基于DPM模型的掘進工作面粉塵運移規(guī)律研究*

王崇平,楊喜君,閆濤,劉元強,王亮

(1.國能億利能源有限責(zé)任公司黃玉川煤礦, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯市 017000;2.青島創(chuàng)飛科智能科技有限公司, 山東 青島市 266590;3.山東科技大學(xué), 山東 青島市 266590)

綜掘工作面是煤礦井下主要的塵源之一[1-3],粉塵最高濃度超過1500 mg/m3,粉塵環(huán)境下工作的工人容易患上職業(yè)病,對工人的身體健康造成嚴(yán)重威脅[4]。為了避免綜掘工作面出現(xiàn)粉塵積聚,發(fā)生煤礦安全事故,大多采用壓入式通風(fēng)降塵[5-8],壓入式通風(fēng)的優(yōu)點是安裝方便,有效射程大、沖淡作用強,對于工作面有瓦斯存在的情況下采用這種通風(fēng)方式更安全[9-11]。本文應(yīng)用Fluent軟件對不同的供風(fēng)距離以及風(fēng)量下的綜掘面模型進行仿真分析,研究綜掘工作面風(fēng)流場分布以及粉塵的運移規(guī)律,并在此模型基礎(chǔ)上加入附壁風(fēng)筒進行改進,以提高降塵效率。

1 模型構(gòu)建

1.1 幾何模型

根據(jù)綜采面的現(xiàn)場調(diào)研情況,忽略巷道內(nèi)較小的設(shè)備,對掘進機和風(fēng)筒進行簡化,利用Solidworks建立綜掘工作面的幾何模型,如圖1所示。其中巷道長、寬、高分別為50 m、4 m、4 m;掘進機距離掘進面迎頭2 m;風(fēng)筒直徑為0.8 m,距離地面3 m,距離掘進面8 m。利用Mesh對幾何模型進行四面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格尺寸選取為0.3 m,并對掘進機、風(fēng)筒等局部區(qū)域進行網(wǎng)格加密,網(wǎng)格尺寸為0.1 m,共劃分295 826個節(jié)點和1 526 924個單元。

圖1 綜掘工作面模型

1.2 邊界條件設(shè)置

將劃分好網(wǎng)格的幾何模型導(dǎo)入Fluent中,對連續(xù)相以及離散相模型的邊界條件進行參數(shù)設(shè)置,見表1。

表1 邊界條件以及參數(shù)設(shè)置

2 風(fēng)流場分布規(guī)律

連續(xù)相邊界條件設(shè)置完成后,對風(fēng)流場進行求解,采用風(fēng)流速度云圖以及矢量圖來展現(xiàn)綜掘工作面的風(fēng)流場分布情況,圖2、圖3分別為綜掘面不同高度的速度云圖和矢量圖,從上到下依次是頂板附近y=3 m、呼吸帶高度附近y=1.6 m以及底板附近y=0.7 m。

圖2 綜掘工作面不同高度速度云圖

圖3 綜掘工作面不同高度速度矢量圖

從圖2、圖3可知,高速風(fēng)流從壓風(fēng)筒出口流向掘進面,在到達綜掘面之前流場穩(wěn)定,風(fēng)流到達綜掘面后因受到綜掘面的阻擋,風(fēng)流向巷道兩側(cè)分流,由于風(fēng)筒靠近巷道左側(cè)導(dǎo)致大部分風(fēng)流向巷道右側(cè)分流,風(fēng)流在撞擊綜掘面后因動能損耗而導(dǎo)致風(fēng)速減小,遵循高速貼壁射流規(guī)律。風(fēng)筒左側(cè)由于空間狹小,不受掘進機影響,在分流后沿巷道出口方向繼續(xù)流動;風(fēng)筒右側(cè)風(fēng)流由于受到掘進機的阻滯,導(dǎo)致流場紊亂,并且在掘進機上方形成眾多小渦流區(qū),渦流區(qū)流場復(fù)雜,遠離渦流區(qū)后流場趨于穩(wěn)定。

3 粉塵分布規(guī)律

連續(xù)相模型計算完成后,開啟離散相模型,并在工作面位置加入粉塵源,得到了綜掘面不同高度的粉塵濃度分布,如圖4所示,從上到下依次為y=3 m、y=2 m、y=1 m,圖5為y=3 m、y=2 m時巷道截面粉塵濃度與工作面距離關(guān)系。

圖4 綜掘工作面不同高度粉塵質(zhì)量濃度分布

圖5 粉塵質(zhì)量濃度與工作面所處距離關(guān)系

從圖4可以看出,越靠近底板(y越小),粉塵平均質(zhì)量濃度越高。風(fēng)流攜帶塵源處的粉塵向巷道出口擴散過程中,由于受到掘進機的阻滯,導(dǎo)致大量粉塵積聚在掘進機附近以及巷道角落。從圖5可以看出,在距離產(chǎn)塵面5 m范圍內(nèi)(0＜x＜5 m),雖然粉塵質(zhì)量濃度急劇下降,但是平均濃度超過了800 mg/m3,此區(qū)域?qū)儆诜蹓m防治的重點區(qū)域;在距產(chǎn)塵面5 m后(x＞5 m),由于風(fēng)流場趨于穩(wěn)定,粉塵得以緩慢流出巷道,粉塵平均質(zhì)量濃度小于150 mg/m3。

3.1 供風(fēng)距離對粉塵運移的影響

風(fēng)筒出口到掘進面的距離L稱為供風(fēng)距離,保持其他參數(shù)不變,對不同供風(fēng)距離下的粉塵運移規(guī)律進行研究,分別取L=5 m、L=8 m、L=10 m進行數(shù)值模擬分析,得到了沿x軸方向粉塵質(zhì)量濃度的變化情況,如圖6所示。

從圖6可以看出,隨著距工作面距離的增大,巷道內(nèi)粉塵濃度先急劇下降然后緩慢下降最后趨于穩(wěn)定。在距工作面距離2 m內(nèi)(x＜2 m),由于距塵源處較近,三種不同供風(fēng)距離情況下的粉塵濃度相差不大,平均濃度均超過了1000 mg/m3;在x＞2 m,供風(fēng)距離為5 m時,由于風(fēng)筒距綜掘面迎頭過近,風(fēng)流在發(fā)生轉(zhuǎn)向時風(fēng)速較大,攜帶的粉塵容易撞擊頂板壁面以及掘進機造成動能損失,從而積聚在掘進機附近;當(dāng)供風(fēng)距離為11 m時,由于風(fēng)筒距綜掘面迎頭過遠,風(fēng)流在負(fù)壓作用下向風(fēng)筒出口流動時形成的渦流區(qū)面積較大,大量粉塵受渦流影響彌漫在巷道中,從而導(dǎo)致巷道中粉塵平均濃度高;當(dāng)供風(fēng)距離為8 m時,粉塵平均濃度最低,為最優(yōu)供風(fēng)距離。

圖6 粉塵質(zhì)量濃度分布

3.2 通風(fēng)風(fēng)速對粉塵運移的影響

為了研究不同風(fēng)速對粉塵運移的影響,在供風(fēng)距離L=8 m的情況下,分別取風(fēng)筒出口風(fēng)速V為5 m/s、7 m/s、10 m/s、12 m/s進行數(shù)值模擬,得到了距綜掘面迎頭0.5 m和0.8 m處橫截面的粉塵質(zhì)量濃度分布云圖,如圖7所示。

圖7 綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度分布

從圖7可以看出,隨著通風(fēng)風(fēng)速的增加,綜掘面粉塵平均質(zhì)量濃度先減小后增大。當(dāng)風(fēng)速V為5 m/s時,巷道前方積聚著大量粉塵,當(dāng)風(fēng)速增加到10 m/s時,巷道前方粉塵平均質(zhì)量濃度明顯降低,這是由于風(fēng)速越大,風(fēng)流攜帶粉塵的能力越強,粉塵越容易排出巷道,當(dāng)風(fēng)速增加到12 m/s時,巷道內(nèi)粉塵平均質(zhì)量濃度出現(xiàn)增加的趨勢,這時由于風(fēng)速過大,導(dǎo)致粉塵難以沉降,并且已經(jīng)沉降的粉塵出現(xiàn)二次揚塵現(xiàn)象,所以風(fēng)速V為10 m/s時,既有利于排塵又不易揚塵,為最優(yōu)通風(fēng)風(fēng)速。

3.3 附壁風(fēng)筒對粉塵運移的影響

為了提高排塵效果,對壓入式通風(fēng)進行改進,將附壁風(fēng)筒安裝在壓風(fēng)筒出口附近進行數(shù)值模擬,保持其他參數(shù)不變,將附壁風(fēng)筒出口設(shè)置為速度入口,圖8為距綜掘面迎頭10 m、13 m、16 m處巷道截面的風(fēng)流矢量圖,圖9為y=1.6 m處巷道截面粉塵質(zhì)量濃度分布云圖,從上到下分別為改進后和改進前。

圖8 巷道截面風(fēng)流矢量圖

圖9 巷道截面濃度分布云圖

從圖8可以看出,附壁風(fēng)筒噴射的高速徑向風(fēng)流由于附壁效應(yīng),形成螺旋氣流,粉塵受到螺旋氣流的卷吸作用被限制在螺旋氣流中,進而有效地阻擋了粉塵向巷道四周擴散。從圖9可以看出,安裝附壁風(fēng)筒后,高濃度粉塵區(qū)域主要集中在巷道角落處,巷道內(nèi)粉塵平均質(zhì)量濃度明顯降低,排塵效果得到明顯改善。

4 結(jié)論

(1)從風(fēng)筒噴射的高速風(fēng)流在分流后,會在掘進機上方形成渦流區(qū),導(dǎo)致流場紊亂,在遠離渦流區(qū)后,流場趨于穩(wěn)定;在安裝附壁風(fēng)筒后,由于附壁效應(yīng),形成不斷前進的螺旋氣流,從而阻礙粉塵向巷道四周擴散。

(2)綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度隨供風(fēng)距離以及風(fēng)速的增加,出現(xiàn)先減小后增大的趨勢,綜合分析距綜掘工作面不同距離下粉塵的具體濃度情況以及分布云圖,在供風(fēng)距離L為8 m、風(fēng)筒出口風(fēng)速V為10 m/s時,巷道內(nèi)粉塵平均質(zhì)量濃度最低。

(3)采用壓入式通風(fēng)方式進行排塵,巷道角落以及掘進機附近屬于粉塵重點防治區(qū)域,同時可以在壓風(fēng)筒上安裝附壁風(fēng)筒以提高排塵效果。