山西大橋溝煤礦運(yùn)輸巷通風(fēng)-除塵技術(shù)模擬研究

王延磊

（山西忻州神達(dá)大橋溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

山西忻州神達(dá)大橋溝煤業(yè)有限公司煤礦原開拓8 號(hào)煤層時(shí)，采用斜井-平硐混合開拓方式，井下材料運(yùn)輸線路由副平硐至801 盤區(qū)上部車場(chǎng)運(yùn)輸距離達(dá)780 m，坡度在1°～6.5°之間，輔助運(yùn)輸主要采用無(wú)軌膠輪車運(yùn)輸。隨著煤礦井下生產(chǎn)能力的增大，無(wú)軌膠輪車裝卸、運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的揚(yáng)塵對(duì)作業(yè)環(huán)境污染日益加重，目前井下降塵方式主要為噴霧降塵。但隨著天氣溫度下降，噴霧降塵在地面容易造成污水進(jìn)而結(jié)冰，而輔助運(yùn)輸巷是工人運(yùn)輸材料必經(jīng)之路，容易導(dǎo)致事故發(fā)生，故本文研發(fā)了一種干式通風(fēng)-除塵技術(shù)對(duì)揚(yáng)塵進(jìn)行治理，保護(hù)作業(yè)人員身體健康[1-2]。

1 工程概況

大橋溝礦主斜井斜長(zhǎng)102 m，副平硐沿10 號(hào)煤層布置。副平硐平距長(zhǎng)20 m，半圓拱形斷面，采用粗料石砌碹支護(hù)，掘?qū)?.1 m，高4.25 m，掘進(jìn)斷面18.86 m2，砌碹0.5 m，凈寬4.0 m，凈高3.5 m，凈斷面12.28 m2，除膠輪車最大寬度2.2 m 后安全距離為1.8 m，可滿足運(yùn)輸安全要求。由于副平硐不再進(jìn)行擴(kuò)刷，本次設(shè)計(jì)副平硐及925 材料大巷每隔40 m 設(shè)一個(gè)寬1.5 m、高1.8 m、深0.8 m 的躲避硐室，巷道右側(cè)3 趟管道移至頂部，每隔6 m 設(shè)一根槽鋼架設(shè)固定管道，槽鋼最低高度為2.85 m，控制電纜掛鉤最低高度為2.2 m。副平硐巷道斷面如圖1，無(wú)軌膠輪車技術(shù)規(guī)格特征見表1。

表1 無(wú)軌膠輪車技術(shù)規(guī)格特征表

圖1 副平硐巷道斷面

2 負(fù)壓抽風(fēng)式除塵技術(shù)研制

由于副平硐輔助巷道污染來(lái)源主要是無(wú)軌膠輪車裝卸煤粉及車輛行駛帶來(lái)的二次揚(yáng)塵，本設(shè)計(jì)基于干式除塵器特點(diǎn)，基于Anays-Fluent 軟件，分析負(fù)壓抽風(fēng)式除塵在輔助巷道應(yīng)用的粉塵運(yùn)移規(guī)律[3]。

2.1 模型建立

當(dāng)含塵氣流從圓柱形除塵器入風(fēng)口進(jìn)入，離心風(fēng)機(jī)安裝在上部箱體，在離心風(fēng)機(jī)負(fù)壓的作用下，含塵氣流穿過(guò)濾筒表面，較粗顆粒被濾筒捕捉，而潔凈的氣流從箱體上部經(jīng)風(fēng)機(jī)口，進(jìn)入出風(fēng)口管道，然后排出，如圖2。

圖2 控除塵技術(shù)布置

本研究以單個(gè)圓形除塵器為例，分析巷道內(nèi)粉塵顆粒運(yùn)移規(guī)律，后根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，安裝具體除塵器個(gè)數(shù)。巷道尺寸均按照副平硐巷道建立。濾筒尺寸：560 mm×450 mm×700 mm。除塵器直徑為800 mm，高為1200 mm。采用ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為2 693 450 萬(wàn)個(gè)，網(wǎng)格數(shù)量90%達(dá)到0.9 以上，質(zhì)量較好，網(wǎng)格圖如圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.2 數(shù)值模型

模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子粘性的影響忽略，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型，包括湍動(dòng)能k方程和耗散率ε方程[4]。

在上述方程中：k為湍流動(dòng)能，m2/s2；ε為湍流動(dòng)能耗散率，m2/s3；Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；Gb是用于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；μ為層流的粘性系數(shù)，Pa·s；μt為湍流的粘性系數(shù)，Pa·s；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε、Cμ為常量，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，若流體可壓縮且主流方向與重力方向平行C3ε取1，若垂直取0；σk、σε分別為ε方程和k方程的湍流普朗特?cái)?shù)，σk=1.0，σε=1.3。

考慮到粉塵顆粒的體積分?jǐn)?shù)較小[5]，采用DPM（離散相模型）描述粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)對(duì)拉格朗日坐標(biāo)下粉塵顆粒之間的作用力進(jìn)行積分的微分方程求解每一個(gè)顆粒的軌道，顆粒的作用力平衡方程為：

式中：mp為顆粒質(zhì)量，mg；Vp為顆粒運(yùn)動(dòng)速度，m/s；∑F為顆粒所受到的合力，N；F1為顆粒所受阻力，N；F2為顆粒所受重力，N；F3為顆粒所受浮力，N；F4為顆粒所受其他作用力（附加質(zhì)量力、熱泳力、Saffman 升力、布朗力、Magnus 升力）的總和[6-7]。

式中：Cd為阻力系數(shù)；Cμ為動(dòng)力形狀系數(shù)，此處取1；Sd為顆粒的迎風(fēng)面面積，m2；a1、a2、a3對(duì)于球形顆粒，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)為常數(shù)；dp為顆粒直徑，m。

2.3 邊界條件

經(jīng)測(cè)量，輔助運(yùn)輸巷道內(nèi)風(fēng)速約3 m/s，副斜井內(nèi)全塵濃度在14.2～120.4 mg/m3之間，井底車場(chǎng)全塵濃度在32.4～36.5 mg/m3之間，盤區(qū)輔運(yùn)巷粉塵濃度在17.3～34.0 mg/m3之間。各輔助運(yùn)輸巷道粉塵濃度分布無(wú)明顯規(guī)律，當(dāng)測(cè)試條件相同時(shí)，隨著距入口距離的增加粉塵濃度在逐漸增大。故假設(shè)輔助運(yùn)輸巷道粉塵濃度分布均勻，取其均值65 mg/m3，邊界條件和粉塵源參數(shù)見表2。

表2 邊界條件和粉塵源參數(shù)

3 模擬結(jié)果

如圖4 所示為通風(fēng)除塵器通風(fēng)模擬結(jié)果。

圖4 風(fēng)流場(chǎng)分布

如圖4 模擬結(jié)果如下：

當(dāng)入口風(fēng)流為4 m/s 時(shí)，巷道內(nèi)風(fēng)流比較穩(wěn)定，巷道內(nèi)中上部風(fēng)流穩(wěn)定在3～4 m/s 范圍內(nèi)，而中下部風(fēng)流受到通風(fēng)除塵器的影響，風(fēng)速相對(duì)減小，在0.8～1.5 m/s 范圍。在除塵器2 m/s 附近范圍內(nèi)，風(fēng)流受到較大影響，部分風(fēng)流進(jìn)入除塵器內(nèi)部進(jìn)行除塵過(guò)濾。

如圖5 為不同呼吸高度截面粉塵濃度分布情況，模擬分析結(jié)果如下：

圖5 不同呼吸高度截面粉塵濃度分布

可以看到，隨著呼吸高度的升高，粉塵濃度逐漸降低。當(dāng)呼吸高度為1.8 m 時(shí)，粉塵濃度距離入口處9.4 m 范圍內(nèi)，且距除塵器4.7 m 半徑內(nèi)，粉塵濃度得到有效降低，平均粉塵濃度2e-06 kg/m3，降低了94.5%，降塵效果最好；當(dāng)呼吸高度1.7 m 時(shí)，可以看到，呼吸高度截面處，距離除塵器4.3 m 范圍內(nèi)，粉塵濃度可以得到有效降低，除塵效果較好，平均粉塵濃度為1e-06 kg/m3，降低了98.8%；當(dāng)呼吸高度為1.6 m 時(shí)，呼吸高度截面處，距離除塵器3.5 m 范圍內(nèi)，粉塵濃度可以得到有效降低，除塵效果較好，平均粉塵濃度3e-06 kg/m3，降低了90.7%。

如圖6 所示為巷道內(nèi)呼吸段粉塵顆粒運(yùn)移情況，可以看到距離除塵器越近粉塵濃度越低，而當(dāng)無(wú)軌膠輪車經(jīng)過(guò)時(shí)，車前后3 m 內(nèi)粉塵濃度相對(duì)較高，最高達(dá)到0.008 kg/m3。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，距除塵器平均在半徑3.5 m 內(nèi)都可達(dá)到較好的除塵效果，當(dāng)無(wú)軌膠輪車經(jīng)過(guò)時(shí)，除塵器也起到較好的通風(fēng)效果，也可減少冬季噴霧降塵的使用，減少巷道內(nèi)泥濘、結(jié)冰情況，降低交通事故的發(fā)生及車輛碰撞的危險(xiǎn)。

圖6 巷道內(nèi)呼吸段粉塵顆粒運(yùn)移情況

4 應(yīng)用建議

基于模擬結(jié)果，可根據(jù)實(shí)際工況及粉塵濃度情況決定除塵器設(shè)備個(gè)數(shù)，除塵通風(fēng)設(shè)備間距7 m，即可起到良好的除塵效果，也可起到較好的通風(fēng)效果，為工人提供一個(gè)清潔安全的生產(chǎn)環(huán)境，保護(hù)了工人的身體健康[8-10]。根據(jù)模擬結(jié)果可知，除塵器半徑3.5 m 范圍內(nèi)都可達(dá)到較好的除塵效果，且設(shè)備的研制成本低、維修方便、占地小，因此本研發(fā)將通風(fēng)系統(tǒng)與除塵系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的思路，可為礦井除塵通風(fēng)系統(tǒng)研制提供一個(gè)良好的理論基礎(chǔ)與參考價(jià)值。如圖7。

圖7 多排濾筒除塵通風(fēng)設(shè)備研制

5 結(jié)論

（1）巷道內(nèi)中下部風(fēng)流受到通風(fēng)除塵器的影響，風(fēng)速相對(duì)減小，在0.8～1.5 m/s 范圍。在除塵器2 m 附近范圍內(nèi)，風(fēng)流受到較大影響，部分風(fēng)流進(jìn)入除塵器內(nèi)部進(jìn)行除塵過(guò)濾。

（2）距離除塵器越近粉塵濃度越低，距除塵器平均在半徑3.5 m 內(nèi)都可達(dá)到較好的除塵效果，可高達(dá)98.8%的降塵效果。當(dāng)無(wú)軌膠輪車經(jīng)過(guò)時(shí)，除塵器起到較好的通風(fēng)效果，也可減少冬季噴霧降塵的使用，減少巷道內(nèi)泥濘、結(jié)冰情況，降低交通事故的發(fā)生及車輛碰撞的危險(xiǎn)。

（3）根據(jù)實(shí)際工況及粉塵濃度情況決定除塵器設(shè)備個(gè)數(shù)，除塵通風(fēng)設(shè)備間距7 m 即可起到良好的除塵效果，也可起到較好的通風(fēng)效果，為工人提供一個(gè)清潔安全的生產(chǎn)環(huán)境。