壓入式通風(fēng)掘進(jìn)巷道粉塵懸浮運(yùn)移規(guī)律研究

陳紹杰，祁銀鴿，李改革

（華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 三河 065201）

煤炭是我國(guó)的主體能源，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各方面都發(fā)揮著重要作用。隨著煤礦采掘機(jī)械化程度的不斷提高，井下粉塵的污染問題日益突出[1]。近年來，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的學(xué)者將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于礦井粉塵運(yùn)移規(guī)律及防治工作的研究。姚玉靜等[2]通過建立符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的掘進(jìn)巷道模型并進(jìn)行模擬，得出了長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)掘進(jìn)巷道中粉塵質(zhì)量濃度的分布規(guī)律；王冕[3]利用數(shù)值模擬軟件和掘進(jìn)巷道相似模擬實(shí)驗(yàn)，研究了壓入式通風(fēng)掘進(jìn)巷道流場(chǎng)對(duì)粉塵運(yùn)移和沉降的影響規(guī)律；姜婉[4]運(yùn)用相似實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了不同風(fēng)筒高度和風(fēng)筒與工作面距離及不同風(fēng)量時(shí)的巷道流場(chǎng)及粉塵分布特征；王凱等[5]利用理論分析和數(shù)值模擬方法，研究了在供風(fēng)量一定時(shí)，不同直徑風(fēng)筒對(duì)巷道內(nèi)的粉塵運(yùn)移規(guī)律的影響；胡勝勇等[6]基于氣固兩相流理論，通過編程計(jì)算了綜掘工作面氣載粉塵運(yùn)移過程，研究了高瓦斯煤層綜掘工作面氣固兩相流動(dòng)特性。

綜上所述，目前對(duì)于掘進(jìn)巷道內(nèi)粉塵運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究，主要集中于掘進(jìn)工作面和巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布及運(yùn)移規(guī)律上，而對(duì)于不同風(fēng)速下掘進(jìn)工作面粉塵在巷道內(nèi)空間分布及懸浮、沉降的時(shí)間規(guī)律研究較少。然而，掌握不同風(fēng)速下巷道內(nèi)粉塵空間分布和懸浮時(shí)間規(guī)律是做好通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及井下粉塵防治工作的關(guān)鍵。因此，在掘進(jìn)巷道壓入式通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，模擬分析風(fēng)筒出風(fēng)口不同風(fēng)速及風(fēng)筒距掘進(jìn)工作面不同距離的情況下，粉塵在掘進(jìn)巷道內(nèi)的空間分布和懸浮、沉降規(guī)律，以期為治理井下掘進(jìn)巷道粉塵污染提供理論支持。

1 掘進(jìn)巷道粉塵運(yùn)移數(shù)學(xué)理論及模型

1.1 氣固兩相流理論

掘進(jìn)巷道內(nèi)部的粉塵在空氣中的分布屬氣固兩相流范疇，因此選用氣固兩相流數(shù)學(xué)模型對(duì)粉塵運(yùn)移軌跡及懸浮規(guī)律進(jìn)行研究。氣固兩相流動(dòng)的研究方法有2 種：①歐拉-歐拉法，亦稱為多相流方法；②歐拉-拉格朗日法，或稱顆粒軌道法[7]。研究采用歐拉-拉格朗日模型的離散相模型（DPM）對(duì)粉塵在風(fēng)流場(chǎng)中的軌跡進(jìn)行模擬，即空氣為連續(xù)相，粉塵顆粒為離散相，用歐拉觀點(diǎn)對(duì)氣相流場(chǎng)進(jìn)行描述，而用拉格朗日觀點(diǎn)描述顆粒運(yùn)動(dòng)。考慮離散相與連續(xù)相之間的耦合作用[8]。

1.2 控制方程

1.2.1 連續(xù)相控制方程

掘進(jìn)巷道空氣流動(dòng)滿足由3 大基本物理定律推導(dǎo)出的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程（Navier－Stokes 方程）、能量方程組成的方程組[9]，將巷道內(nèi)風(fēng)流視為不可壓縮流體，有作為求解控制方程組的微分形式表示。

連續(xù)性方程：

式中：ρ 為流體密度，kg/m3；t 為時(shí)間，s；▽為拉普拉斯算子；V 為流體速度矢量，m/s。

動(dòng)量方程：

式中：f 為單位質(zhì)量流體的體積力，N；▽p 為流體壓力梯度，Pa/m；μ 為動(dòng)力黏度系數(shù)。

能量方程：

式中：e 為單位質(zhì)量流體的內(nèi)能，J；E 為總動(dòng)能，J；Γ 為表面應(yīng)力，N；q 為單位質(zhì)量的體積加熱率，（W·m3）/kg。

湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon 模型，即湍流長(zhǎng)度和時(shí)間尺度分別通過求解2 個(gè)單獨(dú)的運(yùn)輸方程來計(jì)算[10]。

湍動(dòng)能k 的運(yùn)輸方程為：

式中：k 為湍動(dòng)能，m2/s2；ui為i 方向上平均速度分量，m/s；xi、xj分別為i、j 方向上的水平距離，m；GK為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能，kg/（m·s3）；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能，kg/（m·s3）；SK為方程的源項(xiàng)，kg/（m·s3）；μt為湍流黏度系數(shù)；σk為流體的k 的無量綱湍流普朗特?cái)?shù)；ε 為湍流耗散率，%；YM為可壓縮流動(dòng)中波的膨脹對(duì)整體擴(kuò)散率的影響，kg/（m·s3）。

湍動(dòng)耗散率ε 的運(yùn)輸方程為：

式中：C1、C2、C3為常數(shù)；Sε為源項(xiàng)，m2/s4；σε為ε的無量綱湍流普朗特?cái)?shù)。

式中：Cμ為常數(shù)。

1.2.2 離散相控制方程

在FLUENT 求解連續(xù)相的輸運(yùn)方程收斂的基礎(chǔ)上，采用DPM 方法描述和追蹤掘進(jìn)巷道中的粉塵顆粒，并通過對(duì)離散相作用力微分方程求解，來獲得顆粒在拉格朗日坐標(biāo)系中的軌道[11]。其方程為：

式中：uP為離散相速度，m/s；FD（u－uP）為離散相的單位質(zhì)量曳力，N；u 為流體相速度，m/s；gx為x 方向的重力加速度，m/s2；ρP為離散相密度，kg/m3；Fx為其他作用力，N。

式中：CD為曳力系數(shù)；dP為顆粒直徑，m；Re 為相對(duì)雷諾數(shù)（顆粒雷諾數(shù)）。

式中：a1、a2、a3為常數(shù)。

2 掘進(jìn)巷道幾何模型及參數(shù)設(shè)定

2.1 幾何模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力，對(duì)掘進(jìn)巷道進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化：選取掘進(jìn)工作面及其后30 m 作為研究對(duì)象，使用建模軟件Gambit 建立長(zhǎng)30 m、寬5 m、高3 m 的長(zhǎng)方體掘進(jìn)巷道模型。掘進(jìn)巷道幾何模型如圖1。其中，掘進(jìn)機(jī)采用EBH-120 淮南煤機(jī)，并將其簡(jiǎn)化為長(zhǎng)2.1 m、寬0.82 m、高0.95 m 的距掘進(jìn)工作面1 m 的長(zhǎng)方體；壓入式風(fēng)筒直徑0.8 m，懸掛于巷道左側(cè)，風(fēng)筒出風(fēng)口與工作面距離為5 m，風(fēng)筒的軸線距巷道頂板和巷幫均為0.5 m。

圖1 掘進(jìn)巷道幾何模型Fig.1 Driving roadway geometry model

2.2 網(wǎng)格劃分

在幾何模型中，網(wǎng)格劃分的方法和網(wǎng)格的數(shù)量及質(zhì)量對(duì)數(shù)值模擬求解精度有著重要影響。由于Fluent 只能讀取非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，因此使用Gambit 中自帶的網(wǎng)格劃分系統(tǒng)對(duì)幾何模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。選取Tet/Hybrid 類型，使用TGrid 方法，將模型主體劃分為四面體網(wǎng)格單元。Interval size 取0.4，為使計(jì)算更為精確，在風(fēng)筒出風(fēng)口、風(fēng)筒曲面及風(fēng)流與掘進(jìn)機(jī)交匯面等流場(chǎng)復(fù)雜、阻力較大處使用包含六面體、錐形和楔形的混合網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分三視圖如圖2，共包含44 698 個(gè)單元格，9 570 個(gè)結(jié)點(diǎn)。

圖2 網(wǎng)格劃分三視圖Fig.2 Grid mesh divided into three views

2.3 參數(shù)設(shè)置

巷道掘進(jìn)時(shí)，主要產(chǎn)塵點(diǎn)為掘進(jìn)工作面，因此將整個(gè)掘進(jìn)工作面設(shè)為塵源。粉塵顆粒粒度分布選用羅辛-拉姆勒（R-R）分布。模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 方程和SIMPLEC 算法，計(jì)算壓入式通風(fēng)方式下，在掘進(jìn)巷道內(nèi)的風(fēng)流場(chǎng)，單相風(fēng)流場(chǎng)收斂后，創(chuàng)建離散相粉塵顆粒，使用DPM 模型與連續(xù)相進(jìn)行耦合計(jì)算并求解。邊界條件參數(shù)設(shè)定見表1，粉塵源參數(shù)設(shè)定見表2。

表1 邊界條件參數(shù)設(shè)定Table 1 Boundary condition parameters setting

表2 粉塵源參數(shù)設(shè)定Table 2 Dust source parameters setting

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 風(fēng)流場(chǎng)分布

掘進(jìn)巷道中粉塵的擴(kuò)散運(yùn)移受到多種因素共同影響，其中影響最大的是空氣的流場(chǎng)分布，因此掌握風(fēng)流場(chǎng)的分布規(guī)律有助于分析粉塵的擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律?；诖耍饕芯烤侣毠ず粑鼛幏蹓m懸浮規(guī)律，0.5～1.5 m 左右的高度通常被認(rèn)為是呼吸帶的高度；而煤礦井下，行進(jìn)中的礦工呼吸帶的位置可以看作是頂板垂直向下0.4 m 左右處。由于掘進(jìn)機(jī)和帶式輸送機(jī)的存在，掘進(jìn)工作進(jìn)行時(shí)，司機(jī)距工作面2 m 左右，巷道中人行道位于壓風(fēng)筒的對(duì)側(cè)。壓入式通風(fēng)掘進(jìn)巷道，不同出風(fēng)口風(fēng)速下x=2 m、y=-2 m、z=1.5 m 截面速度分布云圖如圖3～圖5。

圖3 不同出風(fēng)口風(fēng)速下x=2 m 截面速度分布云圖Fig.3 Diagrams of cross-section velocity distribution at x=2 m under different air outlet wind speed

圖4 不同出風(fēng)口風(fēng)速下y=-2 m 截面速度分布云圖Fig.4 Diagrams of cross-section velocity distribution at y=-2 m under different outlet wind speed

圖5 不同出風(fēng)口風(fēng)速下z=1.5 m 截面速度分布云圖Fig.5 Diagrams of cross-section velocity distribution at z=1.5 m under different air outlet wind speed

由圖3 可知，掘進(jìn)巷道沿y 軸的速度分布呈現(xiàn)出“大-小-大”的趨勢(shì)，壓風(fēng)筒下側(cè)及對(duì)側(cè)風(fēng)速較大，而由于掘進(jìn)機(jī)和鉆機(jī)等設(shè)備的影響，巷道中部風(fēng)速較小。隨著風(fēng)速的增加，巷道兩側(cè)和中部的風(fēng)流風(fēng)速差距更為明顯，但風(fēng)流速度的集中區(qū)域有所變化，主要集中于壓風(fēng)筒下側(cè)及其對(duì)角處。

由圖4 可知，空氣速度在x=8 m 處開始減小，又在x=15 m 處有1 個(gè)短暫的增大，最后從x=17 m處開始趨于穩(wěn)定。但隨著風(fēng)速的增加，空氣速度2 次增大點(diǎn)提前至x=12 m 處，并在x=3 m 處逐漸形成渦流區(qū)域。這是由于隨著風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)速的增加，巷道內(nèi)部的空氣速度受掘進(jìn)設(shè)備及巷道有限空間的影響加大，最終形成了明顯的渦流結(jié)構(gòu)。

由圖5 可知，在z=1.5 m 行人呼吸帶高度處，空氣速度由掘進(jìn)工作面開始沿x 軸方向減小，并從x=10 m 處開始穩(wěn)定在2.5 m/s；隨著風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)速的增大，靠近掘進(jìn)工作面的高速區(qū)域隨之?dāng)U大，并逐漸在x=3 m 處形成渦流區(qū)域。

3.2 風(fēng)速對(duì)粉塵顆粒懸浮時(shí)間的影響

煤礦井下在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，巷道內(nèi)風(fēng)流速度是影響綜掘工作面所產(chǎn)粉塵懸浮及運(yùn)移的主要因素，因此模擬了4 種不同風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)速下粉塵懸浮情況。壓入式通風(fēng)巷道，不同出風(fēng)口風(fēng)速下粉塵運(yùn)移軌跡如圖6。

圖6 不同出風(fēng)口風(fēng)速下粉塵運(yùn)移軌跡Fig.6 Dust movement track under different air outlet wind speed

由圖6 可知，由于掘進(jìn)設(shè)備和巷道有限空間的影響，空氣風(fēng)流會(huì)在x=3 m 即掘進(jìn)機(jī)處形成渦流區(qū)域，因此大量粉塵會(huì)在此處隨風(fēng)流做渦流懸??；隨著風(fēng)速的增大，渦流越來越明顯，懸浮的粉塵量也隨之增大，但懸浮時(shí)間明顯縮短，這是因?yàn)轱L(fēng)速增大，粉塵顆粒所受的離心力也隨之增大，在強(qiáng)大離心力的作用下，大量粉塵懸浮2～4 s 便被巷幫及巷道頂?shù)装逅蹲?，無法隨風(fēng)流排出巷道。另一方面，風(fēng)速的增大也對(duì)巷道的通風(fēng)除塵造成了較大影響，風(fēng)速的增加能夠縮短粉塵懸浮和排出巷道的時(shí)間，同時(shí)也大大增加了除塵效率，圖6（d）較圖6（a）的出口粉塵排出速度及排塵量增大。

3.3 風(fēng)筒位置對(duì)粉塵顆粒懸浮時(shí)間的影響

《煤礦安全規(guī)程》明文規(guī)定：掘進(jìn)巷道必須采用礦井全風(fēng)壓通風(fēng)或者局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)。因此，局部通風(fēng)的風(fēng)筒位置的變化也是影響掘進(jìn)巷道內(nèi)的粉塵懸浮規(guī)律的重要因素。在研究風(fēng)筒位置對(duì)粉塵懸浮規(guī)律的影響時(shí)，設(shè)定風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)速25 m/s 不變，在原有距離為的5 m 模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，增加風(fēng)筒距掘進(jìn)工作面6 m 和8 m 的2 組模擬實(shí)驗(yàn)。不同距離下粉塵運(yùn)移軌跡如圖7。

圖7 不同距離下粉塵運(yùn)移軌跡FIg.7 Dust movement track at different distances from the driving working surface

由圖7 可知，隨著壓入風(fēng)筒距掘進(jìn)工作面越來越遠(yuǎn)，原有掘進(jìn)機(jī)處的渦流逐漸紊亂，粉塵在巷道中部的擴(kuò)散越發(fā)嚴(yán)重，懸浮時(shí)間加長(zhǎng)。壓入風(fēng)筒與掘進(jìn)工作面距離越遠(yuǎn)，風(fēng)流到達(dá)掘進(jìn)面的風(fēng)速越小，工作人員作業(yè)區(qū)域粉塵擴(kuò)散越嚴(yán)重，排塵效果越差。從巷道尾部及出口可看出，粉塵軌跡紊亂程度逐漸增加，懸浮時(shí)間增大，出口排塵量減小。

4 結(jié) 語

1）基于Gambit 軟件，建立了符合井下實(shí)際掘進(jìn)巷道的幾何模型，為進(jìn)一步研究掘進(jìn)巷道不同風(fēng)速和不同風(fēng)筒位置下粉塵運(yùn)移規(guī)律模擬提供保障。

2）根據(jù)氣固兩相流理論，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon模型和離散相模型（DPM）分別對(duì)壓入式通風(fēng)掘進(jìn)巷道風(fēng)流場(chǎng)和粉塵懸浮規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，得出風(fēng)流在掘進(jìn)設(shè)備處形成渦流區(qū)域，并沿y 方向呈現(xiàn)出“大-小-大”的趨勢(shì)，最終在巷道中部開始趨于穩(wěn)定。

3）分析得出不同風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)速下壓入式通風(fēng)掘進(jìn)巷道中粉塵懸浮規(guī)律，即隨著風(fēng)速的增大，粉塵懸浮量也隨之增大，但由于高速離心力的作用，懸浮時(shí)間減短，粉塵迅速被巷幫及頂?shù)装宀蹲?；風(fēng)速的增大同時(shí)增大了通風(fēng)除塵的除塵效率。

4）壓入風(fēng)筒與掘進(jìn)工作面距離越遠(yuǎn)，粉塵在巷道中擴(kuò)散越嚴(yán)重，懸浮時(shí)間越長(zhǎng)；同時(shí)粉塵軌跡紊亂程度增加，巷道出口處通風(fēng)除塵的排塵量減小。