綜掘面塵源動態變化下粉塵場優化的風流調控研究

龔曉燕，趙曉瑩，楊富強，劉 輝，馮 雄，宋 濤，陳 菲

(1.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054；2.檸條塔礦業有限責任公司，陜西 榆林 719300)

隨著煤礦機械化水平的不斷提高，使得井下工作面的產塵量大幅度增加，掘進巷道安全隱患和環境污染風險提升。而傳統“通風總量”式的控制模式[1]通風效率低，且風筒直徑、方向角度和前后距離不能隨時動態變化，從而造成風流分布不合理及粉塵濃度聚集、二次揚塵等問題。實際掘進過程中，塵源隨著截割頭位置移動在不斷的動態變化，不同塵源產生的粉塵積聚區域也不相同，這更加加大了掘進巷道降塵的難度。目前，國內外學者研究表明，綜掘面風流狀態變化可以降低粉塵濃度，美國科學家Wang J[2]做了大量的氣固兩相流實驗，研究粉塵運移規律與氣流之間的關系。徐景德、周心權[3]基于三種不同的粉塵源位置，得出了風速和粉塵源位置對粉塵源附近區域的粉塵濃度有較大影響。劉榮華、王海橋[4]針對掘進面風流流場分布特征，分別建立了射流區、回流區及渦流區粉塵濃度計算模型，得出了三區粉塵分布不均勻的規律。課題組[5，6]通過數值模擬實驗和井下測試研究得出風筒出風口口徑、前后距離及方向角度等參數對粉塵運移分布有著明顯的影響，并研制出一種風筒出風口風流調控新型裝置[7]來優化粉塵場運移分布，如圖1所示。本文利用數值模擬手段及正交實驗設計法對塵源動態變化下風筒出風口風流調控參數對粉塵場影響進行分析，進而建立粉塵場優化分布的風流調控方案。

圖1 綜掘面風流動態調控裝置空間布局

1 塵源動態變化下粉塵場有限元模型建立

1.1 產塵源的影響因素及數學模型分析

掘進工作面粉塵產生的主要根源是截割產塵。不同截割方式導致塵源的位置不同[8]。因此粉塵離開塵源后的運動軌跡也不相同。粉塵顆粒離開塵源后，風流與自身重力影響著它的運移擴散。

綜掘面粉塵體積分數遠低于10%，屬于稀相氣固兩相流，因此選用 Euler-Lagrange方法的離散相模型(DPM)模擬粉塵運動[9]。忽略粉塵顆粒之間的相互作用力，運動過程中主要受到重力、浮力、拖曳阻力、壓力梯度力、Basset力、Saffman力、Magnus力等[10]。根據其受力建立的平衡方程式如式(1)和(2)[11]。

式中：FD(u-up)為顆粒單位質量曳力，N/kg；up為顆粒速度，m/s；u為流體速度，m/s；ρp為顆粒密度，kg/m3；ρ為流體密度，kg/m3；Fs為Saffman力；μ為流體的動力粘度，Pa·s；CD為拖曳阻力系數；Rep為顆粒雷諾數；dp為顆粒直徑，m。

1.2 塵源動態變化下粉塵場有限元模型建立

根據檸條塔礦S1212膠運巷道現場實際，采用自上而下弓形截割方式，對壓入式通風巷道進行合理簡化，掘進巷道總體長度為40m，橫斷面寬6.2m、高4.0m；風筒直徑為1m。掘進機簡化為長9.2m、寬2.9m、高1.8m的長方體。建立綜掘面三維幾何模型并劃分網格，網格單元為84.2萬個，劃分結果如圖2所示。

圖2 網格模型

將網格模型導入FLUENT中，設置求解類型并編寫塵源隨截割順序連續動態變化的邊界條件，水力直徑為1m，湍流強度為3.08%；通過DPM模型對粉塵場進行設定，粉塵的粒徑分布符合Rosin- Rammler分布規律，分布指數為1.62，質量流率取0.0036kg/s。

1.3 粉塵場有限元計算模型井下測試驗證

圖3 測試斷面測點布置

根據以上數值模擬方案，對粉塵場濃度進行數值模擬計算，并分別在距迎頭5m、7.5m、10m、15m、20m斷面內布置A(1.0m，1.5m)，B(3.05m，2.0m)，C(5.0m，1.5m)3個粉塵測試點進行井下粉塵濃度測試，如圖3所示，坐標位置分別代表距風筒側煤壁距離和距巷道底板距離。A、C測點位于行人呼吸帶高度位置，B測點位于司機呼吸帶高度位置。將實測數據與數值模擬結果進行對比，見表1。

表1 各測點粉塵濃度實測數據及模擬數據對比

由表1看出在距迎頭5～20m內，井下實測粉塵濃度和模擬結果基本保持一致，由于數值模擬過程中對模擬環境做了部分假設及對井下實際情況進行了部分簡化，導致出現細微誤差，誤差基本控制在5%左右，驗證了粉塵場數值模擬的可行性。

2 風流調控下的粉塵場模擬及優化

課題組前期研究確定了風流動態調控參數范圍為：出風口距迎頭范圍為5～10m；出風口口徑0.7～1.2m；水平偏轉角度0～25°；垂直偏轉角度0～6°[12]。通過對出風口距迎頭不同距離下的原始場粉塵濃度進行分析，發現出風口距迎頭5m和10m時較其他掘進距離更容易出現粉塵聚集現象，以出風口距迎頭5m極限工況為例模擬分析塵源動態變化下出風口各參數變化對粉塵場分布的影響。

2.1 出風口風流調控參數優化范圍分析確定

2.1.1 出風口口徑范圍確定

對出風口距迎頭5m工況下，不同口徑大小的回風側行人呼吸帶高度風速范圍和粉塵濃度平均值、掘進司機處的風速和粉塵濃度值進行記錄，由于風速沿程變化在距迎頭0～20m區域內變化趨勢明顯，因此選取該區域內的風速進行對比分析。綜合分析得到口徑大小為1.0～1.2m時，風速分布合理，粉塵濃度相對較低。

2.1.2 水平偏轉角度范圍確定

對不同水平偏轉角度下的回風側行人呼吸帶高度風速范圍和粉塵濃度平均值、掘進司機處風速及粉塵濃度值進行記錄。綜合分析得到出風口距迎頭5m工況下，水平偏轉角度為5°～15°時，風速分布合理，粉塵濃度相對較低。

2.1.3 垂直偏轉角度范圍確定

對不同垂直偏轉角度下的回風側行人呼吸帶高度風速范圍和粉塵濃度平均值以及掘進司機處的風速及粉塵濃度值進行記錄。綜合分析得到出風口距迎頭5m工況下，垂直上偏角度為2°～6°時，風速分布合理，粉塵濃度相對較低。

2.2 風流調控正交試驗方案設計及模擬

上一節對出風口三個參數進行了單因素分析，但出風口各個參數往往交互影響粉塵場，正交設計正是從多角度多因素進行分析研究。出風口距迎頭不同距離工況下，各個調控參數的影響評價不相同，因此需要對具體工況分別進行正交試驗因素水平的設計。出風口距迎頭5m工況下的因素水平設計如下：

1)出風口口徑(a)設計：試驗設計為1.0m，1.1m，1.2m三個水平。

2)出風口水平偏轉角(b)設計：試驗設計為5°，10°，15°三個水平。

3)出風口垂直上偏角(c)設計：試驗設計為2°，4°，6°三個水平。

最終設計的三因素三水平的正交表L9(33)見表2，其中a代表出風口口徑/m，b代表出風口水平偏轉角度/°，c代表出風口垂直偏轉角/°。

對以上正交試驗方案下的綜掘面風速及粉塵濃度進行數值模擬計算，試驗結果見表3。

表2 出風口距迎頭5m工況下正交試驗設計表

2.3 粉塵分布優化的風流調控方案

2.3.1 以行人呼吸帶高度粉塵濃度為優化指標

依據正交試驗結果進行回風側行人呼吸帶高度粉塵濃度值的極差計算，見表4。其中Kjm為第j列因素m水平所對應的試驗指標和；kjm為Kjm的平均值；Rj為第j列因素的極差。根據表4繪制行人呼吸帶高度粉塵濃度極差分布圖，如圖4所示。

結合表4中Rj值的大小和圖4分析可知，水平偏轉角度對行人呼吸帶高度粉塵濃度影響程度最大，水平偏轉角度為15°時，粉塵濃度最低；口徑大小的影響次之，口徑增大，粉塵濃度增大；垂直偏轉角度參數的影響最小，垂直偏轉角度增大，粉塵濃度減小。

表3 出風口距迎頭5m工況下正交試驗結果

表4 行人呼吸帶高度粉塵濃度值的極差計算

圖4 行人呼吸帶高度粉塵濃度極差分布

因此，以行人呼吸帶高度粉塵濃度為優化指標，得到影響因素的顯著性順序為：b>a>c，最佳調控方案為：水平偏轉15°、垂直上偏6°、口徑為1.0m。

2.3.2 以司機處粉塵濃度為優化指標

依據正交試驗結果進行司機處粉塵濃度極差計算，見表5。根據表5繪制司機處粉塵濃度極差分布圖，如圖5所示。

結合表5中Rj值的大小和圖5分析可知，水平偏轉角度這一因素的變化幅度最大，對司機位置粉塵濃度影響程度明顯最大，水平偏轉角度為15°時，粉塵濃度達到最低；垂直偏轉角度的影響次之，垂直偏轉角度增大，粉塵濃度呈降低的趨勢；口徑大小的影響最小，口徑為1.1m時，粉塵濃度達到最低。

表5 司機位置粉塵濃度值的極差計算

圖5 司機位置粉塵濃度極差分布

因此，以司機位置粉塵濃度為優化指標，得到影響因素的顯著性順序為：b>c>a，最佳調控方案為：水平偏轉15°、垂直上偏6°、口徑為1.1m。

2.3.3 風流最優調控方案

采用綜合平衡法對距迎頭5m工況下的兩項粉塵濃度指標的分析結果進行綜合比較，水平偏轉角度為15°和垂直上偏角度為6°時，行人呼吸帶高度和司機位置粉塵濃度都同時達到最低。口徑大小的選取通過風速的分布情況分析得出，由表3可以看出，口徑為1.0m時，司機處出現風速低于0.25m/s，不符合煤安規定。因此，出風口距迎頭5m工況下，口徑為1.1m、水平偏轉角度為15°、垂直上偏角度為6°時，風速分布更加合理，綜掘面粉塵濃度調控效果最佳。

采用本章節相同的方法分析得到，出風口距迎頭10m工況下，回風側行人呼吸帶高度粉塵濃度的影響因素顯著性順序為：b>a>c，司機處粉塵濃度的影響因素顯著性順序為：c>b>a。綜合考慮得到口徑0.8m、水平偏轉15°、垂直上偏0°時，風速分布合理，綜掘面粉塵濃度調控效果最佳。

3 檸條塔礦風流調控測試分析

基于上文得到塵源動態變化下粉塵場優化分布的最佳風流調控方案，利用實驗室自主研制的風筒出風口調控裝置對檸條塔礦S1212巷道出風口距迎頭5m和10m工況下，調控前后行人呼吸帶平均粉塵濃度和司機位置粉塵濃度進行井下實測，并進行調控效果分析，見表6和表7。可以得到，出風口距迎頭5m時，行人呼吸帶平均粉塵濃度和司機位置粉塵濃度分別降低33.4%和45.3%，出風口距迎頭10m時，行人呼吸帶平均粉塵濃度和司機位置粉塵濃度分別降低34.3%和40.4%。

表6 出風口距迎頭5m工況下調控效果分析

4 結 論

1)出風口距迎頭5m時，回風側行人呼吸帶高度粉塵濃度的影響因素顯著性順序為：水平偏轉角度>口徑大小>垂直上偏角度，司機處粉塵濃度影響因素的顯著性順序為：水平偏轉角度>垂直上偏角度>口徑大小。綜合考慮得到最佳調控方案為：口徑為1.1m、水平偏轉15°、垂直上偏6°；出風口距迎頭10m時，回風側行人呼吸帶高度粉塵濃度的影響因素顯著性順序為：水平偏轉角度>口徑大小>垂直上偏角度，司機處粉塵濃度的影響因素顯著性順序為：垂直上偏角度>水平偏轉角度>口徑大小。綜合考慮得到最佳調控方案為：口徑為0.8m、水平偏轉15°、垂直上偏0°。

2)調控前后的結果表明，出風口距迎頭5m時，調控后回風側行人呼吸帶平均粉塵濃度降低33.4%，司機處粉塵濃度降低45.3%；出風口距迎頭10m時，調控后回風側行人呼吸帶平均粉塵濃度降低34.3%，司機處粉塵濃度降低40.4%。