采煤機割煤產塵及粉塵運移規律的數值模擬

任志峰，李遠知，武建君，王兵建，魯忠良

（1.晉能控股煤業集團 軒崗煤電公司，山西 原平 034114；2.盤江精煤股份有限公司 土城礦，貴州 六盤水 553529；3.晉能控股煤業集團 裝備制造中央機廠，山西 大同 037000；4.河南理工大學，河南 焦作 454003）

煤礦井下粉塵是礦井七大災害之一，綜采面內工作人員因長期接觸煤塵，采煤機司機及工作面工作人員成為煤礦生產中易患塵肺病的受害群體，造成巨大經濟損失和嚴重的社會影響[1-3]。根據《“健康中國2030”規劃綱要》精神，依據《職業病防治法》，軒崗煤電公司劉家梁礦對2214綜采工作面采煤機截割產塵治理進行試驗。現場測試結果顯示，采煤機割煤產塵是工作面第一大塵源，采煤機司機工作區域內粉塵濃度最高可達到5 000 mg/m3以上[4]，距離煤礦工人職業病防治的達標要求相差甚遠，是采煤機司機易患塵肺病的決定原因。近年來，數值模擬計算成功地被應用于井下采掘工作面采掘機械附近風流流場分布的模擬，時訓先、蔣仲安等[5]通過實驗模擬工作面巷道分析得出綜采工作面粉塵運動規律；周剛等[6]針對大采高綜采面開展了呼吸性粉塵運移規律的數值模擬分析研究；Ting Ren,Zhongwei Wang等人[7]分析采掘工作面、煤倉頂部運輸長廊中的風流場和煤塵行為，較傳統分析方法更為直觀、形象、易于理解。因此，應用fluent軟件[8]的數值模擬方法進行分析，掌握劉家梁煤礦2214綜采面截割產塵運移及分布。

1 綜采工作面采煤機割煤時的產塵運移模型

1.1 模型及網格劃分

粉塵靠氣流運動而運動的，風流流動攜帶著粉塵進行運移。忽略了除重力外的其它力的作用，采煤機滾筒出來的粉塵是一次塵化氣流作用，工作面的通風是二次塵化作用的氣流，二次塵化作用的氣流是粉塵運移的主體[9]，故假設通風氣流為定常三維不可壓縮黏性流動；工作面內設備眾多且布置密集，風流呈現高湍流效應流動，是導致粉塵橫向運移的主導因素，為充分考慮近壁面及湍流漩渦情況，選取RNG k-ε型湍流模型；利用Reynolds時均化的方法使湍流模型封閉，將通風的氣流速度變量轉化為時均分量和瞬時脈動量，展現湍流運動[10-12]。采煤機割煤時產塵在工作面內運動，屬氣固兩相流問題，需考慮通風氣流對粉塵顆粒運移的影響，著重分析相間耦合，選擇離散相模型，在Euler坐標系下計算風流場獲得其速度、壓力、湍流動能等信息，在Lagrange坐標系下進行耦合計算，對顆粒進行積分，得到綜采面粉塵運移及分布情況。

劉家梁礦2214綜采面平均走向長560 m，平均傾斜長130 m，煤層厚度4.79～5.85 m，采用“U”型全負壓通風。利用SolidWorks軟件建立劉家梁礦2214綜采面采煤機直行割煤至中部時的瞬態物理模型，模型總尺寸為60.00 m×4.32 m×3.50 m，根據不同網格劃分技術特點，進行組合網格劃分[13]，92%的網格其質量達到0.8以上，可較好的顯示物理模型幾何征，滿足離散相計算要求。

1.2 主要邊界條件設定

合理的邊界條件能夠防止流場發散，加速計算速度，同時保證計算結果的合理性，主要邊界條件設置有入口風速及粉塵源。

1）入口風速。綜采面實際風速受風流阻礙作用自機道、檢修道、人行道依次減小，自頂底板向工作面中間區域風速不斷增大[14-15]，為保證采煤機截割產塵點處空氣流動狀態與實際相符，在2214綜采面采煤機上風側25 m處機道、檢修道、人行道內均勻取點，高度分別為1.5、2.0、2.5 m進行風速測量，并根據現場測量數據編制入口風速的Profile文件。

2）粉塵源。粉塵顆粒是數值模擬中主要觀察及研究部分，其影響參數有質量流率、粉塵粒度、塵源初始速度等。根據采煤機落煤量、產塵量及粉塵飛揚量，可得采煤機截割產塵量為0.042 kg/m3。粉塵粒度不同，受力后運動行為表現出明顯差異，其中Rosin-Rammler分布在工程上應用最為廣泛，經驗證明該模型適用于煤的自然破碎情況[16-19]，對2214綜采工作面割煤工序粉塵分散度進行測定，2214工作面采煤機割煤工序分散度測定見表1，將粒徑范圍設定為1～100μm，粉塵粒度的中位徑為8.75μm。

表1 2214工作面采煤機割煤工序分散度測定Table 1 Distribution of cutting coal in 2214 working face

采煤機滾筒為螺旋葉片結構，生產時高速旋轉形成渦旋風流，將粉塵不斷地甩向工作面空間，將渦旋風流在滾筒處的旋轉線速度和軸向速度視為粉塵顆粒離開塵源的初始速度[17]，且為一次塵化氣流速度。前后滾筒旋轉方向不同，產生的渦旋風流切向速度相反，且同一滾筒不同位置的切向速度不同，故將滾筒簡化為4個具有不同速度分量的粉塵源，以前滾筒為例，采煤機前滾筒塵源示意圖如圖1。圖中：A、B、C、D為位于滾簡處的4個噴射源；ν1為粉塵顆粒旋轉線速度；ν2為粉塵顆粒軸向速度。

圖1 采煤機前滾筒塵源示意圖Fig.1 Dust source in front of shearer drum

2 采煤機割煤產生粉塵的數值模擬

2.1 采煤機割煤產生粉塵的運移分析

截割產塵離開滾筒后即一次氣流與工作面通風的二次氣流相擾動，同時存在橫向運移及縱向運移，截割產塵運動軌跡俯視圖如圖2。

圖2 截割產塵運動軌跡俯視圖Fig.2 The top view of cutting dust particle lines

由圖2可知，大部分集中在煤壁附近和機道空間運動，部分運移至檢修道和人行道；對比圖2（a）和圖2（b），前、后滾筒產塵橫向運移分布范圍差異較大，后滾筒產塵短距離內無明顯橫向運移，但前滾筒產塵在機身范圍內已經完成向采煤機司機工作區域及人行道空間的橫向運移，其原因在于前滾筒割頂煤而后滾筒割底煤，前滾筒割煤下落高度較大，產塵受風流影響也較大，更易迅速橫向運移至采煤機司機工作區域。

選取綜采工作面采煤機附近各空間中心截面，分析截割產塵的濃度分布，各空間截割產塵粉塵濃度分布云圖如圖3。

圖3 各空間截割產塵粉塵濃度分布云圖Fig.3 Different sections of cutting dust concentration distribution from rib to gob

因采煤機對風流的阻礙作用，在機身前斷面處出現風流分流及湍流效應加劇情況，前滾筒產塵在此處大量向采煤機司機工作區域運移，導致粉塵濃度急劇增高；至機身中部過程中風流分流及橫向湍流效應減弱，粉塵縱向擴散加劇，且距塵源越遠粉塵擴散范圍越大，粉塵逐漸均勻分布于整個作業空間；一次氣流與工作面通風的二次氣流相擾動橫向上逐漸減弱，呈現自煤壁向人行道空間粉塵濃度逐漸降低的趨勢。

2.2 不同粒度的粉塵運移規律

綜采面截割粉塵對工人患塵肺病的影響因素不僅與粉塵濃度較高有關，而且受粉塵粒度差異的影響。分散度高、細微粉塵所占比重大導致其長期漂浮于作業空間，使作業人員長時間接塵，大幅度增加塵肺病發病率。粒徑10μm以上粉塵粒度越大粉塵沉降越快，而10μm以下粉塵粒度減小沉降速度急劇下降，尤其在采煤機機身附近，一次氣流與工作面通風的二次氣流作用流場復雜、湍流現象嚴重，粉塵既有橫向運動又有縱向運動，很難表現出沉降趨勢。

統計了前滾筒產塵在機身附近各空間不同粒徑粉塵顆粒數量的比例，機身附近各空間不同粒徑粉塵顆粒數量變化如圖4。

圖4 機身附近各空間不同粒徑粉塵顆粒數量變化Fig.4 Proportion change of slight cutting dust particle in shearer vicinity

各粒徑粉塵運移與分布情況如下：

1）受一次塵化氣流作用割煤產生的渦旋風流將不同粒徑粉塵以相同速度拋出，細微粉塵呈現橫向運移現象。粒徑越小的粉塵因其動能較小，受二次塵化氣流影響較大，導致采煤機附近自煤壁至人行道空間細微粉塵數量急劇減小，大部分集中于煤壁及機道空間內，粒徑<2μm、2～5μm、5～10μm的粉塵顆粒數量均超過70%。

2）粉塵在二次塵化氣流作用下沿工作面運移，粉塵粒徑與受湍流影響呈現的擴散趨勢呈反比，細微粉塵離開塵源后逐漸擴散，沿程粒徑<2μm、2～5 μm的粉塵所占比例均呈現升高趨勢，說明擴散逐漸加劇，采煤機司機工作區域所占比重最高達到15%左右，危害即為嚴重。

3）細微粉塵在機身前端面至機身中心的運移過程中，機道及煤壁空間各粒徑粉塵數量降幅均超過10%，因受湍流效應影響極難沉降，采煤機司機工作區域成為主要擴散空間；對比機道空間各粒徑粉塵數量比重變化幅度，機身中心處降幅最大為15%，說明產塵點至機身中心為粉塵快速擴散區。

采煤機司機工作區域不同地點粉塵分散度變化如圖5。可以看出：在前機身端面處粒徑10μm以上粉塵所占比例較高，經快速擴散區后，粒徑10μm以上粉塵比例迅速下降，粒徑5μm以下粉塵比例快速上升，危害逐漸加劇；至后端面時粒徑小于5 μm粉塵占比超過50%，其中粒徑2μm以下致病重的粉塵占比超過20%，整體看來，粉塵分散度不斷升高，治理難度逐漸加大。

圖5 采煤機司機工作區域不同地點粉塵分散度變化Fig.5 Cutting dust dispersion change of different locations in shearer operator zone

3 粉塵濃度現場測量及對比

結合2214工作面現場實際，對檢修道呼吸帶高度粉塵濃度進行測量，選取前滾筒中心、前端面、機身中心、后端面、后滾筒中心及下風側5～25 m等共10個測點，每個測點3個樣本數據的平均值與數值模擬結果進行對比，檢修道空間呼吸帶高度粉塵濃度對比如圖6。

圖6 檢修道空間呼吸帶高度粉塵濃度對比Fig.6 Dust concentration comparison in sidewalk breathing zone

從圖6可知，在機身前端面處，采煤機司機工作區域粉塵濃度迅速升高，至機身中心達到最大值，至后滾筒中心處粉塵濃度降至最低，濃度峰值影響范圍較廣；粉塵在采煤機后方沿程運動時，后滾筒截割產塵不斷擴散，濃度逐漸升高。總體來看，采煤機機身附近粉塵濃度分布規律的數值模擬與現場實測結果的誤差在可接受范圍內，說明數值模擬2214綜采工作面截割產塵形成的一次塵化氣流在采煤機機身附近的運移一定程度上可以描述和代表現場實際。但是，在采煤機下風側的現場實測粉塵濃度明顯大于數值模擬結果，原因在于緊隨采煤機后方的支架移架產塵運移的影響增大，而數值模擬中未考慮移架產塵。

4 結論

1）截割產塵離開塵源后主要沿著風流方向運移，同時存在橫向運移。由于雙滾筒采煤機割煤時都采用前滾筒割頂煤后滾筒割底煤的工藝，造成前滾筒割煤下落高度較后滾筒大，產塵受設備布置和強湍流風流的影響也較大，更易迅速橫向運移至采煤機司機工作區域，應是粉塵控制的重點。

2）前滾筒產塵在機身前端面處迅速運移至工作面整個通風斷面，在采煤機司機工作區域形成濃度峰值，且在向后滾筒運移過程中，不斷向整頂底板方向運移，在機身附近完成從局部向整個工作面的運移擴散。

3）前滾筒產塵在機身附近運移時，10μm以下粉塵向采煤機司機工作區域運移現象明顯，5μm以下致病粉塵運移現象嚴重，是導致采煤機司機易患塵肺病的重要因素。

4）工作面通風的二次氣流是粉塵運移的主要能源，采取采煤機割煤處除塵是今后除塵的重中之重，即采用采煤機滾筒處的除塵可使滾筒的一次氣流與工作面通風的二次氣流分開，避免滾筒的一次氣流與工作面通風的二次氣流相互作用，又避免了工作面通風的二次氣流將帶到下風流的場所。