壓入式掘進巷道風流粉塵運移規(guī)律及最佳壓風量研究

高 海,程傳興

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122;2.山東科技大學 安全與環(huán)境工程學院,山東 青島 266590)

煤炭作為世界三大能源之首,為國民經濟發(fā)展做出了突出貢獻[1]。近年來,我國鼓勵新能源發(fā)展,但煤炭仍是我國能源消費的重要組成部分[2-3]。然而,隨著機械化水平不斷提高,煤巷掘進速度得到提升,同時產生的粉塵量也大大增加[4]。其中,粉塵中含有的大量SiO2是導致塵肺病的重要原因之一。塵肺病是我國目前最嚴重的職業(yè)病,2020年全國共報告各類職業(yè)病新病例中職業(yè)性塵肺病14 367例,占84.2%。因此改善綜掘工作面作業(yè)環(huán)境、保障作業(yè)工人職業(yè)衛(wèi)生健康尤為重要。

20世紀初,美國、日本等國外學者對粉塵在巷道中的運動進行了相關研究,并得出了與粉塵運移相關的數(shù)學模型[5],從此揭開了對粉塵運移研究的新篇章。MORENO等[6]研究發(fā)現(xiàn)巷道通風可以有效降低可吸入粉塵的質量和濃度。HAMDANI等[7]驗證了粉塵沉積和表面粗糙度的關系,進一步驗證了粉塵的沉積規(guī)律。WITT等[8]利用計算機流體動力學(CFD)模型預測了傳輸裝置附近揚塵的運動軌跡。TORANO等[9]根據(jù)現(xiàn)場測量結果驗證了基于CFD的作業(yè)過程中粉塵擴散行為模擬的可靠性,并發(fā)現(xiàn)改變風筒與底板和工作面之間的距離會極大地影響粉塵控制性能。COLINET等[10]詳細介紹了粉塵控制領域的研究成果,匯總了各種粉塵控制的方法,為礦井粉塵防治工作提供了有力幫助。

除此之外,國內學者也對掘進工作面風流及粉塵的運動進行了詳細研究。陳榮策等[11]在現(xiàn)場實驗的基礎上,研究了沒有局部通風的條件下,掘進鑿巖時粉塵的產生及分布規(guī)律。李雨成等[12]分析了掘進工作面采用壓入式、抽出式及長壓短抽式3種通風方式下,風筒距工作面不同距離時的粉塵分布特征。蔣仲安等[13]研究了掘進工作面采取長壓短抽通風方式下,風筒高度與直徑對渦流的作用,并對長壓短抽通風系統(tǒng)參數(shù)進行了優(yōu)化。秦躍平等[14]利用FLUENT模擬軟件研究了“長壓短抽”通風方式下,掘進巷道內粉塵的運移和分布規(guī)律,提出了“壓風分流”通風方式,并對其降塵效果進行了模擬。程衛(wèi)民等[15]利用FLUENT軟件對綜掘工作面旋流氣幕抽吸控塵進行了數(shù)值模擬,并設計了由附壁風筒和抽塵凈化裝置構成的綜掘工作面旋流氣幕抽吸控塵系統(tǒng)。

國內外學者都對巷道內粉塵運移規(guī)律進行了詳細的研究,但現(xiàn)有研究對單壓入式通風條件下掘進巷道風流-粉塵運移規(guī)律及最佳通風控塵風量的研究并不充分。基于此,本文對壓入式掘進巷道風流及粉塵的運移規(guī)律及最佳控塵風量進行了研究,進而客觀地預測了通風除塵的效果,為解決巷道粉塵嚴重污染問題提供理論支持。

1 工作面概況

3206回風順槽工作面地質條件簡單,褶曲寬緩,煤層賦存平穩(wěn),約在1 400 m處有一處地質構造,其他隱伏地質構造需在掘進過程中進一步探明。3#煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組下部,所采煤層平均埋藏深度約為500 m;煤層平均厚度為5.76 m,黑色,亮煤為主,煤層穩(wěn)定,全區(qū)可采,煤層傾角為2°～10°,平均為6°;煤層單軸抗壓強度平均為18.09 MPa。絕對瓦斯涌出量為2.45 m3/min,平均二氧化碳絕對涌出量為0.20 m3/min,煤層無自然發(fā)火傾向,無地溫異常區(qū)。該工作面水文地質條件較簡單,涌水來源主要為3#煤層上覆砂巖、粉砂巖等裂隙水。巷道設計長度2 134.68 m,斷面寬為5.00 m,高為3.40 m。3206回順掘進期間采用前探梁臨時支護或錨桿鉆車臨時支護。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor of coal seam

2 數(shù)學模型的選取

2.1 風流相數(shù)學模型的選取

掘進工作面壓入式通風屬于有限空間受限附壁射流,選用Realizableκ-ε模型能較好地處理模擬中的流動,模型求解的κ和ε方程如下:

(1)

式中:ρ為流體密度,kg/m3;κ為湍動能,m2/s3;t為時間,s;ui為瞬間速度,m/s;xi、xj為張量坐標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;σκ為κ方程的紊流普特朗數(shù),默認值為1.0;Gκ為平均速度梯度引起的湍動能產生;Gb為浮力影響引起的湍動能產生;ε為紊流耗散率,m2/s3。

(2)

式中:σε為湍動耗散率對應的普朗特數(shù),取1.2;C1ε、C2ε、C3ε為經驗常數(shù),FLUENT中默認值為C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09。

(3)

式中:C1為常數(shù);η為氣體動力黏度,Pa·s;S為顆粒實際表面積,m2。

2.2 粉塵相數(shù)學模型的選取

根據(jù)“作用在塵埃顆粒上的力是平衡的”原理,拉格朗日坐標系中的運動方程可導出下式:

(4)

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。

流體對粉塵的拖曳阻力計算公式為:

(5)

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

相對雷諾數(shù)Re表達式為:

(6)

曳力系數(shù)CD的表達式為:

(7)

式中:α1,α2,α3為常數(shù)。

3 物理模型的建立與網格劃分

3.1 物理模型的建立

通過對王坡煤礦掘進工作面進行實地調查,并結合該礦實際布置情況,利用Solidworks軟件建立了1∶1仿真物理模型。物理模型主要由掘進工作面、壓風筒、掘進機、轉載機、輸送機5部分組成。掘進機為EBZ160型掘進機,轉載機為DZQ-80/30/11橋式轉載機,輸送機為DTL80/20/22帶式輸送機。其中綜掘巷道為長80 m、寬5 m、高3.4 m的長方體,掘進機長寬高分別為9.3 m、2.9 m、1.68 m,風筒為直徑1 m的圓柱體。掘進工作面物理模型如圖1所示。

圖1 掘進工作面物理模型Fig.1 Physical model of excavation working face

3.2 網格劃分及獨立性測試

在數(shù)值模擬過程中,網格獨立性對模擬結果的準確性非常重要,在進行數(shù)值模擬之前應先進行網格獨立性測試[16-17]。利用ICEM CFD生成了3種不同質量的非結構網格,分別命名為網格I、II、III。利用FLUENT軟件分別對3種不同質量的網格進行了風流模擬,結果如圖2(a)所示。網格II和網格III產生了幾乎相同的模擬結果,當使用網格I時獲得的數(shù)據(jù)差異較大。考慮模擬結果、模型形成程度和美觀程度后選擇了網格III進行后續(xù)研究。進行網格劃分后的物理模型如圖2(b)所示。劃分后的網格總數(shù)為1 638 017,最大網格質量為0.999 75,最小網格質量為0.292 237,平均網格質量為0.745。其中,99.99%的網格質量在0.4以上,網格沒有負值,網格質量良好,符合模擬計算精度和收斂速度的條件。網格質量分布如圖3所示。氣流和粉塵的計算可以分別看作是穩(wěn)態(tài)解和非穩(wěn)態(tài)解,具體參數(shù)設置如表2所示。

圖2 網格劃分及獨立性測試Fig.2 Grid division and independence test

圖3 網格質量分布Fig.3 Grid mass distribution

表2 數(shù)值模擬的參數(shù)設置Table 2 Parameters of numerical simulation

4 綜掘工作面壓入式通風模擬結果及分析

4.1 風流流場數(shù)值模擬

運用FLUENT數(shù)值模擬軟件對掘進工作面的風流流場運移情況進行模擬,并運用CFD-POST軟件對模擬結果進行后處理,風流流場數(shù)值模擬結果如圖4所示。由圖4可知:

1)風流以27.6 m/s的速度從壓風口排出,在射流卷吸作用下沿著巷道壁面向前運移,在與工作面相距0～5 m處形成附壁射流。射流在前進過程中不斷卷吸周邊空氣,使向工作面運移的射流區(qū)域范圍呈錐形不斷擴大。其中,風筒出口處的風流不受空間限制呈自由射流狀態(tài),靠近壁面?zhèn)鹊娘L流受到壁面阻擋沿壁面向前運移,遠離壁面?zhèn)鹊娘L流卷吸周圍空氣不斷向外擴散。

2)由于射流卷吸作用及受空氣阻力的影響,風流從壓風口向工作面運移過程中速度不斷減小,在到達工作面時速度衰減為13.6 m/s,該速度滿足工作面除塵所需風速要求。

3)當射流到達迎頭時撞擊工作面,因受工作面的阻擋導致風流方向發(fā)生改變,改變后的風流方向大致分為3部分:一部分流向下部底板,一部分流向工作面頂板,絕大部分風流在巷道風筒側流向巷道出口方向,進而在巷道遠離風筒側產生回流區(qū)域。

4)由于綜掘巷道空間有限,在射流卷吸作用和回流區(qū)的共同作用下,風流流場在距工作面0～5 m、10～16 m及18～24 m處形成了3處閉合狀渦流區(qū):第一處特征明顯的渦流區(qū)出現(xiàn)在掘進機截割頭附近,由于掘進機體積龐大,回流區(qū)風流在移動過程中受到掘進機機身的阻擋作用,使得巷道1.7 m以下的風流流場遭到破環(huán),從而造成截割頭與工作面之間風流場紊亂,且形成了較為明顯的渦流區(qū);第二處渦流區(qū)出現(xiàn)在距工作面10～16 m的掘進機尾部處;因受轉載機及運輸機的影響,在距工作面18～24 m處,即轉載機和運輸機之間形成了第三處范圍較大且形狀不規(guī)則的渦流區(qū)。

5)在距工作面40 m后,風流己基本脫離前方壓風射流場及渦形風流場的影響,風流跡線逐漸平滑且保持穩(wěn)定,形成風速較小(1.27 m/s左右)、風流跡線垂直于巷道出口的平穩(wěn)流。

圖4 風流流場分布Fig.4 Air flow field distribution

4.2 粉塵運移數(shù)值模擬及時空演化規(guī)律

對壓入式通風條件下巷道的粉塵運移情況進行了模擬,并對模擬結果進行后處理。圖5為不同時刻下粉塵的擴散情況。由圖5可知:

1)單壓入式通風條件下掘進巷道的風流流場可分為射流區(qū)、回流區(qū)、渦流區(qū)3個區(qū)域,而巷道內粉塵質量濃度分布和風流流場分布一致。高速射流從壓風筒流出后迅速將工作面產生的粉塵沖散,粉塵在風流的作用下開始向巷道出口方向擴散。

2)工作面附近風流流場復雜,存在一處風速較小的渦流區(qū)域。顆粒較大的粉塵在渦流及自身重力的作用下發(fā)生沉降,造成掘進機前方粉塵積聚。當t=4 s時,部分粉塵已逐漸擴散到掘進機尾部的渦流區(qū)域,并開始運移至轉載機與運輸機附近的渦流區(qū)。由于渦流區(qū)域攜帶能力差,導致顆粒較大的粉塵在渦流區(qū)沉降,造成該區(qū)域粉塵質量濃度較高,達到613 mg/m3左右。

3)在t=8 s時,粉塵開始脫離渦流區(qū)域,進入40～80 m的平穩(wěn)風場,并向風場較穩(wěn)定的區(qū)域擴散,此時粉塵的運動軌跡相對平緩,質量濃度超過350 mg/m3的較高濃度粉塵主要集中在遠離風筒的一側及掘進機運輸機之間的渦流區(qū)域。在t=48 s時,粉塵在風流的作用下初次到達巷道出口,且在t=145 s時粉塵質量濃度在巷道中達到穩(wěn)定狀態(tài)。

從整體上看,隨著距地板距離的增加,粉塵質量濃度變小,這是由于大顆粒粉塵受重力和阻力等因素的影響在逐漸沉積。巷道壓風筒一側粉塵質量濃度較低,質量濃度超過350 mg/m3的高濃度粉塵主要集中在巷道遠離風筒的一側,說明粉塵在運移過程中主要受風流的影響。

4.3 不同壓風量下粉塵運移規(guī)律

為了研究不同壓風量對通風控塵的影響,從而尋找通風控塵的最佳通風量,選取了1 300 m3/min、1 350 m3/min、1 400 m3/min、1 450 m3/min、1 500 m3/min共計5組壓風量進行模擬,觀察巷道內粉塵運移情況。5種不同通風量下巷道內的粉塵情況,如圖6所示。

圖5 不同時刻下粉塵運移情況Fig.5 Dust transportation at different times

圖6 不同壓風量下巷道內粉塵濃度分布Fig.6 Dust concentration distribution in roadway under different pressure air volume

采用原始方案時,即壓風量為1 300 m3/min時,整個巷道內充滿了高質量濃度粉塵,給掘進巷道清潔生產工作造成了阻礙。在壓風量從1 300 m3/min提升到1 400 m3/min的過程中,巷道內整體粉塵質量濃度明顯降低,這是由于隨著風量的增加,巷道內風速增大,從而粉塵攜帶能力增大,粉塵在風流的卷吸作用下攜帶到巷道后方,此時巷道內空氣流通較好。但壓風量繼續(xù)增加時,即壓風量從1 400 m3/min增加到1 500 m3/min過程中,巷道內粉塵質量濃度明顯增高。這是由于壓風量不斷增加,導致巷道內風速過大,造成巷道二次揚塵,所以巷道內粉塵質量濃度明顯增高。當壓風量為1 400 m3/min時通風控塵效果相對較好,巷道內粉塵質量濃度較低。所以選取壓風量1 400 m3/min為最佳控塵風量。

5 現(xiàn)場實測結果及分析

為了驗證模擬結果的準確性和科學性,根據(jù)實際情況,在王坡煤礦3206工作面現(xiàn)場選取測試點,測試點設置(X、Y、Z)坐標,Y值為測量距巷道地板的垂直距離,Y值選取呼吸區(qū)高度,即Y=1.55 m;Z值為測量點距風筒側巷道壁面水平距離,Z值選取兩個距離,分別為1.5 m和4.5 m,測量點坐標可表示為#A(X,1.55,1.50)、#B(X,1.55,4.50);X為測量點距工作面的水平距離,X值分別取5 m、10 m、30 m、50 m、70 m。選取最佳壓風量1 400 m3/min進行現(xiàn)場測量,待巷道風流場穩(wěn)定后,對各個測點的風流大小及粉塵質量濃度進行了實測,并與數(shù)值分析的結果進行比較,計算出兩者的誤差范圍。測試點分布如圖7所示,各測點風速、粉塵質量濃度實測值與模擬值對比如表3和表4所示。由表中數(shù)據(jù)可知,各測點風速及粉塵質量濃度實測值與模擬值的相對誤差控制在10%以內,證明了模擬的有效性。

表3 #A(X,1.55,1.5)各測點風速及粉塵質量濃度實測值與模擬值對比Table 3 Comparison of measured and simulated values of wind velocity and dust concentration at measuring points in section A (X, 1.55, 1.5)

表4 #B(X,1.55,4.5)各測點風速及粉塵質量濃度實測值與模擬值對比Table 4 Comparison of the measured and simulated values of wind velocity and dust concentration at measuring points in section B (X, 1.55, 1.5)

6 結論

1)壓入式通風條件下巷道內風流流場主要分為射流區(qū)、渦流區(qū)、回流區(qū)3個區(qū)域。射流區(qū)風速最高且風速降低較快;巷道內存在3處特征比較明顯的渦流,分別位于工作面附近、掘進機后方、轉載機與運輸機連接處,風流流場在經過渦流區(qū)域后速度呈大幅度衰減趨勢;回流區(qū)風速較為穩(wěn)定,速度衰減較慢,最后風流以1.26 m/s的速度流出巷道。

2)壓入式通風條件下巷道內質量濃度超過350 mg/m3的粉塵主要積聚在掘進機與工作面之間以及渦流區(qū)域及巷道內遠離風筒的一側,與風流流場射流區(qū)、渦流區(qū)、回流區(qū)3個區(qū)域發(fā)生位置保持一致,說明了粉塵運動主要受風流的影響。

3)提高風筒壓風量在一定程度上可以提高通風控塵的效果,但壓風量過大會造成巷道內二次揚塵。研究發(fā)現(xiàn)當壓風量為1 400 m3/min時通風控塵效果最佳。