底板后，大部分氣流被左右 2 個除塵風筒吸入，但仍有部分氣流從掘進機上方流向巷道末端。由圖4(c) 可以看出，掘進機上方和掘進機左側(cè)均布置除塵風筒時，除塵風筒產(chǎn)生的負壓對掘進機前部的流場產(chǎn)生的影響較大，使得掘進機前部風流場結(jié)構(gòu)趨于復雜，除塵風筒除塵效果降低。

圖4 不同方案下巷道內(nèi)流場結(jié)構(gòu)Fig.4 Flow field structures in roadway under different schemes

2.2 粉塵的動態(tài)擴散過程分析

2.2.1 截割粉塵在巷道內(nèi)的擴散過程研究

研究不同數(shù)量除塵風筒對粉塵擴散影響時，模型統(tǒng)一采用壓風筒距離掘進工作面 13 m 的模型進行研究。不同數(shù)量除塵風筒的巷道內(nèi)粉塵濃度分布如圖5所示。研究發(fā)現(xiàn)，從壓風筒流出的高速氣流沖刷掘進工作面，同時塵源粉塵在風流的攜帶下，沿回風側(cè)煤壁軸向流動。由于粉塵受到重力作用和掘進機阻擋影響，質(zhì)量較大的粉塵顆粒容易積聚。從圖5 中能夠觀察到明顯的高濃度粉塵團聚集在巷道左側(cè)拐角處和掘進機鏟斗上方，這避免了高濃度粉塵從巷道左側(cè)向后端擴散。

圖5 不同方案下巷道粉塵濃度分布Fig.5 Distributions of dust concentration in roadway under different schemes

由圖5(a) 可以看出，僅在掘進機上方布置 1 個除塵風筒時，因除塵風筒的直徑較大，在除塵風機相同的負壓下可以吸收更多的粉塵。巷道的頂板附近粉塵濃度遠低于巷道底板附近，這是由于除塵風筒將通過掘進機上方的粉塵吸收而產(chǎn)生的。小部分大顆粒粉塵跟隨著氣流沿煤壁流向巷道末端，掘進機后方粉塵較高。隨著粉塵沿巷道進一步擴散，大顆粒粉塵因為重力逐漸下沉，因此巷道底板附近粉塵濃度較高。

由圖5(b) 可以看出，相比方案一，方案二掘進機工作面左側(cè)和右側(cè)粉塵濃度均有所下降。但由于掘進機上方中間位置沒有除塵風筒，導致大量的粉塵被氣流攜帶經(jīng)此處流向巷道末端，掘進機機體上方和巷道末端均存在高濃度粉塵區(qū)域。

由圖5(c) 可以看出，相比于方案二，掘進機機體上方的粉塵濃度有所下降，掘進機上方的除塵風筒有效吸收了從掘進機機體上方流過的粉塵。由于方案三掘進機前部氣流紊亂，流場結(jié)構(gòu)復雜，大量的粉塵被氣流攜帶從掘進機左側(cè)的除塵風筒上方流向了掘進機后方，導致巷道末端粉塵濃度急劇增加。

2.2.2 不同高度處的粉塵分布規(guī)律研究

在不同數(shù)量的除塵風筒對巷道內(nèi)粉塵分布影響研究中，分別設置了 3 種不同的方案，迭代計算完成后分別截取了 1.6 和 3.0 m 2 個高度處的巷道整體粉塵分布，如圖6 所示。

圖6 不同高度處巷道內(nèi)粉塵分布情況Fig.6 Dust distributions in roadway at different heights

從圖6 可以看出，方案一的高濃度粉塵主要集中在巷道的左側(cè)拐角和巷道左側(cè)煤壁，這是由于壓風筒吹出的氣流迫使粉塵沿著掘進工作面流動并流向巷道左側(cè)。此外，大顆粒粉塵也隨著氣流流向巷道左側(cè)，因此，巷道左側(cè)的粉塵濃度要高于巷道右側(cè)。

方案一中 3.0 m 高度處的粉塵濃度要遠低于 1.6 m 高度處，這可能是由于方案一中巷道左側(cè)的氣流速度大，導致粉塵懸浮在 1.6 m 高度。方案二中 3.0 m高度處的粉塵濃度要高于 1.6 m 高度處，這是由于大量的粉塵從掘進機機體上方流出，粉塵隨著氣流流向巷道末端，從而導致在 3.0 m 高度處的粉塵濃度高。由于掘進機前部的氣流場紊亂，大部分粉塵從掘進機左側(cè)流向巷道末端，方案三中 3.0 和 1.6 m 高度處粉塵濃度均較高。方案二右側(cè)前端粉塵濃度明顯低于方案三右側(cè)前端粉塵濃度，這是由于方案二右側(cè)安裝有除塵風筒，可以有效吸收粉塵，降低粉塵濃度。

2.2.3 掘錨一體機工作面粉塵時空變化規(guī)律

在0～60 s 的時間段內(nèi)，距掘進工作面不同距離處的巷道截面平均粉塵濃度的時空分布如圖7 所示。從圖7(a) 可以看出，掘進工作面產(chǎn)生的粉塵濃度較高，最高可達 68 mg/m3。因除塵風筒進風口距掘進工作面的距離為 3 m，所以距掘進工作面 2 m 的截面粉塵濃度較低。粉塵濃度在距掘進工作面 4 m 的截面出現(xiàn)明顯增加，這是由于大部分粉塵顆粒被掘進機機體阻擋，無法及時向后擴散。隨著距掘進工作面距離的增加，在掘進機后的粉塵濃度逐漸趨于穩(wěn)定。從圖7(b) 可以看出，掘進工作面粉塵濃度極高，大量的粉塵被控制在掘進機前部，但由于風筒橫截面積的減小，風筒除塵能力有限，巷道后部粉塵濃度相比于圖7(a) 有所增加。隨著時間的增加，不同距離的截面平均粉塵濃度基本不變。從圖7(c) 可以看出，掘進工作面粉塵濃度相比于圖7(b) 有所下降，但其他截面的粉塵濃度都大于圖7(b)。由于在掘進機中部沒有布置支路風筒，部分粉塵會從掘進機中部擴散到巷道后方。對比圖7(b) 和 (c) 可知，掘進機中部的支路風筒可以有效吸收粉塵，減少巷道后部的粉塵濃度。

圖7 不同方案下巷道不同路段的平均粉塵濃度隨時間的變化Fig.7 Variations of average dust concentration with time in different sections of roadway under different schemes

3 結(jié)論

(1) 掘錨一體機采用 1 個除塵風筒時，巷道內(nèi)整體粉塵濃度低，高濃度粉塵團主要聚集在風筒另一側(cè)的拐角處和掘進機鏟斗上方。同時，一條高濃度粉塵帶位于風筒另一側(cè)煤壁附近。建議將掘進機駕駛員位置布置于風筒側(cè)。

(2) 掘錨一體機采用方案二和方案三時，由于支路風筒的直徑僅是方案一風筒直徑的 1/2，巷道內(nèi)部粉塵濃度較高。小直徑的支路風筒導致掘進機前方流場復雜，支路風筒直徑是影響粉塵濃度控制的重要影響因素。

(3) 除塵風筒橫截面積大，風筒能有效吸收從掘進機上方流向巷道后方的粉塵；支路風筒可以有效降低附近區(qū)域的粉塵濃度，阻止粉塵顆粒由掘錨機機身側(cè)流向巷道后方。