掘進(jìn)工作面風(fēng)流-粉塵耦合運(yùn)移規(guī)律模擬研究

康樹棕 種化省 屈 華

（1 滕州郭莊礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277220；2 滕州郭莊礦業(yè)有限責(zé)任公司錦丘煤礦，山東 棗莊 277220）

滕州郭莊礦業(yè)錦丘煤礦162-106 上軌道巷掘進(jìn)工作面采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)，生產(chǎn)現(xiàn)場的產(chǎn)塵量和巷道內(nèi)的粉塵濃度較大，嚴(yán)重污染作業(yè)人員的作業(yè)區(qū)域，尤其是掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處。在不采取任何防塵措施的情況下，掘進(jìn)工作面平均粉塵濃度超過200 mg/m3，遠(yuǎn)超國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。因此，為保證掘進(jìn)工作面作業(yè)人員的身心健康、減少罹患塵肺病的概率，保障礦井安全、高效的生產(chǎn)，需對掘進(jìn)工作面壓入式通風(fēng)條件下風(fēng)流-粉塵耦合運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)化研究，以便采取針對性防塵措施。

1 掘進(jìn)工作面物理模型建立

162-106 上軌道巷掘進(jìn)工作面為矩形巷道，巷道凈寬3.4 m，凈高2.3 m，凈斷面積為7.82 m2。施工時采用EBZ135 型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，掘進(jìn)與支護(hù)順序作業(yè)，采用單一壓入式通風(fēng)方式，風(fēng)量為250 m3/min。根據(jù)掘進(jìn)工作面現(xiàn)場情況，采用SolidWorks軟件建立了比例為1:1 的物理模型，如圖1。

圖1 掘進(jìn)工作面物理模型圖

2 掘進(jìn)工作面網(wǎng)格劃分

采用ICEM-CFD 軟件對已建立的物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于物理模型較為復(fù)雜，因此采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終得到網(wǎng)格數(shù)量為777 157，最小網(wǎng)格質(zhì)量為0.360 496，最大網(wǎng)格質(zhì)量為0.999 644，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.713 094。掘進(jìn)工作面網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)如圖2。

圖2 掘進(jìn)工作面網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)圖

3 風(fēng)流-粉塵耦合運(yùn)移數(shù)值模擬研究

使用Fluent 數(shù)值模擬軟件，對掘進(jìn)工作面壓入式通風(fēng)情況下風(fēng)流-粉塵耦合運(yùn)移狀況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過分析風(fēng)流場和粉塵場的數(shù)值模擬結(jié)果，得出掘進(jìn)工作面風(fēng)流-粉塵耦合運(yùn)移規(guī)律。

3.1 掘進(jìn)工作面風(fēng)流場數(shù)值模擬

掘進(jìn)工作面采用單一壓入式通風(fēng)系統(tǒng)，僅包含一個風(fēng)筒，置于巷道右側(cè)。掘進(jìn)工作面風(fēng)流場數(shù)值模擬結(jié)果如圖3。

圖3 掘進(jìn)工作面風(fēng)流場數(shù)值模擬結(jié)果圖

由圖3 可知：

（1）當(dāng)風(fēng)流以14.7 m/s 的速度由壓風(fēng)筒吹入巷道時，由于風(fēng)流速度較高，因此風(fēng)流仍以較高的速度向前運(yùn)移，但巷道空間遠(yuǎn)大于壓風(fēng)筒，風(fēng)流逐漸發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象。因此，壓風(fēng)筒風(fēng)流逐漸演變?yōu)閮刹糠植煌娘L(fēng)流，一部分風(fēng)流運(yùn)移至迎頭位置，另一部分風(fēng)流形成漩渦流。運(yùn)移至迎頭的風(fēng)流場，由于壓風(fēng)口距離迎頭為10 m，因此風(fēng)流沿巷道右側(cè)壁和頂板向迎頭運(yùn)移，撞擊迎頭后反向運(yùn)移，速度逐漸減小為1.2～3.7 m/s。當(dāng)風(fēng)流在掘進(jìn)機(jī)與迎頭之間時，由于壓風(fēng)作用和截割臂的擾亂，風(fēng)流圍繞截割臂做螺旋狀運(yùn)動，并繼續(xù)向巷道后側(cè)方向擴(kuò)散。另一部分漩渦流場，由于壓風(fēng)筒風(fēng)流在進(jìn)入巷道后發(fā)生擴(kuò)散，由巷道右側(cè)壁面逐漸擴(kuò)散至左側(cè)壁面，撞擊左側(cè)壁面后一部分風(fēng)流向巷道右側(cè)運(yùn)移，因此形成渦流場。由于巷道頂板與掘進(jìn)機(jī)機(jī)身間空間較小，因此渦流場相對較大，平均速度處于3.4～7.4 m/s 范圍內(nèi)。另一部分風(fēng)流沿巷道左側(cè)與掘進(jìn)機(jī)左側(cè)間隙向巷道后側(cè)運(yùn)移。

（2）當(dāng)風(fēng)流擴(kuò)散至距迎頭10 m 時，撞擊迎頭的風(fēng)流與渦流場匯合，一同向巷道后側(cè)運(yùn)移。由于掘進(jìn)機(jī)后側(cè)僅有二運(yùn)，空間較為開闊，因此，風(fēng)流場發(fā)生擴(kuò)散，風(fēng)流逐漸充滿整個巷道，風(fēng)流速度逐漸減小為2.2～3.6 m/s。但是由于二運(yùn)、壓風(fēng)筒和皮帶運(yùn)輸機(jī)的阻礙，風(fēng)流場呈紊亂狀態(tài)，風(fēng)流主要圍繞二運(yùn)做螺旋運(yùn)動，逐漸擴(kuò)散至巷道后側(cè)。

（3）當(dāng)風(fēng)流擴(kuò)散至距迎頭24.2 m 時，風(fēng)流場呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，風(fēng)流速度處于0.8～1.2 m/s 范圍內(nèi)。在距迎頭24.2～50 m 范圍內(nèi)，由于巷道內(nèi)僅有壓風(fēng)筒和皮帶運(yùn)輸機(jī)，風(fēng)流場逐漸填充整個巷道斷面，風(fēng)流場處于穩(wěn)定向后運(yùn)移狀態(tài)。由于壓風(fēng)筒與皮帶運(yùn)輸機(jī)的布置位置與風(fēng)流方向一致，因此在風(fēng)流運(yùn)移過程中，沒有障礙對風(fēng)流場造成較大的影響，風(fēng)流速度的變化相對較小。當(dāng)運(yùn)移至巷道出口時，風(fēng)流的平均速度仍在0.6～0.8 m/s 范圍內(nèi)。

3.2 掘進(jìn)工作面粉塵場數(shù)值模擬

對掘進(jìn)工作面粉塵場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，粉塵主要由掘進(jìn)機(jī)截割迎頭的煤巖體產(chǎn)生，粉塵除在重力的作用下沉積在巷道底板和設(shè)備表面，主要受風(fēng)流的作用下在巷道內(nèi)擴(kuò)散。掘進(jìn)工作面粉塵場數(shù)值模擬結(jié)果如圖4 所示。

圖4 掘進(jìn)工作面粉塵場數(shù)值模擬結(jié)果圖

由圖4 可知：

（1）當(dāng)距迎頭18.2 m 范圍內(nèi)，粉塵場處于高濃度階段，此時粉塵濃度處于103～209 mg/m3。掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時，迎頭產(chǎn)生高濃度粉塵，在壓風(fēng)風(fēng)流的作用下向巷道內(nèi)擴(kuò)散。由于迎頭區(qū)域右側(cè)壁面風(fēng)速相對較大，因此粉塵在風(fēng)流場的作用下運(yùn)移至巷道左側(cè)壁面，且在左側(cè)壁面和頂板位置發(fā)生積聚，粉塵濃度處于為163～202 mg/m3，右側(cè)壁面粉塵濃度較低，處于35～94 mg/m3。當(dāng)粉塵擴(kuò)散至渦流場范圍內(nèi)時，由于渦流場中心的沉積作用，粉塵濃度減小，平均粉塵濃度為103 mg/m3。隨著粉塵場繼續(xù)向后側(cè)運(yùn)移，由于10～18.2 m 范圍內(nèi)風(fēng)流場發(fā)生擴(kuò)散，風(fēng)流速度減小，且風(fēng)流場速度分布不均勻，因此粉塵場發(fā)生積聚，粉塵濃度逐漸升高，處于127～209 mg/m3。

（2）當(dāng)距迎頭18.2～42.3 m 范圍內(nèi)，粉塵場處于中濃度階段，此時粉塵濃度處于54～156 mg/m3。在此階段，風(fēng)流場由紊亂逐漸變?yōu)槠椒€(wěn)運(yùn)移，風(fēng)流平均速度發(fā)生衰減，因此粉塵場也發(fā)生沉積，大顆粒粉塵逐漸沉積在巷道底板位置。隨著粉塵擴(kuò)散距離的增大，懸浮的粉塵濃度逐漸減小。

（3）當(dāng)距迎頭42.3～50 m 范圍內(nèi)，粉塵場處于低濃度階段，此時粉塵濃度處于10～61 mg/m3。隨著風(fēng)流擴(kuò)散距離的增大，平均速度發(fā)生一定的減小，粉塵場的沉積情況也逐漸增加，懸浮在空氣中的粉塵濃度也逐漸減小。

4 風(fēng)流-粉塵耦合運(yùn)移現(xiàn)場實測驗證

采用現(xiàn)場實測驗證的方法，通過設(shè)置測點，對錦丘煤礦162-106 掘進(jìn)工作面進(jìn)行現(xiàn)場實測，獲取各測點的風(fēng)流速度和粉塵濃度數(shù)據(jù)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測結(jié)果對比如圖5 所示。

圖5 數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測結(jié)果對比圖

由圖5 可知：

各測點處風(fēng)流速度和粉塵濃度的數(shù)值模擬值與現(xiàn)場實測值相對誤差較小，分別小于6.25%和6.75%，證明數(shù)值模擬所得風(fēng)流-粉塵耦合規(guī)律具有較高準(zhǔn)確性，對現(xiàn)場生產(chǎn)具有較好的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

（1）錦丘煤礦162-106 掘進(jìn)工作面使用單一壓入式通風(fēng)時，隨著距迎頭距離的增大，風(fēng)流場分布呈現(xiàn)“渦流-紊亂-平穩(wěn)”狀態(tài)。在距離迎頭0～24.2 m 范圍內(nèi)時，由于出風(fēng)口壓風(fēng)射流和掘進(jìn)機(jī)的阻擋，風(fēng)流場呈現(xiàn)渦流狀態(tài)和紊亂狀態(tài)，風(fēng)流分布不均勻，平均風(fēng)速處于2.2～7.4 m/s 范圍內(nèi)。在距離迎頭24.2～50.0 m范圍內(nèi)時，風(fēng)流場處于平穩(wěn)狀態(tài)，風(fēng)流場均勻地分布在巷道內(nèi)，風(fēng)流穩(wěn)定向巷道后側(cè)運(yùn)移，平均風(fēng)速處于0.6～1.2 m/s 范圍內(nèi)。

（2）掘進(jìn)工作面使用單一壓入式通風(fēng)系統(tǒng)時，巷道內(nèi)的粉塵濃度呈現(xiàn)“高-中-低”濃度分布。距迎頭0～18.2 m 范圍內(nèi)粉塵濃度處于103～209 mg/m3，距迎頭18.2～42.3 m 范圍內(nèi)粉塵濃度處于54～156 mg/m3，距迎頭42.3～50.0 m 范圍內(nèi)粉塵濃度處于10～61 mg/m3。

（3）對錦丘煤礦162-106 掘進(jìn)工作面風(fēng)流-粉塵耦合擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行現(xiàn)場實測驗證，結(jié)果表明數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測結(jié)果相對誤差較小，證明數(shù)值模擬結(jié)果具有較高準(zhǔn)確性。由于巷道內(nèi)整體粉塵濃度較高，因此需要進(jìn)一步采取相關(guān)的治理措施，實現(xiàn)對巷道內(nèi)高濃度粉塵的治理。

6 掘進(jìn)工作面粉塵治理建議

（1）增加礦用濕式除塵風(fēng)機(jī)，降低巷道內(nèi)平均粉塵濃度?；诘V用濕式除塵風(fēng)機(jī)的負(fù)壓抽風(fēng)作用和高效除塵作用，可將巷道內(nèi)迎頭產(chǎn)生的高濃度粉塵吸除凈化，并通過合理布置除塵風(fēng)機(jī)位置和抽風(fēng)筒抽風(fēng)口位置，實現(xiàn)對巷道內(nèi)工人和掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的保護(hù)。

（2）優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)外噴霧系統(tǒng)，增設(shè)全斷面噴霧裝置。對掘進(jìn)機(jī)外噴霧噴嘴進(jìn)行優(yōu)化，采用防堵型廣角霧化噴霧，提高噴嘴的有效作業(yè)數(shù)量，并使噴霧場有效包裹截割頭。增設(shè)全斷面噴霧裝置，使用全斷面噴霧場將迎頭斷面包裹，降低迎頭逸散至巷道內(nèi)的粉塵濃度，實現(xiàn)粉塵的源頭治理，從而凈化巷道作業(yè)環(huán)境。

（3）通過增加噴霧降塵劑或泡沫除塵劑，進(jìn)一步提高降塵效率。對掘進(jìn)機(jī)噴霧所用水源中添加噴霧降塵劑或泡沫除塵劑，進(jìn)一步降低水的表面張力，提高噴霧場對粉塵的潤濕能力，有效提高單位耗水量的降塵效率。

（4）選取合適的壓風(fēng)量，提高通風(fēng)排塵效率。掘進(jìn)工作面壓風(fēng)流場能夠有效排出迎頭高濃度粉塵，通過適當(dāng)增加壓風(fēng)量，將迎頭處高濃度粉塵快速輸送到回風(fēng)巷，從而稀釋巷道內(nèi)高濃度粉塵，減少巷道內(nèi)的平均粉塵濃度，保護(hù)煤工尤其是掘進(jìn)機(jī)司機(jī)身體健康。