掘進工作面風速對粉塵運移規律影響的數值模擬研究

陸海濤

（晉能控股煤業集團燕子山礦山西大同037037）

1 引言

目前，煤炭資源仍然在我國的能源結構上占有很大比例，這在一定程度上說明煤炭作為國家主體能源的地位在未來仍是無可替代的。可以預期在未來幾十年里，煤炭消費將仍然是我國能源消費的中堅力量[1]。而隨著科技的進步，煤炭生產機械化進程不斷推進，煤礦生產開始向高產、集約化方向發展。在這種背景下，煤礦井下生產效率大幅提高的同時也導致局部粉塵濃度嚴重超標。作為煤礦井下主要產塵點之一的掘進工作面，作業過程中粉塵濃度高達1 000 mg/m3以上[2-3]。高濃度粉塵極易增加工人罹患塵肺病的概率，嚴重威脅煤礦工人的職業健康。此外，高濃度的粉塵還加快井下機械設備的磨損、潛在粉塵爆炸隱患、降低工人可視范圍增大工人誤操作概率、降低作業效率等［4-5］。因此怎樣快速、高效的解決掘進工作面粉塵污染成為當下亟待解決的問題之一。

目前，掘進工作面主要降塵技術有噴霧除塵、泡沫降塵、濕式除塵、干式過濾除塵等[6]。其中干式過濾除塵技術是通過除塵器對含塵氣流進行處理，防粉塵擴散，降塵效率高達99%以上，降塵效果較好。但是在掘進工作面粉塵運移規律和時空分布未知的情況下貿然安裝上述設備，可能無法達到降塵設備的理想效果。掘進工作面是一條獨頭巷道,一般情況下通風系統僅有一條壓入式送風管路。掘進工作面通風系統一般由礦用軸流式局部通風機和正壓風筒組成,主要為掘進工作面提供新鮮的風流用于稀釋和排出來自掘進過程中產生的大量粉塵。而風筒送風速度對掘進工作面風流場及粉塵場的形成具有很大影響，對此，國內外大量學者采用實測、相似模擬與數值分析等方法對掘進工作面粉塵時空分布、沿回風方向運動規律及風速等影響因素進行了研究［7］。本文采用數值分析方法通過FLUENT軟件對掘進工作面送風速度對粉塵運移規律和時空分布變化進行模擬研究。

2 建立模型

模型以燕子山礦掘進工作面為對象，根據工作面實際情況，工作面斷面為矩形寬×高（4 m×3 m），根據模擬研究需要，將巷道內運輸皮帶及支架簡化，簡化后的模型為長×寬×高：20 m×4 m×3 m，如圖1所示。利用FLUENT流體仿真軟件和Euler-Lagrange方法，基于DPM 方法仿真分析掘進工作面粉塵顆粒運移規律及時空分布。為了模擬掘進工作面現場工況，在掘進工作面巷道內中加入掘進機。在數值模擬之前進行以下適當的假設：

圖1 巷道模型

（1）由于空氣速度遠小于聲速，氣體為不可壓縮理想氣體。

（2）忽略溫度對粉塵顆粒分布的影響。

（3）粉塵顆粒被認為是球形顆粒。

通過ICEM 軟件劃分得到的結構性網格如圖2所示：

圖2 模型網格

3 設定邊界條件與模型參數

設定掘進工作面掘進機工作時粉塵顆粒產生率為0.006 kg/s，在模擬過程中粉塵顆粒以恒定的質量流率進入巷道內。在此仿真分析中粉塵顆粒的粒徑服從Rosin-Rammler分布，具體參數見表1所示。模型邊界條件見表2，根據前人的研究，模型設置及求解參數如表3，表4所示。

表1 計算參數

表2 模型邊界設置

表3 模型設置

表4 求解參數設置

4 模擬結果與分析

4.1 巷道內氣固兩相的分布特征

掘進工作面粉塵入口質量流率不變，送風筒送風速度設置為9 m/s，通過fluent仿真模擬分析，得到了粉塵隨時間的運移規律及時空變化。圖3為2、5、15、30、50 s 時刻粉塵顆粒在巷道內運移規律及時空分布圖。從圖中可以看出，粉塵顆粒在巷道內的分布呈現時間和空間的不均勻性。在掘進機剛開啟時（2 s），掘進工作面開始產生粉塵，粉塵在送風作用下向巷道另一側運移(2 s～5 s)。新鮮空氣從送風筒中流出撞擊到掘進工作面后反彈流向巷道后方，在此過程中，掘進工作面產生的粉塵混合在新鮮風流形成污風，粉塵在風流中向巷道橫向及縱向擴散，最終彌漫整條巷道。

圖3 不同時刻粉塵空間分布

4.2 送風風速對巷道內粉塵分布的影響

改變掘進工作面送風筒送風速度7 m/s、9 m/s、13 m/s，分析送風筒送風速度對巷道內粉塵顆粒空間分布的影響，粉塵顆粒進入巷道內的速度及質量保持恒定。

圖4為送風筒出口速度為7 m/s、9 m/s、13 m/s時距離掘進面分別為4 m、8 m、12 m、16 m、20 m 的橫截面上粉塵濃度分布圖。可以看出，在送風速度不變的調節下，隨著距離掘進工作面距離的增加，粉塵濃度呈現先增大后減小的趨勢。這是因為由于在巷道前端，粉塵剛進入巷道內部還未有效的擴散。而粒徑較大的粉塵顆粒在綜掘面前端由于風速較大能夠跟隨風流運動，但是隨著風流向巷道后方流動（越過掘進機），有效斷面增大，巷道內的風速開始減小，此時粒徑較大的粉塵在重力的作用下發生沉降，巷道后方粉塵濃度逐漸降低。而比較同一距離下不同送風速度的粉塵濃度分布發現，送風速度越大巷道后方的粉塵濃度減小。相比較巷道未安裝送風筒一側的粉塵濃度，在安裝有送風筒一側的粉塵濃度明顯較低。

圖4 不同送風速度各橫剖面的粉塵分布

圖5為縱向剖面粉塵濃度分布圖，距巷道底部0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.5 m。比較剖面圖發現：當送風速度為7 m/s 時，此時送風速度較小，風流對粉塵顆粒的曳力（攜帶作用）較小。從不同的剖面圖可看出，大量粉塵在掘進機前方附近聚集，粉塵無法快速排出，導致該處濃度急劇增大，嚴重危害掘進機司機健康。當送風速度增加到9 m/s 時，氣流對粉塵顆粒的曳力增加，在掘進工作面附近聚集的高濃度粉塵減少，掘進機后方送風筒一側粉塵濃度開始降低；當送風速度為13 m/s時，氣流對粉塵顆粒的曳力起到主導作用，顆粒運動速度加快，在掘進工作面附近顆粒聚集現象明顯減弱。掘進機后方送風筒一側粉塵濃度明顯低于另一側。

圖5 不同送風速度各縱剖面的粉塵分布

由上述分析可知，增大送風速度能夠減少粉塵顆粒在掘進工作面的積聚，縮短粉塵滯留巷道內的時間，降低巷道內粉塵濃度。

5 結論

本文利用Euler-Lagrange 模型，初步探討了燕子山礦掘進工作面不同送風速度對巷道內粉塵顆粒運移規律及時空分布進行了模擬分析。研究結果表明：巷道內粉塵分布受掘進工作面送風速度變化影響較大。當送風速度為7 m/s 時，粉塵在掘進機前端積聚，粉塵無法及時排出。當增大送風速度時，由于風流對粉塵顆粒的曳力增大，能夠快速吹散掘進機前端積聚的高濃度粉塵，加快粉塵排出巷道的時間。同時，在巷道后方送風筒一側粉塵濃度明顯低于巷道另一側。

綜上所述，在本次仿真模擬中提高煤礦掘進工作面送風速度能夠快速排出巷道內的粉塵，降低巷道內粉塵濃度，減少一線工人罹患塵肺病的概率，保護工人職業健康安全。但在實際應用中，若風速過大則造成二次揚塵，同時降低一線工人工作中的舒適度。因此，在實際應用中提高送風速度的同時要綜合考慮巷道二次揚塵及一線工人舒適度問題，做到三者的有機結合，選取較為合理的送風速度，避免或減少巷道二次揚塵。