潞安煤礦控制高濃度煤塵擴散的通風參數分析

李 丁

（山西潞安集團蒲縣伊田煤業有限公司，山西 臨汾 041204）

0 引 言

能源消費為社會進步和國民經濟發展做出了突出貢獻[1]，2021 年，對一次能源的需求增長了5.8%，比2019 年的需求增長了1.3%，3 種化石燃料（包括煤炭）占全球一次性能源消費量的82.28%，具體來說，煤炭能源占26.9%。煤炭儲量占已發現化石燃料儲量的90% 以上[2]。由于較高的能源需求和條件，煤炭在未來幾年仍將是重要的能源供應，隨著掘進機械化程度的逐步提高，煤塵的產生量也隨之增加，威脅到煤礦工人的生命安全[3-5]。

基于此種情況，通過FLUENT 進行數值模擬研究通風巷道開挖過程中氣流和粉塵的運移規律，采用正交試驗分析不同通風參數對高、低濃度粉塵擴散距離影響的重要程度。通過不同通風參數分析，確定了通風狀態下通風與除塵參數的最優組合，研究結果對巷道粉塵濃度高低的分析與處理具有一定的推動作用。

1 物理模型的構建與數學模型的選擇

1.1 物理模型的構建

可靠的數值模擬需要構建真實的比例物理模型，本研究以潞安煤礦掘進工作面為工程背景，實地考察后，利用SOLIDWORKS 軟件建立1∶1 比例的物理模型，模型主要由七部分組成：綜放巷道、掘進機、輸送機、壓縮風管排風管、濕式除塵風機。挖掘巷道用長方體表示，長80 m，寬5 m，高3.4 m，掘進機為EBZ-160 掘進機，長9.3 m，寬2.2 m，高1.7 m，此外，掘進機后部還連接一臺DZQ-80/30/11 型輸送機，輸送機后部連接一臺DTL80/20/22 帶式輸送機，壓縮空氣和排氣管距工作面分別為9 m 和2 m。

1.2 數學模型的選擇

1）氣流輸送數學模型的選擇.在通風系統中，氣流主要由圓孔射流、分離流、撞擊射流和旋流來描述，流體運動的計算主要采用歐拉法和拉格朗日法。由于Realizable 模型能夠較好地模擬旋流式均勻剪切流、自由流、空腔流和邊界層流，因此選擇Realizable 模型進行風的流相模擬[6]。

2）粉塵遷移的模型選擇.巷道施工中，主要在工作面煤壁切割過程中產生粉塵，在通風系統的作用下，粉塵呈離散狀態，因此，我們選擇離散相DPM 模型來描述粉塵顆粒的遷移。

1.3 網格劃分

仿真結果的準確性與網格劃分有關，因此，應事先進行網格獨立性試驗。本研究采用ICEM CFD 軟件對建立的物理模型進行有限網格劃分，生成低、中、高3 種不同的網格劃分方案，并將生成的3 種網格導入FLUENT 中進行風流模擬。隨后，利用CFD-POST 軟件選擇同一位置的監測點，分析不同網格劃分下的差異，經對比，較低的網格劃分水平導致的結果與中、高2 種方案有很大的不同，采用中高網格劃分水平時，數據相似，說明計算結果可靠?？紤]到仿真的效率，本研究選擇中等質量的網格。

對于中等質量的網格，物理模型共獲得3705513個網格單元，最小網目質量為0.172 539，最大網目質量為0.999 768，平均網目質量為0.731 712 451 15，由于網格無負值，且網格質量好，可用于數值模擬。

2 巷道氣流及粉塵輸運的數值模擬

2.1 氣流分布

為了研究巷道施工中粉塵顆粒的輸運規律，分析了巷道內氣流輸運軌跡，采用FLUENT 軟件模擬氣流運動，采用CFD-POST 軟件進行后處理。氣流運動用流線表示，氣流運動方向用箭頭表示，彩虹柱中最大氣流速度（5 m/s）和最小氣流速度（0 m/s）分別為紅色和藍色，圖1 為混合通風方式下巷道內整體及局部氣流運動情況。

圖1 氣流運動

1）新鮮空氣通過壓縮空氣管道注入工作面區域，由于壓縮空氣管道的強烈沖擊而向前流動，在撞擊工作面的同時，對工作面進行沖刷，然后向巷道后方移動，在濕式除塵風機的作用下，排風管將工作面附近的氣流抽走，形成向巷道后方移動的負壓氣流，工作面附近的氣流在排風管的作用下流經濕式除塵風機，最后在濕式除塵風機出口排出，濕式除塵風機出口產生的射流基本上是向巷道后部移動。

2）在壓縮風管、排風管、濕式除塵風機的共同作用下，巷道內形成一個相對復雜的氣流場，該場大致可分為0～15 m 范圍內形成的三角形氣流場、15～20 m 范圍內形成的過渡性氣流場、20～30 m 范圍內形成的渦旋氣流場、30～45 m 范圍內形成的不規則渦旋氣流場、45～80 m 范圍內形成的穩定氣流場。

3）當新鮮空氣從壓縮空氣管道中噴出時（高速射流以5 m/s 的速度噴出），它以錐形向前膨脹，射流在前進過程中，由于空氣阻力作用，射流速度不斷減小，當射流撞擊到工作面時，由于工作面阻擋了氣流，射流向側面移動，遠離壓縮空氣管道，射流撞擊工作面時，速度降至1.1 m/s，同時，在排氣管負壓夾帶效應的影響下，在0～15 m 距離處形成三角形氣流場。

4）氣流穿過三角形氣流場后繼續向巷道后部移動，三角形氣流場是在距離巷道15～20 m 范圍內由于橋式輸送機和濕式除塵風機的阻擋作用形成的過渡氣流場，流經三角形氣流場和過渡氣流場的氣流在距離巷道20～30 m 處受到濕式除塵風機出口的影響，從而形成渦旋氣流場。

5）氣流繼續通過渦旋氣流場向巷道后部移動，被帶式輸送機阻擋，從而在距離巷道30～45 m 范圍內形成不規則的渦流場，氣流主要受空氣阻力影響，45～80 m 距離受其他設備影響較，。在距離巷道45～80 m 處形成穩定氣流場，其方向基本垂直于巷道后部，速度穩定（約0.2～0.3 m/s）。

2.2 粉塵顆粒分布

為了模擬風洞內的風場，在模型中加入離散相粉塵顆粒進行耦合模擬。使用CFD-POST 軟件對FLUENT 數據進行分析。塵埃顆粒呈球形，顏色表示塵埃濃度。在彩虹柱中，最大粉塵濃度為400 mg/m3，最小粉塵濃度為0 mg/m3，分別為紅色和藍色。將粉塵濃度超過400 mg/m3的區域定義為“高粉塵濃度危險區”。圖2（a）為粉塵顆粒在巷道內的擴散隨時間變化情況。此外，圖2（b）給出了高、低濃度粉塵的擴散距離以及粉塵擴散距離隨時間的擬合曲線。

圖2 粉塵顆粒擴散模擬

1）粉塵在工作面產生后，首先與壓縮風道噴出的高速射流發生碰撞，形成含塵氣流，含塵氣體被工作面阻擋后，向巷道后部流動，在遷移過程中，由于排風管的負壓夾帶作用，部分含塵氣流被吸入排風管，進入濕式除塵風機，在濕式除塵風機內經過凈化過程后，從出風口排出一股相對清潔的氣流。

2）在T= 5 s 時，工作面產生粉塵后，主要受風管和掘進機的壓力和夾帶作用的影響，粉塵主要積聚在風管的側面，高濃度粉塵主要分布在距離工作面2 m 范圍內，低濃度粉塵主要分布在距離工作面6 m 范圍內，由于排風管的負壓夾帶作用，排風管附近的粉塵濃度相對較低，未進入濕式除塵風機的粉塵在氣流的影響下繼續擴散到巷道后部。

3）在T= 20 s 時，粉塵擴散至濕式除塵風機出口，之后，由于從濕式除塵風機出口來的凈化氣流，使氣流速度提高，因此，氣流可以攜帶更多的粉塵，粉塵擴散距離在20～40 s 之間顯著增加；在T=180 s時，高濃度粉塵的擴散距離沒有明顯增加。因此，它與工作面保持在40 m 的距離內；在T=250 s 時，低濃度粉塵的擴散距離沒有明顯增加，它與工作面保持在72 m 的距離內，在T=250 s 時，巷道內粉塵濃度基本穩定。

3 控制高濃度煤塵擴散的通風參數影響分析

3.1 通風參數影響因子選擇

首先，選擇了以下4 個因素：排風管的位置（A），壓縮空氣管道的位置（B），排風管的排氣量（C），壓縮空氣管道的壓縮空氣速率（D），4 種影響因素進行分析[7]。根據正交因子的水平和個數，選擇常用的L9（34）正交表，其中“3”表示水平數，“4”表示因子數，“9”表示需要進行9 次試驗。

3.2 數值模擬

數值模擬按照章節1.3 的網格劃分方案和章節3.1 的正交實驗方案進行，由于需要確定通風參數對巷道內粉塵控制能力的影響，因此選擇高、低濃度粉塵的擴散距離作為實驗指標。

根據9 組正交試驗的模擬氣流場和粉塵分布可知，通風參數對通風效果和粉塵控制有較大影響，必須確定哪些通風參數代表通風和防塵的最佳組合，此外，還需進一步研究各通風參數對粉塵控制的貢獻。因此，對正交試驗進行極差分析，通過極差分析，可以清楚地確定各因子的最優水平和各因子對實驗結果的貢獻。

對于實驗指標1（高濃度粉塵擴散距離），因子D 的變化對指數波動的影響最大，因子C 的變化對指數波動的影響最小，因子B 影響大于因子A，綜上所述，混合通風方式下各通風參數對高濃度粉塵通風控制效果的顯著性排序為：D＞B＞A＞C，即壓縮風量＞壓縮風管位置＞排風管位置＞排風量。

對于實驗指標2（高濃度粉塵擴散距離），因子D 的變化對指數波動的影響最大，因子B 的變化對指數波動的影響最小，因子C 影響大于因子A，綜上所述，混合通風方式下各通風參數對低濃度粉塵通風控制效果的顯著性順序為：D＞C＞A＞B，即壓縮空氣率＞排氣量＞排風管位置＞壓縮空氣風管位置。各因素對實驗指標的影響可以在因子指標圖中清楚地看到。橫坐標表示各因素的水平，縱坐標表示實驗指標的平均值，圖3 為2 個實驗指標的因子指標圖。

圖3 2 個實驗指標的因子指標圖

1）當排風道（即因子A）與工作面的距離從2 m增加到4 m 時，高、低濃度粉塵在巷道內的擴散距離均呈下降趨勢；當距離從4 m 增加到6 m 時，高、低濃度粉塵在巷道內的擴散距離均呈上升趨勢，因此，當排風管與工作面距離為4 m 時，通風控制效果較好。

2）當風道位置（即因子B）從5 m 增加到7 m時，高、低濃度粉塵在巷道內的擴散距離均呈上升趨勢；從7 m 增加到9 m 時，高濃度粉塵在巷道內的擴散距離呈上升趨勢，低濃度粉塵在巷道內的擴散距離呈下降趨勢。因此，當風管與工作面距離為5 m時，通風效果和粉塵控制效果較好。

3）當排風道排風量（即C 因子）由150～200 m3/min 增加時，高濃度粉塵的擴散距離呈下降趨勢，低濃度粉塵的擴散距離呈上升趨勢；在200～250 m3/min 范圍內，高、低濃度粉塵控制距離呈下降趨勢，這表明，當排風管的排風量為250 m3/min 時，通風效果和粉塵控制較好。

4）當壓縮空氣風管的壓縮空氣流速（即D 因子）由150～200 m3/min 和由200～250 m3/min 增加時，高、低濃度粉塵的擴散距離均呈現明顯的上升趨勢，因此，當壓縮風管的壓縮風量為150 m3/min 時，通風效果和粉塵控制較好。

結合正交試驗和多因素分析結果，確定有效通風降塵的最佳參數為：排風管與工作面之間的距離應為4 m，壓縮空氣風管與工作面之間的距離應為5 m，排風管的排氣量應為250 m3/min，壓縮空氣風管的壓縮空氣流量應為150 m3/min。

3.3 現場驗證

巷道施工采用原通風方案時，粉塵污染沒有得到有效控制，高濃度粉塵距離工作面26.7 m，低濃度粉塵距離工作面73.2 m。采用優化通風方案后，通風效果和粉塵控制均有明顯改善，高濃度粉塵停留在距工作面9.3 m 范圍內，低濃度粉塵停留在距工作面36.3 m 范圍內。結果表明，通過正交試驗和數值模擬得到的優化通風參數控制粉塵效果較好，可應用于實際巷道施工現場。

4 結 論

1）煤礦掘進巷道內的氣流場大致可分為三角形氣流場、渦旋氣流場、不規則渦流氣流場和穩定氣流場，煤塵在巷道中的運動主要受氣流的攜帶作用和濕式除塵風機的凈化效果影響，在不同位置控制高、低濃度粉塵量。

2）通風因素的變化對通風抑塵效果影響很大，根據多因素分析結果，混合通風方式下巷道施工過程中控制高濃度粉塵擴散的顯著性順序為：壓縮風量＞壓縮風管位置＞排風管位置＞排風量。通風參數對低濃度粉塵擴散控制的重要程度依次為：壓縮空氣率＞排風量＞排風管位置＞壓縮空氣風管位置。

3）根據多因素分析結果，煤炭能源開采過程中減少煤塵污染的最佳通風參數為：壓縮風管與工作面距離5 m，排風管與工作面距離4m，壓縮風管的壓縮風量為150 m3/min，排風管的排風量為250 m3/min。在優化通風參數組合的基礎上，高濃度粉塵擴散距離減小到9.3 m，低濃度粉塵擴散距離減小到36.3 m；除塵效率分別提高67.4%和50.4%。