山西大橋溝煤礦運輸巷通風-除塵技術模擬研究

王延磊

（山西忻州神達大橋溝煤業有限公司，山西 忻州 036500）

山西忻州神達大橋溝煤業有限公司煤礦原開拓8 號煤層時，采用斜井-平硐混合開拓方式，井下材料運輸線路由副平硐至801 盤區上部車場運輸距離達780 m，坡度在1°～6.5°之間，輔助運輸主要采用無軌膠輪車運輸。隨著煤礦井下生產能力的增大，無軌膠輪車裝卸、運輸過程中產生的揚塵對作業環境污染日益加重，目前井下降塵方式主要為噴霧降塵。但隨著天氣溫度下降，噴霧降塵在地面容易造成污水進而結冰，而輔助運輸巷是工人運輸材料必經之路，容易導致事故發生，故本文研發了一種干式通風-除塵技術對揚塵進行治理，保護作業人員身體健康[1-2]。

1 工程概況

大橋溝礦主斜井斜長102 m，副平硐沿10 號煤層布置。副平硐平距長20 m，半圓拱形斷面，采用粗料石砌碹支護，掘寬5.1 m，高4.25 m，掘進斷面18.86 m2，砌碹0.5 m，凈寬4.0 m，凈高3.5 m，凈斷面12.28 m2，除膠輪車最大寬度2.2 m 后安全距離為1.8 m，可滿足運輸安全要求。由于副平硐不再進行擴刷，本次設計副平硐及925 材料大巷每隔40 m 設一個寬1.5 m、高1.8 m、深0.8 m 的躲避硐室，巷道右側3 趟管道移至頂部，每隔6 m 設一根槽鋼架設固定管道，槽鋼最低高度為2.85 m，控制電纜掛鉤最低高度為2.2 m。副平硐巷道斷面如圖1，無軌膠輪車技術規格特征見表1。

表1 無軌膠輪車技術規格特征表

圖1 副平硐巷道斷面

2 負壓抽風式除塵技術研制

由于副平硐輔助巷道污染來源主要是無軌膠輪車裝卸煤粉及車輛行駛帶來的二次揚塵，本設計基于干式除塵器特點，基于Anays-Fluent 軟件，分析負壓抽風式除塵在輔助巷道應用的粉塵運移規律[3]。

2.1 模型建立

當含塵氣流從圓柱形除塵器入風口進入，離心風機安裝在上部箱體，在離心風機負壓的作用下，含塵氣流穿過濾筒表面，較粗顆粒被濾筒捕捉，而潔凈的氣流從箱體上部經風機口，進入出風口管道，然后排出，如圖2。

圖2 控除塵技術布置

本研究以單個圓形除塵器為例，分析巷道內粉塵顆粒運移規律，后根據實際應用情況，安裝具體除塵器個數。巷道尺寸均按照副平硐巷道建立。濾筒尺寸：560 mm×450 mm×700 mm。除塵器直徑為800 mm，高為1200 mm。采用ICEM 進行網格劃分，網格數量為2 693 450 萬個，網格數量90%達到0.9 以上，質量較好，網格圖如圖3。

圖3 網格劃分

2.2 數值模型

模型假設流動為完全湍流，分子粘性的影響忽略，湍流模型采用標準k-ε兩方程模型，包括湍動能k方程和耗散率ε方程[4]。

在上述方程中：k為湍流動能，m2/s2；ε為湍流動能耗散率，m2/s3；Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能產生項；Gb是用于浮力影響引起的湍動能產生項；μ為層流的粘性系數，Pa·s；μt為湍流的粘性系數，Pa·s；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε、Cμ為常量，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，若流體可壓縮且主流方向與重力方向平行C3ε取1，若垂直取0；σk、σε分別為ε方程和k方程的湍流普朗特數，σk=1.0，σε=1.3。

考慮到粉塵顆粒的體積分數較小[5]，采用DPM（離散相模型）描述粉塵顆粒的運動軌跡。通過對拉格朗日坐標下粉塵顆粒之間的作用力進行積分的微分方程求解每一個顆粒的軌道，顆粒的作用力平衡方程為：

式中：mp為顆粒質量，mg；Vp為顆粒運動速度，m/s；∑F為顆粒所受到的合力，N；F1為顆粒所受阻力，N；F2為顆粒所受重力，N；F3為顆粒所受浮力，N；F4為顆粒所受其他作用力（附加質量力、熱泳力、Saffman 升力、布朗力、Magnus 升力）的總和[6-7]。

式中：Cd為阻力系數；Cμ為動力形狀系數，此處取1；Sd為顆粒的迎風面面積，m2；a1、a2、a3對于球形顆粒，在一定的雷諾數范圍內為常數；dp為顆粒直徑，m。

2.3 邊界條件

經測量，輔助運輸巷道內風速約3 m/s，副斜井內全塵濃度在14.2～120.4 mg/m3之間，井底車場全塵濃度在32.4～36.5 mg/m3之間，盤區輔運巷粉塵濃度在17.3～34.0 mg/m3之間。各輔助運輸巷道粉塵濃度分布無明顯規律，當測試條件相同時，隨著距入口距離的增加粉塵濃度在逐漸增大。故假設輔助運輸巷道粉塵濃度分布均勻，取其均值65 mg/m3，邊界條件和粉塵源參數見表2。

表2 邊界條件和粉塵源參數

3 模擬結果

如圖4 所示為通風除塵器通風模擬結果。

圖4 風流場分布

如圖4 模擬結果如下：

當入口風流為4 m/s 時，巷道內風流比較穩定，巷道內中上部風流穩定在3～4 m/s 范圍內，而中下部風流受到通風除塵器的影響，風速相對減小，在0.8～1.5 m/s 范圍。在除塵器2 m/s 附近范圍內，風流受到較大影響，部分風流進入除塵器內部進行除塵過濾。

如圖5 為不同呼吸高度截面粉塵濃度分布情況，模擬分析結果如下：

圖5 不同呼吸高度截面粉塵濃度分布

可以看到，隨著呼吸高度的升高，粉塵濃度逐漸降低。當呼吸高度為1.8 m 時，粉塵濃度距離入口處9.4 m 范圍內，且距除塵器4.7 m 半徑內，粉塵濃度得到有效降低，平均粉塵濃度2e-06 kg/m3，降低了94.5%，降塵效果最好；當呼吸高度1.7 m 時，可以看到，呼吸高度截面處，距離除塵器4.3 m 范圍內，粉塵濃度可以得到有效降低，除塵效果較好，平均粉塵濃度為1e-06 kg/m3，降低了98.8%；當呼吸高度為1.6 m 時，呼吸高度截面處，距離除塵器3.5 m 范圍內，粉塵濃度可以得到有效降低，除塵效果較好，平均粉塵濃度3e-06 kg/m3，降低了90.7%。

如圖6 所示為巷道內呼吸段粉塵顆粒運移情況，可以看到距離除塵器越近粉塵濃度越低，而當無軌膠輪車經過時，車前后3 m 內粉塵濃度相對較高，最高達到0.008 kg/m3。經研究發現，距除塵器平均在半徑3.5 m 內都可達到較好的除塵效果，當無軌膠輪車經過時，除塵器也起到較好的通風效果，也可減少冬季噴霧降塵的使用，減少巷道內泥濘、結冰情況，降低交通事故的發生及車輛碰撞的危險。

圖6 巷道內呼吸段粉塵顆粒運移情況

4 應用建議

基于模擬結果，可根據實際工況及粉塵濃度情況決定除塵器設備個數，除塵通風設備間距7 m，即可起到良好的除塵效果，也可起到較好的通風效果，為工人提供一個清潔安全的生產環境，保護了工人的身體健康[8-10]。根據模擬結果可知，除塵器半徑3.5 m 范圍內都可達到較好的除塵效果，且設備的研制成本低、維修方便、占地小，因此本研發將通風系統與除塵系統有機結合的思路，可為礦井除塵通風系統研制提供一個良好的理論基礎與參考價值。如圖7。

圖7 多排濾筒除塵通風設備研制

5 結論

（1）巷道內中下部風流受到通風除塵器的影響，風速相對減小，在0.8～1.5 m/s 范圍。在除塵器2 m 附近范圍內，風流受到較大影響，部分風流進入除塵器內部進行除塵過濾。

（2）距離除塵器越近粉塵濃度越低，距除塵器平均在半徑3.5 m 內都可達到較好的除塵效果，可高達98.8%的降塵效果。當無軌膠輪車經過時，除塵器起到較好的通風效果，也可減少冬季噴霧降塵的使用，減少巷道內泥濘、結冰情況，降低交通事故的發生及車輛碰撞的危險。

（3）根據實際工況及粉塵濃度情況決定除塵器設備個數，除塵通風設備間距7 m 即可起到良好的除塵效果，也可起到較好的通風效果，為工人提供一個清潔安全的生產環境。