綜采工作面割煤作業(yè)粉塵運移擴散規(guī)律模擬

張鎖 許茂業(yè) 董俊亮 胡園園 徐超 蘇明清 黎梟

（1.神華新街能源有限責任公司，鄂爾多斯 017000；2.中國礦業(yè)大學（北京） 共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學（北京） 應急管理與安全工程學院，北京100083）

摘 要：為掌握礦井采煤工作面粉塵運移擴散規(guī)律、對井下綜采工作面空間防塵系統(tǒng)設計提供依據(jù)，以新街臺格廟礦區(qū)規(guī)劃的大采高工作面為研究背景，運用Solidworks和ANSYS軟件建立采煤工作面幾何物理模型，結(jié)合氣固兩相流理論對采煤機割煤作業(yè)粉塵運動情況進行數(shù)值模擬。

對比分析不同入口風速、采煤機工作方式和粉塵粒徑時工作面粉塵濃度分布特征。結(jié)果表明：工作面風速在沿程方向上整體呈現(xiàn)低-高-低的波動趨勢，在采空區(qū)至煤壁方向上逐漸增高；在采煤機下風側(cè)滾筒截煤粉塵疊加形成長度達60 m的高濃度粉塵區(qū)，濃度超2 000 mg/m3；采面入口風速是影響粉塵濃度的主要因素，采面粉塵峰值濃度與沿程濃度隨風速增加而降低；采煤機工作方式改變使得粉塵濃度在水平高度上分布出現(xiàn)顯著差異，造成粉塵重點防治區(qū)域變化；粉塵粒徑越小，工作面呼吸帶高度粉塵峰值濃度越高，粉塵顆粒漂浮現(xiàn)象越明顯。研究結(jié)果有效掌握了大采高工作面粉塵運移擴散規(guī)律，為工作面防塵布置提供參考，對實現(xiàn)綜采工作面的安全開采具有指導意義。關(guān)鍵詞：采煤工作面；粉塵濃度；粉塵運移；數(shù)值模擬中圖分類號：TD 714

文獻標志碼：

A

文章編號：1672-9315（2023）06-1079

-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0606開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Simulation of dust migration and diffusion law in coal cutting

operation at fully mechanized coal mining face

ZHANG Suo1，XU Maoye1，DONG Junliang1，HU Yuanyuan2，3，XU Chao2，3，SU Mingqing2，3，LI Xiao3

（1.Shenhua Group Xinjie Energy Co.，Ltd.，Ordos 017000，China；

2.Beijing Key Laboratory for Precise Mining of Intergrown Energy and Resources，

China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China；

3.School of Emergency Management and Safety Engineering，

China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

Abstract：In order to grasp the law of dust migration and diffusion in coal mining face and provide the basis for the design of space dust prevention system in underground fully mechanized coal mining face，the large mining height working face planned in Taigemiao Mining Area of Xinjie was taken as the research background，and the geometric physical model of coal mining face was established by using such softwares as Solidworks and ANSYS software.Combined with the theory of gas-solid two-phase flow，the dust movement in coal cutting operation of shearer was numerically simulated.Based on the dust simulation results of coal cutting operation，the dust concentration distribution characteristics of working face under different inlet wind speed，working mode of shearer and dust particle size were compared and analyzed.The results show that the wind speed of the working face

displays

low-high-low fluctuation trend in the direction along the way，and gradually increases in the direction from the goaf to the coal wall；the high concentration dust area with a length of 60 m is formed by the superposition of coal cutting dust on the downwind side of the shearer drum，and the concentration exceeds 2 000 mg / m3.The inlet wind speed of the mining face is the main factor affecting the dust concentration.The peak? concentration and along-way? concentration of dust on the mining face decrease with the increase of wind speed.The change of working mode of shearer makes the distribution of dust concentration in horizontal height significantly different，resulting in the change of key prevention and control areas of dust.The smaller the particle size of the dust，the higher the peak concentration of the respiratory zone height of the working face，and the more obvious the floating phenomenon of the dust particles.The research results effectively grasp the dust migration and diffusion law of large mining height working face，provide reference for the dust prevention layout of working face，and have guiding significance for the safe mining of fully mechanized mining face.Key words：coal mining faces；dust concentration；dust transport；numerical simulation

0 引 言隨著中國煤礦開采機械化水平的提高，開采過程中產(chǎn)生的粉塵量也成倍增加。煤塵不僅會造成爆炸、加速機械設備的磨損和老化，還會污染生產(chǎn)環(huán)境，從而對工作人員的身心健康造成威脅，也不利于安全作業(yè)的開展［1-3］。截至2021年，全國累計報告職業(yè)病例約102.5萬例，其中，職業(yè)性塵肺病例約91.5萬例，占比約89.27%［4-5］，且每年新增的煤工塵肺病例仍然高居不下，絕大部分來自煤礦從業(yè)人員。根據(jù)現(xiàn)場實測，在綜釆工作面無任何防塵措施的情況下，多工序共同作業(yè)，人員主要作業(yè)區(qū)的時間加權(quán)總粉塵質(zhì)量濃度可達500～850 mg/m3，嚴重超過國家標準［6］。煤礦粉塵防治關(guān)系到職業(yè)健康安全生產(chǎn)的重大問題，亟待解決。國內(nèi)外學者基于綜采面塵源的分布及其相關(guān)特點，對采煤工作面正常作業(yè)時粉塵運移擴散機理開展了研究［7-10］。楊勝來等學者

利用氣固兩相流理論，得到作業(yè)面風流流動和井下巷道內(nèi)粉塵運移的數(shù)學模型，為作業(yè)面粉塵運移研究打下了基礎［11-12］；樊建人、羅坤等在對空氣中的煤塵顆粒進行受力分析的基礎上，研究其運動軌跡，建立了煤塵顆粒碰撞的數(shù)學模型和多相流耦合模型［13-14］；徐景德等根據(jù)掘進工作面、普采工作面和綜采工作面主要塵源的相對位置，分別設計試驗模型比較了不同風速條件下的風流排塵能力［15］；時訓先等運用氣固兩相流運動方程，導出模擬綜采工作面的相似準則數(shù)，設計試驗模擬工作面巷道，分析綜采工作面粉塵運動規(guī)律［16］，研究認為影響綜采面粉塵濃度分布的主要因素有塵源性質(zhì)和綜采面風速；聶百勝等學者通過對煤礦綜采面粉塵濃度的測量，對比研究不同作業(yè)區(qū)間的粉塵粒徑與粉塵濃度隨風流的變化規(guī)律［17］；蔣仲安等建立了雙塵源耦合下的呼吸性粉塵擴散模型，該模型求解結(jié)果可用于實際礦井下工作面呼吸性粉塵質(zhì)量濃度的預測［18］。數(shù)值模擬擁有高效、方便、結(jié)果可視化強等優(yōu)點，目前國際學術(shù)界已廣泛應用數(shù)值模擬研究綜采工作面粉塵的擴散污染規(guī)律。CAI、XIU等運用數(shù)值模擬研究了各種風流參數(shù)對煤塵顆粒污染物擴散的影響，得到作業(yè)時粉塵在采面的分布特征以及工作面適宜的除塵風量范圍［19-20］；結(jié)合大采高工作面特點，DU、王存飛、喬金林等通過實測加模擬的方式研究大采高綜采工作面在多工序、多塵源情況下的粉塵質(zhì)量濃度分布情況，為工作面防、降塵系統(tǒng)設計提供依據(jù)［21-23］。

隨著煤炭資源的機械化開采，粉塵彌散規(guī)律日益復雜，

對于采煤工作面粉塵運移擴散機理的研究尚不明確［24-26］。新街臺格廟礦區(qū)是國家煤炭戰(zhàn)略儲備基地，是神東礦區(qū)的重要接續(xù)區(qū)，目前處于規(guī)劃階段。文中采用數(shù)值模擬手段，深入研究新街臺格廟礦區(qū)規(guī)劃工作面的粉塵擴散污染規(guī)律，對工作面防塵方案的制定提供理論指導。

1 數(shù)值模型構(gòu)建與模擬方案

1.1 氣固兩相模型為研究粉塵顆粒在流場中的運動過程及其規(guī)律，采用歐拉-拉格朗日方法建立流場的數(shù)學模型。用歐拉法描述工作面風流流動，用拉格朗日法描述粉塵顆粒的運動。質(zhì)量守恒控制方程為

式中 Gk為運動均速梯度不同產(chǎn)生的湍流動能，kg/（s3·m）；Gb為由浮力影響造成的湍動能；k為湍流動能，m2·s-2；ε為湍流動能耗散率，m2·s-3；σk，σε分別為k方程與ε方程紊流普朗特數(shù)。

1.2 幾何模型

新街一井規(guī)劃首采煤層厚度為1.26～4.14 m，采用一次采全高綜采技術(shù)，用全部垮落法管理頂板。運用Solidworks軟件建立工作面三維幾何模型，工作面尺寸為（長×寬×高）350 m×5.0 m×4.0 m，主要由1架采煤機與200架液壓支架組成，沿傾向工作面被劃分為移架完成區(qū)、采煤區(qū)和未采區(qū)。為提高計算效率，對采面的計算區(qū)域進行適當簡化，建模結(jié)果如圖1所示。

針對上述作業(yè)場景，利用Fluent Meshing進行網(wǎng)格劃分。采煤區(qū)網(wǎng)格尺寸取0.2 m，其余區(qū)域網(wǎng)格劃分尺寸最大值限制取0.4 m。以畸形度為網(wǎng)格評判標準，網(wǎng)格最大畸形度為0.7，最小畸形度為0，平均畸形度為0.26，劃分結(jié)果如圖2所示。

1.3 數(shù)值模擬參數(shù)將氣流視為不可壓縮流體，使用k-ε模型模擬氣流，運用DPM模型進行粉塵模擬，模擬計算之前設定的塵源粒徑的頻度分布，如圖3所示。粉塵顆粒中位粒徑為20 μm，分布指數(shù)為1.8。

基本邊界條件設置如下：模型的入口與出口邊界條件分別被設定為速度入口與壓力出口；煤壁與液壓支架壁面均選擇無滑移邊界。

設截割產(chǎn)塵源為滾筒位置，在模型中噴射源類型設定為面噴射進行數(shù)值模擬。關(guān)鍵模擬參數(shù)見表1。

1.4 模擬方案依托新街臺格廟礦區(qū)地質(zhì)資料及工作面設計情況，初步選定出對粉塵質(zhì)量濃度分布有影響的因素，即入口風速、割煤方向、粉塵粒徑。根據(jù)各因素來擬定研究方案，通過監(jiān)控粉塵濃度來分析各因素對工作面粉塵顆粒運移影響。具體研究方案見表2。

以方案④為基準方案，通過與其他影響因素的模擬結(jié)果進行橫向?qū)Ρ?，分析不同條件下高產(chǎn)塵量綜采工作面粉塵質(zhì)量分布情況，并得出風速、割煤方向及粉塵粒徑對采面濃度場的影響情況。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 工作面流場與粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律為掌握割煤作業(yè)時風流沿程的分布規(guī)律，截取入口風速為2.5 m/s時，平行于底板方向Y=1.8 m（呼吸帶高度）及垂直于底板方向采煤機附近豎截面的風速分布，如圖4所示。

從圖4可以看出，風流速度在工作面區(qū)域總體呈現(xiàn)出波動狀態(tài)，在采煤機身附近速度變化最為顯著。在呼吸帶高度（Y=1.8 m）風流總體分布沿程方向上呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢。風流從進風巷流入工作面被液壓支架立柱分隔為2大部分，由于立柱造成的截面變化在一定程度上增強了風速，但風流速度總體基本保持在2.5 m/s左右。進入采煤區(qū)，由于采煤機機身阻擋流動，空間變狹窄，風流加速向采煤空間的中部區(qū)域集中。從采煤區(qū)處的豎截面風速分布圖可見，風流紊亂區(qū)域出現(xiàn)在采煤機后滾筒外側(cè)和前滾筒下風側(cè)。

風流在后滾筒處發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)并被加強，形成一個風速達3.5 m/s的高風速條帶。采煤機前滾筒處風流向四周逸散，高速風流條帶以較大的偏移速度向煤壁處靠近。由于未采區(qū)空間結(jié)構(gòu)一致且無機械阻擋，風流在此分布平穩(wěn)。未開采區(qū)域內(nèi)的風流表現(xiàn)為人行道上的風速小于巷道中心的風速，而靠近煤壁處的風速最大。風流速度的加快直接作用在未采區(qū)，使得整個未采區(qū)平均風速高于入口風速。

通過Fluent軟件在風流模擬的基礎上進行粉塵污染擴散的模擬。在采煤機的下風側(cè)每隔40 m截取一個豎平面，即x=80～320 m，觀察粉塵的運動情況，粉塵濃度分布如圖5所示。

結(jié)合圖5，將采煤區(qū)內(nèi)前、后滾筒所產(chǎn)粉塵進行疊加，形成濃度高達2 000 mg/m3，長度為60多m的高濃度粉塵帶。在x=80 m處，此時高濃度粉塵主要集中在近頂板位置，受湍流影響繼續(xù)貼頂部空間運動；到x=120 m時，受采高影響，粉塵的橫向擴散更加明顯，頂部空間粉塵被高速風流帶與重力作用稀釋，濃度降低；到x=160 m時，粉塵擴散充滿液壓支柱到煤壁空間，大粒徑粉塵開始沉降，導致工作面底板附近粉塵濃度高于2 000 mg/m3；在x=200～320 m處，風流場較穩(wěn)定，粉塵濃度分布情況逐漸趨于一致。粉塵因重力作用其沉降量不斷增加。工作面中高位粉塵向人行側(cè)擴散，受液壓支柱阻擋，人行道粉塵濃度緩慢升高。隨著距離增加，人行道側(cè)呼吸帶高度粉塵濃度逐步穩(wěn)定在200 mg/m3左右。在豎截面上粉塵質(zhì)量濃度分布最終呈現(xiàn)出底板以及巷道壁濃度高，巷道中心位置濃度低的規(guī)律。分別選平行于底板方向Y=0.5 m，Y=1.5 m，Y=2.5 m和Y=3.5 m處做截面，得到粉塵濃度分布，如圖6所示。

在Y=0.5～1.5 m范圍內(nèi)，粉塵濃度隨著距離底板高度增加而降低；在Y=2.5～3.5 m范圍內(nèi)，粉塵的質(zhì)量濃度不減反增，主要受到前滾筒割煤產(chǎn)

塵影響在近頂板高度大量粉塵聚集，出現(xiàn)狹長高濃度

粉塵帶；當Y=3.5 m時，粉塵顆粒擴散到人行道側(cè)的量比其他高度更多，濃度最高達1 000 mg/m3，

進入未采區(qū)后逐漸沉降。總體來看工作面高濃度粉塵主要集中在近煤壁刮板機道部分，在未采區(qū)沉降效果明顯。由于其大采高特性，高位粉塵顆粒的運動對人行道側(cè)粉塵濃度有顯著影響。

2.2 風速對粉塵質(zhì)量濃度分布的影響為探究入口風速對粉塵和質(zhì)量濃度分布之間的關(guān)系，設定入口風速分別為1.0，1.5，2.0和2.5 m/s，并提取呼吸帶高度沿程粉塵濃度數(shù)據(jù)進行分析。粉塵質(zhì)量濃度分布如圖7所示。

從圖7可以看出，在采煤機身附近的擾動風流作用下，絕大部分粉塵集中在采煤區(qū)范圍內(nèi)。到未采區(qū)時風流速度在靠近煤壁側(cè)得到加強，受風壓影響的粉塵被吸入煤壁側(cè)向前運動，較少的粉塵發(fā)生橫向擴散。粉塵質(zhì)量濃度在采煤機兩滾筒粉塵匯合時達到最高，之后快速下降。隨著入口風速的增大，高濃度粉塵帶延伸距離逐漸縮短，在未采區(qū)內(nèi)粉塵彌散范圍減少。隨著入口風速的增加，粉塵峰值質(zhì)量濃度以及沿程質(zhì)量濃度明顯降低。當入口風速低于1.5 m/s時，采煤機附近的瞬時濃度較高。而當風速大于1.5 m/s時，工作面沿程的粉塵質(zhì)量濃度明顯降低。較高的氣流速度將粉塵不斷輸運出工作面，但速度過高時易將已沉積在底板的粉塵顆粒二次揚起，污染了工作環(huán)境，也不利于工人作業(yè)。

2.3 割煤方向?qū)Ψ蹓m質(zhì)量濃度分布的影響

1）采煤工作面截割產(chǎn)生的粉塵在向出口方向擴散的過程中，粉塵濃度變化在采煤機身附近快速下降，在擴散過程中逐漸降低最終穩(wěn)定。順風割煤時，在采煤機下風側(cè)20 m內(nèi)，發(fā)現(xiàn)最高粉塵質(zhì)量濃度達1 300 mg/m3，之后粉塵發(fā)生快速沉降，大顆粒在風

流作用下運移擴散并沉降到工作面底板，粉塵質(zhì)量最終穩(wěn)定在300 mg/m3。逆風割煤時，最高粉塵

質(zhì)量濃度出現(xiàn)在采煤機下風側(cè)60 m處。粉塵隨風流吹向下風側(cè)，因自重發(fā)生沉降，最終粉塵質(zhì)量濃度穩(wěn)定在100 mg/m3左右，遠低于順風割煤作業(yè)時的最高濃度。

2）在工作面呼吸帶高度上，順風割煤粉塵覆蓋的面積比逆風割煤粉塵覆蓋的面積要廣，污染情況也更為嚴重。順風采煤時受風流作用影響，粉塵高濃度帶逐漸變得狹長且集中在煤壁一側(cè)，在近頂板水平方向上，橫向擴散明顯。而逆風采煤在近頂板高度上粉塵僅集中在前滾筒處，在近底板處粉塵濃度高，高濃度粉塵團的影響范圍隨沿程距離的增加而逐漸變大，并持續(xù)向人行道擴散。順風割煤高濃度粉塵團的影響范圍隨沿程距離的增加而基本保持穩(wěn)定，近底板粉塵濃度隨著風流橫向擴散而逐漸降低。不同的工作方式對于工作面粉塵濃度的分布有一定的影響，粉塵的重點防治區(qū)域會因此發(fā)生改變。順風割煤時，后滾筒產(chǎn)生的粉塵因風流紊亂區(qū)的影響而聚集，然后向未采區(qū)運動，主要集中在工作面的中、底部；逆風割煤時，前滾筒產(chǎn)生的粉塵被風流吹散并分布在中部和頂部空間，后滾筒產(chǎn)生的粉塵主要分布于中部和底部空間，高濃度粉塵主要分布在底部空間。

2.4 粒徑對粉塵質(zhì)量濃度分布的影響

圖9為不同粒徑粉塵在呼吸帶高度的質(zhì)量濃度分布情況，以風流入口為原點，x軸正方向為風流方向。當塵源分別設定為5，15，28 μm這3種粉塵粒徑時，粉塵濃度均在x=48～52 m范圍內(nèi)迅速上升。隨后在前滾筒切割湍流氣流的影響下粉塵向四周逸散。待到風流分布較穩(wěn)定的未采區(qū)，由于重力作用的影響，在近頂板附近運動的粉塵開始沉降，此

時呼吸帶高度近煤壁側(cè)的粉塵濃度超過1 000 mg/m3。

當粉塵粒徑為5，15 μm時，粉塵漂浮距離較長，因為粉塵粒徑過小，粉塵無法沉降以致處于漂浮狀態(tài)，較分散且濃度不高。而粒徑為28 μm的粉塵沉降效果顯著，在x=260 m左右時，粉塵濃度有明顯降低。粒徑越大，粉塵沉積越快，沿程方向沉積質(zhì)量隨與入風口的距離增大而減少。由于重力作用，顆粒粒徑越大，會更早沉降，則在沿程方向粉塵濃度會變低；而小粒徑粉塵相對于大粒徑而言，重力不再是主要作用，更多受風流和紊流擴散的影響，沉降速度慢且量少，故當粉塵粒徑越小，粉塵無法沉降處于漂浮狀態(tài)，若不能及時排出，那將會造成巷道內(nèi)粉塵濃度更高。

綜合以上模擬結(jié)果，提出有針對性的綜采面粉塵防治技術(shù)建議。在割煤作業(yè)時，工作面入口風速在2.0 m/s左右時有利于粉塵的排出?？梢栽诖嘶A上進行風流的調(diào)控，以保證工作面的氣流速度更高，從而提高降塵效果。在呼吸帶高度，應注重對采煤機下風側(cè)40～140? m范圍內(nèi)呼吸性粉塵的降塵。順風采煤時應著重關(guān)注近頂板處粉塵的降塵，可以考慮采用液壓支架噴霧降塵措施，以便沉降高濃度粉塵團；逆風割煤時，高濃度粉塵

主要集中在中底部，可以通過潤濕地面等措施防止低位粉塵橫向擴散。

3 結(jié) 論

1）風流進入工作面在空間截面突變的位置出現(xiàn)文丘里效應。在呼吸帶的高度上，風流總體分布沿程變化為先增高后降低。在未采區(qū)空間中，風流主要呈現(xiàn)以下規(guī)律：靠近煤壁處的風速>巷道中心的風速>人行道的風速。

2）由于大采高的特性，粉塵在不同高度范圍上的分布不均勻。豎截面上的粉塵分布呈現(xiàn)出底板及壁面濃度高，且巷道中心位置濃度低的規(guī)律，與氣流場的運動相吻合。采煤工作面截割煤塵表現(xiàn)出大范圍的側(cè)向擴散，在采煤機滾筒下風側(cè)的范圍內(nèi)，粉塵嚴重污染區(qū)域延伸至60 m。

3）工作面由采煤機擾動引起的湍流風流對粉塵的運動起著主導作用。

隨著工作面風速的增加，粉塵峰值濃度以及沿程濃度明顯降低，但當速度過高時易將粉塵顆粒二次揚起。采煤機不同的工作方式會影響粉塵的重點防治區(qū)域。粉塵粒徑越小就越難沉降，在采煤空間內(nèi)粉塵濃度也緩慢降低。

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（責任編輯：高佳）