煤礦綜采面PM2.5濃度分布規(guī)律研究分析*

趙建會，段 杰，楊 楠，王 豆

(1.西安科技大學(xué)， 陜西 西安 710054； 2.西安科技大學(xué) 高新學(xué)院, 陜西 西安 710054)

0 引 言

眾所周知，煤炭開采行業(yè)的作業(yè)環(huán)境是復(fù)雜和艱苦的，大多數(shù)井下作業(yè)人員會因?yàn)槲牍腆w顆粒而患有呼吸方面的疾病，在可吸入固體顆粒物中，PM2.5的含量占相當(dāng)大的比例，且PM2.5的質(zhì)量濃度與人體健康狀況顯著相關(guān)[1-2]。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)礦務(wù)局統(tǒng)計(jì)分析，在礦井內(nèi)作業(yè)的工作人員，長期吸入顆粒物后所引發(fā)的職業(yè)病導(dǎo)致死亡人數(shù)已經(jīng)達(dá)到工傷死亡總?cè)藬?shù)的6倍，而德國煤礦的研究表明，死于塵肺病的人數(shù)比工傷事故高出10倍[3]，并且PM2.5對于井下能見度也有重要的影響，所以也會造成礦井下的安全問題[4]。

各國學(xué)者對于大氣中PM2.5的防治進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，同時(shí)提出了許多防治對策及措施。但是目前對煤礦井下作業(yè)產(chǎn)生PM2.5的研究相對較少，其主要原因是井下作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，采煤過程中煤體的破碎或者風(fēng)流的揚(yáng)塵等造成粉塵種類過多并且容易對PM2.5的濃度分布造成影響；沒有精確的細(xì)微顆粒采樣儀器；同時(shí)PM2.5的形成具有多樣性，具體到系統(tǒng)不同區(qū)域、不同季節(jié)、不同狀態(tài)參數(shù)下PM2.5的形成及來源方向會有很大不同[5]。本論文主要采用實(shí)驗(yàn)和模擬分析的方法對綜采面PM2.5分布運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行研究分析，對在礦井下采取相應(yīng)的降塵防塵措施及礦井內(nèi)安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 井下PM2.5 的形成機(jī)理

1.1 PM2.5 的產(chǎn)生

在礦井內(nèi)工作面作業(yè)時(shí)粉塵顆粒物的來源途徑主要有以下幾個(gè)方面：通風(fēng)時(shí)的風(fēng)流產(chǎn)生的污染，采煤機(jī)在切割工作時(shí)發(fā)生的周期性移架，運(yùn)輸機(jī)載運(yùn)和轉(zhuǎn)載工作以及工作面頂?shù)装迕奥浜推瑤偷漠a(chǎn)塵等。其中，井下作業(yè)時(shí)最主要的粉塵來源是采煤機(jī)作業(yè)(包括清底和割煤)[6]。

1.2 氣固兩相流理論

本文主要是研究煤礦綜采面所產(chǎn)生的PM2.5 濃度分布規(guī)律，對于礦井綜采面PM2.5研究的主要理論依據(jù)是氣固兩相流運(yùn)動的相關(guān)方程式。可以將煤礦綜采面做以下的假設(shè)：空間介質(zhì)視為不可壓縮粘性氣體，空間場視為等溫場，并且之間沒有任何的能量傳遞，方程如下[7-9]：

(1) 對于不可壓縮粘性氣體，其連續(xù)性方程為:

Ug=0

(1)

(2) 對不可壓縮粘性氣體，其流體運(yùn)動方程為：

(2)

式中,ρg為氣體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；F為單位體積上氣體的質(zhì)量力矢量，N/m3；p為氣體的壓力矢量，Pa；μ為氣體的粘性系數(shù)，Pa·s。

(3) 由牛頓第二定律可得粉塵顆粒的運(yùn)動方程為：

(3)

式中，mp為顆粒的質(zhì)量，kg；Up為顆粒的運(yùn)動速度，m/s；Fd為顆粒在氣流中所受的阻力，N；Ff為顆粒所受的浮力，N；Fg為顆粒所受的重力，N；Fx為顆粒所受的其他作用力，N。

2 煤礦綜采面PM2.5運(yùn)動規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)構(gòu)建

2.1.1 實(shí)驗(yàn)對象選取

鑒于煤礦綜采面PM2.5形成的特殊性和多樣性，本次實(shí)驗(yàn)主要通過研究某一特定的煤礦綜采工作面的情況來分析其濃度分布，實(shí)驗(yàn)選取陜西省銅川市崔家溝煤礦三盤區(qū)2301工作面作為實(shí)驗(yàn)研究對象。

2.1.2 采集器選取

實(shí)驗(yàn)的測量儀器選用粉塵采樣器(見圖1)。粉塵采樣器的工作原理是已知該采集器的纖維濾膜質(zhì)量，采集煤礦綜采面指定地點(diǎn)含塵空氣，然后稱量采樣后濾膜的質(zhì)量，由采樣后濾膜的增量計(jì)算單位體積空氣中的粉塵濃度。

圖1 PM2.5采樣器裝置原理

2.1.3 測點(diǎn)布置

由于現(xiàn)場條件所限，采煤機(jī)機(jī)道空間無法進(jìn)行采樣，因?yàn)楸敬窝芯恐饕轻槍M2.5濃度分布規(guī)律的研究，為避免PM2.5被行人過多吸入導(dǎo)致危害身體健康，所以在支架內(nèi)行人道的呼吸帶上沿程布置采樣點(diǎn)能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)的研究目的。具體布置點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 PM2.5 濃度測點(diǎn)布置

PM2.5粉塵采樣器在割煤的情況下，采樣點(diǎn)在順風(fēng)割煤和逆風(fēng)割煤的情況下均不改變布置點(diǎn)位置。圖中采樣點(diǎn)1-2， 14-15相距50 m，采樣點(diǎn)2-3， 13-14相距5 m，采樣點(diǎn)4-12間各相距20 m。

2.1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

步驟一：粉塵采樣器的氣密性檢查。

步驟二：粉塵采樣器的氣密性檢查完畢后將粉塵采樣器固定在采樣點(diǎn)的位置，采樣入口迎風(fēng)向放置，距離地面1.5 m。

步驟三：位置固定后，設(shè)定工作流量為16.67 L/min，啟動抽氣泵，連續(xù)運(yùn)行15 min，并記錄數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本次研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖3、圖4、圖5。

2.2.1 不割煤時(shí)PM2.5沿程濃度分析

從圖3可以看出，該煤礦的綜采工作面PM2.5的沿程濃度是逐漸增加的，這是由于PM2.5的粒徑較小所以大部分是隨著風(fēng)流擴(kuò)散出工作面。在進(jìn)風(fēng)巷道與工作面交界處和回風(fēng)巷道與工作面的交界處均出現(xiàn)PM2.5濃度驟然升高，這是因?yàn)轱L(fēng)流在這兩處方向發(fā)生改變，產(chǎn)生渦流，造成煤壁的PM2.5被吹落，同時(shí)使得該處出現(xiàn)部分PM2.5滯留。

2.2.2 割煤時(shí)PM2.5沿程濃度分析

從圖4可以看出，距離采礦綜采工作面越近的位置產(chǎn)生的PM2.5濃度值會越高，一方面原因是割煤時(shí)產(chǎn)生的PM2.5擴(kuò)散到行人道上，另一方面是由于割煤過程中移架和放頂煤導(dǎo)致PM2.5增加；在采樣點(diǎn)7處出現(xiàn)PM2.5濃度最大值為265～360 μg/m3不等，這主要是因?yàn)榍啊⒑鬂L筒處產(chǎn)生的PM2.5擴(kuò)散進(jìn)入人行道空間和移架作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的PM2.5影響所致。

2.3 兩種情況下PM2.5沿程濃度對比

從圖5可以看出不割煤作業(yè)時(shí)，PM2.5的濃度含量十分低，且增長速度比較緩慢，表明風(fēng)流引起的揚(yáng)塵不是巷道PM2.5濃度含量增加的因素，其主要的因素是綜采工作面的煤體在割煤作業(yè)時(shí)引起的；割煤作業(yè)時(shí)，PM2.5的濃度越靠近綜采工作面其含量值越高。主要原因有：一是綜采工作面周圍的相關(guān)割煤設(shè)備儀器較多，占據(jù)一部分空間；二是綜采面的巷道截面偏小，導(dǎo)致該截面處的風(fēng)速要比其他地方的大，形成相對較大的風(fēng)流，造成更多揚(yáng)塵，最終導(dǎo)致該處PM2.5的濃度值迅速增加。

圖3 不割煤時(shí)PM2.5 濃度沿程分布

圖4 割煤時(shí)PM2.5 濃度沿程分布

圖5 兩種情況下PM2.5濃度對比

3 FLUENT建模模擬分析

3.1 模型建立

對氣固兩相流的計(jì)算原理是比較復(fù)雜的，本次研究主要利用Fluent的數(shù)值計(jì)算方法[7-8]。計(jì)算物理模型的建立：工作面物理模型為長×高×寬=150 m×10 m×4 m的長方體、內(nèi)部設(shè)備均按規(guī)則的立體結(jié)構(gòu)布置；采煤機(jī)的物理模型：長×寬×高=6 m×2 m×2 m；液壓支架的物理模型為：長×寬×高=1 m×1 m×4 m，將上述3個(gè)物理模型簡化后使用Gambit軟件建立割煤時(shí)的三維集合模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。相應(yīng)的邊界條件：入口邊界類型為VELOCITY_INLET，入口速度為1.2 m/s，湍流動力能量0.8 m2/s2，湍流擴(kuò)散比率為0.8 m2/s3，出口邊界類型為OUTFLOW。

3.2 模擬結(jié)果分析

本次僅分析沿煤壁至采空區(qū)方向的粉塵濃度，沿y軸正方向的行人道設(shè)置顯示粉塵濃度模擬結(jié)果的縱斷面，其中6，10 m兩個(gè)位置處縱斷面內(nèi)PM2.5的濃度具體模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 y=6 m處縱斷面內(nèi)的PM2.5濃度模擬分析

圖7 y=10 m處縱斷面內(nèi)的PM2.5濃度模擬分析

從圖6和圖7中可以看出：

(1) 在y=6處，PM2.5的濃度沿著風(fēng)流方向先逐漸增大，在行人道中央部位達(dá)到最大值，然后逐漸減小。同時(shí)在上風(fēng)向的濃度明顯小于下風(fēng)向的濃度。

(2) 在y=10處，即在煤壁處時(shí)，可以看出整個(gè)工作面區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)受割煤機(jī)作業(yè)的影響均有PM2.5的產(chǎn)生。

通過對比實(shí)地礦井綜采工作面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所得結(jié)果與利用FLUENT軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，可以得出，數(shù)值模擬的結(jié)果基本上論證了實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

(1) 工作面不割煤時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷道PM2.5的濃度較小，且工作面PM2.5的沿程濃度逐漸增加。 在進(jìn)風(fēng)巷道與工作面交界處和回風(fēng)巷道與工作面交界處均出現(xiàn)PM2.5濃度的驟然升高，回風(fēng)巷道的PM2.5整體較高。

(2) 工作面割煤時(shí)，越靠近綜采工作面，產(chǎn)生的PM2.5濃度值越高。由于回風(fēng)巷道的進(jìn)風(fēng)主要是通過工作面后的風(fēng)，所以PM2.5的濃度整體上比進(jìn)風(fēng)巷道的濃度要高。工作面PM2.5濃度較進(jìn)、回風(fēng)巷道要大，沿程濃度最大值為265～360 μg/m3不等，在工作面的下風(fēng)向PM2.5濃度值開始迅速下降，到采樣點(diǎn)10處以后逐漸減小，最終濃度基本上穩(wěn)定在88 μg/m3左右。

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