煤礦井下輸煤轉載點煤塵污染規律的CFD-DEM數值研究

佟林全，徐 洋，王雪濤，楊漢彬，馬 奎

（1.國家衛生健康委職業安全衛生研究中心 職業衛生工程研究室，北京102308；2.國家衛生健康委職業安全衛生研究中心職業衛生檢測與評價室，北京102308）

敏東一礦隸屬于蒙東能源有限公司，位于內蒙古呼倫貝爾市鄂溫克旗境內，為井工煤礦，主要采用帶式輸送機輸煤，從00工作面運輸巷，煤經過2個轉載點轉運至東膠帶式輸送機巷，由東膠帶式輸送機運向井下煤倉，其中2號轉載處粉塵污染十分嚴重。轉載點作為井下煤塵主要污染源之一，針對其污染機理和粉塵運移、擴散規律，國內外學者開展大量研究[1-10]。這些研究肯定了數值方法研究轉載點粉塵污染的可靠性，且巷道內風流特性分布是主要影響因素。然而相關研究對于轉載點風流三維空間分布的研究較少，并且轉載點結構復雜、各礦井差異性大，風流流動軌跡大相徑庭，因此缺乏針對性的研究很難達到理想的粉塵治理效果。基于此，開展了敏東一礦2號轉載點煤塵污染規律的CFD-DEM數值研究，利用COMSOL軟件建立三維數值模型，結合實驗測量數據，分析煤塵污染規律，并提出了適合的治理方案。

1 COMSOL軟件與CFD-DEM數值方法

COMSOL Multiphysics是基于有限元的多場耦合計算軟件，基礎模塊理論完善，可附加專業求解模塊求解。研究采用k-ε湍流模型建立內蒙敏東一礦2號轉載點風流場分布的三維數值計算模型。采用DEM的方法將粒子設定為離散質點，并利用流體流動粒子追蹤模塊對所釋放進行追蹤，得到粒子的各種特性的時空分布結果。

利用CFD計算流體連續相的流場數據，假設流體符合動量、質量、能量守恒方程。

1）動量守恒方程。由牛頓第二定律得：

式中：ux、uy、uz為速度分量，m/s；ρ為流體的密度，kg/m3；τxx、τxy、τxz為黏性應力，N；fx、fy、fz為單位質量力，m/s2；?t為求變量的瞬態變化率；u→為速度矢量，m/s；?p為對壓力p求偏導數；?x、?y、?z為對變量在x、y、z方向上求偏導。

2）質量守恒方程。

式中：E為內能、動能和勢能之和總能，J/kg，E=h-p/ρ+u2；p為表面壓強，Pa；h為焓，J/kg；hj為組分j的焓，J/kg；keff為有效熱傳導系數，W/（m·k）；Jj為組分j的擴散通量；τeffμ為切應力，Pa；Sh為體積熱源項。

假設粉塵顆粒主要受重力、浮力、曳力和升力作用。粉塵顆粒動力學運動方程[11]為：

式中：mp為固體顆粒的質量，mg；up為固體顆粒的運動速度，m/s；t為時間，s；Fg為顆粒自身重力，N；Ff為顆粒所受到的氣流浮力，N；Fd為顆粒所受阻力，N；Fx為其他作用在顆粒上的力，包括重力、浮力、stoke曳力、升力，N。

轉載點粉塵粒徑主要分布在5～10μm，但往往與較大粒徑顆粒混合，因此假設離散項粒子粒徑分布符合對數正態分布方程。小直徑的塵粒偏多，分布曲線不對稱。在這種情況下，采用對數分布函數描述粒徑分布比較適宜：式中：D為粉塵粒徑，m；Dˉ為粉塵平均粒徑，m；σg為粉塵分布方差。

2 工作面2號轉載點幾何模型的建立

2.1 幾何模型

根據生產系統圖在COMSOL軟件內建模，2號轉載點三維幾何模型如圖1，用簡單幾何代替帶式輸送機、控制箱等，忽略壓風管路和壁面粗糙度。

圖1 2號轉載點三維幾何模型Fig.1 3D geometric model of the No.2 transfer point

2.2 網格劃分

幾何模型的網格劃分如圖2。網格采用四面體網格流體力學較細化自由填充，單元總數為6 559 134，平均元質量0.675 2，當網格質量集中在0.4～1.0范圍時，網格分布穩定，計算較為準確。

圖2 幾何模型的網格劃分Fig.2 Grid partitioning of geometric model

3 模擬結果

邊界條件設定依據來自現場實驗測試，下部帶式輸送機（東膠）運輸巷測風點風速為0.2 m/s，上部帶式輸送機聯絡巷測風點風速為0.15 m/s，空氣密度設定1.25 kg/m3，出口設定自由出口，參考壓力1 atm（101 325 Pa），帶式輸送機運行速度取最大值4 m/s。帶式輸送機位置邊界采用廣義粗糙壁設定，按照實際煤體堆積高度設定100 mm，粗糙度系數0.24。參考溫度293.15 K。最大迭代次數400，求解時間42 290 s，求解器PARDISO，分離誤差估計5.4×10-5。

巷道風速分布體圖如圖3。由圖3可知，帶式輸送機附近風速較快0.8～1 m/s，距離帶式輸送機越遠，風速越小，但在轉載點附近風流紊亂遠離帶式輸送機處風速出現增長。主要由于運煤時，帶式輸送機運行速度快，對風流有牽引作用，使得帶式輸送機表面附近風速較快，但接近轉載點時，由于上部聯絡巷風流的混入和擋板的阻擋，導致帶式輸送機附近風流速度降低，并向巷道壁面方向流動，呈現出中間速度小周圍速度大的分布。為深入分析風流分布規律，沿x方向從x=1 m開始截取zy方向5個截面至x=3 m終止。

巷道風速zy截面分布圖如圖4。由圖4可知，帶式輸送機截面上風速最大，向巷道頂部風速逐漸減小，擋板上側成渦旋狀態，在x方向上越遠離帶式輸送機風速越小，并且因上部巷道風流混合渦流半徑先增大后減小，在x=2 m附近渦流半徑接近最大達到2 m左右，并且地面風速可達0.4 m/s，造成了該區域粉塵在轉載點處大量積聚，難以排出，地面的二次揚塵現象嚴重。為深入研究z=2 m處轉載點渦流形成原因，在該位置截取xy方向截面。

圖3 巷道風速分布體圖Fig.3 Volume diagram of wind speed distribution in roadway

圖4 巷道風速zy截面分布圖Fig.4 Distribution of zy section of roadway wind speed

巷道風速z=2 m處xy截面分布圖如圖5。由圖5可知，巷道渦流在xy面上主要分布在擋板、帶式輸送機機控制箱、電機、變壓器等構成的半包圍區域，此分布狀態造成了區域內渦流和轉載點下風側的風流相對速度較大。轉載點處粉塵因紊亂渦流大量飛揚，在0.3～0.6 m/s風流作用下向周圍大量擴散，因此實際測量中此區域粉塵濃度相對較大。

圖5巷道風速z=2 m處xy截面分布圖Fig.5 Distribution of xy section of roadway wind speed at z=2 m

巷道風速z=18.5 m處zx截面分布圖如圖6。在z=18.5 m處，下部帶式輸送機、上部帶式輸送機、巷道壁面和控制箱組成的空間區域內形成了環形渦流，上部帶式輸送機運行和物料運動造成了氣流沿巷道壁面向下方弧形流動，并與下部帶式輸送機牽引風流匯合，兩巷道的風壓風流在下部運輸巷底板匯聚，并被電控箱阻礙沿底板加速，導致了zx平面的環狀渦流揚塵和沿底板的二次揚塵。

圖6 巷道風速z=18.5 m處zx截面分布圖Fig.6 The distribution of zx section of roadway wind speed at z=18.5 m

對轉載點現場收集的煤塵樣品經實驗室分析，測試后發現粒徑越小的粒子分布越多，符合對數分布規律，因此在軟件入口邊界條件設定中，粒子按照對數分布釋放，粒徑分布在5～50μm。為實現假定的連續性，釋放時間與計算時間一致。粒子初速度按照帶式輸送機運行速度設定。圖中色譜表示粉塵運動速度，粒子大小與粒子粒徑成正比。

轉載點粉塵擴散三維分布圖如圖7。在t=8 s時，粒徑在5μm左右的粉塵已經運移到下部巷道下風側，粒徑在20μm以下的粉塵隨風流擴散能力強于較大粒徑粉塵，在t=10 s時運移到上述相同位置。20～35μm粒徑范圍的粉塵擴散范圍主要在轉載點附近，35～50μm粒徑范圍的粉塵主要在帶式輸送機附近運移。

圖7 轉載點粉塵擴散三維分布圖Fig.7 3D distribution of dust diffusion at transfer point

可以分析得到，隨時間從1 s開始，大粒徑粉塵隨風流運動遷移較慢，粒徑越小擴散速度越快，擴散范圍越大，擴散方向隨渦旋風流向壁面方向游走，主要由于落料過程中細微粒徑的粉塵逐漸從落料誘導氣流中脫離，并易跟隨風流流線運動、擴散。風流對大粒徑粉塵的作用力較弱，受重力作用向豎直方向沿拋物線運動沉降。巷道風速三維流線速度矢量分布圖如圖8。

圖8 巷道風速三維流線速度矢量分布圖Fig.8 3D streamline velocity vector distribution of wind speed in roadway

由圖8可知，越遠離轉載點巷道內風流分布越均勻、平順，轉載點風流分布呈現出障礙內渦旋，障礙外扭曲的狀態，在zy、xy、zx面分別存在渦旋流線，由此造成了轉載點內粉塵大量飛揚、擴散，卻向外排塵困難，在附近巷道內積聚的狀態，測點總粉塵濃度達70 mg/m3。

4 粉塵防治方案

從風流成因角度，應合理布置轉載點各設備位置防止渦流產生。設置機頭罩、導料槽封閉粉塵避免逸散，內部可采用濕式噴霧降塵。在渦流中心采用高強度噴射氣水霧化降塵破壞渦流并濕式降塵，利用霧滴捕捉粉塵。在轉載點下風側設置布袋除塵器，將渦旋氣流向布袋除塵器內引導。降低上部帶式輸送機高度，減少煤流落差，增加到頂板距離，降低頂板對風流的干涉作用，降低zx截面渦流強度。降低轉載點整體阻尼，增加排塵風速，在下風側采用高效霧化降塵。轉載點噴霧降塵治理三維布置圖如圖9（綠色立方體為噴霧系統控制箱，可利用觸控傳感器實現聯動抑塵；藍色管路為供水線路布置；橙色折線為電纜布置方式，為控制箱供電）。

圖9 轉載點噴霧降塵治理三維布置圖Fig.9 3D layout plan for spray dust control at transfer point

根據粉塵的粒徑分布和風流分布規律，在細微粒徑粉塵的擴散方向上布置4組噴霧裝置，通過水霧抑塵方式對細微顆粒物進行捕集，霧化噴頭采用氣液兩相的氣動霧化噴頭，氣動霧化噴頭能夠有效破壞轉載點渦旋風流，并且微米級霧滴于20μm以下粉塵結合度好，降塵效率高。氣路氣壓擬定0.4 MPa，水流量4 L/min。

5結語

1）采用CFD-DEM和有限元方法，利用k-ε湍流模型建立了內蒙敏東一礦2號轉載點風流分布三維數值模型，并開展對該轉載點的風流分布研究，結合現場考察、測試、實驗分析了粉塵嚴重污染的原因。

2）內蒙敏東一礦2號轉載點粉塵嚴重污染與其內zx、zy、xy 3個截面的渦流分布存在直接關系，渦流導致了轉載點內粉塵大量飛揚又無法隨風流排出，在轉載點附近巷道內擴散積聚，存在安全隱患。

3）對風流分布進行了研究，造成風流渦旋化、渦外風速低的主要原因為，轉載點機頭、擋板、上部帶式輸送機、下部帶式輸送機、控制箱、電機、電壓器等空間分布阻礙壓風風流，扭曲風流流線。上部帶式輸送機與巷道頂板過近，導致了牽引風流受到頂板干涉，呈弧形向下流動。