摘 要：【目的】研究大采高綜采工作面移架落塵粒徑分布規(guī)律，為移架落塵的粉塵治理提供理論指導(dǎo)和幫助?！痉椒ā窟\(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)風(fēng)流場(chǎng)作用下的移架落塵進(jìn)行研究，采用SpaceClaim構(gòu)建工作面幾何模型，利用Fluent對(duì)不同風(fēng)速下的移架落塵進(jìn)行數(shù)值模擬，并將得出的移架落塵的粒徑分布與相似試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?！窘Y(jié)果】在同一風(fēng)速下，隨著離塵源點(diǎn)距離的增加，粉塵的平均粒徑逐漸減小。風(fēng)速越大，在同一測(cè)點(diǎn)測(cè)得的粉塵平均粒徑越大。將數(shù)值模擬與相似試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得出，兩者誤差隨離塵源點(diǎn)距離的增加而增加。粒徑范圍在165～180 μm的粉塵沉降位置在離塵源點(diǎn)4～10 m處；粒徑范圍在154～165 μm的粉塵沉降位置在離塵源點(diǎn)10～16 m處；粒徑范圍為118～154 μm的粉塵沉降位置在離塵源點(diǎn)16～22 m處；粒徑范圍在88～118 μm的粉塵沉降位置在離塵源點(diǎn)22～28 m處；粒徑范圍為77～88 μm的粉塵沉降位置在離塵源點(diǎn)28～34 m處?！窘Y(jié)論】通過(guò)研究結(jié)果分析得出，不同粒徑大小的粉塵受風(fēng)速及重力影響的沉降位置，為以后工作面移架落塵的分區(qū)治理提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：綜采工作面；移架落塵；數(shù)值模擬；粒徑分布

中圖分類號(hào)：TD714.4" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2025）03-0035-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.03.007

Numerical Simulation Study on Dustfall During Hydraulic Support Movement in a Fully-Mechanized Mining Face with a Large Mining Height

XING Fei1 TU Qingyi2

（1.School of Safety Science and Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China; 2.National Engineering Research Center for Coal Gas Contral， Huainan 232000， China）

Abstract： [Purposes] The study aims to investigate the particle size distribution patterns of dustfall during hydraulic support movement in a fully-mechanized mining face with a large mining height，so as to provide theoretical guidance and assistance for the control and mitigation of dustfall， which originates from the movement of hydraulic supports. [Methods] Utilizing numerical simulation methodologies， this study investigates the dustfall during hydraulic support movement under the influence of airflow within a fully-mechanized mining face. The geometric model of the mining face is constructed using SpaceClaim， and Fluent is employed to conduct numerical simulations of dustfall under varying wind speeds during hydraulic support movement. The obtained particle size distribution of dustfall is then compared with experimental findings. [Findings] At a constant wind speed， the average particle size of dust gradually decreases as the distance from the dust source increases and the larger the wind speed， the larger the average particle size of dust is measured at the same measuring point.A comparison between the numerical simulations and similar experiments reveals that the error between the two increases with the increasing distance from the dust source. Dust particles within the size range of 165～180 μm experience dustfall within a distance of 4-10 m from the dust source. For particles ranging from 154～165 μm， the dustfall location is between 10-16 m from the dust source. Dust particles with a size range of 118～154 μm settle within 16～22 m from the dust source. Particles measuring 88-118 μm in diameter undergo dustfall at a distance of 22～28 m from the dust source. Lastly， dust particles within the size range of 77～88 μm settle at a distance of 28～34 m from the dust source. [Conclusions] Through analysis of the research findings， it is concluded that the settlement locations of dust particles of varying sizes are influenced by wind speed and gravity， providing theoretical guidance for future zoning management of dustfall during hydraulic support movement in working faces.

Keywords： fully-mechanized mining face; dustfall during hydraulic support movement; particle size distribution; numerical simulation

0 引言

大采高綜采工作面機(jī)械化程度高，在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)塵量大，主要包含割煤機(jī)塵源和移架塵源，嚴(yán)重威脅井下從業(yè)人員的身體健康。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近10 a我國(guó)新增塵肺病病例數(shù)量整體呈下降趨勢(shì)，國(guó)家衛(wèi)生健康委發(fā)布的《2022年我國(guó)衛(wèi)生健康事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，2022年新增職業(yè)性塵肺病病例7 577例，其中煤炭行業(yè)新增病例3 698例，占比超過(guò)50%［1］。綜采工作面的粉塵防治仍是目前亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)工作面粉塵防治問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者開展了大量研究。王明等［2］對(duì)綜放工作面移架落塵進(jìn)行相似試驗(yàn)研究，得出不同影響因素下粉塵濃度的分布規(guī)律。周剛等［3］采用數(shù)值模擬的方法，揭示了相對(duì)濕度粉塵濃度的影響，得出75%～85%為煤礦開采的最佳環(huán)境開采濕度。Mo等［4］通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)綜放工作面不同風(fēng)速下的粉塵分布情況進(jìn)行了研究，得出了最佳降塵風(fēng)速。綜上所述，針對(duì)移架塵源和采煤機(jī)塵源的粉塵濃度分布規(guī)律的研究取得了一定的成果，但在對(duì)綜采工作面移架落塵粒徑的分布規(guī)律方面的研究還較少。本研究以紅柳林煤礦25211綜采工作面為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的研究方法對(duì)大采高綜采工作面移架落塵的分布規(guī)律進(jìn)行研究，得出移架落塵粒徑的分布規(guī)律，對(duì)工作面移架落塵的治理具有重要意義。

1 大采高綜采工作面數(shù)值模擬

在歐拉-拉格朗日標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下，將粉塵顆粒視為離散相，將風(fēng)流設(shè)置為連續(xù)相，通過(guò)求解耦合方程來(lái)獲取粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡［5］。流體質(zhì)量守恒方程見式（1）。

[?ρ?t+??xiρui=0] （1）

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；ui為空氣流動(dòng)速度在x軸、y軸和z軸方向上的分量，m/s。

流體動(dòng)量守恒控制方程見式（2）。

[??tρui+??xiρuiuj=??p?xi]

[+??xjμ+μt?ui?xj+?uj?xi+ρgi] （2）

式中：μ為空氣動(dòng)力黏度，Pa·s；μt為湍動(dòng)黏度，Pa·s；p為氣流的壓力，Pa。

本仿真模擬忽略其他力對(duì)粉塵顆粒的影響，采用Realizable k-[ε]模型，此模型具有適用范圍廣、計(jì)算效率高和計(jì)算精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。

k方程見式（3），[ε]方程見式（4）。

[??tρk+??xiρuik]

[=??xjμ+μtσk?k?xj+Gk+Gb][?ρε] （3）

[??tρε+??xiρuiε=??xjμ+μtσε?ε?xj+C1εεkGk+C3εGb?ρC2εε2k] （4）

以上式中：Gk為不同運(yùn)動(dòng)勻速梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，kg/（s3·m）；Gb為由浮力影響造成的湍動(dòng)能；[k]為湍流動(dòng)能，m2·s-2；[ε]為湍流動(dòng)能耗散率，m2·s-3；σk為[k]方程紊流普朗特?cái)?shù)；σε為[ε]方程紊流普朗特?cái)?shù)。

1.1 物理模型

本研究基于紅柳林煤礦25211綜采工作面，根據(jù)井下實(shí)際情況運(yùn)用SpaceClaim構(gòu)建幾何模型，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化的同時(shí)，盡可能還原實(shí)際綜采工作面的井下情況。采煤工作面長(zhǎng)100 m、寬9.2 m、高5.8 m，對(duì)交運(yùn)巷道和輔運(yùn)巷道簡(jiǎn)化為一條進(jìn)風(fēng)巷，回風(fēng)巷為出風(fēng)巷道。進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)巷道長(zhǎng)50 m、寬6 m、高4 m，如圖1所示。采煤工作面設(shè)有移架產(chǎn)塵點(diǎn)、割煤機(jī)和液壓支架。從移架產(chǎn)塵點(diǎn)正下方下風(fēng)口5 m的位置開始，每隔4 m設(shè)置一個(gè)塵測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置8個(gè)塵測(cè)點(diǎn)。

1.2 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行模擬設(shè)置前做如下假設(shè)：①巷道內(nèi)的空氣為不可壓縮流體；②粉塵從支架塵源點(diǎn)均勻掉落；③巷道內(nèi)外無(wú)熱交換，溫度不變；④煤粉視為球體，不考慮粉塵顆粒之間的相互影響。綜采工作面巷道頂板、煤壁、液壓支架和采煤機(jī)壁面對(duì)粉塵的作用均設(shè)置為reflect，巷道底板、液壓支架底座區(qū)域和塵測(cè)點(diǎn)區(qū)域?qū)Ψ蹓m的作用設(shè)置為trap。數(shù)值模擬的求解模型和邊界條件見表 1。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 風(fēng)流場(chǎng)分析

當(dāng)數(shù)值模擬采用入口平均風(fēng)速1.5 m/s時(shí)，使用CFD-POST導(dǎo)出風(fēng)速分布云圖，如圖 2所示。由圖2可知，風(fēng)流處于進(jìn)風(fēng)巷道較為穩(wěn)定，從進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入采面，采面截面面積變大導(dǎo)致采面平均風(fēng)速減小，在剛進(jìn)入采面靠近煤璧面位置會(huì)存在低速區(qū)域。架前割煤機(jī)的阻擋導(dǎo)致割煤機(jī)前滾筒方風(fēng)速小于架間風(fēng)速。

為了更好地獲取采面風(fēng)速的大小，了解不同位置風(fēng)速大小的差異，將采面XY截面分為4等份，在架間和架前兩種不同高度設(shè)置風(fēng)速檢測(cè)線，采用檢測(cè)線對(duì)采面的風(fēng)速大小進(jìn)行檢測(cè)，風(fēng)速大小和檢測(cè)線位置如圖3所示。

由圖3可知，風(fēng)流在剛進(jìn)入采煤工作面時(shí)，風(fēng)流受到液壓支架的阻擋作用和采面巷道截面面積的影響突然增大，導(dǎo)致風(fēng)速波動(dòng)較大。Lin1出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺少的情況，是由檢測(cè)線穿過(guò)割煤機(jī)導(dǎo)致的。Lin1和Lin3的位置靠近煤壁，在風(fēng)流剛進(jìn)入采煤工作面時(shí)出現(xiàn)風(fēng)速急劇下降。同等高度的Lin1、Lin3和Lin4在綜采工作面30 m后的風(fēng)速變化平穩(wěn)，Lin2風(fēng)速在綜采工作面30 m后出現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。風(fēng)流在經(jīng)過(guò)割煤機(jī)附近時(shí)，割煤機(jī)的阻擋作用導(dǎo)致這部分區(qū)域巷道空間出現(xiàn)變化，風(fēng)速出現(xiàn)明顯波動(dòng)。

2.2 粉塵粒徑分布情況

在進(jìn)口風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，導(dǎo)出移架塵源和割煤機(jī)粉塵顆粒歷史軌跡，如4圖所示。移架塵源點(diǎn)高度為5 m，粉塵受到重力和風(fēng)流的影響在巷道內(nèi)飄散，從圖 4中可以直觀看到粉塵粒徑越大離塵源點(diǎn)的距離越近。

通過(guò)Fluent采樣功能，在入口平均風(fēng)速分別為0.8、1.5、2.0、2.5 m/s條件下，導(dǎo)出各個(gè)測(cè)點(diǎn)捕捉到的粉塵粒徑進(jìn)行處理，得出移架落塵的粒徑分布規(guī)律如圖 5所示。

由圖 5可知，不同風(fēng)速下移架落塵的分布規(guī)律不同，風(fēng)速越大，風(fēng)流所提供的動(dòng)能越大，相同測(cè)點(diǎn)測(cè)得粉塵的平均粒徑越大。在同一風(fēng)速下，隨著離塵源點(diǎn)距離的增加，粉塵的平均粒徑呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。在離塵源點(diǎn)29 m內(nèi)，不同入口風(fēng)速為0.8、1.5、2.0、2.5 m/s所對(duì)應(yīng)的粉塵平均粒徑的下降速率分別為71.1%、59.1%、52.7%、44.5%，表明風(fēng)速越大在此區(qū)域粉塵平均粒徑的下降速率越小，距離塵源點(diǎn)29 m外粉塵平均粒徑的變化浮動(dòng)較小。

移架落塵不同粒徑大小粉塵的沉降位置不同，為獲取不同粉塵粒徑的粉塵沉降位置，在采煤工作面移架下風(fēng)口4 m處開始設(shè)置，每隔6 m設(shè)置一個(gè)檢測(cè)面（XY面），共設(shè)置11個(gè)檢測(cè)面，對(duì)流經(jīng)檢測(cè)面的粉塵進(jìn)行粒徑檢測(cè)。通過(guò)比較相鄰兩個(gè)檢測(cè)面粉塵粒徑差異，得出粉塵不同粒徑的沉降位置。測(cè)得檢測(cè)面粉塵粒徑的大小范圍如圖 6所示。

由圖 6可知，粒徑范圍為165～180 μm的粉塵沉降位置在離塵源點(diǎn)4～10 m處；粒徑范圍為154～165 μm的粉塵沉降位置在離塵源點(diǎn)10～16 m處；粒徑范圍為118～54 μm的粉塵沉降位置在離塵源點(diǎn)16～22 m處；粒徑范圍為88～118 μm的粉塵沉降位置在離塵源點(diǎn)22～28 m處；粒徑范圍為77～88 μm的粉塵沉降位置在離塵源點(diǎn)28～34 m處。由此可知，隨著離塵源點(diǎn)距離的增加，粉塵粒徑變化趨勢(shì)逐漸減小，在此風(fēng)速條件下，粒徑小于60 μm的粉塵不易沉降。

2.3 數(shù)值模擬與相似試驗(yàn)對(duì)比

為驗(yàn)證數(shù)值模擬研究的準(zhǔn)確性，使用前人研究得出的紅柳林煤礦25211綜采工作面相似試驗(yàn)平臺(tái)［6］，試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)相同的變化趨勢(shì)，表明該模型在粉塵擴(kuò)散試驗(yàn)中具有高度可靠性。

使用此相似試驗(yàn)平臺(tái)得出入口風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)的粒徑分布規(guī)律，將試驗(yàn)和數(shù)值模擬的第一測(cè)點(diǎn)作為基點(diǎn)，得出其他測(cè)點(diǎn)粉塵粒徑的相對(duì)變化率，如圖7所示。由圖7可知，數(shù)值模擬與試驗(yàn)粉塵粒徑的相對(duì)變化率在23 m內(nèi)擬合度高，在23 m外隨著離塵源點(diǎn)距離的增加兩者差距隨之增加，最大相對(duì)誤差為12.9%，在可接受范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

①在同一風(fēng)速下，隨著離塵源點(diǎn)距離的增加，粉塵的平均粒徑呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。不同風(fēng)速下，風(fēng)速越大測(cè)點(diǎn)測(cè)得粉塵的平均粒徑越大。

②在距離塵源點(diǎn)29 m內(nèi)，不同入口風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的粉塵平均粒徑的下降速率分別為71.1%、59.1%、52.7%、44.5%，并且風(fēng)速越大在此區(qū)域粉塵平均粒徑的下降速率越小，距離塵源點(diǎn)29 m外粉塵平均粒徑的變化幅度明顯減小。

③利用檢測(cè)面得出不同粒徑粉塵沉降位置和在入口平均風(fēng)速為1.5 m/s條件下，粒徑小于60 μm的粉塵不易沉降。試驗(yàn)與數(shù)值模擬粒徑的相對(duì)變化率擬合度較高，最大相對(duì)誤差為12.9%，表明數(shù)值模擬結(jié)果可靠性較高。

參考文獻(xiàn)：

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