運輸巷道內(nèi)車輛對粉塵運移的數(shù)值模擬研究

李 敏，洪寅峰，任帥帥

1安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院 安徽淮南 232001

2山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 山西長治 046000

3遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧阜新 123000

我 國是煤炭生產(chǎn)消費大國，在清潔能源消費占比逐年增大的大環(huán)境下，煤炭能源在全部能源占比中仍超過半數(shù)，在可預(yù)見的未來，煤炭能源在我國能源消費中仍占據(jù)重要位置[1-4]。煤炭的安全開采關(guān)乎我國能源安全以及社會正常運轉(zhuǎn)，在煤炭開采過程中礦井粉塵危害嚴(yán)重，不僅影響設(shè)備使用，還對生產(chǎn)工人的健康產(chǎn)生極大傷害，礦井粉塵防治在煤礦安全生產(chǎn)中具有重要意義[5]。

隨著機械化、智能化在各個行業(yè)的普及，煤礦運輸巷道的車輛日益成為礦井必不可少的一部分，針對運輸巷道內(nèi)車輛行駛時底板揚塵和粉塵運移的研究不充分[6]。筆者針對運輸巷道內(nèi)車輛不同方向行駛時和不同風(fēng)速下車輛行駛時的粉塵運移進行研究，為煤礦運輸巷道內(nèi)的粉塵治理提供理論支持。

1 運輸巷道粉塵研究

行駛的車輛對地面粉塵的揚起作用眾所周知，當(dāng)車輛經(jīng)過干燥的具有粉塵的路面時，地面的粉塵因為車輛的行駛會大量揚起污染周圍環(huán)境，同時對車輛所能影響到的非地面等物體表面粉塵也具有揚起作用，所以車輛經(jīng)過表面具有干燥粉塵的路面或是物體時在車輛周圍一定范圍內(nèi)的粉塵污染較為嚴(yán)重[7-8]。礦井巷道為受限空間，頂?shù)装寮跋飵驮陲L(fēng)流和車輛運行沖擊下構(gòu)成一個新的風(fēng)流分布，比非受限空間受到的沖擊更大，因此車在受限巷道中運行對底板揚塵及粉塵在有車輛運行的巷道中運移和分布有何影響以及影響程度如何成為必要的研究內(nèi)容。

車輛運行對底板揚塵以及巷道中粉塵運移分布的影響主要是車輛運行所能影響到的一定范圍內(nèi)起氣流速度重新分布，構(gòu)建一個新的氣流場，從而導(dǎo)致底板和巷幫甚至頂板粉塵的揚起發(fā)生一定的變化，從而也會影響粉塵在巷道內(nèi)的運移及分布[9]。研究巷道中車輛運行對揚塵以及粉塵運移分布的影響最為直接和準(zhǔn)確的方法是現(xiàn)場實測，但是現(xiàn)場實測需要極為精確的高速成像儀器設(shè)備和較為強大的圖像分析處理功能，同時井下環(huán)境對這些高精儀器的使用也存在很多限制，現(xiàn)場實測存在較大的難度，可操作性不強，因此建立合理數(shù)學(xué)物理方程，使用數(shù)值模擬軟件進行數(shù)值模擬成了研究該問題的關(guān)鍵手段[10]。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 湍流模型

采用k-ε湍流模型計算其湍流流動的瞬態(tài)變化。假定運輸巷道內(nèi)流動的氣體為不可壓縮氣體，則續(xù)性方程為

式中：ρ為密度，kg/m3；u為風(fēng)速，m/s；?(·) 表示求散度；-pl為雷諾應(yīng)力，N；μc為層流黏性系數(shù)，Pa·s；μT為湍流黏性系數(shù)；?u表示為u的梯度；F為其他外力，N。

假設(shè)裝置內(nèi)氣體不可壓縮，湍流動能k的方程式可表示為

式中：k為湍流動能，J；σ k為湍流動能k的普朗系數(shù)；?k表示求k的梯度；Pk為平均速度梯度引起的湍流動能生成項；ε為耗散率。

湍流耗散率ε方程為

式中：σε為耗散率ε的普朗系數(shù)；試驗常數(shù)cε1=1.44，cε2=1.92，cμ=0.09，σk=1.0，σk=1.3。

2.2 曳力模型

運輸巷道粉塵粒子主要受到巷道內(nèi)風(fēng)流的影響，其重力可忽略不計，所以可以使用 Schiller-Naumann曳力模型進行計算。

式中：FD為曳力，N；τp為剪切應(yīng)力，N；mp為粒子質(zhì)量，kg；u、v分別為風(fēng)速和粒子運動速度，m/s；ρp為粒子密度，kg/m3；dp為粒子直徑，μm；μ為氣體動力黏度，Pa·s；CD為曳力系數(shù)；Rer為雷諾數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3。

3 巷道幾何模型和網(wǎng)格劃分

3.1 幾何模型

數(shù)值模擬車輛行駛速度對底板揚塵及巷道粉塵運移、分布的影響時，巷道幾何模型如圖1 所示。巷道長度設(shè)置為 50.0 m，巷道高 4.5 m，寬 4.8 m；車輛長 7.0 m，寬 2.0 m，高 2.2 m；風(fēng)流速度設(shè)定為輔運巷的常見風(fēng)速為 4 m/s，粉塵直徑設(shè)置為 5 μm，粉塵密度為 1 650 kg/m3，風(fēng)流密度為 1.29 kg/m3，風(fēng)流溫度為 25 ℃，風(fēng)流相對濕度為 90%，空氣動力黏度為1.8×10-5Pa·s。

圖1 巷道幾何模型Fig.1 Geometric model of roadway

3.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，考慮計算量和計算精度，對巷道幾何模型進行網(wǎng)格劃分，如圖2 所示。網(wǎng)格包含17 205 個域單元、2 734 個邊界單元和 281 個邊單元。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division

3.3 模擬條件設(shè)定

按照模型參數(shù)進行模擬設(shè)置，邊界條件和參數(shù)設(shè)定如表1 所列。

表1 邊界條件和參數(shù)設(shè)定Tab.1 Boundary conditions and parameter settings

4 車輛行駛對揚塵及粉塵運移的影響

4.1 車輛順風(fēng)行駛對底板揚塵及粉塵運移的影響

車輛的運行分為順風(fēng)行駛和逆風(fēng)行駛 2 種狀態(tài)，由于同忻礦井下車輛運行限速，所以數(shù)值模擬時，其速度分別設(shè)置為 5、6、8、10 m/s。

圖3 所示為不同車輛運行速度下，粉塵質(zhì)量濃度在巷道中間沿z、x軸的分布。在車輛順風(fēng)行駛過程中，在車輛的前后一定距離處出現(xiàn) 2 個粉塵質(zhì)量濃度較大值；風(fēng)速相同但車輛速度不同時，最大值所在位置不同，且質(zhì)量濃度也不同。

圖3 順風(fēng)行駛呼吸帶高度 zx 剖面粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.3 Distribution of dust mass concentration in zx profile of respiratory zone when driving along the wind

圖4 所示，風(fēng)速為 4 m/s，車速為 5、6、8、10 m/s 時，在車尾處粉塵的質(zhì)量濃度比遠離車尾處粉塵的質(zhì)量濃度大，且在車后一定范圍內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度較大；在車的頭部很小范圍內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度為零，之后粉塵質(zhì)量濃度呈現(xiàn)遞增趨勢，達到一個最大值之后開始遞減，之后逐漸在巷道長度方向趨于穩(wěn)定。

圖4 順風(fēng)行駛呼吸帶高度 xy 剖面粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.4 Distribution of dust mass concentration in xy profile of respiratory zone when driving along the wind

圖5(a)～ (c) 的粉塵質(zhì)量濃度分布相似，都說明車輛運行對巷道揚塵及風(fēng)力輸運的影響，以上可以看出車輛在巷道內(nèi)運行時，由于車輛運行的速度不同粉塵的濃度也不同，一般情況下，車輛速度越快揚塵強度越大，粉塵質(zhì)量濃度也越大，車輛影響較大的范圍在車前后方 25～30 m 范圍內(nèi)，圖5(c) 粉塵質(zhì)量濃度最大值分別為 85、50、90、120 mg/m3，圖6 粉塵質(zhì)量濃度最大值分別為 45、25、65、115 mg/m3。

圖5 順風(fēng)行駛呼吸帶高度粉塵沿程分布Fig.5 Dust distribution along respiratory zone when driving along the wind

圖6 逆風(fēng)行駛呼吸帶高度 zx 剖面粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.6 Distribution of dust mass concentration in zx profile of respiratory zone when driving against the wind

4.2 車輛逆風(fēng)行駛對底板揚塵及粉塵運移的影響

圖6 所示，車輛逆風(fēng)行駛過程中，粉塵質(zhì)量濃度分布不同于車輛順風(fēng)行駛時的粉塵質(zhì)量濃度，車輛逆風(fēng)行駛過程中在車的尾部后一定范圍內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度最大，在車頭的前方粉塵質(zhì)量濃度大。

圖7 所示為車輛逆風(fēng)行駛，車輛尾部后方一定范圍內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度較大的趨勢更加明顯，同時在車頭的前部一定范圍內(nèi)也出現(xiàn)了粉塵質(zhì)量濃度較大的區(qū)域，但是與車輛順風(fēng)行駛過程車頭前部粉塵質(zhì)量濃度相比較低。

圖7 逆風(fēng)行駛呼吸帶高度 xy 剖面粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.7 Distribution of dust mass concentration in xy profile of respiratory zone when driving against the wind

巷道中心呼吸帶高度的粉塵質(zhì)量濃度分布如圖8 所示。由圖8 可知，y＝0.5 m 處的分布趨勢相似，粉塵質(zhì)量濃度和距離也基本一致；y＝6.3 m 處的粉塵質(zhì)量濃度分布，除去車輛所在位置處與以上兩圖不同之外，其他基本一致，說明車輛逆風(fēng)行駛對粉塵的影響主要在車尾后 25～35 m 處達到最大。車輛順風(fēng)行駛過程中，粉塵在車輛的前后出現(xiàn)兩個峰值，即“雙峰”，分別在車前后 25～30 m 處，而車輛逆風(fēng)行駛粉塵質(zhì)量濃度是“單峰”，單峰位置出現(xiàn)在車輛的后部25～35 m 處，逆風(fēng)行駛是“單峰”的粉塵最大質(zhì)量濃度比“雙峰”的最大質(zhì)量濃度高 40～100 mg/m3。

圖8 逆風(fēng)行駛呼吸帶高度粉塵延程分布Fig.8 Dust distribution along respiratory zone when driving against the wind

5 結(jié)論

通過模擬運行車輛對巷道揚塵及粉塵質(zhì)量濃度的影響，得到如下結(jié)論。

(1) 車輛速度越大，對巷道的揚塵強度影響越大，并且車輛周圍的粉塵質(zhì)量濃度也較大，在車前后25～30 m 處，粉塵質(zhì)量濃度最大，存在“雙峰”現(xiàn)象；不同車速對粉塵質(zhì)量濃度影響的范圍相差不大，影響范圍大約在車后 25 m 到車前 40 m 處，在這個影響范圍以外，巷道的揚塵和風(fēng)力輸運受風(fēng)流控制。

(2) 車輛逆風(fēng)行駛粉塵質(zhì)量濃度是“單峰”，單峰位置出現(xiàn)在車輛的后部 25～35 m 處，逆風(fēng)行駛“單峰”的粉塵最大質(zhì)量濃度比“雙峰”的最大質(zhì)量濃度高 40～100 mg/m3。

(3) 車輛順風(fēng)行駛過程中，風(fēng)流速度越小，在車前后的兩個最大值處，粉塵質(zhì)量濃度越大；風(fēng)流速度越大，粉塵在車前后分布在巷道長度和寬度上越廣泛，在車頭前部粉塵質(zhì)量濃度遞增到最大值后遞減，并逐漸趨于穩(wěn)定；風(fēng)速越小，遞減的速度越快，穩(wěn)定區(qū)域的范圍越大，在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)風(fēng)流速度越大，粉塵質(zhì)量濃度越大。

(4) 車輛逆風(fēng)行駛過程中，車頭前 20 m 至巷道出風(fēng)口處，粉塵質(zhì)量濃度隨風(fēng)速增加而增大，在車尾部后 20 m 處達到最大值；在車頭前 20 m 到風(fēng)流入口處，粉塵質(zhì)量濃度隨風(fēng)速降低而增加。