全斷面高效快速掘進(jìn)工作面粉塵分布規(guī)律數(shù)值模擬

沈　斌，　云　昊，　劉新蕾

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022)

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全斷面高效快速掘進(jìn)工作面粉塵分布規(guī)律數(shù)值模擬

沈斌1,2，云昊1，劉新蕾1,2

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022)

為優(yōu)化全斷面高效快速掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)布置，改善通風(fēng)除塵效果，以神華煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦52502工作面為研究背景，利用GAMBIT軟件建立工作面幾何模型，基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型和離散相DPM模型，運(yùn)用FLUENT軟件對長壓短抽方式下的工作面粉塵分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：粉塵總體沿巷道回風(fēng)側(cè)分布，粉塵集中帶為距工作面端頭15 m范圍內(nèi)和巷道回風(fēng)側(cè)中下部；大斷面下壓入式通風(fēng)有效射程為15～16 m；當(dāng)前抽出式風(fēng)筒左側(cè)吸風(fēng)口處于壓入式風(fēng)筒有效射程內(nèi)，影響除塵效果；延伸抽出風(fēng)筒出口位置至工作面掘進(jìn)機(jī)處，能有效改善除塵效果。模擬結(jié)果對改進(jìn)快速掘進(jìn)工作面通風(fēng)除塵系統(tǒng)具有重要指導(dǎo)意義。

通風(fēng)除塵； 全斷面高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)； 粉塵分布；k-ε模型； DPM模型； 數(shù)值模擬

0　引　言

全斷面高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)掘進(jìn)設(shè)備相比，實(shí)現(xiàn)了掘錨平行作業(yè)、多臂同時(shí)支護(hù)、連續(xù)破碎運(yùn)輸和智能遠(yuǎn)程操控的高效一體化作業(yè)，使目前的采掘效率提高了10倍，同時(shí)也帶來了通風(fēng)困難、粉塵質(zhì)量濃度超標(biāo)的問題[1-2]。機(jī)掘工作面因其設(shè)備龐大、移動速度快，不易布置除塵系統(tǒng)，使得通風(fēng)除塵成為最基本的技術(shù)手段。近年來，劉榮華、周新明等[3-4]通過數(shù)值模擬法分別研究了壓入式通風(fēng)掘進(jìn)工作面的粉塵和風(fēng)流流場分布規(guī)律；王曉珍、姚海飛等[5-6]總結(jié)歸納了抽出式通風(fēng)掘進(jìn)工作面中風(fēng)流粉塵分布的規(guī)律，認(rèn)為抽出式通風(fēng)較壓入式通風(fēng)的除塵效果好；秦躍平、杜翠鳳等[7-8]認(rèn)為抽吸比、抽壓風(fēng)筒位置及距離工作面端頭距離是影響粉塵分布的主要因素。上述研究表明數(shù)值模擬法是研究掘進(jìn)工作面粉塵分布規(guī)律的有效手段，但其均忽略了掘進(jìn)設(shè)備對粉塵分布的影響、風(fēng)筒布置為理想模型、巷道尺寸較小(均小于18 m2)，而全斷面高效快速掘進(jìn)工作面的長壓短抽式通風(fēng)系統(tǒng)有別于現(xiàn)有研究。一是其壓入式風(fēng)筒布置于十臂錨桿機(jī)后，距離工作面達(dá)45 m；二是抽出式風(fēng)筒吸風(fēng)口位于十臂錨桿機(jī)上，距離工作面30 m；三是斷面大，達(dá)到25 m2；四是大型掘進(jìn)設(shè)備對風(fēng)流分布造成較大影響。因此，筆者以神華煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦52502工作面為研究背景，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法開展全斷面高效快速掘進(jìn)工作面的風(fēng)流粉塵分布規(guī)律研究。

1　模型建立

1.1工程概況

神華煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦52502運(yùn)順掘進(jìn)工作面為全斷面快速掘進(jìn)工作面，設(shè)計(jì)長度超4 000 m。掘進(jìn)系統(tǒng)由全斷面掘進(jìn)機(jī)、破碎機(jī)、十臂錨桿機(jī)、皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)等組成[9-10]，如圖1所示。通風(fēng)方式為長壓短抽式，壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口位于十臂錨桿機(jī)后5 m，抽出式風(fēng)筒吸風(fēng)口位于十臂錨桿機(jī)前端，由三個(gè)吸風(fēng)口組成，如圖2所示。系統(tǒng)運(yùn)行中，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工位在十臂錨桿機(jī)操作平臺上，十臂錨桿機(jī)至工作面端頭為無支護(hù)區(qū)，因掘進(jìn)速度快且掘進(jìn)機(jī)和十臂錨桿機(jī)體積龐大，造成壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口和抽出式風(fēng)筒吸風(fēng)口分別距工作面距離達(dá)45和30 m，使得工作面除塵效果不佳。

圖1　全斷面快速掘進(jìn)系統(tǒng)

圖2　除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口布置

1.2幾何模型建立

依據(jù)全斷面快速掘進(jìn)工作面的巷道布置特點(diǎn)及系統(tǒng)設(shè)備的物理參數(shù)，采用GAMBIT軟件建立工作面的幾何模型，如圖3所示。簡化后各設(shè)備物理模型等效設(shè)置：掘進(jìn)巷道為60.0 m×6.0 m×4.2 m的長方體，掘進(jìn)機(jī)為5.0 m×4.0 m×2.5 m的長方體，十臂錨桿機(jī)為10.0 m×3.5 m×2.0 m的長方體，皮帶機(jī)為Xm×4 m×2.5 m的長方體(由于作業(yè)中錨桿機(jī)和掘進(jìn)機(jī)相對距離的改變，使得等效的皮帶機(jī)的長度隨錨桿機(jī)的移動而變化，模型中X取值為19.5、29.5、39.5)。壓入式風(fēng)筒為φ=1.0 m的圓柱體，風(fēng)筒中軸線距離地面3.2 m，距離最近的巷道壁0.7 m；抽出式風(fēng)筒為φ=0.8 m巷道的圓柱體，風(fēng)筒中軸線距離地面3.0 m，距離最近的巷道壁3.0 m，其吸風(fēng)口采用單一入風(fēng)口，在模擬中通過改變吸風(fēng)口位置來考察。

圖3　幾何模型

1.3數(shù)學(xué)模型建立

掘進(jìn)工作面內(nèi)粉塵在風(fēng)流中的運(yùn)動屬于氣固兩相流，其基本動力是氣流的運(yùn)動，可將風(fēng)流作為背景流體，視為氣相，用歐拉法進(jìn)行描述，將工作面產(chǎn)生的粉塵作為分布于背景流中的顆粒，視為固相，用拉格朗日法對其運(yùn)動軌跡進(jìn)行描述。鑒于掘進(jìn)工作面實(shí)際情況的復(fù)雜性，在模擬計(jì)算過程中做以下假設(shè)：(1)氣流的運(yùn)動為推動粉塵運(yùn)動的基本動力，忽略設(shè)備的擾動影響；(2)忽略空氣密度的變化及熱量交換；(3)將風(fēng)流視為不可壓縮氣體，流態(tài)為穩(wěn)態(tài)湍流。

通過上述條件可確定氣流運(yùn)動的基本控制方程為Reynolds方程，粉塵運(yùn)動軌跡選用歐拉-拉格朗日法追蹤，前者包括連續(xù)性方程[11]、納維-斯托克斯方程[7]及標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型方程[8,12]，后者對應(yīng)Fluent中的離散相DPM(Discrete Phase Model)模型，通過積分顆粒作用力微分方程[13]來求解。

2　邊界條件及參數(shù)設(shè)定

將由GAMBIT建立的幾何模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，導(dǎo)入FLUENT中，進(jìn)行風(fēng)流和粉塵計(jì)算模型的參數(shù)和邊界條件設(shè)置，如表1所示。計(jì)算的入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為自由流出口，其他未設(shè)置的面，默認(rèn)為固壁無滑移光滑界面；根據(jù)52502運(yùn)順掘進(jìn)工作面的實(shí)際生產(chǎn)情況，壓入式和抽出式風(fēng)筒配風(fēng)分別為720和360 m3/min，對應(yīng)速度入口設(shè)置為沿x軸正方向的矢量15.3 m/s，速度出口為x軸負(fù)方向的矢量12.0 m/s；同時(shí)依據(jù)工作面產(chǎn)塵情況，將掘進(jìn)面端頭設(shè)置為噴射源，類型為面塵源，初始速度為沿x軸負(fù)方向2.0 m/s，考慮到粉塵運(yùn)動的隨機(jī)性，選擇隨機(jī)軌跡模型。

表1　模型參數(shù)設(shè)定

3　模擬結(jié)果及分析

3.1粉塵的三維分布規(guī)律

根據(jù)掘進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，以壓入式風(fēng)筒出口、抽出式風(fēng)筒入口距離工作面45和30 m，利用FLUENT軟件建立模型，根據(jù)殘差動態(tài)圖，當(dāng)?shù)諗亢?，停止?jì)算，采用剖面技術(shù)顯示粉塵質(zhì)量濃度ρF分布模擬結(jié)果，如圖4～6所示。圖4為巷道高度h(z方向)為3.2(壓入式風(fēng)筒中軸線)、2.5(司機(jī)工位處高度)、2.0、1.5(呼吸帶高度)m的剖面圖，圖5為巷道長度l(x方向)方向每隔5 m的剖面圖，圖6為巷道寬度b(y方向)為0.7(壓入式風(fēng)筒中軸線距巷道壁的距離)、3.0(抽出式風(fēng)筒中軸線)、5.5 m的剖面圖。

圖4　z方向粉塵質(zhì)量濃度分布云圖

圖5　x方向(掘進(jìn)方向)粉塵質(zhì)量濃度分布云圖

Fig. 5Dust concentration distribution ofxdirection(tunneling direction)

圖4顯示巷道下部粉塵質(zhì)量濃度大于巷道上部，呼吸帶高度(h=1.5 m剖面)入風(fēng)側(cè)粉塵質(zhì)量濃度和司機(jī)工位處(h=2.5 m剖面)粉塵質(zhì)量濃度低于4×10-6kg/m3，符合《煤礦安全規(guī)程》要求[14]。圖6顯示巷道回風(fēng)側(cè)粉塵質(zhì)量濃度大于入風(fēng)側(cè)。由圖5、6可見，沿掘進(jìn)方向(x方向)粉塵質(zhì)量濃度分布以壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口和抽出式風(fēng)筒吸風(fēng)口為界，呈兩端高中間小的分布規(guī)律，近工作面端濃度最高，粉塵主要集中于距工作面端頭15 m范圍內(nèi)和巷道回風(fēng)側(cè)中下部。

圖6　y方向粉塵質(zhì)量濃度分布云圖

圖7　風(fēng)流分布云圖

3.2風(fēng)筒位置對風(fēng)流粉塵分布的影響

全斷面快速掘進(jìn)工作粉塵分布現(xiàn)狀分析表明，壓入式風(fēng)筒和抽出式風(fēng)筒位置是影響風(fēng)流場和粉塵質(zhì)量濃度場分布的重要因素。在不改變現(xiàn)有系統(tǒng)工作參數(shù)的情況下，通過改變壓入式風(fēng)筒和抽出式風(fēng)筒位置來研究工作面風(fēng)流及粉塵分布情況，為提高通風(fēng)除塵效果提供合理方案。實(shí)驗(yàn)中選取了擴(kuò)大抽出式風(fēng)筒與壓入式風(fēng)筒軸間距(方案1)和抽出式風(fēng)筒延伸(方案2)兩種方案，前者根據(jù)圖3右側(cè)兩個(gè)吸風(fēng)口位置中心距壁面的距離，設(shè)定抽出式風(fēng)筒軸線距離壁面1.2 m，后者將抽出式風(fēng)筒延伸至距工作面5.0 m處，建立模型后進(jìn)行模擬計(jì)算，其風(fēng)流分布如圖8所示，粉塵分布如圖9所示。

圖8　方案1和2的風(fēng)流分布云圖

圖9　h=3.2 m剖面的粉塵質(zhì)量濃度分布云圖Fig. 9　Dust concentration distribution of profile of h=3.2 m

圖8中方案1顯示抽出式風(fēng)筒與壓入式風(fēng)筒的中軸線變遠(yuǎn)后，不再處于壓入式風(fēng)筒射流區(qū)域內(nèi)，工作面端頭風(fēng)速仍未滿足最低風(fēng)速要求，結(jié)合圖9中方案1所示，抽出式風(fēng)筒除塵能力有所提高，但工作面端頭粉塵質(zhì)量濃度依舊超過100 mg/m3，除塵目的沒有實(shí)現(xiàn)。圖8中方案2顯示抽出式風(fēng)筒延伸明顯改變了掘進(jìn)工作面的風(fēng)流分布，使近工作面端大部分區(qū)域風(fēng)速達(dá)到了最低風(fēng)速要求，圖9中方案2顯示抽出式風(fēng)筒延伸后，粉塵質(zhì)量濃度集中于工作面，絕大多數(shù)粉塵被抽出式風(fēng)筒直接吸走，錨桿機(jī)至掘進(jìn)機(jī)末端作業(yè)范圍內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度基本小于4 mg/m3，能有效改善作業(yè)環(huán)境。

4　結(jié)　論

(1)全斷面快速掘進(jìn)工作面粉塵分布總體上為回風(fēng)側(cè)大于入風(fēng)側(cè)，巷道下部大于巷道上部，沿掘進(jìn)方向(x方向)粉塵質(zhì)量濃度分布以壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口和抽出式風(fēng)筒吸風(fēng)口為界，呈兩端高中間小的分布規(guī)律，近工作面端質(zhì)量濃度最高，抽壓風(fēng)筒重疊段因風(fēng)流擴(kuò)散作用使回風(fēng)側(cè)高濃度粉塵擴(kuò)散至整個(gè)巷道空間。

(2)在25.2 m2的斷面下，壓入式通風(fēng)貼壁射流的有效射程為15～16 m，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工位應(yīng)處于該射程內(nèi)，以保證工人作業(yè)環(huán)境粉塵質(zhì)量濃度不超標(biāo)。

(3)通風(fēng)除塵系統(tǒng)的抽出式風(fēng)筒吸風(fēng)口應(yīng)遠(yuǎn)離壓入式風(fēng)流的有效射程。當(dāng)前系統(tǒng)的抽出式風(fēng)筒吸風(fēng)口布置不夠合理，其左側(cè)吸風(fēng)口處于壓入式風(fēng)流的有效射程內(nèi)，不僅起不到除塵的目的，還會吸走部分新鮮風(fēng)流，應(yīng)進(jìn)行封閉，同時(shí)等效擴(kuò)大剩余吸風(fēng)口的通風(fēng)斷面積。

(4)抽出式風(fēng)筒延伸至掘進(jìn)工作面前端可顯著改善除塵效果，建議在系統(tǒng)運(yùn)行中采取相關(guān)措施。

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(編輯王冬)

Numerical simulation of distribution regularities of dust in full face high efficiency rapid heading face

SHENBin1,2,YUNHao1,LIUXinlei1,2

(1．School of Safety Engineering， Heilongjiang University of Science & Technology， Harbin 150022， China;2.National Centeral Laboratory of Hydrocarbon Gas Transportation Pipeline Safety, Heilongjiang University of Science & Technology， Harbin 150022， China)

This paper is an attempt to optimize the local ventilation arrangement of full face high efficiency rapid heading face and improve the efficiency of dust removal by ventilation. The study building on the number 52501 working face in Daliuta coal mine of Shenhua coal group corporation limited works towards establishing the geometric model using software called GAMBIT; and choosing the standardk-εturbulence model and dispersed phase model(DPM) as calculating model and thereby performing the numerical simulation of the law behind the dust distribution in the local ventilation type of FPNA(far pressing near absorption ventilation) using software of FLUENT. The results show that dust typically distributes along the return air side of the roadway, with the concentration areas varying from the range of 15 m away from working face to the middle & bottom of the return air side of the roadway; the pressing ventilation works with the effective jet distance of 15—16 m in large section roadway and an effective improvement in the dust removal is effected by extending the absorption ram outlet to the heading machine. The simulation results may add to improving the dust removal system of the fast heading face by ventilation method.

dust removal by ventilation; full face high efficiency rapid heading face; dust distribution;k-εmodel; DPM model; numerical simulation

2016-06-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51504088)；瓦斯等烴氣輸運(yùn)管網(wǎng)安全基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室開放課題(HKDGH-20140008)

沈斌(1983-)，男，浙江省長興人，講師，博士研究生，研究方向：礦山安全技術(shù)，E-mail：shenbin1121@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.004

TD724

2095-7262(2016)04-0368-05

A