綜掘工作面不同直徑風(fēng)筒下粉塵運移規(guī)律研究

王　凱，郭紅光，王　飛，劉汝正，曹萬璞

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030000)

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綜掘工作面不同直徑風(fēng)筒下粉塵運移規(guī)律研究

王凱，郭紅光，王飛，劉汝正，曹萬璞

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030000)

[摘要]為了研究風(fēng)筒直徑對煤礦掘進(jìn)工作面粉塵運移規(guī)律的影響，選取采用壓入式通風(fēng)的山西某煤礦1105掘進(jìn)工作面為研究對象，利用理論分析和數(shù)值模擬的方法，研究了風(fēng)量為355m3/min的條件下，不同直徑風(fēng)筒(0.4~1.0m)供風(fēng)時巷道內(nèi)的粉塵運移規(guī)律。研究結(jié)果顯示：在距離巷道左幫0.5~1.0m范圍內(nèi)，使用直徑0.6~0.7m風(fēng)筒供風(fēng)時，呼吸帶粉塵平均濃度較直徑0.5m或0.8m風(fēng)筒供風(fēng)時降低了100mg/m3左右，較直徑0.9~1.0m風(fēng)筒供風(fēng)時降低了200~300mg/m3，降塵效果顯著。研究結(jié)果為掘進(jìn)工作面粉塵治理提供了一定的理論及實驗分析基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]綜掘工作面；數(shù)值模擬；風(fēng)筒直徑；粉塵運移規(guī)律；理論分析

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.022

[引用格式]王凱，郭紅光，王飛，等.綜掘工作面不同直徑風(fēng)筒下粉塵運移規(guī)律研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：80-83，69.

我國煤礦生產(chǎn)中，粉塵危害非常嚴(yán)重，煤礦工人長期工作在高濃度粉塵環(huán)境下很容易患塵肺病，高濃度粉塵也容易引起粉塵爆炸，嚴(yán)重影響工人身體健康和生命安全[1]。掘進(jìn)工作面因為產(chǎn)塵量大，受通風(fēng)條件限制等諸多因素，一直是我國煤礦粉塵治理中的重點、難點。通風(fēng)稀釋粉塵是我國煤礦掘進(jìn)工作面最基本也是最普遍的除塵方法。我國掘進(jìn)工作面通風(fēng)方式大多數(shù)為壓入式通風(fēng)。據(jù)相關(guān)學(xué)者研究，在通風(fēng)距離200m之內(nèi)，當(dāng)設(shè)計風(fēng)量≤2~3m3/s時，宜使用直徑為0.3~0.4m的風(fēng)筒；當(dāng)通風(fēng)距離在200~500m之內(nèi)時，宜使用直徑為0.4~0.5m的風(fēng)筒；在相同風(fēng)量的情況下，當(dāng)通風(fēng)距離在500~1000m之內(nèi)時，宜使用直徑為0.5~0.6m的風(fēng)筒。長期以來我國礦山應(yīng)用的風(fēng)筒直徑基本在0.3~0.6m的范圍內(nèi)[2-3]。然而在國外，由于巷道斷面比較大，風(fēng)量需求相應(yīng)增加，因此需要增大風(fēng)筒直徑，有的甚至達(dá)到1.5m[4]。近幾年由于我國礦井綜合機械化水平的提高，煤礦巷道正逐步向大斷面方向發(fā)展，在個別礦井也逐漸開始使用直徑為0.8~1.0m的大直徑風(fēng)筒供風(fēng)[5]。

然而，以上分析多為增大風(fēng)量稀釋巷道瓦斯?jié)舛?，對如何有效減少粉塵濃度研究較少。據(jù)分析，風(fēng)筒出口風(fēng)速決定粉塵的初始運動狀態(tài)，進(jìn)而影響工作面粉塵在巷道中的運移規(guī)律。而在相同風(fēng)量的情況下，風(fēng)筒直徑的大小直接決定著風(fēng)筒出風(fēng)口的風(fēng)流速度，因此，風(fēng)筒直徑是影響巷道內(nèi)粉塵運移規(guī)律的關(guān)鍵因素。

本文通過理論分析及數(shù)值模擬的方法，研究不同直徑風(fēng)筒下粉塵在巷道中的分布運移規(guī)律，以期得出壓入式風(fēng)筒直徑與巷道內(nèi)粉塵濃度之間的關(guān)系，為掘進(jìn)工作面粉塵治理工作提供一定依據(jù)。

1粉塵顆粒的受力分析

單顆粒的受力情況是影響粉塵移動軌跡的重要因素,其所受的作用力主要有：重力、浮力、顆粒之間的碰撞力、氣動阻力、壓強梯度力、附加質(zhì)量力、巴賽特(Basset)力、薩夫曼(Saffman)力、馬格努斯(Magnus)效應(yīng)。其中在掘進(jìn)巷道內(nèi)，浮力、附加質(zhì)量力、巴賽特力、壓強梯度力等對粉塵顆粒的運動影響較小，顆粒間碰撞力近似平衡，可以不予考慮[6-7]。

壓入式通風(fēng)掘進(jìn)面風(fēng)流流場分為射流區(qū)、渦流區(qū)和回流區(qū)三部分[8]。射流區(qū)和回流區(qū)交界處的受力情況是粉塵顆粒進(jìn)入到巷道的關(guān)鍵因素。粉塵顆粒在該處的受力分析如圖1所示[8]。其中G為重力；FR為空氣阻力。由于粉塵運動滯后于氣流流動，因此此處的空氣阻力實際上是粉塵顆粒移動的動力；FSaff為薩夫曼力,顆粒在有速度梯度的流場運動時，該力由低速區(qū)指向高速區(qū)；FMag為馬格努斯效應(yīng)，是固體顆粒在氣相中旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的，一個與流動方向垂直的、由逆流側(cè)指向順流側(cè)方向的力，可以托起流場中的顆粒[6]。

圖1　粉塵顆粒風(fēng)流流場中受力分析

由粉塵顆粒的受力分析可知，當(dāng)風(fēng)筒直徑在一定范圍內(nèi)變小時，風(fēng)流在風(fēng)筒的出口風(fēng)速變大，導(dǎo)致粉塵顆粒的初速度以及空氣阻力FR增大，加大了粉塵向下的運動速度。由于粉塵顆粒密度比空氣大，在粉塵運移經(jīng)過射流區(qū)和回流區(qū)的邊界時，風(fēng)流由向下運動改變?yōu)樗竭\動，一部分顆粒由于慣性作用脫離氣流被巷道底板捕集。粉塵速度越快，其脫離氣流主流的幾率越大[9]，巷道后方呼吸帶的粉塵濃度也就越小。反之，增大風(fēng)筒直徑，將降低粉塵向下的運動速度，減少其脫離氣流主流的幾率，從而增大巷道后方呼吸帶的粉塵濃度。

然而，經(jīng)現(xiàn)場考察及理論分析，由于巷道底板的粉塵捕集能力有限，當(dāng)風(fēng)筒直徑小到一定程度，粉塵移動到巷道底板的速度過大，將會導(dǎo)致粉塵顆粒的反彈，而且將會吹起已經(jīng)沉降的粉塵顆粒，反而會增大后段巷道內(nèi)的粉塵濃度。故防塵效果最佳的風(fēng)筒直徑應(yīng)為一定范圍。

2數(shù)值模擬

2.1　幾何模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場掘進(jìn)條件及計算機的計算能力，將該掘進(jìn)巷道做適當(dāng)?shù)暮喕哼x取掘進(jìn)面及其后50m作為研究對象，利用Fluent自帶的處理軟件Gambit建立模型，巷道幾何模型的網(wǎng)格劃分采用interval size為0.2的整體六面體網(wǎng)格。建立好的長方體物理模型長50m，寬5m，高3.7m。其中，風(fēng)筒直徑分為1m，0.9m,0.8m,0.7m,0.6m,0.5m,0.4m，長46m的圓柱體，風(fēng)筒懸掛在巷道左上角，距離頂板和左幫各0.1m。掘進(jìn)機簡化為長4m，寬3m，高2m的長方體模型。

2.2　數(shù)學(xué)模型的建立

對掘進(jìn)巷道風(fēng)流和粉塵的運動進(jìn)行研究。由于巷道內(nèi)粉塵體積分?jǐn)?shù)相對于空氣體積非常小，因此可以忽略粉塵顆粒與顆粒之間的相互作用、顆粒體積分?jǐn)?shù)對連續(xù)相的影響，建立離散相數(shù)學(xué)模型。假設(shè)空氣為不可壓縮氣體，由于工作面沒有高溫?zé)嵩?，溫度常年保持?0℃左右，因此不考慮溫度對氣體密度的影響[10]。建模過程中將空氣視為密度為1.17kg/m3的連續(xù)相，粉塵顆粒視為密度為1450kg/m3的離散相。利用歐拉-歐拉方法對連續(xù)相求解，利用歐拉-拉格朗日方法對離散相進(jìn)行求解[11]。采用k-ε方程模型，首先使用SIMPLEC算法對連續(xù)相的流場速度和湍流強度進(jìn)行計算，然后利用在拉格朗日坐標(biāo)下對離散相粉塵顆粒進(jìn)行軌道積分。其中氣相控制方程如式(1)~(4)所示[12]。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程：

ρε-YM+Sk

(3)

ε方程：

(4)

式中，ui，uj，uz分別表示流體在X，Y，Z方向的速度，m/s；xi，xj分別表示X，Y方向上的坐標(biāo)；ρ為氣體密度kg/m3；p為有效湍流壓力，Pa；gi為i方向重力加速度，m/s2；μeff為擴(kuò)散系數(shù)；μ為層流黏性系數(shù)；μt為漩渦修改后湍流黏性系數(shù)；ε為湍流動能耗散率；σk，σε為k和ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)，σk=1.0，σε=1.2；Gk為平均速度梯度引起的湍動能；Gb為浮力引起的湍動能；YM為擴(kuò)散產(chǎn)生的波動；C1ε，C2ε，C3ε，為經(jīng)驗常數(shù)；Sk和Sε是作者定義的源項。

固相控制方程如式(5)~(8)所示[12]：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，F(xiàn)D(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量拽力，N/kg；u為氣相流速，m/s；up為顆粒流速，m/s；dp為顆粒直徑，m；ρ，ρp為氣相和顆粒的密度，kg/m3；gx為x方向的重力加速度，m/s2；Re為雷諾數(shù)；CD為拽力函數(shù)；對于球形顆粒α1，α2和α3為常數(shù)，可由公式算出。

2.3　邊界條件

根據(jù)該煤礦1105掘進(jìn)工作面現(xiàn)場工作條件以及井下實際測量的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合所建立的相關(guān)幾何、數(shù)學(xué)模型，在Gambit和Fluent中相關(guān)邊界條件的設(shè)置如表1所示。根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)，對粉塵在巷道中的運移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

表1　Fluent相關(guān)邊界條件參數(shù)設(shè)定

2.4　模擬結(jié)果分析

2.4.1風(fēng)流的速度分布

由于粉塵源產(chǎn)生的粉塵初始速度為0m/s，因此粉塵顆粒在巷道內(nèi)的擴(kuò)散運移幾乎完全依靠巷道內(nèi)風(fēng)流的裹挾作用。所以風(fēng)流的運動方向直接影響粉塵的運移規(guī)律，本文模擬了風(fēng)筒直徑為1.0m的情況下風(fēng)流的運動規(guī)律。圖2為風(fēng)流在巷道內(nèi)運動的矢量圖。風(fēng)流速度分布圖顯示與理論分析的風(fēng)流流場圖一致。

圖2　風(fēng)流在巷道內(nèi)運動矢量圖

由圖2可以看出，風(fēng)流從風(fēng)筒以自由流出的方式向前移動，初始速度很高，且不斷卷吸巷道另一側(cè)的空氣，風(fēng)流直徑不斷增大，速度逐漸減小。當(dāng)風(fēng)流撞擊到巷道工作面后，由于風(fēng)流的附壁效應(yīng)，貼壁沿工作面向下流動。風(fēng)流在貼巷道壁流動的同時向巷道內(nèi)擴(kuò)散，流經(jīng)掘進(jìn)機的時候，由于掘進(jìn)機的阻撓作用，在掘進(jìn)機機身部位會形成渦流。風(fēng)流的速度將會對渦流的大小造成很大的影響，進(jìn)而直接影響粉塵的運移規(guī)律，導(dǎo)致此處的粉塵不容易被運移到巷道外面，以至于形成高濃度的粉塵集聚區(qū)。而此處空氣湍流強度高，在應(yīng)用噴霧除塵措施時有利于水霧對粉塵顆粒的捕捉。

2.4.2巷道內(nèi)粉塵濃度運移規(guī)律

巷道內(nèi)粉塵濃度分布運移規(guī)律的模擬結(jié)果如圖3所示。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，在x方向上，掘進(jìn)工作面粉塵濃度最高；在z方向上，懸掛風(fēng)筒一側(cè)粉塵濃度遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)離風(fēng)筒一側(cè)。而且，由于風(fēng)流的附壁效應(yīng)以及巷道壁對粉塵的吸附作用，使得巷道內(nèi)行人側(cè)距巷道壁0.5~1m范圍內(nèi)粉塵濃度最大。而隨著距工作面距離的增加，高濃度粉塵區(qū)也逐漸由距行人側(cè)巷道壁1m處向巷道中心距離移動，這是由于風(fēng)流由巷道壁向巷道內(nèi)逐漸擴(kuò)散并攜帶粉塵顆粒所致。

圖3　粉塵濃度分布運移規(guī)律

3粉塵質(zhì)量濃度分布模擬結(jié)果分析

據(jù)現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掘進(jìn)機工作時，除了司機外，其他工人大多數(shù)在距掘進(jìn)工作面20m，距行人側(cè)巷道壁0.5~1m位置等待一次掘進(jìn)工作的完成。因此數(shù)值模擬研究在1.5m的呼吸帶高度上，距離行人側(cè)巷道壁0.5m和1m處呼吸帶粉塵濃度的分布，結(jié)果分別如圖4中(a)和(b)所示。

圖4　粉塵濃度分布

當(dāng)風(fēng)筒直徑為0.4m時，由于模擬數(shù)據(jù)波動較大，且風(fēng)筒出口附近風(fēng)速過大，遠(yuǎn)超出工人工作適宜風(fēng)速范圍，因此該數(shù)據(jù)在文章中并未體現(xiàn)。

由圖4可知，當(dāng)使用直徑為1.0m風(fēng)筒通風(fēng)時，掘進(jìn)工作面粉塵濃度最高可達(dá)1700mg/m3，在掘進(jìn)機工作期間人員聚集區(qū)粉塵濃度高達(dá)300~500mg/m3。使用直徑為0.6~0.7m風(fēng)筒通風(fēng)時粉塵濃度顯著降低。隨著距工作面距離的增加，粉塵濃度整體呈減小趨勢，然而，在距離工作面10m之內(nèi)，粉塵濃度有一定的波動，這是由于此處有掘進(jìn)機工作，導(dǎo)致風(fēng)流不穩(wěn)定的緣故。

由于風(fēng)筒直徑的不同，使相同風(fēng)量下風(fēng)流流出風(fēng)筒的速度不一樣，導(dǎo)致沿程粉塵濃度不一樣，當(dāng)風(fēng)量為355m3/min時，其粉塵濃度分布由圖4可得，采用0.6~0.7m風(fēng)筒較采用0.5m或0.8m風(fēng)筒通風(fēng)時粉塵濃度平均降低100mg/m3左右，較0.9~1.0m風(fēng)筒直徑供風(fēng)時粉塵濃度降低了200~300mg/m3，防塵效果顯著。模擬結(jié)果與理論計算一致。其原因由上述可知，由于風(fēng)筒掛在巷道頂端，小直徑風(fēng)筒風(fēng)流速度大，有利于將工作面所產(chǎn)生的粉塵吹向巷道底板，再由重力和巷道底板的吸附等共同作用，有效加速了粉塵的沉降，減小了巷道內(nèi)粉塵的濃度。然而當(dāng)風(fēng)筒直徑為0.5m或繼續(xù)變小時，工作面射流區(qū)和回流區(qū)交界處風(fēng)速將會超過5m/s,導(dǎo)致落入地上的粉塵重新被大量吹起，粉塵濃度反而上升。

4結(jié)論

(1)經(jīng)理論分析及模擬結(jié)果顯示，當(dāng)風(fēng)量為355m3/min，使用0.6~0.7m直徑風(fēng)筒時，巷道內(nèi)粉塵濃度顯著降低。

(2)如果風(fēng)筒下有膠帶運輸機，當(dāng)掘進(jìn)機工作時工人就只能在遠(yuǎn)離風(fēng)筒一側(cè)等待，而此側(cè)為高濃度粉塵區(qū)，因此，應(yīng)將膠帶運輸機設(shè)在遠(yuǎn)離風(fēng)筒一側(cè)。

(3)由模擬結(jié)果可以看出，在距離工作面10m之內(nèi)，即掘進(jìn)機司機位置前后，由于風(fēng)流波動比較大，粉塵分布無規(guī)律可言。且單獨采用通風(fēng)除塵，無法使巷道內(nèi)粉塵濃度降到國家標(biāo)準(zhǔn)之下。因此掘進(jìn)工作面應(yīng)采取通風(fēng)、噴霧、煤層注水、泡沫除塵等綜合防塵措施。

(4)由于高瓦斯長距離通風(fēng)時為增大風(fēng)量多用大直徑風(fēng)筒供風(fēng)，不利于粉塵防治。因此，在選擇風(fēng)筒時，應(yīng)同時考慮風(fēng)筒直徑對粉塵防治的影響。

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[責(zé)任編輯:李青]

Dust Movement Rule in Ventilators with Different Diameters in Full-mechanized Driving Face WANG Kai，GUO Hong-guang，WANG Fei，LIU Ru-zheng，CAO Wan-pu

(Mining Engineering School，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030000，China)

Abstract：Applying theoretical analysis and numerical simulation method，dust movement rule in ventilators with different diameters under the condition of 355m3/min air volume in 1105 driving face.Results showed that average dust concentration in 0.6-0.7m diameter ventilator was less 100mg/m3than that in 0.5 or 0.8m diameter ventilator，and less 200-300mg/m3than that in 0.9-1.0m diameter ventilator at the range of 0.5-1.0m near left side of the roadway.Dust reduction effect was obvious.The result provided theoretical and experimental basis for dust control in driving face.

Keywords：full-mechanized driving face；numerical simulation；ventilator diameter；dust movement rule；theoretical analysis

[作者簡介]王凱(1990-)，男，河北保定人，碩士研究生，研究方向為礦井粉塵防治。通訊作者：王飛(1972-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，博士，副教授。

[基金項目]太原理工大學(xué)2013?；痦椖?2013Z015);太原理工大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動基金項目(tyutrc-201250a)

[收稿日期]2015-02-17

[中圖分類號]TD714.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0080-04