煤巷掘進(jìn)過(guò)程中粉塵濃度影響因素分析

陸羽　陳浩

[摘 要]井下煤礦粉塵有引發(fā)塵肺病、煤塵爆炸、自燃和損壞設(shè)備 、降低現(xiàn)場(chǎng)可見(jiàn)度等諸多危害。掘進(jìn)巷道是井下產(chǎn)生粉塵的主要場(chǎng)所之一 。因此 ， 研究巷道掘進(jìn)通風(fēng)過(guò)程中粉塵濃度影響因素對(duì)治理煤礦粉塵、減少粉塵危害具有重要的意義。

[關(guān)鍵詞]掘進(jìn)工作面 粉塵濃度 分析

中圖分類號(hào)：TM121.1.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1009-914X（2015）37-0003-01

引言：

本文根據(jù)煤巷掘進(jìn)巷道和及其產(chǎn)生粉塵的一般情況，對(duì)粉塵濃度分布進(jìn)行解算，從模擬結(jié)果中分析煤巷掘進(jìn)過(guò)程中的粉塵濃度影響因素。

1、離散相模型簡(jiǎn)介

離散相模型（DPM）屬于歐拉一拉格朗日模型，即用歐拉觀點(diǎn)描述氣相流場(chǎng)，用拉格朗日觀點(diǎn)描述顆粒的運(yùn)動(dòng)。離散相模型要求球形顆粒（掘進(jìn)巷道中的粉塵顆粒）構(gòu)成的第二相分布在連續(xù)相（氣體）中。離散相問(wèn)題的設(shè)定、求解過(guò)程：

（1）求解連續(xù)相流場(chǎng)，連續(xù)相流場(chǎng)的計(jì)算采用SMPLEC算法，三維湍流的數(shù)值模擬采用中的標(biāo)準(zhǔn)模型，得到速度場(chǎng)等信息。

（2）創(chuàng)建離散相噴射源（射流源），如確定射流源的位置、尺寸、顆粒粒徑的大小和初速度等，噴射源的類型設(shè)為顆粒群。

（3）求解藕合流動(dòng)，在拉格朗日坐標(biāo)下對(duì)顆粒群中的各個(gè)顆粒進(jìn)行軌道積分，隨機(jī)軌道模型或顆粒群模型可考慮顆粒湍流擴(kuò)散的影響。在隨機(jī)軌道模型中，通過(guò)應(yīng)用隨機(jī)方法來(lái)考慮瞬時(shí)湍流速度對(duì)顆粒軌道的影響。而顆粒群模型則是通過(guò)跟蹤顆粒群的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)模擬出粉塵運(yùn)動(dòng)的一個(gè)“平均”軌道。顆粒群中的顆粒濃度分布假設(shè)服從高斯概率分布函數(shù)（PDF）。

最后，用PLOT或DISPLAY圖形界面來(lái)跟蹤離散相，從而得出離散相的流場(chǎng)分布以及濃度分布。

2、全塵濃度分布的三維模擬

用FLUENT進(jìn)行解算，壓入式通風(fēng)掘進(jìn)巷道的全塵濃度分布。掘進(jìn)工作面處全塵濃度最大，全塵在風(fēng)流作用下沿巷道全斷面不斷地排出、沉降和被捕集，因此粉塵濃度沿程不斷減小；未排出、沉降或被捕集的顆粒在隨風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的同時(shí)隨機(jī)擴(kuò)散，彌散到整個(gè)巷道。，靠近風(fēng)筒一側(cè)的粉塵濃度較大，并向遠(yuǎn)離風(fēng)筒一側(cè)逐漸減小。距離掘進(jìn)工作面越遠(yuǎn)，全塵的濃度越小。在掘進(jìn)工作面附近區(qū)域，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；而遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面的地方，粉塵濃度隨高度的變化并不明顯。

3、呼吸性粉塵濃度分布的三維模擬

用FLUENT進(jìn)行解算，壓入式通風(fēng)掘進(jìn)巷道的呼吸性粉塵濃度，遠(yuǎn)離風(fēng)筒一側(cè)的側(cè)壁和工作面相交處的上部呼吸性粉塵濃度最大；呼吸性粉塵在風(fēng)流作用下沿巷道全斷面不斷地排出和被捕集，因此呼吸性粉塵沿程濃度不斷減?。晃幢徊都蚺懦龅念w粒在隨風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的同時(shí)隨機(jī)擴(kuò)散，因此巷道內(nèi)的呼吸性粉塵濃度分布趨于穩(wěn)定?？拷L(fēng)筒一側(cè)的呼吸性粉塵濃度較小，并向遠(yuǎn)離風(fēng)筒一側(cè)逐漸增大。距離掘進(jìn)工作面越遠(yuǎn)，呼吸性粉塵的濃度越小，掘進(jìn)工作面附近區(qū)域，頂部呼吸性粉塵濃度較大，距離巷道底板越近呼吸性粉塵濃度越??；而遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面的地方，呼吸性粉塵濃度隨高度變化并不明顯。

4、壓入式和抽出式通風(fēng)掘進(jìn)巷道粉塵濃度分布規(guī)律的比較

在兩種通風(fēng)方式的巷道內(nèi)，全塵和呼吸性粉塵濃度沿程變化規(guī)律相同，即粉塵濃度都是先快速下降，再沿程緩慢下降。但是壓入式通風(fēng)掘進(jìn)巷道中的全塵和呼吸性粉塵濃度沿程分別高于抽出式通風(fēng)掘進(jìn)巷道內(nèi)的全塵和呼吸性粉塵濃度。

5、風(fēng)筒的有關(guān)參數(shù)對(duì)粉塵濃度的影響

風(fēng)筒是掘進(jìn)工作面內(nèi)的主要通風(fēng)除塵裝置，除了巷道內(nèi)風(fēng)速以外，風(fēng)筒也會(huì)對(duì)巷道內(nèi)粉塵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和濃度分布產(chǎn)生一定的影響，因此，該研究考察了在掘進(jìn)巷道的寬為4m、高為3m和壓入式通風(fēng)方式條件下，風(fēng)筒直徑、風(fēng)筒出風(fēng)口到掘進(jìn)工作面的距離以及風(fēng)筒懸掛高度對(duì)呼吸帶高度粉塵濃度的影響。

5.1 風(fēng)筒直徑

設(shè)巷道風(fēng)筒出風(fēng)口到掘進(jìn)工作面的距離為7m，風(fēng)筒的懸掛高度為1。8m，將風(fēng)筒的直徑分別定為0。4、0。5、0。6、0。7和0。8m，比較在不同的風(fēng)筒直徑條件下，全塵和呼吸性粉塵呼吸帶高度沿程濃度變化趨勢(shì)。在呼吸帶高度處，風(fēng)筒的直徑越大，全塵和呼吸性粉塵的沿程濃度越大；即由模擬結(jié)果可知，風(fēng)筒直徑越小，巷道內(nèi)粉塵的沿程濃度越小。但在根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在巷道斷面允許的條件下，盡可能選擇直徑較大的風(fēng)筒，以降低風(fēng)阻，減少漏風(fēng)，節(jié)約通風(fēng)電耗，現(xiàn)場(chǎng)允許的最小風(fēng)筒直徑為0。4m。因此，可以認(rèn)為當(dāng)風(fēng)筒直徑在0。4-0。6m時(shí)，比較利于掘進(jìn)巷道的通風(fēng)除塵。

5.2 風(fēng)筒出風(fēng)口到掘進(jìn)工作面的距離

設(shè)風(fēng)筒直徑為0。6m，風(fēng)筒的懸掛高度為1。8m，將風(fēng)筒出風(fēng)口到掘進(jìn)工作面的距離分別設(shè)為5、6、7、8、9和10m，考察風(fēng)筒出風(fēng)口到掘進(jìn)工作面的距離對(duì)呼吸帶高度粉塵濃度的影響。為了更直觀地觀察風(fēng)筒出風(fēng)口到掘進(jìn)工作面的距離與粉塵濃度的關(guān)系，作風(fēng)筒出風(fēng)口到掘進(jìn)工作面的距離與距離掘進(jìn)工作面1、3、5、7和9m處斷面的呼吸帶高度粉塵濃度對(duì)應(yīng)圖。當(dāng)風(fēng)筒出風(fēng)口到掘進(jìn)工作面的距離為6-7m時(shí)，在巷道內(nèi)平均分布的幾個(gè)斷面上，全塵和呼吸性粉塵濃度都相對(duì)較小，且這個(gè)距離范圍小于風(fēng)筒的有效射程，因此，可以認(rèn)為當(dāng)風(fēng)筒出風(fēng)口到掘進(jìn)工作面的距離為6-7m時(shí)，有利于掘進(jìn)巷道內(nèi)的通風(fēng)除塵。

5.3 風(fēng)筒的懸掛高度

設(shè)風(fēng)筒出風(fēng)口到掘進(jìn)工作面的距離為7m，風(fēng)筒直徑為0。6m，將風(fēng)筒的懸掛高度（風(fēng)筒軸線到巷道底板的距離）分別設(shè)定為1。6、1。8、2。0、2。2和2。4m，考察風(fēng)筒的懸掛高度對(duì)全塵和呼吸性粉塵濃度分布規(guī)律的影響。為了更直觀地觀察風(fēng)筒懸掛高度與粉塵濃度的關(guān)系，作風(fēng)筒懸掛高度與距離掘進(jìn)工作面1、3、5、7和9m處斷面的呼吸帶高度粉塵濃度對(duì)比當(dāng)風(fēng)筒懸掛高度為2-2。2m時(shí)，在巷道內(nèi)平均分布的幾個(gè)斷面上，全塵和呼吸性粉塵濃度都相對(duì)較小。因此，可以認(rèn)為當(dāng)風(fēng)筒懸掛高度為2-2。2m時(shí)，有利于掘進(jìn)巷道內(nèi)的通風(fēng)除塵。

6、巷道風(fēng)速對(duì)粉塵濃度的影響

為了驗(yàn)證不同的通風(fēng)風(fēng)速對(duì)掘進(jìn)巷道粉塵濃度產(chǎn)生的影響，取不同巷道風(fēng)速進(jìn)行解算。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，掘進(jìn)中的煤巷允許的風(fēng)速為0。25-4m/s，因此將巷道內(nèi)的風(fēng)速分別設(shè)為0。25、1、1。75、2。5、3。25和4m/s，通過(guò)模擬，考察了風(fēng)速對(duì)呼吸帶高度（距離巷道底板1。5m高度處）全塵和呼吸性粉塵濃度分布規(guī)律的影響，巷道通風(fēng)風(fēng)速在0。25-4m/s時(shí)，都不會(huì)引起明顯的二次揚(yáng)塵；而且在這個(gè)范圍內(nèi)，巷道內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)速越大，全塵和呼吸性粉塵的沿程濃度越小，而且呼吸性粉塵濃度達(dá)到穩(wěn)定的距離越短，這是因?yàn)檩^大風(fēng)速可以防止粉塵隨機(jī)擴(kuò)散，而使粉塵盡快排出巷道或者沉降和被煤壁吸附。所以，通風(fēng)風(fēng)速在0。25-4m/s時(shí)，條件允許的情況下，選擇較大的風(fēng)速更利于通風(fēng)除塵。

結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，根據(jù)數(shù)值模擬及對(duì)其計(jì)算結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)煤巷掘進(jìn)過(guò)程中粉塵濃度的影響因素及其規(guī)律為在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，應(yīng)綜合考慮種種因素，選擇合適的風(fēng)筒有關(guān)參數(shù)，以減少巷道內(nèi)的粉塵濃度。

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