綜采工作面風流?煤塵逸散規律及防控技術研究

摘要：綜采工作面采煤機在截割煤體時會產生明顯的湍流風，使得采煤區風速發生變化，誘導煤塵顆粒向人行道區域橫向擴散。為探究截割湍流風對截割煤塵橫向擴散規律的影響，采用多重參考系（MRF）模型對滾筒旋轉割煤進行仿真，對不同割煤狀態下綜采工作面風流?煤塵耦合運移規律進行數值模擬，得到工作面風流分布與煤塵濃度分布的關系。為降低截割湍流風對煤塵橫向擴散的影響，提出一種采煤機塵源跟蹤噴霧降塵系統，通過安裝在支架頂梁或前探梁上的噴霧裝置在采煤機滾筒與人行道間形成霧幕，削弱截割湍流風的擾動作用，阻隔煤塵顆粒橫向擴散，實現對滾筒截割塵源的動態跟蹤。仿真結果表明，不同割煤狀態下滾筒轉動產生的截割湍流風使風流向人行道區域發生偏移，當滾筒轉速為29.29 r/min、系統風速為1.40 m/s 時，其橫向偏移分速度可超過0.54 m/s，并使煤塵顆粒向人行道區域擴散，出現濃度超過300 mg/m3 的煤塵團，尤其是順風割煤時煤塵橫向擴散更為明顯，人行道處煤塵濃度達385.12 mg/m3。現場測試結果表明，采煤機塵源跟蹤噴霧降塵技術的降塵率達83.68%，且單個噴灑點的待機能耗低于10 W。

關鍵詞：綜采工作面；煤塵治理；多重參考系模型；截割湍流風；截割煤塵橫向擴散規律；塵源跟蹤；噴霧降塵；MRF

中圖分類號：TD714.4 文獻標志碼：A

0 引言

我國是煤炭生產和消費的主要國家之一，隨著煤炭開采自動化和智能化技術的不斷進步，開采強度相應增加，導致產塵量顯著上升[1-3]。在當前開采環境下，綜采工作面的總粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度分別可達4 000 mg/m3 和1 100 mg/m3[4]。綜采工作面煤塵團濃度過高一方面污染環境，危害一線作業人員健康；另一方面，由于其具有爆炸性，對煤礦安全生產造成了嚴重影響。因此，需對綜采工作面煤塵污染進行治理，其首要任務是準確掌握煤塵的運移擴散規律。

采煤機截割過程中產生的煤塵是主要產塵源，學者們對截割煤塵擴散規律進行了大量研究。陳芳[5]指出由于采煤設備的阻擋，采煤區風流發生明顯變化，風速呈現“M”形變化趨勢。張辛亥等[6]研究了大采高綜采工作面在多塵源情況下呼吸帶范圍粉塵濃度分布，得出采煤機下風側附近產生3 m/s 的湍流，致使人行道區域粉塵濃度迅速升高。趙衛強等[7]分析了綜采工作面截割粉塵運動規律，指出采煤機滾筒后方10 m 范圍內是主要的防塵區域。在不同割煤狀態下的粉塵運移規律表現出一定差異性。姚錫文等[8]對比了不同通風條件下風流?粉塵耦合擴散規律，得到不同割煤狀態下的降塵機理與大傾角綜采工作面最優排塵風速。劉晴等[9]研究了采煤機截割粉塵和工作面沿程粉塵的分布情況，指出順風割煤時，風流擾動使粉塵迅速向作業空間擴散，而逆風割煤時，滾筒牽連產塵對工作面粉塵污染起主導作用。

滾筒截割煤體時產生的湍流風使采煤區風流發生橫向偏移， 誘使煤塵顆粒向人行道區域擴散[10-11]。周剛等[12]研究了大采高綜采工作面風流?呼塵耦合運移規律，明晰了風流對呼塵分布的影響。王存飛[13]與左冬元[14]指出大尺寸采煤機滾筒截割煤體時會產生較為強勁的湍流風，風流的橫向偏移更顯著。孫彪等[15]指出截割湍流風對煤塵的誘導作用是由于采煤機滾筒葉片運轉時在采煤機滾筒附近產生一定強度的渦流擾動。綜采工作面采煤機截割煤體時會產生明顯的湍流風，使得采煤區風速發生變化，誘導煤塵顆粒向人行道區域橫向擴散。然而對截割湍流風的描述多采用平均值法，即在滾筒附近取多個測點，取平均測量值作為截割湍流風的風速。由于滾筒旋轉截割煤體所產生的湍流風是紊亂的，平均值法不能準確反映截割湍流風的方向性。

多重參考系（Multiple Reference Frame， MRF）模型支持在同一流體域中定義多個參考系，每個參考系可以獨立設置旋轉速度和方向，適應復雜的多旋轉部件場景，如綜采工作面采煤機截割煤體運動。同時作為穩態方法，MRF 模型避免了瞬態模擬中可能出現的數值振蕩問題，提高了模擬的穩定性。為明晰不同割煤狀態下滾筒截割煤體產生的截割湍流風對煤塵橫向逸散的影響，本文采用MRF 模型描述滾筒旋轉截割煤體狀態，以期更加貼近現場實際情況，探究不同采煤狀態下截割湍流風對采煤區風流?煤塵擴散運移的影響作用，并提出采煤機塵源跟蹤噴霧降塵技術，為綜采工作面截割煤塵防治工作提供借鑒。

1 基于MRF 的綜采工作面風流?煤塵逸散模型

根據是否存在旋轉或移動，將流場分為旋轉域和靜止域，再將不同的旋轉和平移速度分配到各個區域，在區域交界面上通過將速度換算成絕對速度的形式進行流場信息交換[16]。

綜采工作面采煤機截割煤體時，旋轉的滾筒在割煤的同時產生一定強度的湍流風，對滾筒附近的風流場產生擾動影響。為進一步明晰截割湍流風對綜采工作面風流?煤塵逸散規律的影響， 采用MRF 對采煤機滾筒旋轉進行仿真分析。設置采煤機滾筒為旋轉域，綜采工作面其余區域為靜止域。與常規流動問題不同，因旋轉域涉及流體旋轉流動，MRF 模型中靜止域與旋轉域分別對應不同的連續性方程與動量方程。