基于ANSYS·FLUENT的粉塵分布規律研究及防治

安剛剛

（霍州煤電集團汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

1 工程背景

目前，在我國煤礦安全事故中有一部分是由于工作面粉塵濃度較大引起粉塵爆炸，若長期處于高濃度粉塵的作業環境中，也會對工人身體造成損害，目前產塵源主要包括采煤工作面的產塵、掘進工作面的產塵、其他地點的產塵，這些產塵源有時甚至達到煤塵爆炸濃度界限，十分危險，應予以充分重視。已知10-108工作面地層傾角為5°～10°。受斷裂以及一次褶曲構造影響，礦區基本形態呈向北單斜構造，層傾角3°-8°，平均5°，頂板為砂質泥巖，松散易冒落，底板為粉砂巖、砂質泥巖和石英砂巖，有膨脹現象。礦井瓦斯含量較低，煤層具有自燃性，煤塵有爆炸危險性，通風方式為壓入式通風，其中在掘進10-108工作面運輸順槽時巷道揚塵較大，經過檢測巷道掘進機附近全塵濃度達到了530mg/m3，煤塵量較大，工人作業環境惡劣，而煤塵本身具有爆炸危險性，10-108運輸順槽的掘進受到嚴重困擾，多次因為煤塵量較大影響了掘進面的進度，因此急需對10-108運輸順槽粉塵的濃度有充分的了解，并為后續的防治方案提供依據。

2 10-108巷道數值模擬

2.1 模型建立

10-108工作面運輸順槽巷道斷面呈現矩形，寬4.0m，高3.5m，根據掘進工作面實際情況，本次建模軟件采用 ANSYS·FLUENT[1]，計算區域長 50，壓入式風筒視為直徑為0.8m的圓柱體，風筒出風口距工作面距離為5m，風筒的軸線距離底板2.6m，懸掛在靠近一側煤壁處。對現場使用掘進機各部分按照尺寸大小進行適當取值，設置邊界條件，風筒進風口風速設為8m/s，水利直徑設為0.8m，湍流強度設為3.15%，設置后分別得到掘進巷道風速矢量模型以及掘進巷道粉塵濃度變化圖分別見圖1以及圖2，設定計算模型后，迭代計算最終得出模擬結果。

圖1 掘進巷道風速矢量模型

圖2掘進巷道粉塵濃度變化

2.2 模型計算設置及結果

已知巷道寬4.0m，高3.5m，首先建立坐標系，以巷道寬度為X軸，風筒巷道壁一側為X=0m，以巷道高度建立Y軸，巷道底板高度Y=0m，模型計算設置對斷面內不同的X坐標值時得到巷道粉塵濃度分布圖見圖3，另外對斷面內不同高度時即不同的Y坐標得到巷道粉塵濃度分布圖見圖4。

圖3 X坐標不同得到巷道粉塵濃度分布圖

圖4 Y坐標不同時得到巷道粉塵濃度分布圖

通過觀察圖3以及圖4后可以發現巷道粉塵濃度多在掘進機頭位置處，隨著X坐標值的增大，巷道粉塵濃度在掘進機處也是在逐漸增大的，超過了200mg/m3，這是因為風流在射向工作面后會向相反方向反射，反射回的風流由于受到掘進機的阻攔，一部分風流會在掘進機前方一定區域內產生小的渦流，另外一部分風流通過掘進機的兩側通過并會在掘進機尾部一定區域內產生小的渦流。所以在掘進機前后粉塵濃度相對較高。而在風筒一側，由于新鮮風流比較多且風流運動相對劇烈，所以掘進機兩側風流濃度相差較大；隨著Y坐標的增加，巷道粉塵濃度在掘進面有所減少，但同時也可以看出在距離在掘進工作面產塵源一段距離后，粉塵濃度變小并趨于穩定。這是由于掘進機截割煤巖時產生的大顆粒粉塵受重力作用而沉降，再加上通風流場內風速減小及強度均勻等因素的影響。

綜上可得巷道粉塵在掘進迎頭處巷兩側濃度相差較大，靠近風筒一側濃度相對較低，另外伴隨著與掘進面之間距離的增加，巷道粉塵濃度時在逐漸減小的。

2.3 人員呼吸帶粉塵濃度[2]

通常人在掘進工作面所處高度為1.5～1.8m，為此礦方對這段高度做了相關的數值模擬，通過整理數據得到了當Y坐標為1.5～1.8m時巷道濃度變化曲線圖，曲線中藍色曲線為呼吸性粉塵濃度，紅色曲線為全塵濃度即綜合性粉塵的濃度。

圖5 人員呼吸帶巷道濃度變化曲線曲線

通過觀察圖5可以發現當高度為1.5～1.8m時，巷道粉塵濃度在距離掘進頭5m時最高，呼塵濃度為64mg/m3，而全塵濃度為275mg/m3，另外司機位置處粉塵濃度相對距掘進頭5m處較低，呼塵濃度在59 mg/m3，全塵濃度為252 mg/m3，同時隨著距離的增加，粉塵濃度是在降低的，其中在離掘進面5m～離掘進面15m處下降趨勢最為明顯，下降趨勢在54.5%，并且下降趨勢隨著距離的增加也在逐漸下降，即表明粉塵濃度在逐漸下降并趨于穩定。綜上所述巷道粉塵在距掘進頭5m處最為嚴重，因此在防治時重點降塵區域為5～10m處。

3 掘進工作面噴霧降塵

3.1 掘進工作面高壓噴霧降塵[3]

通過數值模擬得出的結果可以看出，掘進機截割煤巖產生粉塵后，塵源附近距工作面5m內粉塵濃度很高，并且隨著沿程距離的增大而不斷地減小，50m左右之后粉塵濃度遞減趨勢越來越弱最后趨于穩定，這說明1508掘進工作面現場通風除塵能力有限。產塵源處使用掘進機自帶噴霧降塵，水壓小，易堵塞，同時還存在安裝、運輸、防護不利等諸多缺點和不足。噴霧采用普通噴嘴，霧化效果差。因此礦方采用高壓噴霧降塵對掘進面進行高強度治理，其中輸入油壓為8～12MPa，輸入油量為50～70L/min，輸出噴霧水壓10-15MPa，輸出噴霧水流量30～50L/min，有效射程為24m，霧化粒度30～150um，每套噴霧架上噴霧器數量為5個，噴嘴由原先的普通金屬噴嘴改為螺旋牙水芯噴嘴[4]，其中高壓噴嘴結構圖見圖6，另外為了使水霧噴出后呈立體噴射，搭配三維立體噴霧架，籠罩截割頭，另外在井下噴霧系統的進水通路中添加抑塵劑，可以很好地解決細微塵粒和焦煤塵粒親水能力差，不易沉降的問題。

圖6 高壓噴嘴結構示意圖

3.2 皮帶輸送機噴霧降塵

皮帶輸送機噴霧降塵模塊是破碎的煤巖通過轉載機經過皮帶運煤時，容易產生煤塵，在皮帶上方60cm處設置噴霧水管，為節省用水量，每隔5m設置橫向水管，橫向水管上安裝4個噴頭。噴霧水管通過液壓槍與礦井供水管網相連，液壓槍扳機處連接一個擋板，當皮帶開動后煤巖經過皮帶時煤巖會觸碰擋板，擋板被抬起，觸發液壓槍彈簧開關，噴霧自動打開，同時煤巖量越多擋板抬起幅度越大，噴霧量也會相應增大，起到了自動控制噴霧大小的目的。將廢舊液壓槍改造成自動開關，不僅動作靈敏，耐用，操作簡單，而且沒有失爆危險。皮帶輸送機噴霧降塵圖見圖7。

圖7 皮帶輸送機噴霧降塵結構圖

3.3 除塵效果展示

在應用優化后的降塵方案后，巷道作業環境有了明顯改善，但為了更直觀有效的分析降塵效果，礦方分別在方案實施前后對10-108掘進工作面不同距離處的粉塵濃度進行了詳細的測量，收集數據并進一步整理得到表1、表2。

表1 全塵濃度使用降塵技術前后對比表

表2 呼塵濃度使用降塵技術前后對比表

通過觀察表1可以看出降塵前后全塵濃度降低明顯，其中司機位置以及離掘進頭15m之間降塵率都在80%以上，效果最好時達到了83.7%，而離掘進面60～110m，降塵率均在70%以上，觀察表2可以看出呼性性粉塵降塵率也都高于70%，其中效果最好時達到了80.1%，另外在離掘進面50～150m左右，降塵率最高為78.2%，綜上所述可知在掘進迎頭5～15m處進行高壓噴霧技術可以有效的降低煤塵濃度，全塵降塵率達到了83.7%，呼塵降塵率達到了80.1%，另外在皮帶輸送機處架設噴霧器也起到了應有的效果，全塵降塵率達到了72.7%，呼塵降塵率達到了78.2%，降低了呼吸性粉塵的濃度，為掘進作業人員優化了作業環境，同時也降低了工人患塵肺病的風險。

4 總 結

已知10-108掘進工作面在掘進過程中巷道粉塵濃度較大，經檢測在掘進面附近粉塵濃度達到了530 mg/m3，巷道本身采用壓入式通風，作業環境惡劣，巷道工人有時會出現呼吸困難癥狀，為了了解掘進過程中巷道粉塵的分布情況并為后續集中化處理提供依據，礦方采用ANSYS?FLUENT軟件對掘進面進行了數值模擬，得出巷道粉塵在離掘進頭5m處濃度最高，集中在司機位以及離掘進頭15m之間，為此礦方在司機位置～離掘進頭15m處采用了高壓噴霧技術，另外在皮帶輸送機上也架設了噴霧器，經過現場實測后發現全塵及呼塵濃度均下降明顯，其中全塵降塵率在83.7%，呼塵降塵率在80.1%，降塵效果明顯，為掘進作業人員優化了作業環境，同時也降低了塵肺病的風險。