綜采工作面雙重空氣幕隔塵技術(shù)數(shù)值模擬研究

丁厚成，李勝男，郭　成，余　點(diǎn)

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

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綜采工作面雙重空氣幕隔塵技術(shù)數(shù)值模擬研究

丁厚成，李勝男，郭成，余點(diǎn)

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

摘要：為提高空氣幕隔塵性能，改善采煤機(jī)司機(jī)主要活動(dòng)區(qū)域作業(yè)環(huán)境，提出雙重空氣幕阻止截割粉塵擴(kuò)散至采煤機(jī)司機(jī)主要活動(dòng)區(qū)域。利用ICEM進(jìn)行了建立綜采工作面三維幾何模型，采用氣-固兩相流理論建立數(shù)學(xué)模型，并利用FLUENT軟件對(duì)空氣幕隔塵性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果表明：渦流致使截割粉塵污染人行道；單條空氣幕射流發(fā)生扭曲，致使截割粉塵透過(guò)速度低位區(qū)擴(kuò)散至人行道上方區(qū)域；雙重空氣幕能夠削弱外側(cè)空氣幕對(duì)粉塵的卷吸作用，同時(shí)內(nèi)側(cè)空氣幕能夠加強(qiáng)渦流并將粉塵限定于渦流區(qū)內(nèi)，說(shuō)明雙重空氣幕能夠降低粉塵對(duì)司機(jī)主要活動(dòng)區(qū)域的污染。

關(guān)鍵詞：綜采工作面；粉塵污染；隔塵技術(shù)；雙重空氣幕；數(shù)值模擬

粉塵是煤礦生產(chǎn)中的重大災(zāi)害之一，而綜采工作面產(chǎn)塵量占到45%～80%，在無(wú)防塵措施條件下，實(shí)測(cè)綜采工作面采煤機(jī)截割時(shí)粉塵總濃度可達(dá)2 500～3 000mg/m3[1]。綜采工作面粉塵控制技術(shù)種類(lèi)較多，包括噴霧降塵[2-5]、泡沫降塵、通風(fēng)排塵、除塵器除塵、空氣幕隔塵[6-7]等技術(shù)。在礦井巷道中，空氣幕主要被用來(lái)替代巷道風(fēng)門(mén)隔短路風(fēng)流、引射風(fēng)流和增阻調(diào)節(jié)風(fēng)流[8-9]，并且已經(jīng)取得了良好的應(yīng)用實(shí)踐效果。對(duì)于綜掘工作面，部分學(xué)者研究在壓入式風(fēng)筒末端加裝附壁風(fēng)筒，引導(dǎo)風(fēng)流在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)前方形成一道空氣幕，阻止粉塵向司機(jī)后方擴(kuò)散[10]。如湘潭工學(xué)院(今湖南科技大學(xué))課題組研究了空氣幕阻止割煤粉塵向司機(jī)工作區(qū)擴(kuò)散的可行性，對(duì)空氣幕隔塵技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，不斷完善了空氣幕隔塵理論[11-13]，并應(yīng)用在葛泉礦1326和1528綜采工作面，其隔塵效率達(dá)到了87.08%。在開(kāi)啟空氣幕時(shí)，粉塵分布發(fā)生了巨大的變化，雖然能夠保證人行道呼吸帶粉塵濃度低于10mg/m3，但是大量粉塵卻集中在頂板下方1.0m以?xún)?nèi)的區(qū)域。為此，本文分析了造成截割粉塵污染人行道以及單條空氣幕漏塵現(xiàn)象的原因，提出了相應(yīng)的解決方案，即加裝第二條空氣幕，組成雙重空氣幕,并對(duì)雙重空氣幕的隔塵性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了雙重空氣幕的工作特性以及兩條空氣幕在控制粉塵污染中各自所起的作用,為改善工作面作業(yè)環(huán)境提供參考依據(jù)。

1綜采工作面三維幾何模型的建立

綜采工作面包含較多的設(shè)備，如采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等，導(dǎo)致巷道內(nèi)部通風(fēng)區(qū)域形狀極為復(fù)雜，這對(duì)建立綜采工作面三維幾何模型造成很大的困難，需要對(duì)計(jì)算模型做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。綜采工作面尺寸簡(jiǎn)化如下：進(jìn)風(fēng)區(qū)尺寸為4.0m(長(zhǎng))×3.4m(寬)×3.6m(高)，采空區(qū)為21.0m(長(zhǎng))×4.1m(寬)×3.6m(高)；采煤機(jī)機(jī)身尺寸為7.0m(長(zhǎng))×1.3m(寬)×1.4m(高)，滾筒直徑為1.8m；液壓支柱直徑為0.3m，液壓支架間距為1.5m；電纜槽尺寸為25.0m(長(zhǎng))×0.3m(寬)×0.7m(高)，詳見(jiàn)圖1和圖2。

圖1　綜采工作面俯視圖Fig.1　Vertical view of full-mechanized work face1.前滾筒；2.空氣幕2；3.空氣幕1;4.采煤機(jī)；5.后滾筒；6.煤壁；7.電纜槽；8.液壓支柱

圖2　采煤機(jī)割煤三維幾何模型Fig.2　Three-dimensional geometry of a shearer cutting coal1.進(jìn)風(fēng)口(x=0 m)；2.原點(diǎn)0(0,0,0);3.空氣幕2;4.空氣幕1;5.x=8.0 m截面；6.采煤機(jī)；7.液壓支柱；8.電纜槽

本文運(yùn)用ICEM建立綜采工作面三維幾何模型并劃分計(jì)算網(wǎng)格，考慮到工作面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，模型選擇混合網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分，滾筒及搖臂附近區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格質(zhì)量在0.3以上，達(dá)到了FLUENT軟件的計(jì)算要求。

2空氣幕隔塵性能的數(shù)值模擬

2.1模型假設(shè)條件

在工程上，實(shí)際問(wèn)題過(guò)于復(fù)雜，在進(jìn)行數(shù)值模擬過(guò)程中為了降低計(jì)算量，有些條件在不影響物理現(xiàn)象和模擬結(jié)果的規(guī)律性前提下必須簡(jiǎn)化，因此本文提出如下模型假設(shè)條件：

(1) 采煤機(jī)移動(dòng)緩慢，忽略采煤機(jī)與風(fēng)流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[13]。

(2) 綜采工作面流場(chǎng)邊界和流體內(nèi)部沒(méi)有強(qiáng)大熱源，空氣溫度變化不大，可忽略設(shè)備、煤壁等與氣流間的熱交換對(duì)模擬結(jié)果的影響，把工作面溫度場(chǎng)看作定常等溫場(chǎng)。

(3) 采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備移動(dòng)是導(dǎo)致流場(chǎng)幾何尺寸改變及流動(dòng)非定常的因素之一，但是考慮到這些物體運(yùn)動(dòng)引起的無(wú)量綱斯托魯哈利數(shù)(St)比較小，可認(rèn)為采煤機(jī)發(fā)塵量穩(wěn)定，氣體相作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，即穩(wěn)態(tài)兩相流動(dòng)。

(4) 滾筒割煤引起橫向沖擊氣流，其平均風(fēng)速為0.3m/s。

2.2數(shù)學(xué)模型

圖2給出了模型的坐標(biāo)原點(diǎn)位置及x、y、z坐標(biāo)的方向，其中x方向?yàn)檫h(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口方向，y方向?yàn)楣ぷ髅娓叨确较颍瑉方向?yàn)檫h(yuǎn)離煤壁方向。將進(jìn)風(fēng)口(x=0m)設(shè)為速度入口，速度為1.0m/s，總的粉塵質(zhì)量流量為0.015kg/s。在上述模型假設(shè)條件基礎(chǔ)上，對(duì)綜采工作面及空氣幕流場(chǎng)模擬采用k-ε雙方程模型，并使用SIMPLEC算法求解氣相流場(chǎng)，待氣相流場(chǎng)計(jì)算收斂后，開(kāi)啟離散相模型，進(jìn)行氣-固兩相耦合運(yùn)算。描述風(fēng)流運(yùn)動(dòng)及粉塵分布的控制方程如下[14-15]：

連續(xù)方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

k方程：

式中:xi、xj分別表示x、y、z方向上的坐標(biāo)(m)(i≠j,i或j=1,2,3)；ui、uj分別表示流體在x、y、z方向上的速度(m/s)(i≠j,i或j=1,2,3)；p為湍流有效壓強(qiáng)(Pa)；ρg為氣相密度(kg/m3)；μt為湍流黏性系數(shù)(Pa/s)；μ為層流黏性系數(shù)(Pa/s)；Gk為剪切力變化產(chǎn)生湍動(dòng)能變化率(kg/s3·m)；k為湍動(dòng)能(m2/s2)；ε為湍動(dòng)能耗散率(m2/s3)；Cε1、Cε2、Cp、σε、σk為k-ε模型中的常數(shù)，取默認(rèn)值。

顆粒作用力平衡方程：

式中:mp為固體顆粒質(zhì)量(kg)；up為顆粒運(yùn)動(dòng)速度(m/s)；∑F為固體顆粒所受外力作用的合力(N)；Fd為顆粒運(yùn)動(dòng)所受阻力(N)；Fg為顆粒運(yùn)動(dòng)所受重力(N);Ff為顆粒運(yùn)動(dòng)所受浮力(N)；Fx為顆粒運(yùn)動(dòng)所受的其他作用力(N)。

對(duì)于附加質(zhì)量力、布朗力、熱泳力、Saffman升力和Magnus升力等，在本研究中忽略不計(jì)。

2.3空氣幕隔塵性能的數(shù)值模擬

2.3.1未開(kāi)啟空氣幕

為了確定空氣幕安裝位置以及采取粉塵控制技術(shù)的必要性，本文利用FLUENT軟件在未開(kāi)啟空氣幕之前對(duì)綜采工作面氣-固兩相流進(jìn)行仿真模擬，得到距煤壁2.1m(z=1.4m)截面和人行道中心斷面各個(gè)高度粉塵濃度沿程分布，見(jiàn)圖3和圖4，距煤壁2.1m截面粉塵濃度分布，見(jiàn)圖5。

圖3　距煤壁2.1 m截面各個(gè)高度粉塵濃度沿程分布圖Fig.3　Dust concentration distribution along the tunnel　　　at various heights in the cross section 2.1 m　　　away from the coal wall

圖4　人行道中心斷面各個(gè)高度粉塵濃度沿程分布圖Fig.4　Dust concentration distribution along the tunnel　　　at various heights in the central section　　　of the pavement

圖5　距煤壁2.1 m截面粉塵濃度分布圖Fig.5　Dust concentration distribution of the cross　　　section 2.1 m away from the coal wall

綜采工作面氣流由于受到采煤機(jī)機(jī)身阻擋，氣流攜帶截割粉塵轉(zhuǎn)移到人行道，造成人行道粉塵污染。由圖4可見(jiàn)，大量粉塵聚集在距地面1.5～3.0m之間的區(qū)域，最高粉塵濃度可達(dá)375mg/m3，呼吸帶高度粉塵濃度最高可達(dá)200mg/m3;在司機(jī)主要活動(dòng)區(qū)域(x=4.0～17.0m)，最高粉塵濃度達(dá)到300mg/m3，因此極有必要采取控塵措施阻止截割粉塵轉(zhuǎn)移至人行道。

采煤機(jī)機(jī)身前沿位于x=6.7m處，距煤壁2.1

m截面，在前沿未監(jiān)測(cè)到截割粉塵，機(jī)身上方沿著下風(fēng)向粉塵分布區(qū)域逐漸擴(kuò)大(見(jiàn)圖3)。從粉塵濃度沿程分布圖(圖3)及濃度分布圖(圖5)分析可以得出，在此截面處，機(jī)身上方的粉塵主要集中在距機(jī)身上方1.5m左右區(qū)域內(nèi)，采煤機(jī)的阻礙是造成此種現(xiàn)象的重要原因。

本文認(rèn)為需要采取某種措施在氣流到達(dá)采煤機(jī)機(jī)身之前將風(fēng)流分開(kāi)，對(duì)風(fēng)流進(jìn)行誘導(dǎo)，一部分流向煤壁，另一部分流向人行道，兩部分氣流互不干擾，可在一定程度上解決氣流攜帶截割粉塵轉(zhuǎn)移至人行道的問(wèn)題。而空氣幕可以較好地達(dá)到這一目的，空氣幕安裝在采煤機(jī)機(jī)身上，其安裝位置見(jiàn)圖1和圖6,空氣幕射流不僅要實(shí)現(xiàn)將工作面氣流分向氣幕兩側(cè)，而且空氣幕射流流線(xiàn)應(yīng)高于粉塵界線(xiàn)，見(jiàn)圖7。圖7是對(duì)圖5進(jìn)行簡(jiǎn)化，添加了空氣幕，并簡(jiǎn)易地畫(huà)出了相應(yīng)的射流流線(xiàn)，解釋了空氣幕的工作要求，即空氣幕必須超出采煤機(jī)機(jī)身前沿一定長(zhǎng)度，并且射流流線(xiàn)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)粉塵富集區(qū)的充分包裹。

圖6　空氣幕1與空氣幕2在采煤機(jī)機(jī)身上相對(duì)位置及射流方向示意圖Fig.6　Diagram of relative position and jet flow direction of air curtain 1 and air curtain 2 on the shearer

圖7　射流流線(xiàn)與粉塵富集區(qū)示意圖Fig.7　Diagram of jet streamlines and dust area

2.3.2開(kāi)啟單條空氣幕

空氣幕1安裝在采煤機(jī)機(jī)身上，且超出采煤機(jī)機(jī)身前沿0.7m，全長(zhǎng)3.8m，條縫寬度為20mm，采用速度出口，出口速度為5.0m/s。空氣幕1的位置見(jiàn)圖6，其位置及速度能夠滿(mǎn)足圖7的工作要求，當(dāng)打開(kāi)空氣幕1時(shí)，人行道中心斷面各個(gè)高度粉塵濃度沿程分布見(jiàn)圖8。

圖8　打開(kāi)空氣幕1時(shí)人行道中心斷面各個(gè)高度粉塵　　　濃度沿程分布圖Fig.8　Dust concentration distribution along the tunnel　　　at various heights in the central section of the　　　pavement with air curtain 1 operating

由圖8可見(jiàn)，打開(kāi)空氣幕1之后人行道中心斷面粉塵濃度沿程分布發(fā)生了巨大的變化，雖然能夠保證司機(jī)主要活動(dòng)區(qū)域呼吸帶高度粉塵濃度低于10mg/m3，但是大量粉塵卻集中在距地板3.0m以上區(qū)域。這一現(xiàn)象主要是由于空氣幕受到工作面氣流影響向巷道下風(fēng)向傾斜，且射流橫截面發(fā)生扭曲，沖向頂板分流時(shí)，造成截割粉塵發(fā)生泄漏，并隨射流分流轉(zhuǎn)移到人行道上方區(qū)域。

2.3.3開(kāi)啟雙重空氣幕

在空氣幕1的基礎(chǔ)上，加裝空氣幕2，也安裝在采煤機(jī)機(jī)身上，且超出機(jī)身前沿0.7m，其長(zhǎng)度為2.6m，條縫寬度為14mm，射流方向與采煤機(jī)頂部夾角為45°，射向右上方，采用速度出口，出口速度為4m/s。空氣幕1與空氣幕2之間相對(duì)關(guān)系及射流方向見(jiàn)圖6,同時(shí)開(kāi)啟空氣幕1和空氣幕2后，人行道中心斷面各個(gè)高度粉塵濃度沿程分布見(jiàn)圖9。

圖9　開(kāi)啟雙重空氣幕后人行道中心斷面各個(gè)高度　　　粉塵濃度沿程分布圖Fig.9　Dust concentration distribution along the tunnel at　　　various heights in the central section of the　　　pavement with double air curtains operating

對(duì)比單條空氣幕和雙重空氣幕的隔塵效果，可以確定雙重空氣幕顯示出在控塵方面的優(yōu)越性。由圖9可見(jiàn)，在開(kāi)啟雙重空氣幕后，除了可以保證司機(jī)主要活動(dòng)區(qū)域呼吸帶高度粉塵濃度低于10mg/m3以外，而且還能保證呼吸帶上方區(qū)域各個(gè)高度粉塵濃度均低于10mg/m3；人行道中心斷面粉塵主要分布在x=17.5m以后的區(qū)域，基本能夠保證司機(jī)主要活動(dòng)區(qū)域的粉塵控制要求。

3雙重空氣幕的工作特性

為了研究雙重空氣幕的工作特性，經(jīng)數(shù)值模擬得到了x=8.0m截面(見(jiàn)圖2)速度矢量和粉塵濃度分布，見(jiàn)圖10和圖11。為了便于觀察該截面速度矢量分布情況，將速度矢量分布圖中圖標(biāo)最大設(shè)置為2.0m/s，當(dāng)速度大于2.0m/s時(shí)，在圖中顯示為紅色；同時(shí)，將粉塵濃度云圖中圖標(biāo)最大設(shè)置為1 000mg/m3，粉塵濃度超過(guò)該值時(shí)，在云圖中顯示為紅色。

將該截面速度矢量分布圖(見(jiàn)圖10)與粉塵濃度分布圖(見(jiàn)圖11)一一對(duì)應(yīng)，可見(jiàn)工作面速度分布嚴(yán)重影響著粉塵濃度分布。受采煤機(jī)機(jī)身及搖臂阻礙作用，在采煤機(jī)上方形成了渦流，截割粉塵被卷入渦流后轉(zhuǎn)移到人行道，污染司機(jī)主要活動(dòng)區(qū)域。在開(kāi)啟單條空氣幕時(shí)，射流將工作面氣流分割為兩部分，即靠近煤壁的部分和流向人行道的部分，射流在沖向頂板的過(guò)程中不斷卷吸周?chē)鷶y帶截割粉塵的氣流，射流在受到工作面氣流影響發(fā)生扭曲，造成截割

圖10　x=8.0 m截面速度矢量分布圖Fig.10　Velocity vector distribution at the cross section 8.0 m away from the inlet

圖11　x=8.0 m截面粉塵濃度分布圖Fig.11　Dust concentration distribution at the section 8.0 m away from the inlet

粉塵泄漏轉(zhuǎn)移到人行道。開(kāi)啟雙重空氣幕時(shí)，空氣幕2能夠在一定程度補(bǔ)充空氣幕1卷吸的氣流，同時(shí)能夠加強(qiáng)空氣幕1與煤壁之間采煤機(jī)上方的渦

流，將煤塵控制在渦流中，這對(duì)提高噴霧降塵效率起到了一定的作用。

4結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法研究了雙重空氣幕隔塵技術(shù)，通過(guò)分析模擬結(jié)果，得到如下結(jié)論：

(1) 綜采工作面氣流受到采煤機(jī)阻礙及工作面截面變化的影響，在采煤機(jī)上方附近區(qū)域產(chǎn)生渦流，截割粉塵被卷入渦流，然后被氣流帶入人行道，造成司機(jī)主要活動(dòng)區(qū)域的污染，因此改善機(jī)身前沿流場(chǎng)分布是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵。

(2) 開(kāi)啟單條空氣幕，射流改變了綜采工作面氣流分布，工作面氣流被分割為兩個(gè)部分，即靠近煤壁的部分和流向人行道的部分，射流在一定程度上阻止了煤壁側(cè)的氣流流向人行道，將渦流限定在空氣幕與煤壁之間；但射流受到工作面氣流干擾發(fā)生扭曲，射流內(nèi)部速度極為不均，攜帶截割粉塵的氣流被卷入射流并帶向頂板，當(dāng)?shù)竭_(dá)射流內(nèi)部速度低位區(qū)時(shí)，粉塵通過(guò)擴(kuò)散作用穿過(guò)空氣幕轉(zhuǎn)移到人行道，造成人行道上方污染。

(3) 開(kāi)啟雙重空氣幕后，空氣幕2的射流一部分氣流彌補(bǔ)了空氣幕1對(duì)空氣的卷吸量，進(jìn)而減弱了空氣幕1對(duì)攜帶截割粉塵的氣流的卷吸作用，一部分氣流加強(qiáng)了渦流，使得截割粉塵被卷入渦流難于逃逸。可見(jiàn)，雙重空氣幕改變了綜采工作面粉塵濃度分布，將粉塵控制在空氣幕1與煤壁之間，能夠保證司機(jī)主要活動(dòng)區(qū)域免受粉塵污染。

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Numerical Simulation Study on the Dust Isolation Technology ofDoubleAirCurtainsatFully-mechanizedWorkFace

DINGHoucheng,LIShengnan,GUOCheng,YUDian

(School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Technology,Maanshan 243002,China)

Abstract:In order to improve the dust isolation performance of air curtains for a better working circumstance at occupied zone where shearer operators work,this paper proposes the dust isolation technology by air curtains to prevent the cutting dust from diffusing to the occupied zone.The paper applies the software ICEM to create the geometry model for the fully-mechanized work face,and utilizes gas-solid theory to establish the mathematic model simultaneously,and then imports the mesh into the software FLUENT to simulate the dust isolation performance.Simulation results are as follows:it is the swirling eddy on the shearer that carries the cutting dust to the occupied zone without any curtains operating;the jet distortion creates low velocity areas with single curtain operating,the cutting dust diffuses to the pavement through low velocity areas of the jet;double air curtains can supply part of air entrainment by the air curtain from the coal wall,and weaken its ability of entraining cutting dust,and the air curtain closing to the coal wall can also strengthen the swirling eddy which can entrain the cutting dust around and prevent the inhaled dust from fleeing from the eddy.These results demonstrate that double air curtains absolutely reduce the contamination by the cutting dust to the occupied zone at the fully-mechanized work face.

Key words:fully-mechanized work face;dust contamination;dust isolation technology;double air curtains;numerical simulation

文章編號(hào)：1671-1556(2016)03-0119-06

收稿日期：2015-10-21修回日期：2016-02-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510360057)；安徽省高校科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2012Z025、KJ2016A086)

作者簡(jiǎn)介：丁厚成(1973—)，男，博士，副教授，主要從事礦井通風(fēng)與除塵方面的研究。E-mail:hnhoucheng@163.com

中圖分類(lèi)號(hào)：X936；TD714+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.020