井下氣固兩相流皮帶巷粉塵逸散規(guī)律研究

王燕杰

（山西潞安礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046204）

0 引 言

粉塵污染是影響礦山安全生產(chǎn)的主要因素。粉塵達(dá)到一定濃度，爆炸威力極大，是礦山安全生產(chǎn)防治的重點(diǎn)對(duì)象[1-3]。Hall 在觀察了濃度與風(fēng)速的關(guān)系后，得出了最有利于粉塵沉積與外排的最優(yōu)風(fēng)速[4-7]。常建兵[8]將渦流與濕式旋流綜合考慮，找到了除塵器較好的安裝方法。李雨成[9]研究了風(fēng)幕技術(shù)在綜掘面粉塵防治的應(yīng)用，提出了綜掘面粉塵防治的新方法。吳應(yīng)豪[10]使用Fluent 估計(jì)了轉(zhuǎn)載點(diǎn)處粉塵污染的具體情況。

本文重點(diǎn)研究了輸煤皮帶巷，利用基于數(shù)值模擬的局部粉塵試驗(yàn)研究和分析皮帶巷的粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并通過(guò)大量的綜合分析法得到皮帶巷除塵方法和粉塵運(yùn)移規(guī)律。該研究可以幫助制定粉塵控制措施，解決載煤皮帶巷中粉塵濃度擴(kuò)散速度快、范圍廣等問(wèn)題，有效避免煤塵污染導(dǎo)致的次生災(zāi)害，如粉塵爆炸、起火等事故，提高了安全生產(chǎn)效率。

1 工程背景

1.1 粉塵濃度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

皮帶運(yùn)輸是同忻礦全礦井原煤提升的主要方式，在皮帶運(yùn)輸過(guò)程中影響粉塵濃度分布的因素多、涉及范圍廣[11]，對(duì)井下皮帶巷的粉塵濃度檢測(cè)并模擬擴(kuò)散過(guò)程具有重要意義。但由于皮帶巷運(yùn)輸距離長(zhǎng)且現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，給粉塵防治工作帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因此，掌握粉塵濃度的分布規(guī)律對(duì)制定粉塵防治方案具有重要的意義。

1.2 測(cè)定方法的選擇

污染治理方案及措施應(yīng)以粉塵產(chǎn)出重點(diǎn)部位的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)為依據(jù)，有利于對(duì)作業(yè)人員受粉塵影響危害程度作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，有效減少井下粉塵危害事故。針對(duì)大唐選煤廠受料系統(tǒng)，明確測(cè)量重點(diǎn)為全塵濃度與可呼吸性粉塵的濃度。

測(cè)量原理首先在測(cè)點(diǎn)位置采集一定量混有煤塵的氣體，并測(cè)出用于過(guò)濾粉塵薄膜的質(zhì)量m1，而后使采集的氣體通過(guò)濾膜，粉塵受阻無(wú)法通過(guò)濾膜，測(cè)出此時(shí)濾膜及受阻粉塵總質(zhì)量m2，最后用m2、m1得出混合在空氣中粉塵的質(zhì)量。

測(cè)量方法采用濾膜質(zhì)量法與光電直讀測(cè)塵法。

（1） 濾膜質(zhì)量法。

濾膜質(zhì)量法原理簡(jiǎn)單，測(cè)定數(shù)據(jù)可靠，測(cè)量不受形狀、外觀、顏色等影響。首先對(duì)一定張數(shù)的濾膜稱重，并記錄數(shù)據(jù)，然后針對(duì)具體作業(yè)場(chǎng)所選擇合適的采用部位，依次進(jìn)行采樣。用專業(yè)器械把收集到的樣本烘干，測(cè)量質(zhì)量并記錄。最后用數(shù)學(xué)手段依據(jù)式（1） 計(jì)算并對(duì)誤差檢驗(yàn)，計(jì)算公式如下。

式中：m1為濾膜凈重，mg；m2為濾膜總質(zhì)量，mg；T 為粉塵流經(jīng)濾膜時(shí)間，min。Q 為單位空氣流量，l/min；R 為實(shí)際粉塵濃度大小，mg/m3。

（2） 光電直讀法。

光電散射現(xiàn)象是光電直讀法實(shí)現(xiàn)的前提，強(qiáng)光照射在煤塵顆粒后會(huì)反射定量的光，而反射光的強(qiáng)度與煤層顆粒的濃度呈線性關(guān)系，最終穿過(guò)濾紙留在硅膠電池上。光散射過(guò)程中，從微安表可知光電流變?nèi)?，分析煤塵濃度與光電流的內(nèi)在關(guān)系，進(jìn)而得到煤塵濃度。

（3） 主要測(cè)試儀器。

采樣儀、數(shù)據(jù)記錄表、計(jì)算工具、濾膜數(shù)張、濾膜夾、分析天平、秒表、干燥箱、采樣頭。

1.3 測(cè)定數(shù)據(jù)結(jié)果

通過(guò)皮帶巷粉塵采樣測(cè)試，整理得出相關(guān)的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

通過(guò)皮帶巷粉塵采樣測(cè)試結(jié)果，在模型計(jì)算的過(guò)程中，需要注意影響井下風(fēng)流動(dòng)力粘度的因素造成的誤差，如溫度、壓力等，因此，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整、修正。粉塵含水率越大，粉塵粒徑也越大，在20 μm 粒徑內(nèi)的粉塵，含水率大于含水閾值時(shí)，粉塵粒徑也會(huì)隨之增大，因此，可以通過(guò)增加粉塵含水率來(lái)達(dá)到除塵目的。

表1 粉塵濃度測(cè)試結(jié)果Table 1 Dust concentration test results

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型的建立

選用數(shù)值模擬軟件COMSOL Multiphysics 5.0 進(jìn)行數(shù)值模擬。由于皮帶巷現(xiàn)場(chǎng)布置環(huán)境繁雜，有膠帶輸送機(jī)、電纜電線、消防水管、皮帶人形梯等設(shè)備，對(duì)輸煤皮帶巷計(jì)算空間進(jìn)行簡(jiǎn)化。

（1） 巷道，可將其模型設(shè)為長(zhǎng)方體水平巷道，由于輸送機(jī)下部空間狹小，可將機(jī)身模型設(shè)為長(zhǎng)方體。

（2） 輸煤皮帶巷中可忽略不計(jì)物體包括用電線路、管道等附屬設(shè)備，由于這些物品對(duì)計(jì)算結(jié)果影響有限，故不予考慮。

（3） 由于建?？紤]的是主要因素，難免存在一定誤差，因此用有效斷面積系數(shù)計(jì)算有效通風(fēng)斷面。

（4） 皮帶上下層在托輥上運(yùn)行實(shí)際具有一定的角度，但由于角度較小可以忽略，因此可以看作皮帶上下層為平行。

（5） 為了便于計(jì)算，煤塊斷面積簡(jiǎn)化為固定形狀。

參考實(shí)際巷道的物理屬性，經(jīng)上述簡(jiǎn)化方案，構(gòu)造出100 m×4.8 m×4.5 m 的長(zhǎng)方體幾何模型，如圖1 所示。由于所建立的輸煤皮帶巷為規(guī)則的幾何模型，網(wǎng)格劃分基本單元選用自由剖分四面體網(wǎng)格，采用物理場(chǎng)控制網(wǎng)格，單元尺寸為細(xì)化。

2.2 邊界條件設(shè)定

所研究的礦井粉塵流動(dòng)系統(tǒng)是由氣固兩相組成的標(biāo)準(zhǔn)兩相流，是在一定量濃度大的粉塵顆粒在風(fēng)流場(chǎng)作用的運(yùn)動(dòng)?；旌衔镞x取schiller-naumann-Krieger 法，schiller-naumann 模型，分散相為固體粒子，湍流控制選用RANS，k-ε。

圖1 模型的網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh division of the model

3 不同風(fēng)速及皮帶速度下巷道揚(yáng)塵規(guī)律

3.1 風(fēng)速對(duì)粉塵運(yùn)移擴(kuò)散的影響

當(dāng)皮帶沒(méi)有負(fù)載時(shí)，巷道中的粉塵來(lái)源于皮帶表面及地表的揚(yáng)塵作用。風(fēng)速不同，巷道中的粉塵濃度分布情況也不同，因此，選取1.0、1.5、2.0 m/s 三種風(fēng)速，觀察巷道中粉塵隨風(fēng)速的變化，得出其運(yùn)移規(guī)律，如圖2 所示。

圖2 不同風(fēng)速時(shí)巷道呼吸帶高度粉塵濃度分布Fig.2 Dust concentration distribution at different wind speeds of roadway breathing zone height

由圖2 可知，在1.0～2.0 m/s 的巷道風(fēng)速區(qū)間，不同風(fēng)速下粉塵軌跡和粉塵濃度各有差異，高風(fēng)速下粉塵軌跡相對(duì)長(zhǎng)一些，粉塵濃度達(dá)到最大值的位置也會(huì)距塵源更遠(yuǎn)。因此可采取稀釋粉塵顆粒的措施，更有利于粉塵的排出，且呼吸帶高度處的粉塵濃度也會(huì)降低。

由圖3 可知，當(dāng)巷道長(zhǎng)度一定，巷道內(nèi)粉塵濃度隨風(fēng)速增大而減小，同一地點(diǎn)，風(fēng)速每增加0.5 m/s，粉塵濃度減少約10 mg/m3，這種現(xiàn)象是由皮帶巷中風(fēng)流對(duì)底板積塵的風(fēng)力揚(yáng)起、風(fēng)力輸運(yùn)共同作用，除此之外，巷道粉塵運(yùn)移還受到皮帶運(yùn)行的影響，運(yùn)行中的振顫和顛簸對(duì)風(fēng)流產(chǎn)生擾動(dòng)影響較大。所以，巷道風(fēng)速的增加導(dǎo)致粉塵濃度的降低，但同時(shí)也導(dǎo)致粉塵顆粒運(yùn)移擴(kuò)散的距離增加，污染的范圍更大。

圖3 皮帶巷不同風(fēng)速下粉塵濃度分布Fig.3 Dust concentration distribution in belt roadway at different wind speeds

3.2 風(fēng)流粘度對(duì)粉塵運(yùn)移的影響

（1） 不同風(fēng)流動(dòng)力粘度下的粉塵運(yùn)移距離。

巷道模型設(shè)置為長(zhǎng)100 m、高4.5 m、寬4.8 m，假設(shè)皮帶靜止不運(yùn)轉(zhuǎn)，巷道風(fēng)速取1.5 m/s，風(fēng)流的動(dòng)力粘度 μ1、μ1、μ1依次取 1.7×10-5Pa·s、1.8×10-5Pa·s、1.9×10-5Pa·s，粉塵粒徑統(tǒng)一取10μm，采用瞬態(tài)求解器控制求解3 種風(fēng)流動(dòng)力粘度下的粉塵濃度擴(kuò)散情況。不同動(dòng)力粘度、不同時(shí)刻下的粉塵最大運(yùn)移距離及差值，見(jiàn)表2。

表2 不同動(dòng)力粘度下粉塵最大運(yùn)移距離Table 2 Maximum dust transportation distance under different dynamic viscosities

從表2 中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粉塵逸散時(shí)間越長(zhǎng)，粉塵最大運(yùn)移距離差也在增大。塵源釋放10 s后， 和最大運(yùn)移距離與條件下的差值分別0.33 m、0.69 m；塵源釋放30 s 后，則這一差值則增加至0.92 m、1.63 m；塵源釋放50 s，粉塵最大運(yùn)移擴(kuò)散距離差值則變成2.13 m、2.32 m。

綜合分析，風(fēng)流動(dòng)力粘度越小，粉塵運(yùn)移阻力降低，逸散范圍增加，因此，當(dāng)空氣濕度增加，不利于粉塵沉降。

（2） 不同空氣動(dòng)力粘度下的粉塵濃度大小。

不同動(dòng)力粘度下呼吸帶高度粉塵濃度迭代如圖4 所示。同一斷面粉塵處于低水平狀態(tài)，這是由于空氣動(dòng)力粘度值越小，粉塵擴(kuò)散范圍越廣。據(jù)此結(jié)果分析，粉塵濃度會(huì)受風(fēng)流的溫度、濕度等影響，隨著溫度、濕度的增加，粉塵濃度會(huì)下降，但波及范圍廣，粉塵污染擴(kuò)大。所以須合理的控制水量以防加劇污染程度。

圖4 不同動(dòng)力粘度下呼吸帶高度粉塵濃度沿程分布Fig.4 Dust concentration distribution along the respiratory belt at different dynamic viscosities

4 結(jié) 論

以輸煤皮帶巷為研究對(duì)象，流體力學(xué)和數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，對(duì)巷道揚(yáng)塵及粉塵運(yùn)移分布影響研究后，得出主要結(jié)論。

（1） 輸煤皮帶巷內(nèi)的粉塵濃度分布受風(fēng)力揚(yáng)塵作用強(qiáng)度和風(fēng)力輸運(yùn)的共同影響，風(fēng)速變大和風(fēng)力強(qiáng)度增加，都會(huì)造成粉塵逸散速度及距離增加，導(dǎo)致粉塵濃度下降、擴(kuò)散范圍變廣。

（2） 粉塵運(yùn)移擴(kuò)散和濃度的分布受巷道內(nèi)風(fēng)流溫、濕度變化導(dǎo)致的動(dòng)力粘度差異所影響，當(dāng)粉塵處于不同風(fēng)流大小，其他條件都相同的環(huán)境中，粉塵濃度與風(fēng)流動(dòng)力粘度呈明顯正相關(guān)；風(fēng)流動(dòng)力粘度越小，粉塵逸散速度越快，隨風(fēng)流擴(kuò)散的距離也越遠(yuǎn)。采用濕式除塵，應(yīng)采取控制水量的措施，避免濕度過(guò)大，加劇粉塵污染。

（3） 皮帶運(yùn)行越快，越不利于降塵，甚至誘發(fā)次生危害。當(dāng)皮帶速度增加，風(fēng)流強(qiáng)度隨之增加，產(chǎn)塵速率加快，同時(shí)，支架等附屬設(shè)備振顫也會(huì)改變風(fēng)流場(chǎng)，所以，在合理的范圍內(nèi)，應(yīng)盡量降低皮帶速度或使用寬度更大的皮帶。