大采高綜采工作面多塵源風(fēng)流—粉塵分布規(guī)律研究

徐青云，白志云，李錦波

(山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003)

移架和截割是綜采工作面產(chǎn)塵量最大的兩個(gè)工序，其產(chǎn)塵量占到井下巷道總產(chǎn)塵量的80%以上，粉塵質(zhì)量濃度最高可達(dá)到1 500.0 mg/m3，遠(yuǎn)高于國(guó)家相關(guān)的衛(wèi)生及安全標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。因此，深入研究大采高綜采工作面多塵源風(fēng)流—粉塵的分布規(guī)律，對(duì)防治綜采工作面的粉塵污染問(wèn)題具有重要意義。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)綜采工作面的粉塵分布規(guī)律進(jìn)行了大量研究[4-6]，但是大部分研究主要針對(duì)單一塵源，未全面獲得粉塵的分布規(guī)律。為了完善相關(guān)理論，筆者將數(shù)值分析技術(shù)作為主要研究手段，對(duì)多塵源情況下綜采工作面的粉塵擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究。

1 風(fēng)流—粉塵兩相流

1.1 數(shù)學(xué)模型

綜采工作面的風(fēng)流—粉塵在本質(zhì)上屬于氣固兩相流的范疇[7-8]。對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題，主要采用以歐拉-拉格朗日方法為基礎(chǔ)建立的離散相模型[9]。將流體作為連續(xù)介質(zhì)，在歐拉坐標(biāo)系內(nèi)加以描述，對(duì)此連續(xù)相求解輸送方程。將粉塵顆粒群作為離散體系，通過(guò)積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程求解離散相顆粒的軌道，計(jì)算出這些顆粒的軌道及由這些顆粒引起的質(zhì)量傳遞[10-12]。因此,利用歐拉法對(duì)風(fēng)流相進(jìn)行描述，用拉格朗日法對(duì)粉塵相進(jìn)行描述。在湍動(dòng)能k方程的基礎(chǔ)上引入湍動(dòng)能ε方程，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的運(yùn)輸方程表達(dá)式如下[13-15]：

(1)

(2)

式中：xi、xj分別為i和j方向上的坐標(biāo)點(diǎn)，m;ρ為氣體的密度，kg/m3;ui為速度，m/s;k為湍動(dòng)能，m2/s2;μ為層流的黏性系數(shù)，Pa·s；μt為湍流的黏性系數(shù)，Pa·s；Gk、Gb為湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，kg/(s3·m)；ε為湍流動(dòng)能耗散率，m2/s3；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響，由于本文假設(shè)流體為不可壓流體，故取值為0;t為時(shí)間，s；Sk為用戶定義的源項(xiàng);C1ε、C2ε、C3ε、σε、σk為模型常數(shù)。

湍流模型常數(shù)如表1所示[16]。

表1 湍流模型常數(shù)

1.2 綜采工作面幾何模型

根據(jù)山西大同煤礦綜采工作面的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，構(gòu)建三維模型，如圖1所示。

圖1 綜采工作面幾何模型

液壓支架高度為4.2 m，工作面由71架液壓支架組成，整體長(zhǎng)、寬、高分別為106.5、7.5、4.2 m。采煤機(jī)的前、后滾筒直徑分別為1.8 m和2.1 m。

1.3 邊界條件設(shè)置

將劃分后的網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS數(shù)值模擬軟件中，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)迭代求解?；诰C采工作面的移架及截割工序作業(yè)空間內(nèi)的粉塵粒徑及質(zhì)量濃度的測(cè)定數(shù)據(jù)，對(duì)湍流及離散相模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要數(shù)值模擬參數(shù)如表2所示。

表2 主要數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

2 風(fēng)流場(chǎng)分布規(guī)律分析

對(duì)整個(gè)綜采工作面作業(yè)空間內(nèi)的風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，風(fēng)流分布云圖如圖2所示。

圖2 綜采工作面作業(yè)空間內(nèi)風(fēng)流分布云圖

由圖2可知，風(fēng)流在移架工序作業(yè)空間內(nèi)，表現(xiàn)出液壓支架頂板處風(fēng)速較大的規(guī)律，風(fēng)速約為2.25 m/s，且風(fēng)速有沿縱向向底板位置移動(dòng)及沿橫向向人行道架前空間偏移的趨勢(shì)。

前滾筒處、機(jī)身中部及后滾筒處的縱向切片表明，前滾筒處風(fēng)流速度大于后滾筒處的風(fēng)流速度，同時(shí)大于機(jī)身中部的風(fēng)流速度。在經(jīng)過(guò)采煤機(jī)區(qū)域后，風(fēng)流開(kāi)始趨于平穩(wěn)，同時(shí)頂板—底板方向的風(fēng)流覆蓋面積逐漸增大。在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15～20 m內(nèi)形成一段最高風(fēng)速為3.32 m/s的高風(fēng)速區(qū)域。

3 粉塵場(chǎng)分布規(guī)律分析

3.1 移架塵源粉塵分布規(guī)律

移架工序粉塵跡線如圖3所示，移架工序粉塵分布如圖4所示。

圖3 移架工序粉塵跡線圖

圖4 移架工序粉塵分布

由圖3和圖4可知，在縱向方向上，粉塵最初聚積在頂板處，受風(fēng)流擾動(dòng)的影響及自身重力的作用，粉塵逐漸向底板位置沉積。部分粉塵顆粒與底板及前后壁面發(fā)生碰撞以后，出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，粉塵顆粒繼續(xù)隨著風(fēng)流向下風(fēng)側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散。其中粒徑較大的粉塵顆粒沉積在液壓支架底板處，大部分粒徑較小的粉塵顆粒會(huì)隨著風(fēng)流從回風(fēng)巷道流出；在巷道的橫向方向上，粉塵顆粒隨著風(fēng)流擴(kuò)散到人行道和架前區(qū)域，最大粉塵質(zhì)量濃度為1 109.3 mg/m3。在采煤機(jī)區(qū)域，由于風(fēng)速在采煤機(jī)上方和前后滾筒處較大，粉塵受到風(fēng)流擾動(dòng)的影響，整個(gè)粉塵流場(chǎng)極不穩(wěn)定，不利于粉塵顆粒的沉降。在移架下風(fēng)側(cè)10 m左右位置的粉塵質(zhì)量濃度較大，平均粉塵質(zhì)量濃度為 1 000.0 mg/m3。

3.2 截割塵源粉塵分布規(guī)律

截割工序粉塵跡線如圖5所示，截割工序粉塵分布如圖6所示。

圖5 截割工序粉塵跡線圖

圖6 截割工序粉塵分布

由圖5和圖6可知，大部分截割工序產(chǎn)生的粉塵顆粒會(huì)隨風(fēng)流沿著靠近煤壁的一側(cè)擴(kuò)散，只有少部分的粉塵顆粒向人行道方向擴(kuò)散。這主要是由于架前—煤壁區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速較大且風(fēng)流穩(wěn)定，粉塵顆粒主要沿著煤壁向回風(fēng)巷道擴(kuò)散；粉塵質(zhì)量濃度在采煤機(jī)的前、后滾筒位置達(dá)到峰值，平均粉塵質(zhì)量濃度超過(guò)1 000.0 mg/m3，且架前—煤壁區(qū)域內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人行道區(qū)域。由于采煤機(jī)占據(jù)了整個(gè)工作面斷面一半的面積，所以該處風(fēng)速較大，大部分大顆粒粉塵被風(fēng)流吹散。此時(shí)，呼吸帶高度處的粉塵質(zhì)量濃度約為800.0 mg/m3。

3.3 多塵源粉塵分布規(guī)律

多塵源粉塵分布云圖如圖7所示。

圖7 多塵源粉塵分布云圖

由圖7可知，在多個(gè)塵源點(diǎn)的影響下，綜采工作面粉塵的疊加效應(yīng)十分明顯。風(fēng)流每經(jīng)過(guò)一個(gè)產(chǎn)塵作業(yè)點(diǎn)，粉塵質(zhì)量濃度則會(huì)明顯增加。尤其是在經(jīng)過(guò)截割工序時(shí)，采煤機(jī)機(jī)身附近及下風(fēng)側(cè)作業(yè)區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度和覆蓋面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單個(gè)塵源點(diǎn)的影響；移架及截割工序產(chǎn)生的粉塵顆?；靖采w了架前和人行道區(qū)域。最低粉塵質(zhì)量濃度為98.8 mg/m3，最高粉塵質(zhì)量濃度超過(guò)1 000.0 mg/m3，平均粉塵質(zhì)量濃度為213.3 mg/m3，最高粉塵質(zhì)量濃度出現(xiàn)在采煤機(jī)前、后滾筒處。

4 粉塵質(zhì)量濃度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及分析

為了驗(yàn)證本研究中數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信性，根據(jù)煤礦安全規(guī)程及相關(guān)規(guī)定對(duì)綜采工作面呼吸帶高度的移架處、采煤機(jī)前后滾筒及采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15、30 m處，5個(gè)代表性的位置進(jìn)行粉塵質(zhì)量濃度的測(cè)定。將現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)定結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比表明：綜采工作面粉塵質(zhì)量濃度的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的誤差為5.3%～11.8%，平均誤差為9.3%。其中移架工序的誤差較小，截割工序的誤差相對(duì)較大，這可能是受到煤不同破碎程度的影響所致。由于兩者的整體誤差不超過(guò)12.0%，表明數(shù)值模擬結(jié)果是較為準(zhǔn)確的。

5 結(jié)論

1)模擬結(jié)果表明，在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)15～20 m內(nèi)形成一段最高風(fēng)速為3.32 m/s的高風(fēng)速區(qū)域。在整個(gè)采煤巷道內(nèi)平均風(fēng)速約為2.00 m/s，最高不超過(guò)4.00 m/s，符合煤礦安全規(guī)程要求。

2)移架工序產(chǎn)生的粉塵主要對(duì)人行道處造成污染，最大粉塵質(zhì)量濃度為1 109.3 mg/m3。截割工序產(chǎn)生的粉塵質(zhì)量濃度在采煤機(jī)的前、后滾筒處達(dá)到峰值，平均粉塵質(zhì)量濃度超過(guò)1 000.0 mg/m3，且架前—煤壁區(qū)域內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人行道區(qū)域。

3)在多個(gè)塵源點(diǎn)的影響下，綜采工作面粉塵的疊加效應(yīng)十分明顯。最低粉塵質(zhì)量濃度為 98.8 mg/m3，最高粉塵質(zhì)量濃度超過(guò)1 000.0 mg/m3，平均粉塵質(zhì)量濃度為213.3 mg/m3；最高粉塵質(zhì)量濃度出現(xiàn)在采煤機(jī)前、后滾筒處。

4)綜采工作面粉塵質(zhì)量濃度的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的誤差為5.3%～11.8%，平均誤差為9.3%，兩者整體誤差不超過(guò)12.0%，表明數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。