掘進工作面風流-粉塵耦合運移規律模擬研究

康樹棕 種化省 屈 華

（1 滕州郭莊礦業有限責任公司，山東 棗莊 277220；2 滕州郭莊礦業有限責任公司錦丘煤礦，山東 棗莊 277220）

滕州郭莊礦業錦丘煤礦162-106 上軌道巷掘進工作面采用綜合機械化掘進，生產現場的產塵量和巷道內的粉塵濃度較大，嚴重污染作業人員的作業區域，尤其是掘進機司機處。在不采取任何防塵措施的情況下，掘進工作面平均粉塵濃度超過200 mg/m3，遠超國家規定標準。因此，為保證掘進工作面作業人員的身心健康、減少罹患塵肺病的概率，保障礦井安全、高效的生產，需對掘進工作面壓入式通風條件下風流-粉塵耦合運移規律進行系統化研究，以便采取針對性防塵措施。

1 掘進工作面物理模型建立

162-106 上軌道巷掘進工作面為矩形巷道，巷道凈寬3.4 m，凈高2.3 m，凈斷面積為7.82 m2。施工時采用EBZ135 型掘進機掘進，掘進與支護順序作業，采用單一壓入式通風方式，風量為250 m3/min。根據掘進工作面現場情況，采用SolidWorks軟件建立了比例為1:1 的物理模型，如圖1。

圖1 掘進工作面物理模型圖

2 掘進工作面網格劃分

采用ICEM-CFD 軟件對已建立的物理模型進行網格劃分。由于物理模型較為復雜，因此采用四面體網格進行網格劃分，最終得到網格數量為777 157，最小網格質量為0.360 496，最大網格質量為0.999 644，平均網格質量為0.713 094。掘進工作面網格質量參數如圖2。

圖2 掘進工作面網格質量參數圖

3 風流-粉塵耦合運移數值模擬研究

使用Fluent 數值模擬軟件，對掘進工作面壓入式通風情況下風流-粉塵耦合運移狀況進行數值模擬研究，通過分析風流場和粉塵場的數值模擬結果，得出掘進工作面風流-粉塵耦合運移規律。

3.1 掘進工作面風流場數值模擬

掘進工作面采用單一壓入式通風系統，僅包含一個風筒，置于巷道右側。掘進工作面風流場數值模擬結果如圖3。

圖3 掘進工作面風流場數值模擬結果圖

由圖3 可知：

（1）當風流以14.7 m/s 的速度由壓風筒吹入巷道時，由于風流速度較高，因此風流仍以較高的速度向前運移，但巷道空間遠大于壓風筒，風流逐漸發生擴散現象。因此，壓風筒風流逐漸演變為兩部分不同的風流，一部分風流運移至迎頭位置，另一部分風流形成漩渦流。運移至迎頭的風流場，由于壓風口距離迎頭為10 m，因此風流沿巷道右側壁和頂板向迎頭運移，撞擊迎頭后反向運移，速度逐漸減小為1.2～3.7 m/s。當風流在掘進機與迎頭之間時，由于壓風作用和截割臂的擾亂，風流圍繞截割臂做螺旋狀運動，并繼續向巷道后側方向擴散。另一部分漩渦流場，由于壓風筒風流在進入巷道后發生擴散，由巷道右側壁面逐漸擴散至左側壁面，撞擊左側壁面后一部分風流向巷道右側運移，因此形成渦流場。由于巷道頂板與掘進機機身間空間較小，因此渦流場相對較大，平均速度處于3.4～7.4 m/s 范圍內。另一部分風流沿巷道左側與掘進機左側間隙向巷道后側運移。

（2）當風流擴散至距迎頭10 m 時，撞擊迎頭的風流與渦流場匯合，一同向巷道后側運移。由于掘進機后側僅有二運，空間較為開闊，因此，風流場發生擴散，風流逐漸充滿整個巷道，風流速度逐漸減小為2.2～3.6 m/s。但是由于二運、壓風筒和皮帶運輸機的阻礙，風流場呈紊亂狀態，風流主要圍繞二運做螺旋運動，逐漸擴散至巷道后側。

（3）當風流擴散至距迎頭24.2 m 時，風流場呈現穩定狀態，風流速度處于0.8～1.2 m/s 范圍內。在距迎頭24.2～50 m 范圍內，由于巷道內僅有壓風筒和皮帶運輸機，風流場逐漸填充整個巷道斷面，風流場處于穩定向后運移狀態。由于壓風筒與皮帶運輸機的布置位置與風流方向一致，因此在風流運移過程中，沒有障礙對風流場造成較大的影響，風流速度的變化相對較小。當運移至巷道出口時，風流的平均速度仍在0.6～0.8 m/s 范圍內。

3.2 掘進工作面粉塵場數值模擬

對掘進工作面粉塵場進行數值模擬研究，粉塵主要由掘進機截割迎頭的煤巖體產生，粉塵除在重力的作用下沉積在巷道底板和設備表面，主要受風流的作用下在巷道內擴散。掘進工作面粉塵場數值模擬結果如圖4 所示。

圖4 掘進工作面粉塵場數值模擬結果圖

由圖4 可知：

（1）當距迎頭18.2 m 范圍內，粉塵場處于高濃度階段，此時粉塵濃度處于103～209 mg/m3。掘進機掘進時，迎頭產生高濃度粉塵，在壓風風流的作用下向巷道內擴散。由于迎頭區域右側壁面風速相對較大，因此粉塵在風流場的作用下運移至巷道左側壁面，且在左側壁面和頂板位置發生積聚，粉塵濃度處于為163～202 mg/m3，右側壁面粉塵濃度較低，處于35～94 mg/m3。當粉塵擴散至渦流場范圍內時，由于渦流場中心的沉積作用，粉塵濃度減小，平均粉塵濃度為103 mg/m3。隨著粉塵場繼續向后側運移，由于10～18.2 m 范圍內風流場發生擴散，風流速度減小，且風流場速度分布不均勻，因此粉塵場發生積聚，粉塵濃度逐漸升高，處于127～209 mg/m3。

（2）當距迎頭18.2～42.3 m 范圍內，粉塵場處于中濃度階段，此時粉塵濃度處于54～156 mg/m3。在此階段，風流場由紊亂逐漸變為平穩運移，風流平均速度發生衰減，因此粉塵場也發生沉積，大顆粒粉塵逐漸沉積在巷道底板位置。隨著粉塵擴散距離的增大，懸浮的粉塵濃度逐漸減小。

（3）當距迎頭42.3～50 m 范圍內，粉塵場處于低濃度階段，此時粉塵濃度處于10～61 mg/m3。隨著風流擴散距離的增大，平均速度發生一定的減小，粉塵場的沉積情況也逐漸增加，懸浮在空氣中的粉塵濃度也逐漸減小。

4 風流-粉塵耦合運移現場實測驗證

采用現場實測驗證的方法，通過設置測點，對錦丘煤礦162-106 掘進工作面進行現場實測，獲取各測點的風流速度和粉塵濃度數據，并與數值模擬結果進行對比分析。數值模擬與現場實測結果對比如圖5 所示。

圖5 數值模擬與現場實測結果對比圖

由圖5 可知：

各測點處風流速度和粉塵濃度的數值模擬值與現場實測值相對誤差較小，分別小于6.25%和6.75%，證明數值模擬所得風流-粉塵耦合規律具有較高準確性，對現場生產具有較好的指導意義。

5 結論

（1）錦丘煤礦162-106 掘進工作面使用單一壓入式通風時，隨著距迎頭距離的增大，風流場分布呈現“渦流-紊亂-平穩”狀態。在距離迎頭0～24.2 m 范圍內時，由于出風口壓風射流和掘進機的阻擋，風流場呈現渦流狀態和紊亂狀態，風流分布不均勻，平均風速處于2.2～7.4 m/s 范圍內。在距離迎頭24.2～50.0 m范圍內時，風流場處于平穩狀態，風流場均勻地分布在巷道內，風流穩定向巷道后側運移，平均風速處于0.6～1.2 m/s 范圍內。

（2）掘進工作面使用單一壓入式通風系統時，巷道內的粉塵濃度呈現“高-中-低”濃度分布。距迎頭0～18.2 m 范圍內粉塵濃度處于103～209 mg/m3，距迎頭18.2～42.3 m 范圍內粉塵濃度處于54～156 mg/m3，距迎頭42.3～50.0 m 范圍內粉塵濃度處于10～61 mg/m3。

（3）對錦丘煤礦162-106 掘進工作面風流-粉塵耦合擴散規律進行現場實測驗證，結果表明數值模擬和現場實測結果相對誤差較小，證明數值模擬結果具有較高準確性。由于巷道內整體粉塵濃度較高，因此需要進一步采取相關的治理措施，實現對巷道內高濃度粉塵的治理。

6 掘進工作面粉塵治理建議

（1）增加礦用濕式除塵風機，降低巷道內平均粉塵濃度。基于礦用濕式除塵風機的負壓抽風作用和高效除塵作用，可將巷道內迎頭產生的高濃度粉塵吸除凈化，并通過合理布置除塵風機位置和抽風筒抽風口位置，實現對巷道內工人和掘進機司機的保護。

（2）優化掘進機外噴霧系統，增設全斷面噴霧裝置。對掘進機外噴霧噴嘴進行優化，采用防堵型廣角霧化噴霧，提高噴嘴的有效作業數量，并使噴霧場有效包裹截割頭。增設全斷面噴霧裝置，使用全斷面噴霧場將迎頭斷面包裹，降低迎頭逸散至巷道內的粉塵濃度，實現粉塵的源頭治理，從而凈化巷道作業環境。

（3）通過增加噴霧降塵劑或泡沫除塵劑，進一步提高降塵效率。對掘進機噴霧所用水源中添加噴霧降塵劑或泡沫除塵劑，進一步降低水的表面張力，提高噴霧場對粉塵的潤濕能力，有效提高單位耗水量的降塵效率。

（4）選取合適的壓風量，提高通風排塵效率。掘進工作面壓風流場能夠有效排出迎頭高濃度粉塵，通過適當增加壓風量，將迎頭處高濃度粉塵快速輸送到回風巷，從而稀釋巷道內高濃度粉塵，減少巷道內的平均粉塵濃度，保護煤工尤其是掘進機司機身體健康。