煤礦井下大傾角綜采面通風(fēng)降塵系統(tǒng)的應(yīng)用研究

白 亮

（山西陽泉盂縣辰通煤業(yè)有限公司， 山西 盂縣 045100）

引言

隨著綜采技術(shù)的不斷發(fā)展，大傾角綜放面的綜采技術(shù)不斷得到應(yīng)用推廣，由于在大傾角工作面中，產(chǎn)塵點(diǎn)多、粉塵量大、巷道傾角大，氣體流動(dòng)時(shí)受各因素影響量大，易產(chǎn)生紊流，對(duì)綜放面內(nèi)的降塵產(chǎn)生了不利影響。目前多數(shù)煤礦生產(chǎn)企業(yè)主要是考慮采用噴霧降塵方式對(duì)巷道內(nèi)的粉塵濃度進(jìn)行抑制，但在大傾角工作面中，因地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)噴霧降塵方式提出了更高的要求，其應(yīng)用受到了較大的限制，當(dāng)前研究也較少地對(duì)大傾角工作面的通風(fēng)降塵系統(tǒng)進(jìn)行研究，造成了大傾角綜采工作面粉塵濃度居高不下，嚴(yán)重影響了煤炭生產(chǎn)企業(yè)的正常生產(chǎn)和作業(yè)人員的身體健康。

本文以大傾角綜放面的粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律為研究方向，以氣固兩相理論為研究基礎(chǔ)，建立大傾角綜放工作面的仿真模型，利用流體仿真分析軟件對(duì)不同通風(fēng)特性下粉塵的移運(yùn)規(guī)律進(jìn)行了仿真分析，確定適用于大傾角綜放工作面的最優(yōu)的通風(fēng)方式及通風(fēng)系統(tǒng)的氣體流動(dòng)速度。

1 氣固兩相計(jì)算原理及仿真分析模型的建立

對(duì)于離散相可通過對(duì)Lagrangian 參考系下的離散相顆粒的運(yùn)動(dòng)方程的積分來求解其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。對(duì)于氣流連續(xù)相，可通過湍流流動(dòng)方程[1]確定在工作面的速度流場和壓力分布情況。在大傾角綜采面中為氣固兩相的耦合的過程，因此在實(shí)際分析時(shí)可先得出連續(xù)收斂的流場，然后再設(shè)置一個(gè)氣流流場的噴射源，得到離散相進(jìn)行耦合，在每一次的耦合中均可計(jì)算出固相的運(yùn)行軌跡及其在每一個(gè)流體單元內(nèi)的熱量和動(dòng)量交換項(xiàng)，在更替中可利用已有的計(jì)算結(jié)果重新對(duì)相鄰的固液混合相進(jìn)行連續(xù)流場和固體顆粒相的重新分布計(jì)算。

為了對(duì)實(shí)際井下大傾角綜采工作面內(nèi)的流場情況進(jìn)行分析，首先利用三維建模軟件，根據(jù)某礦井下大傾角綜采工作面的實(shí)際尺寸，設(shè)置了一個(gè)尺寸為150 m×5.1 m×3.5 m、工作傾角為30°的綜采模擬區(qū)域，利用Fluent 流體分析軟件對(duì)建立的三維模擬區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分[2]，其三維模型如圖1 所示。

圖1 大傾角綜采面的三維結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)井下綜采面的實(shí)際工作情況，在對(duì)仿真分析進(jìn)行邊界條件設(shè)定時(shí)，在上行通風(fēng)時(shí)，將通風(fēng)口設(shè)置在巷道的底部，在巷道頂部設(shè)置為氣流出口位置。在下行通風(fēng)時(shí)，將通風(fēng)口設(shè)置在巷道的頂部，在巷道底部設(shè)置為氣流出口位置，各參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 仿真分析參數(shù)設(shè)置

2 不同通風(fēng)方式的降塵效果研究

在對(duì)不同通風(fēng)方式對(duì)巷道內(nèi)粉塵的沉降效果進(jìn)行研究時(shí)，利用湍流流動(dòng)方程模型以及穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行求解。分析時(shí)沿著巷道長度方向，每隔5000 mm設(shè)置一個(gè)求解分析截面，用于對(duì)巷道內(nèi)的氣流流動(dòng)方向?qū)Ψ蹓m質(zhì)量濃度的影響進(jìn)行研究，在沿y 軸正方向，高度為1700 mm 處設(shè)置一個(gè)水平工作剖面，用于研究在呼吸帶高度上的風(fēng)速對(duì)巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度分布的影響進(jìn)行研究。在沿著z 軸正方向上3000 mm 位置處設(shè)置一個(gè)縱向切面，用于對(duì)在巷道人行通道處（兩液壓支架間位置）的風(fēng)速和粉塵的質(zhì)量濃度分布進(jìn)行研究。

分別對(duì)上行通風(fēng)和下行通風(fēng)情況下巷道內(nèi)不同截面位置的風(fēng)速分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 上行通風(fēng)情況下的風(fēng)速（m/s）分布示意圖

圖3 下行通風(fēng)情況下的風(fēng)速（m/s）分布示意圖

由圖2、圖3 仿真分析結(jié)果可知，在上行通風(fēng)的情況下，沿巷道內(nèi)采煤機(jī)推進(jìn)方向其風(fēng)速分布逐漸增大，在采煤機(jī)位置，其風(fēng)速約為2.2 m/s，在該區(qū)域風(fēng)速增加較慢，當(dāng)越過采煤機(jī)后，風(fēng)速最大可增至4.2 m/s。而下行通風(fēng)的情況下，沿采煤機(jī)的推進(jìn)方向其風(fēng)速逐漸增加，在風(fēng)速越過采煤機(jī)后，巷道長度較大，其風(fēng)速主要分布在3.6～4.6 m/s 范圍內(nèi)。

分別對(duì)上行通風(fēng)和下行通風(fēng)情況下巷道內(nèi)不同截面位置粉塵的質(zhì)量濃度分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4、圖5 所示。

由圖4、圖5 仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)在上行通風(fēng)情況下，巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度的最大值主要在采煤機(jī)的截割滾筒位置，其最大粉塵濃度約為6500 mg/m3，在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)的位置，其粉塵濃度穩(wěn)定在約1500 mg/m3。而當(dāng)在下行通風(fēng)時(shí)，其最大粉塵質(zhì)量濃度出現(xiàn)在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)的位置約10000 mm 處，其最大粉塵濃度約為3000 mg/m3。

圖4 上行通風(fēng)情況下的粉塵質(zhì)量濃度（kg/m3）分布示意圖

圖5 下行通風(fēng)情況下的粉塵質(zhì)量濃度（kg/m3）分布示意圖

在下行通風(fēng)的情況下，在采煤機(jī)的下風(fēng)側(cè)的位置，巷道內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度逐漸的降低，在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)的位置，粉塵質(zhì)量的濃度逐漸穩(wěn)定在450～550 mg/m3之間，在人行通道上呼吸帶上的粉塵質(zhì)量濃度要顯著地低于上行通道情況下的粉塵質(zhì)量濃度分布。

3 上行通風(fēng)與下行通風(fēng)的降塵機(jī)理研究

在煤礦井下綜采面中，粉塵顆粒的運(yùn)行狀態(tài)主要是由氣流浮力以及在顆粒質(zhì)量垂直與斜面方向的分量共同作用的結(jié)果。在不同通風(fēng)方式情況下粉塵顆粒的受力如圖6 所示[3]。

圖6 不同通風(fēng)情況下的粉塵受力示意圖

圖6 中，v 表示氣流的流動(dòng)速度；v′表示粉塵顆粒的沉降速度；v″表示氣流流動(dòng)速度在垂直于巷道斜面上的速度分量；α 為巷道傾角。在下行通風(fēng)的情況下v′和v″的方向相同，巷道內(nèi)的氣流會(huì)對(duì)粉塵的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)垂直向下的加速度的分量，此時(shí)重力加速度方向和氣流作用下的分量相疊加，其粉塵更容易產(chǎn)生分量。當(dāng)在上行通風(fēng)的情況下，v′和v″的方向相反，在氣流作用下產(chǎn)生的加速度的分量和重力加速度的方向相反，導(dǎo)致粉塵在分力的作用下難以發(fā)生沉降。

4 下行通風(fēng)情況下最優(yōu)風(fēng)速的確定

為驗(yàn)證在下行通風(fēng)情況下，不同的風(fēng)速對(duì)粉塵沉降特點(diǎn)的影響，本文利用Fluent 仿真分析軟件對(duì)在大傾角工作面在不同風(fēng)速下的粉塵分布規(guī)律進(jìn)行模擬[4]，導(dǎo)出分析數(shù)據(jù)結(jié)果，將對(duì)綜采工作面影響最大的綜采工作區(qū)、人行巷道區(qū)以及架前空間處的粉塵質(zhì)量濃度分布情況進(jìn)行研究，其結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 仿真分析結(jié)果可知，隨著氣流速度的逐漸增加，其在各工作區(qū)采煤機(jī)附近的粉塵質(zhì)量濃度先逐漸降低，然后再升高，當(dāng)風(fēng)速約為3 m/s 時(shí)的粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到最低，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加后粉塵的質(zhì)量濃度又逐漸增大，這主要是在氣流影響下，風(fēng)速越大，其容易導(dǎo)致已沉降的粉塵被卷起，導(dǎo)致?lián)P塵。

圖7 不同風(fēng)速情況下的粉塵顆粒移運(yùn)分布規(guī)律

5 結(jié)論

1）上行通風(fēng)情況下在人行通道空間內(nèi)粉塵的質(zhì)量濃度約在1500mg/m3，而當(dāng)采用下行通風(fēng)時(shí)在相同人行通道空間內(nèi)其粉塵的質(zhì)量濃度約為450～550mg/m3之間，顯著低于上行通風(fēng)時(shí)的粉塵質(zhì)量濃度分布。

2）下行通風(fēng)時(shí)，氣流分量和重力加速度方向均垂直向下，更利于粉塵的沉降；上行通風(fēng)時(shí)氣流分量和重力加速度方向相反，不利于粉塵的沉降。

3）當(dāng)巷道內(nèi)的氣流流速為3 m/s 時(shí)對(duì)粉塵顆粒的沉降效果最好。