大采高綜采工作面移架落塵的數值模擬研究

摘 要：【目的】研究大采高綜采工作面移架落塵粒徑分布規律，為移架落塵的粉塵治理提供理論指導和幫助。【方法】運用數值模擬的方法對風流場作用下的移架落塵進行研究，采用SpaceClaim構建工作面幾何模型，利用Fluent對不同風速下的移架落塵進行數值模擬，并將得出的移架落塵的粒徑分布與相似試驗結果進行對比?！窘Y果】在同一風速下，隨著離塵源點距離的增加，粉塵的平均粒徑逐漸減小。風速越大，在同一測點測得的粉塵平均粒徑越大。將數值模擬與相似試驗的結果進行對比得出，兩者誤差隨離塵源點距離的增加而增加。粒徑范圍在165～180 μm的粉塵沉降位置在離塵源點4～10 m處；粒徑范圍在154～165 μm的粉塵沉降位置在離塵源點10～16 m處；粒徑范圍為118～154 μm的粉塵沉降位置在離塵源點16～22 m處；粒徑范圍在88～118 μm的粉塵沉降位置在離塵源點22～28 m處；粒徑范圍為77～88 μm的粉塵沉降位置在離塵源點28～34 m處。【結論】通過研究結果分析得出，不同粒徑大小的粉塵受風速及重力影響的沉降位置，為以后工作面移架落塵的分區治理提供理論指導。

關鍵詞：綜采工作面；移架落塵；數值模擬；粒徑分布

中圖分類號：TD714.4" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）03-0035-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.03.007

Numerical Simulation Study on Dustfall During Hydraulic Support Movement in a Fully-Mechanized Mining Face with a Large Mining Height

XING Fei1 TU Qingyi2

（1.School of Safety Science and Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China; 2.National Engineering Research Center for Coal Gas Contral， Huainan 232000， China）

Abstract： [Purposes] The study aims to investigate the particle size distribution patterns of dustfall during hydraulic support movement in a fully-mechanized mining face with a large mining height，so as to provide theoretical guidance and assistance for the control and mitigation of dustfall， which originates from the movement of hydraulic supports. [Methods] Utilizing numerical simulation methodologies， this study investigates the dustfall during hydraulic support movement under the influence of airflow within a fully-mechanized mining face. The geometric model of the mining face is constructed using SpaceClaim， and Fluent is employed to conduct numerical simulations of dustfall under varying wind speeds during hydraulic support movement. The obtained particle size distribution of dustfall is then compared with experimental findings. [Findings] At a constant wind speed， the average particle size of dust gradually decreases as the distance from the dust source increases and the larger the wind speed， the larger the average particle size of dust is measured at the same measuring point.A comparison between the numerical simulations and similar experiments reveals that the error between the two increases with the increasing distance from the dust source. Dust particles within the size range of 165～180 μm experience dustfall within a distance of 4-10 m from the dust source. For particles ranging from 154～165 μm， the dustfall location is between 10-16 m from the dust source. Dust particles with a size range of 118～154 μm settle within 16～22 m from the dust source. Particles measuring 88-118 μm in diameter undergo dustfall at a distance of 22～28 m from the dust source. Lastly， dust particles within the size range of 77～88 μm settle at a distance of 28～34 m from the dust source. [Conclusions] Through analysis of the research findings， it is concluded that the settlement locations of dust particles of varying sizes are influenced by wind speed and gravity， providing theoretical guidance for future zoning management of dustfall during hydraulic support movement in working faces.

Keywords： fully-mechanized mining face; dustfall during hydraulic support movement; particle size distribution; numerical simulation

0 引言

大采高綜采工作面機械化程度高，在生產過程中產塵量大，主要包含割煤機塵源和移架塵源，嚴重威脅井下從業人員的身體健康。據統計，近10 a我國新增塵肺病病例數量整體呈下降趨勢，國家衛生健康委發布的《2022年我國衛生健康事業發展統計公報》顯示，2022年新增職業性塵肺病病例7 577例，其中煤炭行業新增病例3 698例，占比超過50%［1］。綜采工作面的粉塵防治仍是目前亟待解決的問題。

針對工作面粉塵防治問題，相關學者開展了大量研究。王明等［2］對綜放工作面移架落塵進行相似試驗研究，得出不同影響因素下粉塵濃度的分布規律。周剛等［3］采用數值模擬的方法，揭示了相對濕度粉塵濃度的影響，得出75%～85%為煤礦開采的最佳環境開采濕度。Mo等［4］通過數值模擬對綜放工作面不同風速下的粉塵分布情況進行了研究，得出了最佳降塵風速。綜上所述，針對移架塵源和采煤機塵源的粉塵濃度分布規律的研究取得了一定的成果，但在對綜采工作面移架落塵粒徑的分布規律方面的研究還較少。本研究以紅柳林煤礦25211綜采工作面為研究對象，采用數值模擬的研究方法對大采高綜采工作面移架落塵的分布規律進行研究，得出移架落塵粒徑的分布規律，對工作面移架落塵的治理具有重要意義。

1 大采高綜采工作面數值模擬

在歐拉-拉格朗日標準坐標系下，將粉塵顆粒視為離散相，將風流設置為連續相，通過求解耦合方程來獲取粉塵顆粒的運動軌跡［5］。流體質量守恒方程見式（1）。

[?ρ?t+??xiρui=0] （1）

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；t為時間，s；ui為空氣流動速度在x軸、y軸和z軸方向上的分量，m/s。

流體動量守恒控制方程見式（2）。

[??tρui+??xiρuiuj=??p?xi]

[+??xjμ+μt?ui?xj+?uj?xi+ρgi] （2）

式中：μ為空氣動力黏度，Pa·s；μt為湍動黏度，Pa·s；p為氣流的壓力，Pa。

本仿真模擬忽略其他力對粉塵顆粒的影響，采用Realizable k-[ε]模型，此模型具有適用范圍廣、計算效率高和計算精準等優點。

k方程見式（3），[ε]方程見式（4）。

[??tρk+??xiρuik]

[=??xjμ+μtσk?k?xj+Gk+Gb][?ρε] （3）

[??tρε+??xiρuiε=??xjμ+μtσε?ε?xj+C1εεkGk+C3εGb?ρC2εε2k] （4）

以上式中：Gk為不同運動勻速梯度產生的湍流動能，kg/（s3·m）；Gb為由浮力影響造成的湍動能；[k]為湍流動能，m2·s-2；[ε]為湍流動能耗散率，m2·s-3；σk為[k]方程紊流普朗特數；σε為[ε]方程紊流普朗特數。

1.1 物理模型

本研究基于紅柳林煤礦25211綜采工作面，根據井下實際情況運用SpaceClaim構建幾何模型，對模型進行簡化的同時，盡可能還原實際綜采工作面的井下情況。采煤工作面長100 m、寬9.2 m、高5.8 m，對交運巷道和輔運巷道簡化為一條進風巷，回風巷為出風巷道。進風和出風巷道長50 m、寬6 m、高4 m，如圖1所示。采煤工作面設有移架產塵點、割煤機和液壓支架。從移架產塵點正下方下風口5 m的位置開始，每隔4 m設置一個塵測點，共設置8個塵測點。

1.2 邊界條件及參數設置

在進行模擬設置前做如下假設：①巷道內的空氣為不可壓縮流體；②粉塵從支架塵源點均勻掉落；③巷道內外無熱交換，溫度不變；④煤粉視為球體，不考慮粉塵顆粒之間的相互影響。綜采工作面巷道頂板、煤壁、液壓支架和采煤機壁面對粉塵的作用均設置為reflect，巷道底板、液壓支架底座區域和塵測點區域對粉塵的作用設置為trap。數值模擬的求解模型和邊界條件見表 1。

2 模擬結果分析

2.1 風流場分析

當數值模擬采用入口平均風速1.5 m/s時，使用CFD-POST導出風速分布云圖，如圖 2所示。由圖2可知，風流處于進風巷道較為穩定，從進風巷進入采面，采面截面面積變大導致采面平均風速減小，在剛進入采面靠近煤璧面位置會存在低速區域。架前割煤機的阻擋導致割煤機前滾筒方風速小于架間風速。

為了更好地獲取采面風速的大小，了解不同位置風速大小的差異，將采面XY截面分為4等份，在架間和架前兩種不同高度設置風速檢測線，采用檢測線對采面的風速大小進行檢測，風速大小和檢測線位置如圖3所示。

由圖3可知，風流在剛進入采煤工作面時，風流受到液壓支架的阻擋作用和采面巷道截面面積的影響突然增大，導致風速波動較大。Lin1出現數據缺少的情況，是由檢測線穿過割煤機導致的。Lin1和Lin3的位置靠近煤壁，在風流剛進入采煤工作面時出現風速急劇下降。同等高度的Lin1、Lin3和Lin4在綜采工作面30 m后的風速變化平穩，Lin2風速在綜采工作面30 m后出現逐漸下降趨勢。風流在經過割煤機附近時，割煤機的阻擋作用導致這部分區域巷道空間出現變化，風速出現明顯波動。

2.2 粉塵粒徑分布情況

在進口風速為1.5 m/s時，導出移架塵源和割煤機粉塵顆粒歷史軌跡，如4圖所示。移架塵源點高度為5 m，粉塵受到重力和風流的影響在巷道內飄散，從圖 4中可以直觀看到粉塵粒徑越大離塵源點的距離越近。

通過Fluent采樣功能，在入口平均風速分別為0.8、1.5、2.0、2.5 m/s條件下，導出各個測點捕捉到的粉塵粒徑進行處理，得出移架落塵的粒徑分布規律如圖 5所示。

由圖 5可知，不同風速下移架落塵的分布規律不同，風速越大，風流所提供的動能越大，相同測點測得粉塵的平均粒徑越大。在同一風速下，隨著離塵源點距離的增加，粉塵的平均粒徑呈現逐漸減小趨勢。在離塵源點29 m內，不同入口風速為0.8、1.5、2.0、2.5 m/s所對應的粉塵平均粒徑的下降速率分別為71.1%、59.1%、52.7%、44.5%，表明風速越大在此區域粉塵平均粒徑的下降速率越小，距離塵源點29 m外粉塵平均粒徑的變化浮動較小。

移架落塵不同粒徑大小粉塵的沉降位置不同，為獲取不同粉塵粒徑的粉塵沉降位置，在采煤工作面移架下風口4 m處開始設置，每隔6 m設置一個檢測面（XY面），共設置11個檢測面，對流經檢測面的粉塵進行粒徑檢測。通過比較相鄰兩個檢測面粉塵粒徑差異，得出粉塵不同粒徑的沉降位置。測得檢測面粉塵粒徑的大小范圍如圖 6所示。

由圖 6可知，粒徑范圍為165～180 μm的粉塵沉降位置在離塵源點4～10 m處；粒徑范圍為154～165 μm的粉塵沉降位置在離塵源點10～16 m處；粒徑范圍為118～54 μm的粉塵沉降位置在離塵源點16～22 m處；粒徑范圍為88～118 μm的粉塵沉降位置在離塵源點22～28 m處；粒徑范圍為77～88 μm的粉塵沉降位置在離塵源點28～34 m處。由此可知，隨著離塵源點距離的增加，粉塵粒徑變化趨勢逐漸減小，在此風速條件下，粒徑小于60 μm的粉塵不易沉降。

2.3 數值模擬與相似試驗對比

為驗證數值模擬研究的準確性，使用前人研究得出的紅柳林煤礦25211綜采工作面相似試驗平臺［6］，試驗結果表現出與現場數據相同的變化趨勢，表明該模型在粉塵擴散試驗中具有高度可靠性。

使用此相似試驗平臺得出入口風速為1.5 m/s時的粒徑分布規律，將試驗和數值模擬的第一測點作為基點，得出其他測點粉塵粒徑的相對變化率，如圖7所示。由圖7可知，數值模擬與試驗粉塵粒徑的相對變化率在23 m內擬合度高，在23 m外隨著離塵源點距離的增加兩者差距隨之增加，最大相對誤差為12.9%，在可接受范圍之內，驗證了數值模擬結果的準確性。

3 結論

①在同一風速下，隨著離塵源點距離的增加，粉塵的平均粒徑呈現逐漸減小的趨勢。不同風速下，風速越大測點測得粉塵的平均粒徑越大。

②在距離塵源點29 m內，不同入口風速所對應的粉塵平均粒徑的下降速率分別為71.1%、59.1%、52.7%、44.5%，并且風速越大在此區域粉塵平均粒徑的下降速率越小，距離塵源點29 m外粉塵平均粒徑的變化幅度明顯減小。

③利用檢測面得出不同粒徑粉塵沉降位置和在入口平均風速為1.5 m/s條件下，粒徑小于60 μm的粉塵不易沉降。試驗與數值模擬粒徑的相對變化率擬合度較高，最大相對誤差為12.9%，表明數值模擬結果可靠性較高。

參考文獻：

［1］中華人民共和國國家衛生健康委員會.2022年我國衛生健康事業發展統計公報［EB/OL］.（2023-10-12）［2024-08-04］.http：//www.nhc.gov.cn/guihuaxxs/s3585u/202309/6707c48f2a2b420fbfb739c393fcca92.shtml.

［2］王明，蔣仲安，陳舉師.不同影響因素條件下綜放工作面移架粉塵分布規律實驗研究［J］.煤礦安全，2016，47（4）：56-59.

［3］周剛，尹文婧，馮博.綜采工作面移架塵源粉塵-霧滴場分布特征模擬分析與工程應用［J］.煤炭學報，2018，43（12）：3425-3435.

［4］ MO J M，YANG J L，MA W，et al.Numerical simulation and field experiment study on onboard dust removal technology based on airflow-dust pollution dispersion characteristics［J］.Environmental Science and Pollution Research International，2020，27（2）：1721-1733.

［5］王智欣，劉立仁，張小濤，等.大采高綜采工作面截割湍流風對煤塵側向逸散的影響機制［J］.煤礦安全，2024，55（4）：72-78.

［6］ZHANG W，XUE S，TU Q Y，et al.Development and experimental study of a scaled model for dust dispersion in fully-mechanized mining face［J］.Journal of Cleaner Production，2023，429.