綜采工作面呼吸性粉塵濃度分布規律及其與湍流強度關系的研究

向曉剛，孫少偉，趙美成，鄧小良，李 鵬，徐 銳，5，安世崗，江丙友，祝文軍，5，余國鋒，任 波，梁羽翔

（1.中國工程物理研究院流體物理研究所 沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川 綿陽621900；2.四川大學 物理學院，四川 成都610065；3.西安交通大學 能源與動力工程學院，陜西 西安710049；4.神華神東煤炭集團技術研究院，陜西 神木719315；5.江西安源通風設備有限公司，江西 萍鄉337000；6.安徽理工大學，安徽 淮南232001；7.煤炭開采國家工程技術研究院，安徽 淮南232001；8.廣東賀爾環境技術有限公司，廣東 佛山528000）

隨著采煤設備的機械化程度越來越高以及開采強度越來越大，導致綜采工作面粉塵產量和粉塵濃度均在增加，煤礦井下粉塵污染問題日益嚴重，致使患塵肺病的礦工人數也在逐年增加。而這其中的罪魁禍首為10 μm 以下的呼吸性粉塵（后面均簡稱為呼塵）。因此，深入開展煤礦呼塵治理的工程與科學研究就顯得尤為重要和急迫。近年來，許多學者開展了綜采面粉塵相關的實驗和數值模擬研究工作，包括主要塵源點分布[1-2]、粉塵的沿程分布規律[2-11]、逆風割煤與順風割煤對粉塵濃度分布的影響[9]、風速對降塵率的影響[12]、煤塵含水率對粉塵擴散影響[13]、煤機在不同位置割煤時粉塵分布差別[14]、PM10 粉塵、PM2.5 粉塵在工作面比例波動性[15]、粉塵分散度與粉塵濃度之間的關系[16]等。然而，之前對綜采面粉塵濃度分布相關的研究主要集中在巷道沿程方向的分布規律方面，對綜采面橫截面的寬度和高度方向的濃度分布規律研究甚少。此外，巷道中放置的各種機械設備會使流場產生湍流。而湍流作為一種高度復雜的三維非穩態、帶旋轉的不規則流動，它的各種物理參數，如速度、壓力、溫度等都隨時間和空間發生變化，無疑會對粉塵的演化規律和濃度分布產生極其重要的影響。然而，湍流強度和呼塵濃度分布之間的關系還未見報道。為了全方位探索綜采面呼塵濃度的三維分布規律以及湍流強度與呼塵濃度分布之間的關系，利用流體動力學軟件Fluent，通過氣固雙向耦合的方法，系統地研究了割煤機和破碎機產生的呼塵在綜采面巷道的沿程、寬度、高度3 個方向的濃度分布情況，進行了詳細的統計分析，并對呼塵濃度與湍流強度之間的關系進行了深入探究，以期為噴霧除塵相關工程的裝置設計和安裝給出可靠性的指導和實際性的幫助。

1 模型及方法

1.1 幾何模型

以神東哈拉溝煤礦22410 巷道綜采面為原型建立了仿真模型，模型里面包括割煤機、破碎機、綜采面巷道、液壓支柱、線槽，神東哈拉溝煤22410 工作面整體布局平面圖和通風方式以及內部結構如圖1。

圖1 神東哈拉溝煤22410 工作面整體布局平面圖和通風方式以及內部結構Fig.1 Planar graph, ventilation method and internal structure of 22410 fully mechanized mining face in Shendong Halagou Coal Mine

巷道長300 m，寬4 m，高2.8 m。巷道中間有高1.4 m 厚0.2 m 的線槽。以線槽為界將綜采面空間劃分為2 個平行區域，有割煤機一側寬2.25 m 稱為割煤機側，有液壓支柱一側寬1.75 m 稱為液壓支柱側（可供人行走）。綜采面有液壓支柱164 根，每根液壓支柱上下2 段鋼柱的直徑分別為0.5、0.6 m，下面1 段高1.1 m；液壓支柱中心間隔1.8 m，每根液壓支柱底部都有1 個高0.4 m 的長寬分別為1.6、1.5 m的長方體底座。進風巷和回風巷的長寬高分別是10、3.5、2.8 m。在進風巷里面，距離進風巷與綜采面轉彎處1 m 是破碎機。割煤機總長26.24 m、寬2 m，滾筒半徑1.12 m，放在巷道的中間位置。根據所建立的幾何模型生成四面體網格，共劃分4 822 196個節點、25 967 168 個單元。

1.2 顆粒運動的數值模擬方法及參數設定

粉塵在空氣中的運動可以用計算流體力學的拉格朗日離散相模型進行描述。拉格朗日離散相模型遵循歐拉-拉格朗日方程，將流體處理成連續相，直接求解時均納維-斯托克斯方程獲得流場的速度、湍流動能等信息；離散相則采用拉格朗日方法描述，在考慮顆粒受到流場對顆粒的力以及湍流擴散等物理過程后，通過對大量顆粒的運動方程進行積分運算就可得到它們的運動軌跡。離散相和連續相之間可以交換動量、質量和能量。將空氣定義為連續相，粉塵定義為離散相。

使用Fluent 18.0 作為求解器，將割煤機的2 個滾筒看作粉塵噴射點。另外，由于本工作面的煤炭破碎機放在了進風巷，由破碎機運行時產生的大量粉塵會隨風在巷道飄散，所以把破碎點也作為1 個塵源點。求解器模式選擇壓力基和瞬態并考慮重力，黏性模型。湍流流動采用可實現的雙方程模型并采用SIMPLE 算法進行模擬。時間步長是0.000 1 s，模擬粉塵擴散時間為350 s。顆粒源參數和邊界條件設定見表1。

表1 顆粒源參數和邊界條件設定Table 1 The parameters of particle source and boundary conditions

2 數值模擬結果

2.1 呼塵在巷道沿程方向的濃度分布規律

割煤機側的沿程呼吸性粉塵濃度分布如圖2，割煤機側的沿程呼吸性粉塵數目分布如圖3，液壓支柱側的沿程呼吸性粉塵數目分布如圖4。

圖2 割煤機側的沿程呼吸性粉塵濃度分布Fig.2 Respirable dust concentration distribution along the fully mechanized coal faces tunnel at the coal cutter side

圖3 割煤機側的沿程呼吸性粉塵數目分布Fig.3 Respirable dust number distribution along the fully mechanized face tunnel at the coal cutter side

圖4 液壓支柱側的沿程呼吸性粉塵數目分布Fig.4 Respirable dust number distribution along the fully mechanized face tunnel at the hydraulic prop side

由圖2～圖4 可以看出，單位體積的粉塵數目的相對大小與粉塵濃度的相對大小是對應的。把現場測試點映射到數值模擬結果后發現，它們吻合得非常好，說明模擬參數設置合理。在割煤機的上風側呼塵濃度相對最低；在割煤機下風側附近呼塵濃度最高；在割煤機下風側遠離煤機的地方，呼塵濃度下降。

從圖3 與圖4 對比發現，割煤機側的呼塵遠遠高于液壓支柱側。在割煤機側，3 個塵源點（煤塊破碎點、割煤機的2 個滾筒）對應粉塵濃度的3 個峰值。割煤機在割煤過程中會不斷產生大量的粉塵，它是產塵最多的地方，所以在割煤機下風側附近的呼塵濃度是最大的。煤塊被割落后，被下面的運輸帶運送到進風巷處的破碎機進行破碎，在煤塊破碎過程中，也會產生大量呼塵。破碎點產生的呼塵會隨風沿著巷道向回風巷方向擴散，在擴散過程中呼塵會逐漸沉降使濃度降低，在與割煤機相遇后，會與割煤機產生的呼塵一起隨風擴散。呼塵主要沿著割煤機側的通道擴散，但在擴散過程中受到湍流的影響，部分呼塵擴散到了液壓支柱側。在液壓支柱側，由破碎點產生的呼塵在沿割煤機側巷道擴散過程中受湍流的影響，在距進風巷轉角50 m 左右濃度開始逐漸增大，然后又逐漸減小。割煤機下風側25 m左右，呼塵受湍流的影響擴散到液壓支柱側，使液壓支柱側的粉塵濃度逐漸增大。

2.2 呼塵在巷道橫截面寬度方向的濃度分布規律

對綜采面巷道寬度方向上的呼塵濃度分布進行了研究，巷道橫截面寬度方向呼吸性粉塵分布如圖5，綜采巷橫截面呼吸性粉塵分布如圖6。

圖5 巷道橫截面寬度方向呼吸性粉塵分布Fig.5 Respirable dust distribution along the width of roadway cross section

由圖5、圖6 可以看出，液壓支柱側的呼塵濃度遠小于割煤機側。由于割煤機采煤產生大量粉塵導致割煤機下風側的呼塵濃度遠遠高于上風側；在割煤機側，隨著呼塵隨風飄散，單位體積呼塵數目峰值逐漸由靠近煤層側向液壓支柱側偏移，同時液壓支柱側的單位體積呼塵數目增加。這也從側面說明為什么在巷道后端的液壓支柱側呼塵濃度要高于前端。

圖6 綜采巷橫截面呼吸性粉塵分布Fig.6 Respirable dust distribution on the cross section of fully mechanized face tunnel

2.3 呼塵在巷道橫截面高度方向的濃度分布規律

對綜采面巷道不同位置橫截面在高度方向上的呼塵濃度分布進行了研究。巷道橫截面割煤機側在高度方向呼吸性粉塵分布如圖7，巷道橫截面在液壓支柱側高度方向呼吸性粉塵分布如圖8。

在巷道高度方向，液壓支柱側的單位體積的呼塵數目遠小于割煤機側。不管在割煤機側還是在液壓支柱側，割煤機下風側呼塵濃度都要大于上風側；在割煤機側的下風側，巷道的下面空間比上面空間的呼塵濃度高，然而在液壓支柱側則剛好相反，巷道上面空間的呼塵濃度要比下面空間的高。這主要是由于液壓支柱側與割煤機側之間有個1.4 m 高的線槽，呼塵從割煤機側擴散到液壓支柱側的位置比較高。割煤機側與液壓支柱側的呼吸性粉塵的粒徑如圖9，對2 個子通道的呼塵粒徑對比發現，液壓支柱側的呼塵粒徑要比割煤機側的呼塵粒徑小，說明割煤機側的呼塵粒徑越小越容易擴散到液壓支柱側。

圖7 巷道橫截面割煤機側在高度方向呼吸性粉塵分布Fig.7 Respirable dust distribution on the cross section of fully mechanized face tunnel in the height direction of the coal cutter side

圖8 巷道橫截面在液壓支柱側高度方向呼吸性粉塵分布Fig.8 Respirable dust distribution on the cross section of fully mechanized face tunnel in the height direction of the hydraulic prop side

2.4 呼塵濃度與流場湍流強度的關系

湍流是流體的一種運動狀態。在湍流情況下，流場的流速與方向都是不穩定的。巷道在1.5 m 高截面的湍流強度如圖10。

圖9 割煤機側與液壓支柱側的呼吸性粉塵的粒徑Fig.9 Particle size of the respirable dust on the side of the coal cutter and the side of the hydraulic prop

圖10 巷道在1.5 m 高截面的湍流強度Fig.10 Turbulence intensity of fully mechanized face tunnel at 1.5 m height cross section

在綜采工作面巷道中，進風巷和回風巷的轉角處風流方向會發生很大變化，導致湍流比較強。所以進風巷破碎點產生的粉塵會有部分在轉角之后被風吹到液壓支柱側。在割煤機處，由于割煤機的阻擋使得風流不得不改變方向，致使割煤機處的湍流強度很大。割煤機處是呼塵最主要的產生源，由于割煤機處湍流強度較大，部分呼塵會隨風擴散到液壓支柱側使液壓支柱側的呼塵濃度增大。

巷道在1.5 m 高截面的呼塵濃度和湍流強度及風流速度分布如圖11。在綜采面巷道中，流場的湍流強度呈準周期性變化，強弱交替變化。割煤機側的湍流強度與液壓支柱側湍流強度剛好互補，當割煤機側的湍流強度大時液壓支柱側湍流強度則相對較小。在割煤機側，呼塵濃度越大，湍流強度相對越小，風速相對較大。在液壓支柱側，流場湍流強度在液壓支柱周圍較大，并且湍流強度越大，呼塵濃度越大，與割煤機側相反。割煤機側的風速要大于液壓支柱側。

圖11 巷道在1.5 m 高截面的呼塵濃度和湍流強度及風流速度分布Fig.11 Respirable dust concentration, turbulence intensity and airflow velocity distribution of fully mechanized face tunnel at 1.5 m height cross section

3 結 論

1）綜采面的割煤機側的呼塵遠遠高于液壓支柱側；割煤機附近的呼塵濃度是最大的；呼塵主要沿著割煤機側的通道擴散，但在擴散過程中受到湍流的影響，部分呼塵擴散到了液壓支柱側。

2）割煤機側的呼塵在隨風飄散過程中，呼塵濃度峰值逐漸由靠近煤層側向液壓支柱側偏移，同時液壓支柱側的呼塵濃度增加。

3）在割煤機側的下風側，巷道的下面空間比上面空間的呼塵濃度高，但在液壓支柱側則剛好相反，巷道上面空間的呼塵濃度要比下面空間的高。液壓支柱側的呼塵粒徑越小越容易擴散到割煤機側。

4）在綜采面巷道中，流場的湍流強度呈準周期性變化，強弱交替變化。割煤機側的湍流強度與液壓支柱側湍流強度剛好互補，當割煤機側的湍流強度大時液壓支柱側湍流強度則相對較小。在割煤機側，呼塵濃度越大，湍流強度相對越小，風速相對較大。在液壓支柱側，流場湍流強度在液壓支柱周圍較大，并且湍流強度越大，呼塵濃度越大，與割煤機側相反。