大采高綜采工作面粉塵運移分布規(guī)律及機載除塵器關鍵工藝參數(shù)研究

杜善周，莫金明，王全龍，馬 威，張設計，陳 芳

(1.神華神東煤炭集團有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

綜采工作面具有開采強度高、產(chǎn)塵量大等特點。近年來，隨著工作面采高不斷加大，開采速度不斷加快，導致工作面粉塵濃度大大升高，相關現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)表明，在無任何防塵措施的情況下，綜采工作面總粉塵質量濃度最高可達5 000 mg/m3，嚴重影響作業(yè)人員身心健康[1-3]。目前，對于綜采工作面的粉塵治理措施多以噴霧為主，即綜合利用多種形式的噴霧來實現(xiàn)抑塵、控塵和降塵，在一般的綜采工作面降塵效率能夠達到90%左右，但在大采高綜采工作面，由于噴霧的射程不足，霧流覆蓋范圍有限，降塵效率僅能達到70%左右，且大采高綜采工作面噴霧配套工藝較為困難，采用噴霧降塵還會不可避免地影響煤質等。因此，為進一步提高綜采工作面的降塵效率，相關學者針對綜采工作面風幕控塵、除塵器除塵等進行了研究。王海橋等[4]根據(jù)流體力學空氣射流理論，研究了一種空氣隔塵技術；陳大偉等[5]設計了一套新型濕式集塵網(wǎng)系統(tǒng)，利用在采煤區(qū)域中的濕式卷簾門、集塵網(wǎng)和在回風道中的全橫截面的濕式集塵網(wǎng)來進行控塵；周剛等[6]研制了一套新型液壓軸流式除塵風機，該風機在綜采工作面控塵效果良好；劉強等[7]研究分析了多徑旋流風幕位置對綜采工作面粉塵擴散規(guī)律及控塵效果的影響。雖然這些措施在很大程度上降低了綜采工作面粉塵濃度，改善了工作環(huán)境，但是由于對大采高綜采工作面產(chǎn)塵規(guī)律及粉塵運移分布規(guī)律掌握不足，導致這些方法的應用效果無法令人滿意。筆者在相關學者[8-10]對綜采工作面粉塵運移分布規(guī)律的研究基礎上，深入分析8 m大采高綜采工作面粉塵運移分布規(guī)律，并提出通過在采煤機上風側機身端面安裝機載除塵器的方法來控制粉塵擴散，凈化作業(yè)場所。為了使機載除塵器達到更好的降塵效果，利用數(shù)值模擬方法分析除塵器處理風量，以及吸塵口位置對粉塵運移分布及降塵效果的影響，尋求最優(yōu)降塵效果時的吸塵口位置、風量參數(shù)組合。

1 數(shù)學模型

1.1 風流流動數(shù)學方程

綜采工作面粉塵隨氣流的運動可以被看作是氣固兩相流，將粉塵看作稀疏相，巷道內氣體屬于連續(xù)相，而常常將氣體流動看作湍流流動。綜采工作面氣流的湍流流動可以用k-ε模型表示[11-14]。

k方程：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

ε方程：

(2)

1.2 粉塵流動數(shù)學模型

在拉格朗日坐標下通過積分顆粒作用力的微分方程進行求解，顆粒相作用力平衡方程[15-16]為：

(3)

式中：mp為粉塵顆粒的質量，mg；up為粉塵顆粒的運動速度，m/s；∑F為粉塵顆粒所受合力，N；Fd為粉塵顆粒所受阻力，N；Fg為粉塵顆粒所受重力，N；Ff為粉塵顆粒所受浮力，N；Fx為粉塵顆粒所受的其他作用力，如Saffman升力、Magnus升力等，N。

粉塵顆粒所受阻力Fd可以表示為：

(4)

式中：Cd為阻力系數(shù)；Cφ為動力形狀系數(shù)；Ap為顆粒迎風面面積，m2；up為粉塵顆粒速度，m/s。

粉塵顆粒在湍流中運動，其運動軌跡要受到湍流作用的影響。假設粉塵顆粒的瞬時脈動速度符合高斯分布[17]，則：

(5)

對于k-ε模型，假設巷道內湍流具有各向同向性，則有[18]：

(6)

為了計算湍流對顆粒擴散的隨機影響，可將瞬時速度在分段時間內積分。即在離散的時間步長上逐步進行積分運算可求得顆粒軌跡方程。例如對于x方向而言，顆粒的運動軌跡可由式(6)得到：

(7)

同理，再沿y、z方向積分，即可得到粉塵顆粒在綜采工作面三維空間的運動軌跡[19]。

2 數(shù)值計算模型的建立及網(wǎng)格劃分

2.1 模型建立

以補連塔煤礦12511綜采工作面為研究對象，該工作面長327.4 m，開采長度3 138 m，工作面開采煤層平均厚度7.32 m，煤層傾角1°～3°，原始水分含量1.74%～10.26%，煤塵具有爆炸性，瓦斯含量較低。設計采高5.7～7.3 m，循環(huán)進度0.865 m，落煤方式采用雙滾筒電牽引采煤機割煤，端部斜切進刀，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤，雙向割煤往返一次割兩刀。選用JOY07LS08型采煤機采煤，滾筒直徑3.5 m；選用ZY21000/36.5/80D型支架作為中間支架，數(shù)量135架，支架中心距2 050 mm，支護范圍 3 650～8 000 mm；工作面供風量2 322.4 m3/min，平均風速1.2 m/s。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，利用CAD軟件建立計算模型。擬對工作面在原始條件下與安裝機載除塵器后粉塵運移分布進行對比分析，建立模型1、模型2，并對部分裝置進行了簡化，如圖1所示。

圖1 補連塔煤礦12511綜采工作面數(shù)值模型

該模型主要由采煤機、液壓支架、擋煤板等組成。工作面尺寸長×高×寬=150.0 m×8.0 m×6.8 m，本文只研究采煤機前方垮落煤層產(chǎn)塵情況，不考慮滾筒、支架等處。塵源設置如圖1所示。同時，在不影響模擬結果的前提下作出以下假設：

1) 將煤巷內的空氣看作不可壓縮流體，煤巷內風流密度為常數(shù)，取1.225 kg/m3；

2) 將巷道內的溫度默認為恒溫不變，假設巷道內溫度對結果沒有影響；

3) 將流場中各變量均認為與時間無關，為穩(wěn)態(tài)流場。

2.2 網(wǎng)格劃分

將建立的綜采工作面模型導入到ICEM-CFD中，進行網(wǎng)格劃分。在模擬計算中考慮到巷道的實際情況比較復雜，決定采用適應性較好的非結構化網(wǎng)格進行劃分[20-21]。共生成網(wǎng)格305.740 7萬個，由于網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值模擬結果準確性影響很大，故對網(wǎng)格進行自適應調整，確保較小的尺寸扭曲率和角度扭曲率。

2.3 參數(shù)設定

根據(jù)現(xiàn)場實際情況設定模擬參數(shù)。解析通風粉塵場時，選用穩(wěn)態(tài)風流及其絕對速度來進行解析；由于粉塵顆粒在巷道中會受到重力的影響，模擬計算時設定重力加速度。具體參數(shù)如表1所示。

表1 邊界條件參數(shù)

2.4 綜采工作面8 m采高原始粉塵場模擬結果

補連塔煤礦12511綜采工作面未安裝除塵器時原始場粉塵質量濃度分布情況如圖2和圖3所示。

圖2 xOz截面粉塵質量濃度分布圖

圖3 yOz截面粉塵質量濃度分布圖

由圖2和圖3可以看出：①由垮落煤層產(chǎn)生的粉塵在風流的帶動下整體向后方擴散(y軸正方向)，粉塵在遇到采煤機時運動方向發(fā)生改變，沿著采煤機機身向頂板運動，隨后開始向后方運動。②高濃度粉塵團運動最高點可達5 m，之后向采煤機一側運動，由于粉塵顆粒自身重力作用，致使大顆粒粉塵逐漸沉降，小顆粒粉塵隨風流繼續(xù)運動，懸浮在工作面內。高濃度粉塵主要積聚在采煤機前后10 m范圍及底板靠擋煤板一側，最高粉塵質量濃度可達3 500 mg/m3，大大超過《煤礦安全規(guī)程》所規(guī)定的允許范圍，采煤機附近粉塵濃度高，會嚴重影響司機的視線，并且還會加劇設備的損耗，極大地影響煤礦的安全開采。③在采煤機上風側機身端面前后5 m范圍內粉塵向人行側擴散，擋煤板頂部靠人行側粉塵質量濃度高達2 500 mg/m3，嚴重超限，會影響工作人員的健康安全。由此可見，原12511綜采工作面粉塵污染嚴重，亟需開展井下粉塵防治研究工作。

3 不同工藝參數(shù)條件下粉塵運移分布規(guī)律模擬結果分析

基于對補連塔煤礦8 m采高的12511綜采工作面原始粉塵場模擬結果的分析，提出利用機載除塵器的方法來控制塵源處粉塵擴散。為了達到最佳降塵效果，對除塵器不同吸塵口位置及其處理風量進行數(shù)值模擬研究。

3.1 三維空間粉塵分布模擬結果

3.1.1 吸塵口不同位置粉塵濃度分布

圖4為吸塵口距底板0.65、1.15、1.65 m，吸塵口處理風量為30 m3/min時工作面三維空間粉塵質量濃度分布圖。由于采煤機附近是塵源的集中區(qū)域，故為了更詳細研究采煤機附近粉塵濃度分布情況，分別截取采煤機前后xOz截面y=20～60 m進行分析。由圖4可以明顯看出，隨著吸塵口與底板距離的增加，吸塵口距離塵源越遠，相同處理風量情況下除塵器捕塵能力減弱，導致粉塵逃逸增多，故粉塵向頂板和采煤機后方擴散更嚴重。從圖4(c)可以看出，在y等于55、60 m截面上仍有高濃度粉塵積聚在底板及擋煤板附近，嚴重污染巷道環(huán)境。

(a)吸塵口距底板0.65 m

(b)吸塵口距底板1.15 m

(c)吸塵口距底板1.65 m

3.1.2 吸塵口不同處理風量粉塵濃度分布

圖5為吸塵口與底板距離為1.65 m，吸塵口處理風量分別為30、60、90 m3/min時工作面三維空間粉塵質量濃度分布圖?？梢钥闯觯孩佼斘鼔m口風量為30 m3/min時，粉塵主要集中在擋煤板靠近采煤機一側，采煤機距端頭20～60 m，粉塵質量濃度最高達到 1 000 mg/m3；當吸塵口風量為60 m3/min時，粉塵向后擴散現(xiàn)象明顯減弱，粉塵主要集中在距采煤機上風側機身端面前5 m及后15 m范圍，此時高濃度粉塵積聚在距底板約2.5 m截面處，距采煤機上風側機身端面35 m之后無高濃度粉塵積聚現(xiàn)象；當吸塵口處理風量為90 m3/min時，高濃度粉塵只存在于溜槽與采煤機相鄰處，粉塵無向后擴散現(xiàn)象。②隨著除塵器吸塵口風量的增加，工作面粉塵濃度逐漸降低，當吸塵口風量為90 m3/min時，粉塵幾乎無擴散現(xiàn)象存在，高濃度粉塵只存在于塵源附近，此時吸塵風量最優(yōu)。

(a)吸塵口風量30 m3/min

(b)吸塵口風量60 m3/min

(c)吸塵口風量90 m3/min

3.2 yOz截面粉塵濃度分布

3.2.1 吸塵口不同位置粉塵濃度分布

吸塵口處理風量為30 m3/min時，吸塵口距底板不同高度情況下工作面yOz截面x=1、2、3 m時粉塵質量濃度分布情況見圖6?？梢钥闯觯何鼔m口與底板距離的增加，減弱了除塵器的吸塵能力，粉塵擴散能力增強。對比圖6(a)和圖6(c)可以發(fā)現(xiàn)，在x=1 m截面，圖6(c)中明顯有高濃度粉塵積聚在采煤機附近和沿巷靠近擋煤板一側；在x=3 m截面，圖6(a)中只有采煤機上方存在少量粉塵積聚現(xiàn)象，而圖6(c)中采煤機后方20 m還存在大量高濃度粉塵團。同時對比圖6中x=2 m截面發(fā)現(xiàn)，隨著吸塵口距底板高度的增加，采煤機后方35 m范圍粉塵濃度急劇增高。由此可見，吸塵口位置變化對工作面粉塵的擴散分布有明顯的影響，吸塵口距底板越高，粉塵擴散越嚴重，除塵器捕塵效果越差。將吸塵口布置在距離底板0.65 m時最優(yōu)，除塵器捕塵效果最優(yōu)。

(a) 吸塵口距底板0.65 m(x=1、2、3 m)

(b) 吸塵口距底板1.15 m(x=1、2、3 m)

(c)吸塵口距底板1.65 m(x=1、2、3 m)

3.2.2 吸塵口不同處理風量粉塵濃度分布

吸塵口處理風量分別為30、60、90 m3/min，工作面yOz截面x=1、2、3 m時粉塵質量濃度分布情況見圖7。對比圖7中的3個分圖可以發(fā)現(xiàn)，在沿工作面x軸方向上和z軸方向上，工作面粉塵質量濃度和擴散能力與除塵器吸塵口處理風量成反比，當吸塵口處理風量為90 m3/min時，工作面除了在x=1 m截面溜槽附近存在少量高濃度粉塵外，均被除塵器捕集，此時除塵效率最高。

(a) 吸塵口風量30 m3/min(x=1、2、3 m)

(b) 吸塵口風量60 m3/min(x=1、2、3 m)

(c) 吸塵口風量90 m3/min(x=1、2、3 m)

3.3 工作面整體降塵效率分析

在吸塵口不同位置及處理風量的情況下，粉塵顆粒追蹤數(shù)量及除塵器捕集粉塵顆粒數(shù)量見表2，通過分析可以得出：①當除塵器吸塵口距底板高度一定時，安裝機載除塵器的降塵效率與吸塵口處理風量成正比；②當除塵器吸塵口處理風量一定時，安裝機載除塵器的降塵效率與吸塵口距底板高度成反比；③除塵器吸塵口位置與處理風量最優(yōu)匹配時，安裝機載除塵器的降塵效率為99.9%。因此，可以通過調整除塵器吸塵口位置，以及處理風量來有效降低工作面粉塵濃度。

表2 吸塵口不同位置及處理風量時降塵效率

4 結論

1)以補連塔煤礦12511綜采工作面為研究對象，研究分析了大采高綜采工作面粉塵運移分布規(guī)律。沿風流方向，工作面粉塵濃度逐漸降低，由于風流的作用及粉塵自身重力作用致使粉塵最終沉降在擋煤板靠采煤機一側附近。高濃度粉塵團主要集中在采煤機前后10 m范圍內的采煤機一側，向頂板擴散高度可達到5 m左右，最高粉塵質量濃度可達 3 500 mg/m3。與普通采高工作面相比，大采高工作面粉塵受風流影響更大，導致在橫向風流的影響下，粉塵向人行側的擴散量增加。

2)除塵器吸塵口位置及其處理風量對工作面內粉塵分布有明顯的影響，特別是針對采煤機前后 5 m 范圍，有效抑制了粉塵向人行側擴散。當機載除塵器吸塵口與底板距離一定時，除塵器的降塵效率與處理風量成正比；當除塵器處理風量一定時，除塵器的降塵效率與吸塵口距底板高度成反比。合理的除塵器吸塵口位置及匹配的處理風量，能明顯降低工作面粉塵濃度，改善井下工作環(huán)境。

3)結合現(xiàn)場實際安裝條件，針對補連塔煤礦12511綜采工作面給出最佳除塵器吸塵口位置并與處理風量匹配：吸塵口安裝位置距底板1.15 m，除塵器處理風量為120 m3/min，此時，除塵器捕塵效率為99.9%。