綜掘工作面長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)下粉塵分布的數(shù)值模擬

孟 晗 魯忠良

(河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454000)

隨著煤礦采掘機(jī)械化、自動(dòng)化程度的不斷提高，煤礦井下粉塵的產(chǎn)生量也不斷加大，特別是綜掘工作面，產(chǎn)塵量大，粉塵的治理比較困難。綜掘工作面的粉塵濃度過(guò)高會(huì)降低工作面的能見(jiàn)度、影響井下工人的身心健康，甚至發(fā)生煤塵爆炸，綜掘工作面的粉塵治理已經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)重點(diǎn)治理工作之一。

山西省潞安集團(tuán)漳村煤礦2506掘進(jìn)工作面的粉塵濃度高達(dá)0.0001～0.0002 kg/m3,粉塵濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定。本文以該掘進(jìn)工作面為研究背景,分別對(duì)工作面在長(zhǎng)壓短抽的通風(fēng)方式和壓入式通風(fēng)下進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出了這兩種通風(fēng)方式下掘進(jìn)工作面的粉塵分布規(guī)律，通過(guò)對(duì)粉塵分布規(guī)律的分析，可以更好地指導(dǎo)該綜掘工作面的通風(fēng)除塵工作。壓入式通風(fēng)和長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)的區(qū)別在于,壓入式通風(fēng)只有壓入式風(fēng)筒,不存在抽出式風(fēng)筒和除塵風(fēng)機(jī),其他設(shè)置與長(zhǎng)壓短抽設(shè)置相同，故對(duì)于壓入式通風(fēng)不再詳細(xì)敘述。

1 長(zhǎng)壓短抽布置方式

根據(jù)局部通風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒的布置位置和2506綜掘工作面的特點(diǎn)，煤礦決定采用長(zhǎng)壓短抽的局部通風(fēng)方式，即壓入式的長(zhǎng)風(fēng)筒將新鮮的風(fēng)流送入工作面，工作面產(chǎn)生的污風(fēng)經(jīng)抽出式風(fēng)筒進(jìn)行除塵凈化，被凈化后的風(fēng)流沿巷道排出。

2506綜掘工作面采用的長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)方式由壓入式風(fēng)筒、抽出式風(fēng)筒、除塵器三部分構(gòu)成。該通風(fēng)方式在巷道內(nèi)的布置如圖1所示。壓入式風(fēng)筒出口距離工作面7 m,抽出式風(fēng)筒入口距離工作面3 m，壓入式風(fēng)筒和抽出式風(fēng)筒的直徑都是0.6 m，壓入式風(fēng)筒出口風(fēng)速為15 m/s，抽出式風(fēng)筒壓力為-300 Pa。

1-壓入式風(fēng)機(jī)；2-壓入式風(fēng)筒；3-抽出式風(fēng)筒；4-抽風(fēng)機(jī)；5-除塵風(fēng)機(jī)圖1 2506綜掘工作面長(zhǎng)壓短抽裝置布置圖

2 數(shù)值模擬的計(jì)算方法以及邊界條件的設(shè)定

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

綜掘工作面風(fēng)流為三維定常不可壓縮的湍流流動(dòng)，數(shù)值模擬時(shí)所需要的數(shù)學(xué)模型主要用于研究風(fēng)流速度場(chǎng)的變化情況，對(duì)模擬結(jié)果的要求并不是非常精確，所以數(shù)值模擬采用工程中適用范圍最廣、最常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型，該模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略，只考慮動(dòng)量的傳輸，不考慮熱量的傳輸。

連續(xù)性方程即是質(zhì)量守恒方程，根據(jù)這一定律可以得到流體的連續(xù)性方程為：

(1)

式中：ρ——流體密度，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

u,v,w——三維空間的流體速度在x,y,z坐標(biāo)方向上的速度分量，m/s。

運(yùn)動(dòng)方程又稱動(dòng)量守恒方程，根據(jù)牛頓第二定律，各坐標(biāo)方向上的動(dòng)量守恒方程為：

式中：ν——運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m2/s；

f——單位質(zhì)量力分布函數(shù)；

p——單位面積上表面力分布函數(shù)。

在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε的輸運(yùn)方程可以用式(3)、(4)表示：

式中：μt——湍流動(dòng)力粘度系數(shù)；

Cu——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0.09；

Gk——平均速度梯度引起的湍流能量生成率；

Gb——浮力引起的湍流能量生成率；

YM——可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；

Sk,Sε——用戶定義的源項(xiàng)；

C1ε,C2ε,C3ε,σk,σε——試驗(yàn)常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.9，σk=1.0，σε=1.3。

2.2 幾何模型的建立

選取2506綜掘工作面長(zhǎng)度為15 m、寬度為3.6 m、高度為4 m的巷道，利用GAMBIT建立巷道的幾何模型，并且對(duì)巷道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，壓入式風(fēng)筒出口距離工作面7 m,抽出式風(fēng)筒距離工作面的距離是3 m,壓入式風(fēng)筒和抽出式風(fēng)筒的直徑是0.6 m,距離地面高2.5 m,壓入式風(fēng)筒出口風(fēng)速為15 m/s，抽出式風(fēng)筒壓力為-300 Pa，巷道出口風(fēng)速為0.35 m/s，入口邊界條件類型為Velocity-inlet，出口邊界條件類型為Outflow。

2.3 邊界條件的設(shè)定

將GAMBIT劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到FLUENT中，設(shè)定求解需要的各種參數(shù)。本文選用離散相模型非穩(wěn)態(tài)求解，采用k-ε湍流模型，根據(jù)2506綜掘工作面的產(chǎn)塵情況,噴射源為面源噴射，顆粒粒徑分布符合Rosin-rammler分布。其中離散相參數(shù)設(shè)定為：顆粒迭代步數(shù)為50000，相間耦合頻率為10，時(shí)間步長(zhǎng)為0.01，阻力特征為球形顆粒；粉塵噴射源參數(shù)設(shè)置：顆粒材質(zhì)為高揮發(fā)性煤，組噴射源類型，質(zhì)量流率為0.02 kg/s，顆粒速度為-0.5 m/s，最小粒徑為2×10-6m，最大粒徑為1×10-4m，中粒徑為5×10-5m，分布指數(shù)為2.55。

3 數(shù)值模擬的結(jié)果分析

按照上述條件進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，再進(jìn)行迭代計(jì)算，并且保持風(fēng)筒直徑和巷道風(fēng)速不變，把長(zhǎng)壓短抽的結(jié)果與壓入式通風(fēng)條件下的綜掘工作面的產(chǎn)塵情況進(jìn)行比較分析。

3.1 粉塵擴(kuò)散的模擬結(jié)果分析

壓入式通風(fēng)條件下粉塵的運(yùn)移結(jié)果如圖2(a)所示，圖中從左到右依次是X=13 m，14 m，15 m(以綜掘巷道的出口為0點(diǎn),正方向指向巷道的掘進(jìn)端頭)的截面。從圖2(a)可以看出，在綜掘工作面前端由于掘進(jìn)機(jī)的原因，粉塵濃度比較高，嚴(yán)重影響了掘進(jìn)司機(jī)的視線，并且使得掘進(jìn)司機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于高濃度的粉塵濃度下；同時(shí)，工作面的風(fēng)流還會(huì)在掘進(jìn)機(jī)前端產(chǎn)生渦流，帶動(dòng)粉塵運(yùn)動(dòng)，使得掘進(jìn)工作面的粉塵逐漸彌散到整個(gè)巷道中。

長(zhǎng)壓短抽的粉塵運(yùn)移擴(kuò)散結(jié)果如圖2(b)所示，圖中從左到右依次是X=13 m，14 m，15 m(以綜掘巷道的出口為0點(diǎn),正方向指向巷道的掘進(jìn)端頭)的截面。從圖2(b)可以看出，掘進(jìn)工作面前端產(chǎn)生的粉塵在抽出式風(fēng)筒負(fù)壓作用下，會(huì)進(jìn)入到抽出式風(fēng)筒，然后通過(guò)與抽出式風(fēng)筒相連的除塵風(fēng)機(jī)除去，沒(méi)有進(jìn)入到抽出式風(fēng)筒的部分粉塵會(huì)在抽出式風(fēng)筒的外圍運(yùn)動(dòng)，就是通常所說(shuō)的附壁運(yùn)動(dòng)。

圖2 不同通風(fēng)方式粉塵擴(kuò)散模擬結(jié)果

3.2 粉塵質(zhì)量濃度分布結(jié)果分析

壓入式通風(fēng)方式的粉塵質(zhì)量濃度結(jié)果如圖3(a)所示。

圖3 不同通風(fēng)方式的粉塵質(zhì)量濃度

可以看出壓入式風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口的粉塵濃度相對(duì)比較低，在綜掘機(jī)機(jī)頭處的粉塵濃度最高，粉塵隨風(fēng)流不斷擴(kuò)散，粉塵沿巷道擴(kuò)散濃度逐漸變小，但是當(dāng)粉塵沿巷道擴(kuò)散到一定距離后，粉塵濃度保持穩(wěn)定的狀態(tài)，基本不發(fā)生變化，粉塵濃度總體比較高。

長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)粉塵的質(zhì)量濃度模擬結(jié)果如圖3(b)所示，可以看出綜掘巷道中的粉塵濃度比較低，由于抽出式風(fēng)筒的作用，粉塵在抽出式風(fēng)筒的出口粉塵濃度偏高，大部分的粉塵被抽出式風(fēng)筒抽出經(jīng)過(guò)除塵器的作用而被除去，但是小部分粉塵在巷道中隨著風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生沉降作用，進(jìn)而沉積在巷道中。

4 結(jié)論

(1)采用壓入式通風(fēng)時(shí)，綜掘工作面的粉塵濃度比較高，并且，掘進(jìn)司機(jī)處長(zhǎng)期處于高濃度粉塵的影響，嚴(yán)重危害作業(yè)人員的健康；采用長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)后，綜掘工作面的粉塵濃度相對(duì)較低，除塵器的除塵可以起到很好的作用，粉塵穩(wěn)定后的濃度可以滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

(2)長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)的抽出式風(fēng)筒會(huì)擾亂粉塵在綜掘機(jī)機(jī)頭附近形成的渦流，將工作面的粉塵抽出，從而凈化了掘進(jìn)工作面的環(huán)境，保障了綜掘工作面作業(yè)人員的健康。

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