基于DPM模型的掘進工作面粉塵運移規律研究*

王崇平,楊喜君,閆濤,劉元強,王亮

(1.國能億利能源有限責任公司黃玉川煤礦, 內蒙古 鄂爾多斯市 017000;2.青島創飛科智能科技有限公司, 山東 青島市 266590;3.山東科技大學, 山東 青島市 266590)

綜掘工作面是煤礦井下主要的塵源之一[1-3],粉塵最高濃度超過1500 mg/m3,粉塵環境下工作的工人容易患上職業病,對工人的身體健康造成嚴重威脅[4]。為了避免綜掘工作面出現粉塵積聚,發生煤礦安全事故,大多采用壓入式通風降塵[5-8],壓入式通風的優點是安裝方便,有效射程大、沖淡作用強,對于工作面有瓦斯存在的情況下采用這種通風方式更安全[9-11]。本文應用Fluent軟件對不同的供風距離以及風量下的綜掘面模型進行仿真分析,研究綜掘工作面風流場分布以及粉塵的運移規律,并在此模型基礎上加入附壁風筒進行改進,以提高降塵效率。

1 模型構建

1.1 幾何模型

根據綜采面的現場調研情況,忽略巷道內較小的設備,對掘進機和風筒進行簡化,利用Solidworks建立綜掘工作面的幾何模型,如圖1所示。其中巷道長、寬、高分別為50 m、4 m、4 m;掘進機距離掘進面迎頭2 m;風筒直徑為0.8 m,距離地面3 m,距離掘進面8 m。利用Mesh對幾何模型進行四面體網格劃分,網格尺寸選取為0.3 m,并對掘進機、風筒等局部區域進行網格加密,網格尺寸為0.1 m,共劃分295 826個節點和1 526 924個單元。

圖1 綜掘工作面模型

1.2 邊界條件設置

將劃分好網格的幾何模型導入Fluent中,對連續相以及離散相模型的邊界條件進行參數設置,見表1。

表1 邊界條件以及參數設置

2 風流場分布規律

連續相邊界條件設置完成后,對風流場進行求解,采用風流速度云圖以及矢量圖來展現綜掘工作面的風流場分布情況,圖2、圖3分別為綜掘面不同高度的速度云圖和矢量圖,從上到下依次是頂板附近y=3 m、呼吸帶高度附近y=1.6 m以及底板附近y=0.7 m。

圖2 綜掘工作面不同高度速度云圖

圖3 綜掘工作面不同高度速度矢量圖

從圖2、圖3可知,高速風流從壓風筒出口流向掘進面,在到達綜掘面之前流場穩定,風流到達綜掘面后因受到綜掘面的阻擋,風流向巷道兩側分流,由于風筒靠近巷道左側導致大部分風流向巷道右側分流,風流在撞擊綜掘面后因動能損耗而導致風速減小,遵循高速貼壁射流規律。風筒左側由于空間狹小,不受掘進機影響,在分流后沿巷道出口方向繼續流動;風筒右側風流由于受到掘進機的阻滯,導致流場紊亂,并且在掘進機上方形成眾多小渦流區,渦流區流場復雜,遠離渦流區后流場趨于穩定。

3 粉塵分布規律

連續相模型計算完成后,開啟離散相模型,并在工作面位置加入粉塵源,得到了綜掘面不同高度的粉塵濃度分布,如圖4所示,從上到下依次為y=3 m、y=2 m、y=1 m,圖5為y=3 m、y=2 m時巷道截面粉塵濃度與工作面距離關系。

圖4 綜掘工作面不同高度粉塵質量濃度分布

圖5 粉塵質量濃度與工作面所處距離關系

從圖4可以看出,越靠近底板(y越小),粉塵平均質量濃度越高。風流攜帶塵源處的粉塵向巷道出口擴散過程中,由于受到掘進機的阻滯,導致大量粉塵積聚在掘進機附近以及巷道角落。從圖5可以看出,在距離產塵面5 m范圍內(0＜x＜5 m),雖然粉塵質量濃度急劇下降,但是平均濃度超過了800 mg/m3,此區域屬于粉塵防治的重點區域;在距產塵面5 m后(x＞5 m),由于風流場趨于穩定,粉塵得以緩慢流出巷道,粉塵平均質量濃度小于150 mg/m3。

3.1 供風距離對粉塵運移的影響

風筒出口到掘進面的距離L稱為供風距離,保持其他參數不變,對不同供風距離下的粉塵運移規律進行研究,分別取L=5 m、L=8 m、L=10 m進行數值模擬分析,得到了沿x軸方向粉塵質量濃度的變化情況,如圖6所示。

從圖6可以看出,隨著距工作面距離的增大,巷道內粉塵濃度先急劇下降然后緩慢下降最后趨于穩定。在距工作面距離2 m內(x＜2 m),由于距塵源處較近,三種不同供風距離情況下的粉塵濃度相差不大,平均濃度均超過了1000 mg/m3;在x＞2 m,供風距離為5 m時,由于風筒距綜掘面迎頭過近,風流在發生轉向時風速較大,攜帶的粉塵容易撞擊頂板壁面以及掘進機造成動能損失,從而積聚在掘進機附近;當供風距離為11 m時,由于風筒距綜掘面迎頭過遠,風流在負壓作用下向風筒出口流動時形成的渦流區面積較大,大量粉塵受渦流影響彌漫在巷道中,從而導致巷道中粉塵平均濃度高;當供風距離為8 m時,粉塵平均濃度最低,為最優供風距離。

圖6 粉塵質量濃度分布

3.2 通風風速對粉塵運移的影響

為了研究不同風速對粉塵運移的影響,在供風距離L=8 m的情況下,分別取風筒出口風速V為5 m/s、7 m/s、10 m/s、12 m/s進行數值模擬,得到了距綜掘面迎頭0.5 m和0.8 m處橫截面的粉塵質量濃度分布云圖,如圖7所示。

圖7 綜掘工作面粉塵質量濃度分布

從圖7可以看出,隨著通風風速的增加,綜掘面粉塵平均質量濃度先減小后增大。當風速V為5 m/s時,巷道前方積聚著大量粉塵,當風速增加到10 m/s時,巷道前方粉塵平均質量濃度明顯降低,這是由于風速越大,風流攜帶粉塵的能力越強,粉塵越容易排出巷道,當風速增加到12 m/s時,巷道內粉塵平均質量濃度出現增加的趨勢,這時由于風速過大,導致粉塵難以沉降,并且已經沉降的粉塵出現二次揚塵現象,所以風速V為10 m/s時,既有利于排塵又不易揚塵,為最優通風風速。

3.3 附壁風筒對粉塵運移的影響

為了提高排塵效果,對壓入式通風進行改進,將附壁風筒安裝在壓風筒出口附近進行數值模擬,保持其他參數不變,將附壁風筒出口設置為速度入口,圖8為距綜掘面迎頭10 m、13 m、16 m處巷道截面的風流矢量圖,圖9為y=1.6 m處巷道截面粉塵質量濃度分布云圖,從上到下分別為改進后和改進前。

圖8 巷道截面風流矢量圖

圖9 巷道截面濃度分布云圖

從圖8可以看出,附壁風筒噴射的高速徑向風流由于附壁效應,形成螺旋氣流,粉塵受到螺旋氣流的卷吸作用被限制在螺旋氣流中,進而有效地阻擋了粉塵向巷道四周擴散。從圖9可以看出,安裝附壁風筒后,高濃度粉塵區域主要集中在巷道角落處,巷道內粉塵平均質量濃度明顯降低,排塵效果得到明顯改善。

4 結論

(1)從風筒噴射的高速風流在分流后,會在掘進機上方形成渦流區,導致流場紊亂,在遠離渦流區后,流場趨于穩定;在安裝附壁風筒后,由于附壁效應,形成不斷前進的螺旋氣流,從而阻礙粉塵向巷道四周擴散。

(2)綜掘工作面粉塵質量濃度隨供風距離以及風速的增加,出現先減小后增大的趨勢,綜合分析距綜掘工作面不同距離下粉塵的具體濃度情況以及分布云圖,在供風距離L為8 m、風筒出口風速V為10 m/s時,巷道內粉塵平均質量濃度最低。

(3)采用壓入式通風方式進行排塵,巷道角落以及掘進機附近屬于粉塵重點防治區域,同時可以在壓風筒上安裝附壁風筒以提高排塵效果。