回風巷斷面突然變化段粉塵運動規(guī)律及濃度分布的數(shù)值模擬＊

莫 樊 郁鐘銘 吳桂義

（1.貴州民族學院建筑工程學院，貴州省貴陽市，550025；2.貴州大學礦業(yè)學院，貴州省貴陽市，550003）

回風巷斷面突然變化段粉塵運動規(guī)律及濃度分布的數(shù)值模擬＊

莫 樊1郁鐘銘1吳桂義2

（1.貴州民族學院建筑工程學院，貴州省貴陽市，550025；2.貴州大學礦業(yè)學院，貴州省貴陽市，550003）

根據(jù)氣固兩相流理論，探索性地提出了利用回風巷斷面突然變化降塵方法，采用計算流體力學的離散相模型對回風巷斷面突然擴大粉塵濃度分布進行數(shù)值模擬，總結(jié)出回風巷斷面突然變化段粉塵濃度沿程分布及變化規(guī)律。

礦井防塵 氣固兩相流 流體力學 斷面突變

1 概述

通過對貴州省六盤水礦區(qū)煤礦進行資料的收集及現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，風流凈化水幕濕式除塵是綜采工作面回風巷最普遍的降塵方式，勞動強度雖然不大，但需要專人負責，造成了許多不便。而目前采取的降塵方法是僅在回風巷中安設(shè)兩道水幕，甚至有時由上班工人觀察粉塵量來控制灑水降塵。雖然也有一些礦井采用了自動控制方式，但存在一定弊端，降塵效果也較差，不能解決粉塵污染的實際問題。其噴霧壓力、噴頭組數(shù)的選擇基本也僅是依靠經(jīng)驗值進行設(shè)置。貴州省內(nèi)部分煤礦，底板存在粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤等軟弱巖層，力學強度很低，在底板遇水后有膨脹的現(xiàn)象，對巷道支護及工作面的推進極其不利，且煤層孔隙率低，不易注水，故大部分煤礦對于煤層注水和噴霧降塵方法的使用非常慎重。因此研究利用回風巷斷面突然變化的方法對巷道粉塵進行自然沉降具有重要的意義。

針對貴州地質(zhì)特殊的煤礦的防塵效果，筆者對六盤水礦區(qū)響水煤礦的W134綜采工作面進行粉塵濃度的現(xiàn)場實測，并探索性地提出了利用回風巷斷面突然變化降塵方法，對回風巷粉塵濃度分布進行數(shù)值模擬，根據(jù)實測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果提出綜采工作面回風巷粉塵防治方法。

2 氣固兩相流模型

研究粉塵在回風巷的運動離不開采面巷道里空氣的流動，粉塵在氣流中的運動屬于氣固兩相流的范疇，故而建立粉塵移運規(guī)律（濃度分布和運動規(guī)律）的數(shù)學模型，實質(zhì)上就是建立氣固兩相流動的數(shù)學模型。

2.1 氣體流動的數(shù)學模型

氣體流動數(shù)學模型主要用來確定工作面氣體的速度場和壓力分布。其中對回風巷中的氣體流動控制方程組采用三維穩(wěn)態(tài)不可壓N－S方程，湍流模型采用k－ε雙方程模型，是目前應(yīng)用最廣泛的工程湍流模型，模型內(nèi)只考慮動量傳輸，忽略傳熱。具體形式如下：

連續(xù)方程：

運動方程：

k方程：

ε方程：

式中：Gk——剪切力變化產(chǎn)生的湍動能變化率；

k——湍動能，m2／s2；

ε——湍動能耗散率，m2／s3；

μ——層流粘性系數(shù)，Pa·s；

μt——湍流粘性系數(shù)，Pa·s；

p——湍流有效壓力，Pa；

ρ——氣體密度，kg／m3；

xi——x、y、z方向上的坐標，m；

ui——x、y、z方向上的速度，m／s。

Cε1、Cε2、Cμ、σε和σk——常數(shù)，分別取1.441.920.091.3和1.0

2.2 離散相的數(shù)學模型

由于模擬粉塵在巷道斷面變化處的擴散，回風巷粉塵的濃度不超過12%，局部濃度也不會大于12%，其對連續(xù)相的作用可以忽略不計，因此本文擬采用歐拉－拉格朗日中的離散相模型（DPM），即用歐拉觀點描述氣相流場，而用拉格朗日觀點描述顆粒的運動。離散相模型采用球形顆粒（回風巷中的粉塵顆粒）構(gòu)成的第二相分布在連續(xù)相（風流）中，并且應(yīng)用隨機方法來考慮瞬時湍流速度對顆粒軌道的影響，從而模擬計算粉塵顆粒的運移規(guī)律軌跡，以及濃度分布。

DPM模型通過積分拉格朗日坐標下顆粒作用力的微分方程來求解顆粒的軌道，顆粒相的作用力

平衡方程為：

式中：mp——顆粒質(zhì)量，mg；

up——顆粒運動速度；m／s；

∑F——顆粒所受合力，N；

Fd——顆粒運動所受阻力，N；Fg——顆粒所受重力，N；Ff——顆粒所受浮力，N；

Fx——顆粒所受其它作用力，包括附加質(zhì)量力，旋轉(zhuǎn)時的馬格盧斯（Magnus）升力，熱泳力，薩弗曼（Saffman）升力，布朗力等等。其中附加質(zhì)量力，馬格盧斯（Magnus）升力，熱泳力等作用力的數(shù)量級都很小，文中忽略不計。

3 回風巷幾何模型的建立及邊界條件的設(shè)定

3.1 幾何模型的建立

為了更全面地得到粉塵在回風巷的擴散規(guī)律，根據(jù)六盤水礦區(qū)響水煤礦W134綜采工作面及回風巷具體情況及相關(guān)實測數(shù)據(jù)，建立由一個斷面變化前長為20m、寬4.4m、高3m的長方體巷道、一個長10m、寬8.4m、高3m的斷面變化區(qū)域和一個斷面變化后長為10m、寬4.4m、高3m的長方體巷道3部分組成的計算區(qū)域。簡化后使用GAMBIT2.0建立三維幾何模型，并劃分計算網(wǎng)格。其三視圖的局部放大見圖1、圖2。

3.2 邊界條件的設(shè)定

將GAMBIT2.0建立的三維幾何模型導(dǎo)入FLUENT6.2中，結(jié)合數(shù)學模型和FLUENT的模擬方法，確定數(shù)值模擬的各參數(shù)及邊界條件如下：巷道過流斷面面積為10.5m2，流體與固體基礎(chǔ)周長14.8m，入口風速3.3m／s，水力直徑3.57m，粒徑分布，羅辛－拉穆勒（Rosin－Rammler）分布，粉塵濃度16.8×10－6kg／m3（由于用FLUENT 6.2解算得到的粉塵濃度單位為kg／m3，所以本文中粉塵濃度的單位統(tǒng)一使用kg／m3，質(zhì)量流率0.00058212kg／s，噴射源類型面噴射，湍流擴散模型為隨機軌道模型。

其中，湍流強度由公式（9）確定：

式中：u、uavg——湍流脈動速度與平均速度，m／s；

ReDH——按水力直徑計算的雷諾數(shù)水力直徑由公式（10）確定：

式中：A——過流斷面面積，m2；

S——流體與固體基礎(chǔ)周長，m。

入口速度與實際回風巷風速相等，即入口風速應(yīng)為3.3m／s。

質(zhì)量流率按照公式（11）計算：

式中：c——塵源處粉塵濃度，實測數(shù)據(jù)，取16.8×10－6kg／m3；

v——巷道內(nèi)的風速，取3.3m／s；

A——巷道斷面積，10.5m2。

各參數(shù)如上所示，同時考慮到進風巷的粉塵濃度，各參數(shù)參照相關(guān)的實測數(shù)據(jù)設(shè)置，文中不做詳細說明。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

按照以上參數(shù)設(shè)置，通過FLUENT6.2解算后，經(jīng)過提高計算精度，區(qū)域網(wǎng)格自適應(yīng)等調(diào)試改進后，將得到的計算結(jié)果做分析。

4.1 回風巷斷面突然變化模型風流流場的運動規(guī)律

用FLUENT6.2進行解算，模擬回風巷斷面突然變化巷道的風流流場，根據(jù)模擬風流流場的結(jié)構(gòu)特點，巷道風流出現(xiàn)了3個區(qū)域：層流區(qū)、湍流區(qū)和渦流區(qū)。

斷面突然變化時速度矢量分布、粉塵運動軌跡和流線分布見圖3、圖4和圖5。由圖3和圖4可見層流區(qū)位于回風巷中部，湍流區(qū)處于巷道邊界，兩幫和頂?shù)装逦恢茫陲L流進入斷面變化區(qū)域后，即出現(xiàn)了風流的渦流區(qū)，同時由于能量的損失，風速迅速減小。

4.2 回風巷斷面突然變化模型粉塵濃度的分布規(guī)律

對回風巷粉塵濃度分布的三維模擬如圖5所示：

圖5 跟蹤斷面突然變化粉塵運動軌跡分布圖

由圖5（a）可見，粉塵進入回風巷附近時濃度最大，其在風流作用下沿著巷道全斷面不斷前進，部分粉塵隨著風流進入斷面擴大區(qū)域后，受風流形成旋渦區(qū)的影響，粉塵開始旋轉(zhuǎn)沉降和被捕集，因此粉塵濃度沿程不斷減??；未沉降或被捕集的粉塵顆粒在隨風流運動的同時，隨機擴散，彌漫整巷道，使得巷道內(nèi)的粉塵濃度趨于穩(wěn)定。由圖5（b）可見，粉塵從回風巷入口處進入后，靠近巷道兩幫的粉塵濃度變化明顯，沿程逐漸降低；位于巷道中間2.2m處的粉塵濃度隨著距離的變化不明顯。由圖5（c）可見，回風巷區(qū)域內(nèi)，距離巷道底板越近，因重力作用將要沉降的大顆粒粉塵越多，因此粉塵濃度越大；遠離回風巷入口處，粉塵濃度隨著高度的變化，粉塵濃度隨之下降。由圖5（d）可見，粉塵從回風巷入口處流入巷道斷面面積突然變化區(qū)域前（10～20m），濃度粉塵變化不明顯，在進入面積擴大區(qū)域后至距離回風巷入口35 m處時，粉塵濃度有明顯降低。

4.3 回風巷斷面突然變化粉塵沿程濃度分布規(guī)律的比較

距離巷道兩幫分別為0.4m、2.2m和4m處粉塵濃度沿程變化對比如圖6所示；巷道中線處，距離巷道底板分別為0.5m、1.5m和2.5m的粉塵濃度沿程變化如圖7所示。

由圖6可見，在回風巷中，距離靠近巷道兩幫越近，粉塵濃度越低，這種趨勢在回風巷中面積擴大處25～30m之間較明顯；從距離回風巷入口30 m處開始，靠近巷道兩幫距離條件下，粉塵濃度都降到6mg／m3以下。

由圖7可見，在巷道中線處，距回風巷入口處40m處，距離巷道底板1.5m處的粉塵濃度趨于穩(wěn)定，距離巷道底板0.5m處的粉塵濃度由于受重力作用影響，粉塵在距入口10m處開始升高后，濃度沿巷道長度的增加，趨于不變；而從距離回風巷入口處開始，巷道頂部的粉塵濃度沿程穩(wěn)定下降，基本都下降到8mg／m3以下。

5 結(jié)論

（1）在流體動力學中通風管道斷面突變理論的基礎(chǔ)上，首次結(jié)合兩個學科，探索性地提出了利用回風巷斷面突然變化段對巷道粉塵進行自然沉降的方法，既是理論的創(chuàng)新，又是科研探索的新方向。

（2）將巷道斷面突然擴大段用在采煤工作面的回風巷處，在巷道中形成一道“無形透明屏障”，其降塵的方法并不是像固體壁一樣阻擋粉塵的穿透，而是利用風流的不斷旋轉(zhuǎn)和風速的突然降低讓粉塵顆粒自動沉降或撞在巷道兩幫后失去能量后沉降，使得塵粒不能繼續(xù)前移，以達到降低粉塵濃度的目的。

（3）利用回風巷道斷面突然變化的降塵方法是針對貴州特定的地質(zhì)條件特征提出的，在理論上切實可行，并且該方法若與風流凈化水幕降塵技術(shù)相結(jié)合，不僅能提高降塵效果，而且能有效地減少巷道內(nèi)由于降塵時噴霧所留下的積水，防止底板底臌，改善了井下作業(yè)的工作難度及工人的工作環(huán)境，更有利于煤礦的安全生產(chǎn)。

[1] 王曉珍.采掘工作面粉塵運動和分布規(guī)律的數(shù)值模擬研究[D].北京：北京科技大學，2007

[2] 劉毅，蔣仲安，蔡衛(wèi)等.綜采工作面粉塵濃度分布的現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬[J].煤炭科學技術(shù)，2006（4）

[3] 陳卓如，金朝銘.工程流體力學[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1987

[4] 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真實例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學出版社，2004

[5] 江帆，黃鵬.FLUENT高級應(yīng)用與實力分析[M].北京：清華大學出版社，2008

[6] 白蘭永，王寬，周福寶，劉應(yīng)科.綜掘工作面綜合降塵技術(shù)在葛泉礦的應(yīng)用[J].中國煤炭，2011（7）

Numerical simulation of dust movement law and concentration distribution in return airway with sudden change of cross－section

Mo Fan1，Yu Zhongming1，Wu Guiyi2

（1.Architectural Engineering College，Guizhou University for Nationalities，Guiyang，Guizhou 550025，China；2.Mining College，Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550003，China）

According to the theory of gas－solid flow，the dustfall via sudden change of crosssection in return airway was proposed.And the distribution of dust concentration in sudden enlarged cross－section of return airway was simulated by using discrete phase model of computational fluid dynamics.The concentration distribution and the variation law of dust in the return airway with sudden change of cross－section were summed up.

dust－proof in mine，gas－solid flow，hydrodynamics，sudden change of section

TD714

B

國家民委科研項目資助（編號09GZ03）；貴州省優(yōu)秀科技教育人才省長專項資金項目資助（黔省專合字（2010）29號）

莫樊（1984－），男，貴州都勻人，碩士研究生，講師，現(xiàn)貴州民族學院建筑工程學院工作，主要從事礦業(yè)系統(tǒng)工程和礦山安全方面研究。

（責任編輯 梁子榮）