不同通風(fēng)方式及壓風(fēng)量下的掘進(jìn)工作面風(fēng)流粉塵分布規(guī)律研究

褚新龍，魏 偉，龍在海，蔣晨旺，劉 強(qiáng)，聶 文

（1.國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590）

隨著采煤技術(shù)的不斷進(jìn)步，國家對安全生產(chǎn)越來越重視，采煤過程中的粉塵防治也越來越重要。隨著巖巷綜掘工作面綜合機(jī)械化程度的不斷提高，生產(chǎn)現(xiàn)場的產(chǎn)塵量也急劇增加，同時塵源復(fù)雜多變，難以控制，嚴(yán)重污染了作業(yè)工人的作業(yè)區(qū)域[1]。大量粉塵的存在，不僅污染作業(yè)環(huán)境，還大大增加了現(xiàn)場工人患塵肺病的概率，嚴(yán)重威脅著作業(yè)人員的身心健康以及礦井安全、高效的生產(chǎn)[2]。現(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者已對急傾斜厚煤層煤礦巖巷綜掘工作面粉塵的治理進(jìn)行了相關(guān)的研究，取得了較多的研究成果。戚險峰等[3]運(yùn)用實驗手段證明了混合式通風(fēng)方式降塵效果的有效性；杜翠鳳等[4]使用Fluent 模擬了單一壓入式與混合式通風(fēng)方式下的粉塵運(yùn)移情況；任新鋒[5]研究了吸風(fēng)口離迎頭距離對混合式通風(fēng)方式控塵效果的影響。但是很少有學(xué)者對不同通風(fēng)方式及通風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行較為全面的模擬。因此，以烏東煤礦西區(qū)掘進(jìn)工作面為工程背景，使用Ansys Fluent對不同通風(fēng)方式下的風(fēng)流粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行模擬，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，為安全生產(chǎn)提供理論支撐。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

綜掘工作面風(fēng)流流動較為復(fù)雜，風(fēng)流處于湍流狀態(tài)，因此使用湍流模型對此進(jìn)行表征。建立新型氣相湍流－顆粒相湍流的雙流體數(shù)學(xué)模型，該模型將是EULERIAN-EULERIAN 模型與EULERIAN-LAGRANGIAN 模型的組合，集中了連續(xù)介質(zhì)模型和顆粒軌道模型各自的優(yōu)點(diǎn)。建成以上模型后，將首先基于有限容積法，利用混合差分格式對偏微分方程組進(jìn)行離散化，然后利用混合差分格式和基于同位網(wǎng)格的SIMPLE 算法對巖巷綜掘工作面風(fēng)流場運(yùn)移及粉塵流場擴(kuò)散狀況進(jìn)行數(shù)值解算[6-8]。對比分析了幾種常見的湍流模型后，選擇了標(biāo)準(zhǔn)K-Epsilon 模型。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)-模型的輸運(yùn)方程

式中：ρ 為流體密度，kg/m3；k 為湍動能，m2/s3；t為時間，s；ui為瞬間速度，m/s；xi為i 張量坐標(biāo)x 方向的速度，m/s；xj為j 張量坐標(biāo)x 方向的速度，m/s；μ為流體的分子黏性系數(shù)；μt為渦黏性；σk為k 方程的紊流普特朗數(shù)，取1.0；Gk為平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；Gb為浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；ε 為紊流耗散率，m2/s3；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。

式中：σε為湍動耗散率對應(yīng)的普朗特數(shù)，取1.3；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，取1.44、1.92、0.09。

1.2 粉塵作用力平衡方程

式中：up為顆粒速度，m/s；FD為曳力，N；u 為相續(xù)連速度，m/s；gx為x 方向重力加速度，m/s2；ρp為顆粒密度，kg/m3；Fx為x 方向的其他作用力，N。

式中：dp為顆粒直徑，m；CD為曳力系數(shù)；Re 為相對雷諾數(shù)。

2 物理模型的構(gòu)建

1）巷道幾何模型。根據(jù)烏東煤礦掘進(jìn)工作面作業(yè)規(guī)程，運(yùn)用SolidWorks 建立了壓入式以及混合式通風(fēng)系統(tǒng)下的掘進(jìn)巷道簡化后的幾何模型。巷道為拱形，高4.1 m，寬3.2 m，拱半徑1.5 m。選用φ0.8 m 的風(fēng)筒。

2）邊界條件與網(wǎng)格劃分。使用CFD-ICEM 軟件對烏東掘進(jìn)工作面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將壓風(fēng)筒與抽風(fēng)筒的風(fēng)口設(shè)定為速度入口邊界，巷道尾部設(shè)定為速度出口邊界。為了得到更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，對掘進(jìn)機(jī)周圍以及風(fēng)筒周圍進(jìn)行了局部的網(wǎng)格加密。總網(wǎng)格數(shù)為1 351 237，網(wǎng)格局部圖如圖1。

圖1 網(wǎng)格局部圖Fig.1 Local grid diagram

3）模擬參數(shù)設(shè)定。根據(jù)對現(xiàn)場的實際觀測，對模擬的邊界條件進(jìn)行了設(shè)定，假設(shè)風(fēng)流為低速不可壓縮流體，密度符合近似假設(shè)，巷道壁面粗糙度均勻，所有壁面施加無滑移邊界條件。計算湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)K-Epsilon 模型，開啟能量方程，采用SIMPLE 算法，待模擬完畢后，使用CFD-Post 對結(jié)果進(jìn)行分析[9-11]。具體邊界條件設(shè)定如下：壓風(fēng)量為300 m3/min，抽風(fēng)量為250 m3/min，粉塵初始速度為10 m/s，壓風(fēng)口邊界類型velocity-inlet，巷道末端邊界類型pressure-outlet。

3 模擬結(jié)果

為了更加清晰看出不同通風(fēng)方式及壓風(fēng)量對掘進(jìn)工作面除塵效果的影響，結(jié)合工作面的實際情況，先采用壓入式通風(fēng)，然后采用混合式通風(fēng)法，壓風(fēng)量均為300 m3/min，觀察兩者的風(fēng)流粉塵運(yùn)移規(guī)律，得到較優(yōu)通風(fēng)方式后，改變其壓風(fēng)量，觀察不同壓風(fēng)量下粉塵分布規(guī)律，尋找最佳的壓風(fēng)量。

3.1 不同通風(fēng)方式對風(fēng)流速度的影響

不同通風(fēng)方式下的風(fēng)流運(yùn)移圖如圖2。

圖2 不同通風(fēng)方式下的風(fēng)流運(yùn)移圖Fig.2 Air flow movement diagram under different ventilation modes

由圖2 可以看出，在壓入式的通風(fēng)方式下，風(fēng)流運(yùn)移情況較為簡單，風(fēng)流經(jīng)壓風(fēng)口流出后撞擊迎頭，形成回流；因為受到壓風(fēng)口的影響，在掘進(jìn)機(jī)工作區(qū)域形成了1 個較大的渦流場，大部分風(fēng)流逃逸至巷道中后部，因為巷道后部沒有風(fēng)機(jī)，所以風(fēng)流自由擴(kuò)張，沿直線運(yùn)移到了巷道末尾；而在混合式通風(fēng)方式下，風(fēng)流運(yùn)移情況變得更加復(fù)雜，風(fēng)流經(jīng)壓風(fēng)口流出后撞擊迎頭，受到壓風(fēng)口與吸風(fēng)口的卷吸作用，在掘進(jìn)機(jī)工作區(qū)域形成了多個渦流場，大量氣流經(jīng)吸風(fēng)面吸入，少量氣流從地板及側(cè)壁面逃逸至巷道中后部，因為前后壓強(qiáng)差，風(fēng)流被壓回前側(cè)，從而導(dǎo)致巷道后部風(fēng)流紊亂。

3.2 不同通風(fēng)方式對粉塵運(yùn)移的影響

不同通風(fēng)方式下的掘進(jìn)面風(fēng)流粉塵運(yùn)移如圖3。

由圖3 可以看出：壓入式通風(fēng)方式的情況下，因為風(fēng)流走向單一，粉塵沒有得到控制，大量粉塵隨著風(fēng)流被壓入整個巷道，高濃度粉塵遍布整個巷道，工人作業(yè)環(huán)境受到嚴(yán)重污染；而在混合式通風(fēng)方式的情況下，可以看出粉塵被控制在了巷道前部，高濃度粉塵集中在巷道頂部，迎頭粉塵濃度與工作區(qū)域粉塵濃度較低。可以看出采用混合式通風(fēng)后，粉塵擴(kuò)散得到了有效的控制。因此，在后續(xù)分析中，采用混合式的通風(fēng)方式進(jìn)行研究。

圖3 不同通風(fēng)方式下的粉塵運(yùn)移規(guī)律Fig.3 Dust migration law under different ventilation modes

3.3 不同壓風(fēng)量下的粉塵運(yùn)移規(guī)律

因為工作區(qū)依舊存在粉塵濃度較高的區(qū)域，為此，改變壓風(fēng)量的大小進(jìn)行風(fēng)流粉塵模擬。固定抽風(fēng)量為250 m3/min，壓風(fēng)量為150、200、250、300、350、400 m3/min，不同壓風(fēng)量下的粉塵運(yùn)移規(guī)律如圖4。

圖4 不同壓風(fēng)量下的粉塵運(yùn)移規(guī)律Fig.4 Dust migration law under different air pressures

當(dāng)壓風(fēng)量為150、200 m3/min 時，因壓風(fēng)量過小，風(fēng)速較低，粉塵無法通過除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行較快速度的凈化，出現(xiàn)了堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道前部布滿高濃度粉塵，不利于工人作業(yè)。

當(dāng)壓風(fēng)量為250 m3/min 時，因為此時壓風(fēng)量等于抽風(fēng)量，巷道內(nèi)前后無風(fēng)速差，控塵效果減弱，導(dǎo)致高粉塵擴(kuò)散距離變大。同時因為壓風(fēng)口的作用，巷道左側(cè)粉塵擴(kuò)散距離遠(yuǎn)大于右側(cè)。

當(dāng)壓風(fēng)量為350、400 m3/min 時，因為壓風(fēng)量過大，吸風(fēng)口無法快速過濾污風(fēng)，導(dǎo)致部分粉塵隨風(fēng)流向巷道后部擴(kuò)散，隨著時間的推移，粉塵集中在巷道左側(cè)底部沉降。

當(dāng)壓風(fēng)量為300 m3/min 時，可以看出高濃度粉塵區(qū)域較小，大部分空間為低濃度粉塵區(qū)域，適合工人進(jìn)行作業(yè)。

為了得出壓風(fēng)量與粉塵運(yùn)移的系統(tǒng)結(jié)論，將高濃度粉塵的擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離與壓風(fēng)量作為變量，得出兩者之間的線性關(guān)系。不同壓風(fēng)量下的高濃度粉塵擴(kuò)散距離如圖5。

圖5 不同壓風(fēng)量下的高濃度粉塵擴(kuò)散距離Fig.5 Diffusion distance of high-concentration dust under different air pressures

由圖5 可以得出擬合關(guān)系：

式中：y 為粉塵擴(kuò)散距離，m；x 為壓風(fēng)量，m3/min。

4 現(xiàn)場實測對比

為驗證模擬的準(zhǔn)確性，設(shè)壓風(fēng)量為300 m3/min，抽風(fēng)量為250 m3/min，根據(jù)與迎頭距離的不同，選擇6 個斷面，分別距離迎頭1、5、10、20、30、50 m，每個斷面設(shè)置1 個測點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場實測，巷道測點(diǎn)分布情況如圖6，斷面粉塵濃度分布圖如圖7。

圖6 巷道測點(diǎn)分布情況Fig.6 Distribution of measurement points in the roadway

圖7 斷面粉塵濃度分布圖Fig.7 Distribution diagram of broken flour dust concentration

等待作業(yè)進(jìn)行5 min，風(fēng)流場穩(wěn)定后，使用風(fēng)速測量計測得風(fēng)速，同時使用礦用粉塵采樣器測得粉塵濃度，同一測點(diǎn)多次測量取平均值。測量完畢后記錄數(shù)據(jù)，現(xiàn)場實測風(fēng)流速度和粉塵濃度與數(shù)值模擬對比見表1。

表1 現(xiàn)場實測風(fēng)流速度和粉塵濃度與數(shù)值模擬對比Table 1 Comparison of measured air flow velocity, dust concentration and numerical simulation on site

可以看出，誤差控制在13%以內(nèi)，證明了模擬的有效性。當(dāng)壓風(fēng)量為300 m3/min 時，作業(yè)區(qū)的高濃度粉塵較少，適合工人作業(yè)。

5 結(jié) 語

1）不同的通風(fēng)方式對巷道內(nèi)的風(fēng)流粉塵運(yùn)移有較大影響。壓入式通風(fēng)時，粉塵無法得到有效的控制，而混合式通風(fēng)的情況下，粉塵得到了較好的控制。

2）在混合式通風(fēng)的情況下，固定抽風(fēng)量為250 m3/min，改變壓風(fēng)量觀察粉塵運(yùn)移情況，結(jié)果顯示當(dāng)壓風(fēng)量為300 m3/min 時，高濃度粉塵距離巷道迎頭26.7 m，控塵效果最佳。

3）為了驗證模擬的準(zhǔn)確性，在現(xiàn)場進(jìn)行了風(fēng)速與粉塵濃度的測量，發(fā)現(xiàn)平均相對誤差控制在13%以內(nèi)，模擬結(jié)果真實有效，可以將模擬得到的結(jié)論作為粉塵運(yùn)移研究的參考。