巷道水膜除塵技術除塵效果模擬*

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巷道水膜除塵技術除塵效果模擬*

黃欣

(陜西煤業化工技術研究院有限責任公司 現代煤炭開采技術研究所，陜西 西安 710065)

摘要：為了有效控制巷道內煤塵的運移擴散，降低礦井煤塵危害，設計了巷道水膜除塵裝置，通過水膜的吸附和阻擋作用達到凈化風流的目的。同時根據銅川徐家溝煤礦530運輸機巷內水膜實際布置情況，建立了數學模型，對該裝置的除塵效果進行了模擬研究，結果表明：網簾孔徑是影響除塵效果的關鍵因素，孔徑越小，除塵效果越好，但對巷道內風阻的影響越大。因此，需根據巷道實際情況確定合理的孔徑尺寸，針對實驗巷道的實際情況，確定了最佳孔徑為1.6 mm，水膜除塵裝置對應除塵率高達94.9%，能夠有效降低巷道內煤塵濃度，且水膜前后風速變化僅為0.042 m/s，對巷道內風阻變化影響較小。

關鍵詞：巷道；煤塵；水膜除塵；數值模擬；孔徑；風阻

0引言

煤塵危害一直是煤礦生產主要危害之一，特別是在高強度、高機械化開采的條件下，粉塵濃度越高、粒徑越細，其造成的危害也越嚴重[1-2]。首先，煤塵微粒隨呼吸系統進入作業人員體內，附著于肺部，引起塵肺病等一系列病變；其次，分布于井巷空間的高濃度粉塵存在爆炸危險性，危及井下作業人員的生命安全[3-5]。針對巷道距離長、塵源多等特點[6]，文中提出了水膜除塵技術控制巷道內粉塵的運移和擴散，并對其除塵效果進行了模擬研究。

1巷道水膜除塵裝置設計

巷道空間內，上風側風流攜帶塵源處煤塵運移擴散；同時，巷道底板及皮帶運輸機表面附著的煤塵又在風流作用下二次揚塵，逐漸擴散運移至整個巷道空間[7-8]。由于巷道空間內塵源較多，若從塵源著手控制煤塵擴散較為困難，因此，文中設計了一種水膜除塵裝置，通過在巷道斷面懸掛網簾，通過網簾頂部的噴淋裝置，使網簾上不斷形成水膜，伴隨著水膜的形成-破裂-再形成的循環過程，阻擋吸附巷道風流內的煤塵。水膜除塵裝置示意圖如圖1所示，該裝置的關鍵為網簾孔徑的大小，孔徑過大，不易形成水膜，則不利于巷道降塵；孔徑過小，水膜形成較多，雖能達到較佳的降塵效果，但對巷道內風速影響較大，無形中增加了巷道通風阻力。因此，需根據巷道實際情況選擇合理的孔徑尺寸。為了確定最佳網簾孔徑，通過建立數學模型，通過數值計算確定最佳孔徑，并對不同孔徑除塵效果的模擬效果進行對比分析。

圖1　封閉式水幕除塵裝置示意圖Fig.1　Sealed drencher dust-collecting equipment

2數學模型的建立

2.1　基本假設

考慮到工程實際問題的復雜性，建立數學模型時，需做一定條件的假設，以便較使所建模型較好的反映需解決問題的關鍵點[8]

1)視顆粒相為連續介質；

2)視氣流為定常流動；

3)視煤塵顆粒為規則形狀顆粒。

2.2　氣-固兩相流數學模型

2.2.1空氣場

空氣場采用k-ε湍流模型，其數學模型如下[9]

(1)

動量方程-μ·U+U·.

(2)

式中U為風流速度，m/s； μ為空氣動力粘滯系數，Pa·s；ρ為空氣密度，kg/m3；P為大氣壓強，Pa；F為體積力，N.

2.2.2濃度場

視煤塵顆粒為連續介質，其濃度擴散方程為[10]

(3)

(4)

式中C為煤塵濃度，mg/m3；U為巷道斷面風速，m/s；Ex為煤塵彌散系數；Jxi為煤塵所受阻滯力，N；α為井巷摩擦阻力系數；D為巷道斷面寬度，m.

2.2.3通風阻力

氣流在巷道內運動過程中，受巷幫、構筑物等阻滯作用下會產生能量損失，即通風阻力。在巷道內加設水膜除塵裝置后，水膜裝置也會對風流產生通風阻力，計算式如下[11]

(5)

(6)

(7)

S1v1=S2v2.

(8)

式中h1為局部通風阻力，Pa；S1為巷道有效斷面面積，m2；S2為巷道斷面面積，m2；d為網簾孔徑，m；dL為網簾線寬，m；v1為網簾斷面風速，m/s；v2為巷道斷面風速，m/s．

2.2.4煤塵所受水膜阻力

水膜除塵裝置主要通過所形成水膜的阻滯作用凈化風流中的煤塵。而水膜的阻滯作用主要受水膜與網簾之間的表面張力所決定，因此，煤塵所受水膜阻力計算公式為

F阻=FL-Fσ,

(9)

其中Fσ=σ·d.

(10)

式中FL為水膜臨界表面張力，N；Fσ為水膜表面張力，N；σ為水膜表面張力系數，N/m.

2.3　邊界條件和初始條件

2.3.1邊界條件

為了求得所建模型的最優解，根據井下條件及模型假設條件，確定邊界條件

1)在巷道邊壁氣體相和顆粒相的速度均滿足無滑移條件。

u|邊=v|邊=0，

(11)

2)在流場入口邊界，給出各參數(速度、壓力、煤塵濃度等)的平均值。

(12)

3)在出口邊界上，給出各參數(速度、壓力、煤塵濃度等)的平均值。

P|出=P.

(13)

2.3.2初始條件

定常流動時不給初始條件。

3水膜除塵效果模擬研究

3.1　幾何模型的建立

以陜煤銅川徐家溝煤礦主要輸煤巷道為例，根據該巷道實際情況建立模型并進行模擬研究。其具體幾何參數為：選取30m水平輸煤巷道為研究對象，巷道內設置一條輸送皮帶，輸送帶到巷道頂板約1.5m，巷道斷面積為9m2，水膜除塵裝置安裝在巷道入口后方25m處，巷道入口處風速為0.63m/s.幾何模型如圖2所示。

圖2　幾何模型Fig.2　Geometric model

3.2　水膜除塵模擬結果分析

水膜除塵效果的好壞主要取決于網簾孔徑，將式(5)與式(10)聯立求得最優解，得出當網簾孔徑為1.6 mm時，既能達到較好的除塵效果，同時對巷道風阻影響也最小。因此，首先模擬網簾孔徑為1.6 mm時巷道內風速及粉塵濃度變化情況。

圖3　巷道內水膜前后風速分布云圖Fig.3　Distribution of water film backward-forward wind speed in tunnels interior

圖4　距皮帶垂距1 m水平方向上風速變化曲線Fig.4　Variation curve of wind speed in thehorizontal direction of distancingbelt perpendicular distance 1 m

由圖4可知，巷道測點上風側25 m位置處懸掛水膜，在懸掛水膜后，水膜前后風速發生了相應變化。提取軟件內部數據，水膜前風速最大值為0.638 m/s，水膜后風速為0.596 m/s，降低了0.042 m/s，風速降低百分比為6.58%.由此可知，水膜對巷道風速影響較小。

圖5　巷道內水膜前后煤塵體積質量分布云圖Fig.5　Distribution of water film backward-forwardcoal dust concentration in tunnels interior

圖6　距皮帶垂距1 m水平方向上煤塵體積質量變化曲線Fig.6　Variation curve of coal dust concentration inthe horizontal direction of distancingbelt perpendicular distance 1 m

由圖6可知，懸掛水膜后，煤塵得到了有效控制，網簾后煤塵體積質量大大降低。網簾后方煤塵體積質量為2.867 mg/m3，而網簾前方煤塵體積質量最大值為56.544 mg/m3，煤塵體積質量降低了94.9%.由此可知，水膜能夠有效降低巷道內煤塵。

3.3　不同孔徑網簾除塵效果模擬研究

為了考察不同網簾孔徑下水膜除塵裝置的除塵效果及水膜前后風速變化情況，本節以運輸巷道水膜除塵裝置為例，分別模擬了網簾孔徑為1，1.6，2 mm情況下，水膜前后煤塵體積質量變化曲線及水膜前后風速變化曲線如圖7,8所示。

圖7　不同孔徑條件下水膜前后煤塵體積質量變化曲線Fig.7　Variation curve of coal dust concentrationof water film backward-forward underdifferent aperture conditions

圖8　不同孔徑條件下水膜前后風速變化曲線Fig.8　Variation curve of wind speed of waterfilm backward-forward underdifferent aperture conditions

由圖7可知，網簾孔徑越小，水膜對煤塵的阻滯作用就越明顯，除塵效果越好。由圖8可知，簾孔徑的減小，水膜前后風速變化越大，即所形成風阻越大。提取軟件內部數據，網簾孔徑分別為1，1.6，2 mm的水膜除塵后粉塵體積質量對應為2.429，2.967，3.305 mg/m3，而水膜后風速分別減小了0.178，0.042，0.022 m/s.由此可知，隨著網簾孔徑的遞減，煤塵體積質量變化梯度為0.438 mg/m3，但是當網簾孔徑由1.6 mm降至1 mm時，水膜后風速變化較大，降低了0.178 m/s，表明此時除塵效果雖得到一定程度的提升，但對巷道風速影響較大，不宜繼續減小網簾孔徑。

4結論

1)輸煤巷道內煤塵顆粒隨著風流在巷道中逐漸擴散開來，且顆粒分布在整個巷道中逐漸變得均勻，即氣-固兩相流由開始的非均質流向均質流轉化；

2)經模擬分析可知，水膜除塵裝置能夠有效降低巷道內煤塵體積質量，且該裝置對巷道內風阻影響較小，具有廣泛的推廣應用價值；

3)不同孔徑的網簾對成膜率、除塵效果及巷道風速均有影響。隨著網簾孔徑的減小，水膜后煤塵體積質量呈遞減趨勢，但網簾孔徑不易過小，否則會引起較大風阻變化，影響正常通風。因此，應根據巷道實際情況確定合理的網簾孔徑，既達到較高的除塵效果，又不影響巷道內正常通風。

參考文獻References

[1]牛朝旭.綜采工作面的粉塵分布及治理對策[J].煤炭科學技術，2006，34(4)：29-30.

NIU Chao-xu.Distribution and prevention & controlmeasures for dust in fully mechanized coal mining face[J].Coal Science and Technology，2006，34(4)：29-30.

[2]王開松，李武.綜采工作面的煤塵綜合防治[J].煤炭科學技術，2005，33(1)：48-50.

WANG Kai-song，LI Wu.Comprehensive coal dust control of fully mechanized coal mining face[J].Coal Science and Technology，2006，34(4)：29-30.

[3]王曉峰.轉載點粉塵析出機理及綜合治理[J].煤炭技術，2008，27(1)：124-125.

WANG Xiao-feng.Mechanism and comprehensive treatment of dust separating out at transpersite[J].Coal Technology，2008，27(1)：124-125.

[4]顧大釗.高產高效煤礦煤塵防治關鍵技術[J].礦業安全與環保，2010，37(6)：34-37.

GU Da-zhao.Technology of prevention the dust in high efficiency coal mine[J].Mining Safety & Environmental Protection，2010，37(6)：34-37.

[5]曹廣遠，李長河，程子華.微米級水霧在井下巷道降塵中的應用[J].煤炭科學技術，2012，40(10)：77-79.

CAO Guang-yuan，LI Chang-he，CHENG Zi-hua.Micron grade water spray applied to dust control in mine roadway[J].Coal Science and Technology，2012，40(10)：77-79.

[6]史金華，馬宗斌，田間.井下輸送帶運煤系統綜合防塵技術[J].煤炭科學技術，2012，40(4)：75-77.

SHI Jin-hua，MA Zong-bin，TIAN Jian.Comprehensive dust prevention technology of belt coal conveying system[J].Coal Science and Technology，2012，40(4)：75-77.

[7]李潔瑩.井下煤塵產生機理分析[J].山西焦煤科技，2011(10)：36-37.

LI Jie-ying.Mechanism analysis of coal mine[J].Shanxi Coking Coal Science & Technology，2011，(10)：36-37.

[8]劉少虹，許振良.輸煤巷道煤塵擴散的數值模擬[J].科學技術與工程，2007，7(21)：5 672-5 674.

LIU Shao-hong，XU Zhen-liang.Numerical smiulation of diffusion of coal dust in Haulage roadway[J].Science Technology and Engineering，2007，7(21)：5 672-5 674.

[9]程衛民，張清濤，劉中勝，等.綜掘面粉塵場數值模擬及除塵系統研制與實踐[J].煤炭科學技術，2011，39(10)：39-44.

CHENG Wei-min，ZHANG Qing-tao，Liu Zhong-sheng，et al.Research and practices on numerical simulation of dust field and dust collection system in full mechanized mine roadway heading face[J].Coal Science and Technology，2011，39(10)：39-44.

[10]李恩良，王秉權.紊流擴散理論在井巷傳質中的應用[J].煤炭學報，1988，9(1)：65-75.

LI En-liang，WANG Bing-quan.Application of turbulent diffusion theory in mine mass transfer[J].Journal of China Coal Society，1988，9(1)：65-75.

[11]張國樞.通風安全學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2000.

ZHANG Guo-shu.Ventilation and safety[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2000.

本刊入選RCCSE中國核心學術期刊

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Effect simulation of water film dust removal in tunnel

HUANG Xin

(ModernCoalMiningInstituteofTechnology，ShaanxiCoalChemicalIndustryTechnology

ResearchInstituteCo.，Ltd.，Xi’an710065China)

Abstract：In order to effectively control the diffusion of roadway dust and reduce the hazards of mine coal dust，the author has designed a water film dust removal device.Utilize the adsorbed and blocking effect of the water film to purify the wind flow.According to actual situation of Xujiagou-Tongchuan coal mine roadway 530，establishing a mathematical model.Study on the dust collector effect of the device by a simulation.The simulation results show that：The pore size of the net curtain is a key factoraffecting the dedusting effect.The smaller the aperture，the better dust removal.But，the drag of roadway is greater.So，determine areasonable aperture size by the actual situation.According to experimental roadway，the best aperture is 1.6 mm.And the dust removal rate is 94.9%.The concentration of coal dust in the roadway is reduce effectively.And the change of wind speed is only 0.042 m/s.The drag of the roadway has less impact.

Key words：roadway；coal dust；water film dust removal；numerical simulation；pore size；wind resistance

中圖分類號：TD 714

文獻標志碼：A

作者簡介：黃欣(1987-)，女，新疆克拉瑪依人，碩士，助理工程師，E-mail：huangxin@sxccti.com

收稿日期：*2015-12-12責任編輯：劉潔

文章編號：1672-9315(2016)01-0055-05

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0109