平煤六礦綜掘面粉塵運移規律數值模擬及防治研究

陳建忠

（中國平煤神馬控股集團有限公司，河南 平頂山 467000）

1 引言

綜掘工作面作為礦井主要產塵點之一，粉塵污染問題十分突出[1-3]。高濃度粉塵場不僅嚴重威脅井下職工的身心健康，同時也會誘發粉塵爆炸事故，導致大量人員傷亡及經濟損失。此外，粉塵還會嚴重降低井下能見度，導致攝像頭、傳感器等高精度儀器無法正常工作，阻礙了智能化開采技術的發展[4-7]。平煤股份六礦戊10-22220 綜掘工作面不僅是高瓦斯煤層，同時煤體疏水性較大，干式除塵及常規水噴霧降塵并不適用該工作面。此外，該工作面水壓不穩定且風量較大，致使現有霧場無法有效覆蓋產塵區域。為提高戊10-22220 綜掘工作面粉塵防治效率，采用數值模擬的方法研究巷道風流及粉塵時空運移分布規律，根據模擬結果，合理布置噴霧裝置，達到更好的降塵效果。

2 數學模型

綜掘工作面實際生產過程中，巷道中含塵氣流中粉塵所占體積分數遠小于10%，因此選用歐拉-拉格朗日模型進行模擬計算[8]。

2.1 風流流動數學模型

掘進巷道風流可視為連續相流體，適用于歐拉法，其流動滿足連續性方程、動量方程和能量方程。將空氣視作不可壓縮氣體，連續性方程簡化[9]：

式中：u、v、w分別為連續相速度矢量沿x、y、z方向分量，m/s。

動量方程（N-S 方程）可表示：

其中：μt=ρ·Cμ·k2/ε

式中：ρ為連續相密度，kg/m3；t為時間，s；k為湍流動能，m2/s2；ε為湍動能耗散率，m3·s2；μ為層流黏性系數，Pa·s；μt為湍流黏性系數，Pa·s；Cμ為常數，Cμ=0.09。

2.2 粉塵流動數學模型

將粉塵顆粒視為離散相隨風流流動，適用于拉格朗日法，主要受到重力、浮力和阻力等力的作用，連續相與離散相相互作用，粉塵顆粒的控制方程[10]：

式中：FD為顆粒單位質量阻力，N；μp為離散相流速，m/s；ρp為粉塵密度，kg/m3；Re為雷諾數，無因次量；dp為顆粒直徑，m；CD為阻力系數，無因次量；α1、α2和α3為常數。

3 高瓦斯綜掘面風流及粉塵運移規律

3.1 物理模型與網格劃分

戊10-22220 綜掘工作面巷道設計長度1900 m，斷面呈梯形，內幫高度3 m，外幫高度3.8 m，寬5.2 m，工作面需風量534 m3/min。為便于模擬，簡化了掘進巷道，取距離迎頭50 m 巷道長度作為研究對象，采用Solidworks 建模軟件建立全尺寸物理模型，再利用ICEM 軟件對模型進行網格劃分，設置最大網格尺寸0.4 m，最小尺寸為1.55×10-5m，對物理模型不同部位單獨進行尺寸加密調整，從而得到非結構化網格，最小網格質量超過0.3，滿足計算需求。物理模型及網格劃分結果如圖1 所示。

圖1 物理模型與網格劃分

3.2 數值模擬計算參數設置

經過現場取樣，采用激光粒度分析儀進行粒度測試，得到粉塵顆粒的最大、最小、中位粒徑并計算出粉塵分散度系數，根據現場粉塵濃度測量結果，計算出離散相噴射源的質量流率[11]。具體模擬參數設置見表1。

表1 邊界條件及粉塵顆粒主要參數設置

3.3 模型驗證

為驗證Fluent 模擬結果的準確性與可靠性，對掘進工作面現場進行了風速實測，并對實測結果與模擬結果進行比較。在迎頭后方5 m 處（進風側與回風側行人通道1.8 m 和0.5 m 高度）、掘進機后方15 m 處（回風側與巷道中部1.8 m 和0.5 m 高度）布置測點，采用CFD25 煤礦用電子式風速表在每個測點測量3 次并將測量結果取平均值。為使模擬風流趨于穩定，計算100 s 后再提取風速數據，與實際測量進行比較，結果如圖2 所示。

圖2 風速模擬值與實測值對比

由圖2 可知，模擬風速與實測風速數值差距較小，相對誤差最大為17.85 %，小于20 %，平均誤差為8.51 %，且模擬風速與實測風速具有相似的分布規律，故認為模型計算結果較為準確。

3.4 數值模擬結果分析

1）掘進巷道流場分析

由圖3 可知，巷道風流整體呈現螺旋式向巷道后方運移，由掘進機回風側向上運移至頂板附近，在巷道中部風流流線集中至外幫側，這使得巷道距離迎頭約25 m 位置處風速相對較大，此后風流流線又在巷道后方逐漸擴散并逐漸趨于平行，這表明巷道后段風速逐漸降低且趨于均勻穩定。同時，風筒出風口前端射流區風速基本維持較大入射速度不變，射流受迎頭壁面影響向四周橫向偏移，其中少部分風流運移至外幫頂板角落形成高速渦流區，風速在2.5 m/s 以上，大部分風流沿迎頭壁面經截割處到達回風側，這會將截割處產生的大量粉塵攜帶至回風側區域。

圖3 三維空間風速-流線分布圖

此外，從圖3 可以看出，掘進機搖臂外幫側風流紊亂，在高度1.75 m 左右處存在渦流區，流線稀疏，風速在1 m/s 左右。而回風側是迎頭風流向巷道后方流動的主要通道，此處風速可達3 m/s 以上，這股風流受到巷道壁面的限制沿壁面向頂板流動，使掘進機上方高度約3 m 處風流流速較大，而高度2 m 處由于搖臂的阻礙風速相對較小。掘進機后方區域風流受到機身的阻擋，風速較小，風流在距迎頭25 m 處風流流線主要集中至風筒附近，距離大于25 m 的巷道空間中風流流線擴散至巷道外幫和底板附近。巷道整體風速差別不大，風速分布均勻，維持在1 m/s 以下。風速降低不利于懸浮在空中的粉塵擴散和及時排出，增加粉塵在巷道中的停留時間，從而污染巷道環境。

2）粉塵濃度分布分析

據現場截割作業時長，待風流穩定后加入粉塵顆粒，計算100 s后，在模型高度方向上設置0.5 m（底板附近）、1.75 m（呼吸帶高度附近）、2 m（掘進機司機高度）、3 m（頂板附近）4 個不同截面，距離方向上設置距迎頭1 m（迎頭附近）、5 m（掘進機搖臂處）、8 m（掘進機司機處）、15 m、25 m、35 m 等6 個不同截面，在不同截面上繪制離散相顆粒濃度云圖，得到各截面粉塵質量濃度分布情況，如圖4 所示。

圖4 不同位置粉塵濃度分布圖

如圖4（a）所示，綜掘面截割迎頭粉塵分布較為紊亂，且截割頭附近粉塵濃度較高；截割處產生的大量粉塵隨著風流運動，運移到巷道頂板和內幫回風側，平均濃度超過3000 mg/m3，這與風流流場分析結果一致。

結合圖4（b）分析可知，在距離迎頭壁面z=5 m 的截面上，由于風流攜帶大量粉塵運移至回風側與頂板附近，使得回風側和頂板附近粉塵濃度增大，達到1500 mg/m3以上，而在距離z=8 m 處掘進機外幫側粉塵濃度亦較大，結合前文風流流場分析可知此處存在低速渦流區，隨風流運移至此的粉塵在此停留聚集。

通過圖4（a）中y=2 m、y=3 m 和圖4（b）中z=5 m、z=8 m 位置粉塵濃度分布圖可知：在掘進機上方2 m 高度處粉塵濃度達到1000 mg/m3以上，這是由于大量粉塵隨風流運移至掘進機上方3 m 處的頂板附近，而2 m 高度處風速較低，部分粉塵憑借自身重力發生沉降，這使得該處下方掘進司機位置粉塵濃度增大，影響司機正常作業。

此外，結合圖3 分析可知，掘進機后方粉塵分布與風流分布密切相關。在距迎頭z=15 m 斷面處粉塵隨風流沿巷道壁面運移，高粉塵濃度主要集中在巷道頂板和外幫側附近；而在z=25 m 處風流流速減小，粉塵隨風流聚集在風筒附近并發生沉降，巷道后端風速較低，粉塵主要沉降在巷道底板附近，巷道中部濃度降低至500 mg/m3以下，大量小粒徑粉塵仍然懸浮于巷道中上部無法快速排出。

4 平煤六礦綜掘面粉塵防治措施及應用

4.1 平煤六礦戊10-22220 綜掘面概況

通過對戊10-22220 機巷掘進工作面現場調研發現，該掘進面在掘進過程中其粉塵產生源主要包括3 個：掘進機切割破碎煤體、扒裝機扒裝及煤體轉載運輸過程產塵。此外，由于平煤六礦戊10-22220機巷掘進工作面為瓦斯煤層，因此為了降低瓦斯含量，其局部風機供風量較大，易形成紊亂風流，卷吸部分掘進頭粉塵，使得掘進機在工作過程中截割頭粉塵濃度高達3000 mg/m3以上，導致井下職工工作環境十分惡劣。目前，該綜掘工作面主要采用水噴霧降塵技術，由于綜掘面水壓不穩定，導致噴霧射程及覆蓋范圍較小，無法有效覆蓋塵源點，導致現有噴霧降塵效果不佳，無法滿足相關要求。

為此，基于風流及粉塵運移分布規律數值模擬結果，為了實現對綜掘面截割迎頭這一主要塵源點的高效防治，該文基于所研發的新型氣水噴霧裝置及水幕簾形成相應的噴霧場及水幕對截割粉塵及逸散粉塵進行高效捕捉。

4.2 平煤六礦綜掘面粉塵防治方法

1）新型氣水噴霧裝置霧化封閉截割塵源

通過數值模擬分析，迎頭截割處塵源應當重點關注，而現有掘進機外噴霧采用靜壓水管路供水，供水壓力不足，現有外噴霧難以形成高射程霧場，無法有效對塵源點包裹，導致大量粉塵無法得到有效沉降而發生逸散。為此，該文采取在掘進機搖臂上方及兩側安裝所研發的新型氣水噴霧裝置，基于氣水兩相流霧化原理，以壓力水和壓縮空氣作為動力，在低水壓條件下取得良好的霧化效果。經現場應用表明：該裝置通過形成具有霧化性能好、射程遠的噴霧場，能對截割頭形成良好霧化封閉噴霧場，從源頭減少粉塵產生并實現粉塵的高效捕捉。

2）水幕簾

針對巷道后方長期懸浮于空氣中的粉塵無法有效沉降的問題，采取在掘進機后方安裝水幕簾的方式將氣流中的浮塵阻隔沉降。在距離迎頭20 m 處設置一道水幕簾，通過優化噴嘴噴射方向，實現水霧在水幕簾上形成致密的水膜，粉塵穿過水幕簾時，水膜能對粉塵實現高效捕捉。為了便于人員進出及物體運輸，捕塵網一側設有小門便于人員設備通過。

4.3 應用效果分析

為測試粉塵防治措施的應用效果，在戊10-22220 工作面設置了3 個粉塵采樣點：測點1 位于掘進機司機處，測點2 位于掘進機下風側15 m，測點3 位于掘進機下風側30 m。通過對3 個采樣點在相同生產條件下分別進行采樣，得出相應測點的粉塵濃度，計算得到相應的降塵效率，如圖5 所示。

圖5 不同測點降塵效率

應用結果表明：采用所構建新型降塵噴霧場，平煤股份六礦戊10-22220 機巷綜掘工作面工作環境得到了大幅改善，顯著降低了粉塵濃度，主要人員作業區域的平均總塵降塵效率86.44%，平均呼塵降塵效率82.88%，有力保障了井下職工的身心健康。

5 結論

1）掘進面迎頭風流擾動性較大，產塵量大，導致掘進機截割作業時產生的大量粉塵隨風流向回風側和頂板附近擴散運移，使迎頭附近粉塵平均濃度超過3000 mg/m3。因此，從掘進面產塵源頭減少粉塵產量及控制粉塵逸散對礦井粉塵高效防治具有重要意義。

2）針對戊10-22220 綜掘工作面存在的粉塵問題，采用所研發的新型氣水噴霧裝置對截割粉塵實現霧場封閉覆蓋，以減少粉塵產生及降低粉塵濃度，同時結合水幕簾對截割逸散粉塵進行二次降塵，綜掘面粉塵得到了有效防治，總粉塵降塵效率超過85%，呼吸塵降塵效率超過82%，顯著改善了井下工作環境。