高瓦斯礦井綜掘工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律及富集特征研究*

馮恒原,李治剛,朱芷涵,栗海滔,張 洋,郭紅光,陳 曦,李雨成,葛少成

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院,山西 太原 030000;2.晉能控股裝備制造集團(tuán)長平公司,山西 晉城 048000)

0 引言

自21世紀(jì)以來,中國煤炭產(chǎn)量和消費(fèi)量均居世界第一,煤炭能源在中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1],而煤炭資源中約90%來源于井工開采。隨著機(jī)械化開采的迅速發(fā)展和生產(chǎn)強(qiáng)度的提高,井工采掘作業(yè)產(chǎn)生的粉塵使得作業(yè)環(huán)境趨于惡劣化發(fā)展,其中掘進(jìn)工作面是井下重要的生產(chǎn)系統(tǒng)之一,其產(chǎn)塵量約占礦井總產(chǎn)塵量的30%～40%[2]。高濃度的粉塵作業(yè)環(huán)境既危害人員身體健康和生命安全,又會引起煤塵爆炸災(zāi)害事故[3]。因此,掘進(jìn)工作面粉塵防治工作已經(jīng)迫在眉睫。

學(xué)者們?yōu)榱私o出掘進(jìn)工作面粉塵治理有效措施而做了大量研究[4-6]。陳景序等[7]研制1種可以阻隔工作區(qū)域高濃度粉塵遷移擴(kuò)散的新型掘進(jìn)機(jī)外氣動渦旋霧幕控塵裝置,并給出風(fēng)流場遷移規(guī)律和液滴粒子運(yùn)動規(guī)律,以尋求有效的控塵方案。王成鳳等[8]給出磁化水降塵性能最佳時的噴霧壓力和磁化條件。王建國等[9]分析附壁風(fēng)筒條縫位置、寬度和壓抽比對綜掘面風(fēng)幕控塵效率的影響。

當(dāng)前的粉塵防治無論在理論技術(shù)上還是在裝備應(yīng)用上已經(jīng)進(jìn)入1個新的發(fā)展階段,即不斷革新的技術(shù)及裝備漸漸趨于效率強(qiáng)化、功能復(fù)合等領(lǐng)域的研發(fā),然而忽略了粉塵理化特性及現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境差異帶來的影響,這往往制約著技術(shù)及裝備的適用性與可靠性。例如,在高瓦斯礦井綜掘工作面中,為了防止瓦斯積聚造成安全隱患,一般采用壓入式通風(fēng)并依靠增大局部風(fēng)量來稀釋和排出瓦斯與粉塵,風(fēng)量的增大使得巷道粉塵運(yùn)移紊亂、分布特征難以明晰,非常不利于常規(guī)化粉塵防治技術(shù)實施[10]。

基于此,學(xué)者們對高瓦斯礦井綜掘面粉塵運(yùn)移規(guī)律及分布特征做了相關(guān)的研究。蔣仲安等[11]通過實驗室相似模擬分析壓入式通風(fēng)方式下全塵和呼吸性粉塵在掘進(jìn)巷道長度方向上的分布特征,發(fā)現(xiàn)全塵與呼塵濃度隨著遠(yuǎn)離掘進(jìn)面的方向逐漸降低,并在一定距離之后全塵要先于呼塵趨于穩(wěn)定值。胡勝勇等[12]通過編程計算在壓入式通風(fēng)方式下高瓦斯礦井綜掘工作面氣載粉塵運(yùn)移過程得出,當(dāng)風(fēng)速小于17 m/s時,掘進(jìn)機(jī)上方會形成1個面積隨風(fēng)速增大而減小的高濃度粉塵團(tuán);當(dāng)風(fēng)速大于17 m/s時,粉塵會在掘進(jìn)機(jī)前方聚集,且平均濃度隨風(fēng)量增大而增大。Xie等[13]通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實驗對比分析不同壓入式風(fēng)筒安裝位置對掘進(jìn)巷道中氣流-粉塵遷移行為的影響,并以4個人員呼吸區(qū)的平均粉塵質(zhì)量濃度為依據(jù),確定最佳風(fēng)筒安裝位置。

相比較低瓦斯礦井綜掘面的局部通風(fēng)條件,高瓦斯礦井的綜掘面增大了局部通風(fēng)量,往往會導(dǎo)致風(fēng)流場發(fā)生紊亂等現(xiàn)象,粉塵運(yùn)移富集特征也發(fā)生明顯的變化,原有的風(fēng)流場理論與粉塵運(yùn)移規(guī)律可能與現(xiàn)場實際不再匹配。這樣看來,研究高瓦斯礦井綜掘面的風(fēng)流場與粉塵運(yùn)移規(guī)律以及不同粒徑粉塵的富集和分布特征,對于粉塵防治措施的適用性與可靠性顯得尤為重要[14-15],這樣不僅能夠提高除塵效率,還能夠降低生產(chǎn)成本,避免有限資源的浪費(fèi)。因此,本文以長平礦高瓦斯礦井綜掘工作面為工程背景,探討在增大局部通風(fēng)量來治理瓦斯時綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律及不同粒徑粉塵的運(yùn)移和富集分布特征,擬為高瓦斯礦井綜掘工作面的粉塵治理提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 物理模型

以長平礦綜掘工作面為研究對象,經(jīng)現(xiàn)場實測,在壓入式通風(fēng)條件下,掘進(jìn)面粉塵質(zhì)量濃度最高超過500 mg/m3。巷道走向長為2 103.2 m,斷面為矩形,寬5.8 m,高4.3 m。取掘進(jìn)工作面前80.0 m巷道為研究區(qū)域,根據(jù)巷道及內(nèi)部設(shè)備的實際尺寸參數(shù),使用ANSYS自帶的DesignModeler軟件建立模型。如圖1所示,該模型主要由3個部分組成,包括掘進(jìn)機(jī)、壓風(fēng)筒和運(yùn)輸皮帶。掘進(jìn)機(jī)總長7.5 m,端頭距掘進(jìn)面0.5 m,掘進(jìn)司機(jī)位于距掘進(jìn)面6 m、底板2 m的回風(fēng)側(cè)。壓入式風(fēng)筒布置在巷道的左上方,直徑為1 m,管道中心距頂板和左側(cè)幫都為1 m,距地面3.3 m,風(fēng)筒出風(fēng)口到掘進(jìn)面的距離為5 m,風(fēng)筒風(fēng)量為550 m3/min。

圖1 掘進(jìn)巷道物理模型Fig.1 Physical model of excavation roadway

模型建立后,對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分整體和局部如圖2所示,劃分后的網(wǎng)格數(shù)為642 332,平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.843 7,能夠滿足模擬要求。劃分網(wǎng)格后,將模型導(dǎo)入Fluent進(jìn)行設(shè)置并計算。

圖2 整體網(wǎng)格和局部網(wǎng)格Fig.2 Global and local meshes

1.2 數(shù)學(xué)模型

1)計算方法

基于氣固兩相流理論,將氣流視為連續(xù)相,將粉塵視作離散相,選擇歐拉-拉格朗日模型進(jìn)行數(shù)值模擬。通過在歐拉坐標(biāo)系下求解連續(xù)相(空氣)模型,在拉格朗日坐標(biāo)系下求解離散相模型(DPM),對掘進(jìn)巷道中風(fēng)流及粉塵的流動進(jìn)行模擬計算[16]。

本文選擇Realizablek-ε湍流模型[17]來模擬氣流運(yùn)動,基本控制方程如式(1)～(2)所示。

連續(xù)性方程:

(1)

動量方程:

(2)

式中:ρ為流體密度,kg/m3;t為時間,s;u為流體速度,m/s;x為位移距離,m;i,j分別為自由坐標(biāo)系下的方向;p為流體靜壓,Pa;μ為流體動力黏度,Pa·s;g為重力加速度,m/s2;δij為單位張量;F為由于與離散相的相互作用而產(chǎn)生的的外力,N。

湍流動能方程和湍流耗散率方程如式(3)～(4)所示:

(3)

(4)

式中:k為湍流動能,m2/s2;Gk為平均速度梯度引起的湍流動能的產(chǎn)生項;ε為湍流耗散率,m2/s3;C1ε,C2ε為模型常數(shù);?k和?ε分別為k和ε的湍流普朗特數(shù)。

離散相粒子的軌跡是通過在拉格朗日坐標(biāo)系中積分粒子上的力平衡[18]來預(yù)測的,如式(5)～(7)所示:

(5)

(6)

(7)

Re如式(8)所示:

(8)

2)風(fēng)流和粉塵的基本參數(shù)設(shè)置

通過測量結(jié)果設(shè)定粉塵顆粒相和風(fēng)流相參數(shù),如表1所示。

表1 模擬參數(shù)設(shè)定Table 1 Simulation parameters setting

1.3 模擬有效性驗證

為了驗證所建立的數(shù)學(xué)模型和相關(guān)參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性,對現(xiàn)場呼吸帶高度的粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測定,并與模擬結(jié)果同位置處粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行對比。現(xiàn)場粉塵質(zhì)量濃度測定位置如圖3所示。粉塵質(zhì)量濃度模擬結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果的對比如圖4所示。

圖3 測點(diǎn)布置Fig.3 Layout of measuring points

圖4 模擬與實測數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison of simulated and measured data

由圖4可知,實測粉塵質(zhì)量濃度和數(shù)值模擬結(jié)果的粉塵質(zhì)量濃度變化趨勢一致,吻合度較好,不同測點(diǎn)粉塵質(zhì)量濃度的模擬值與實測值的相對誤差在5%以內(nèi)?？紤]到現(xiàn)場因素,如掘進(jìn)機(jī)位置變化、人員的遷移等對粉塵質(zhì)量濃度的影響,相對誤差在可接受范圍內(nèi),數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確[19]。

2 粉塵分布特征模擬結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)流-粉塵場分析

粉塵的遷移和擴(kuò)散行為受到多種因素的影響,其中以風(fēng)流場的影響最為顯著。因此,通過分析風(fēng)流場的分布規(guī)律來解釋粉塵的遷移和擴(kuò)散特征是可行的[20]。本文從模擬結(jié)果中提取綜掘工作面風(fēng)流場和粉塵質(zhì)量濃度分布圖,如圖5～6所示。

圖5 綜掘工作面風(fēng)流場Fig.5 Air flow field of fully-mechanized heading face

由圖5可知,壓入式風(fēng)筒端口風(fēng)流速度為11.7 m/s,在到達(dá)綜掘工作面時速度減至5 m/s。由于風(fēng)筒位于巷道左側(cè),大部分氣流向右下運(yùn)移,局部氣流向巷道左側(cè)運(yùn)移并沿左側(cè)壁面向后流動。受壓入式風(fēng)筒高速射流的卷吸影響,沿回風(fēng)側(cè)運(yùn)移的風(fēng)流和沿巷道左幫向后運(yùn)移的風(fēng)流在到達(dá)風(fēng)筒出口附近時又被吸入射流場并隨高速射流一起向掘進(jìn)面流動,分別在掘進(jìn)機(jī)上方及巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)形成渦流Ⅰ和渦流Ⅱ;當(dāng)回風(fēng)側(cè)的風(fēng)流到達(dá)掘進(jìn)機(jī)后方時,由于斷面的擴(kuò)大使得風(fēng)流速度減小,一部分氣流被進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)流卷吸,在掘進(jìn)機(jī)后方形成渦流Ⅲ。另一部分繼續(xù)向巷道后側(cè)運(yùn)移,并由于增大局部風(fēng)量的影響,直到在到達(dá)巷道30 m之后風(fēng)流場才趨于穩(wěn)定,風(fēng)速基本保持在約0.4 m/s[21]。

由圖6可知,在壓入式通風(fēng)方式下,掘進(jìn)面產(chǎn)生的粉塵大都被風(fēng)流攜帶由回風(fēng)側(cè)向后運(yùn)移,回風(fēng)側(cè)整體粉塵質(zhì)量濃度要略大于進(jìn)風(fēng)側(cè),特別是在靠近掘進(jìn)工作面15 m范圍內(nèi)。在風(fēng)流影響下掘進(jìn)巷道內(nèi)會形成3處粉塵富集區(qū)域:1)掘進(jìn)面產(chǎn)生的粉塵受渦流Ⅰ的驅(qū)動作用與掘進(jìn)面右上角三角區(qū)壁面發(fā)生碰撞,在掘進(jìn)面右上三角區(qū)形成粉塵富集區(qū);2)回風(fēng)側(cè)粉塵在風(fēng)流攜帶向后運(yùn)移的過程中,受渦流Ⅰ卷吸作用的影響,在掘進(jìn)機(jī)上方形成粉塵富集區(qū);3)受斷面擴(kuò)大的影響和渦流Ⅲ的卷吸作用,粉塵向后運(yùn)移過程中在掘進(jìn)機(jī)后方4 m處形成富集區(qū)域。在此過程中,粉塵質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在富集區(qū)Ⅰ區(qū),達(dá)到868 mg/m3。相比較而言[22],局部風(fēng)量的增大引起風(fēng)流場出現(xiàn)3處渦流區(qū),形成3個粉塵富集區(qū)域,粉塵整體向后運(yùn)移的能力明顯加強(qiáng),進(jìn)一步延長了粉塵運(yùn)移路徑,距掘進(jìn)面20 m處粉塵質(zhì)量濃度仍達(dá)到300 mg/m3,直至60 m后粉塵質(zhì)量濃度才趨于穩(wěn)定,保持在150 mg/m3以下?？梢?綜掘面加大局部通風(fēng)量對粉塵的運(yùn)移規(guī)律影響較大。

圖6 粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.6 Dust mass concentration distribution

2.2 不同粒徑粉塵富集特征分析

為了分析不同粒徑粉塵的富集特征,在風(fēng)流場計算穩(wěn)定后,開啟離散相,通過Fluent自帶的采樣功能[23],得到距掘進(jìn)面不同距離處的粉塵分布情況,結(jié)果如圖7～8所示。

圖7 距掘進(jìn)面不同距離巷道粉塵粒徑分布情況Fig.7 Dust particle size distribution in tunnels at different distances from the excavation face

由圖7可知,粉塵顆粒尺寸隨著距掘進(jìn)面距離的增大而減小,以斷面顆粒累積粒徑分布D50為例,隨著距掘進(jìn)面距離的增加,篩下累計為50%時的粒徑由27 μm降低到8 μm,表明在風(fēng)流攜帶作用下大粒徑粉塵率先發(fā)生沉降,僅剩小顆粒粉塵懸浮在氣流中。若將粉塵按粒徑大小劃分為細(xì)顆粒粉塵(1≤dp≤10 μm)、中顆粒粉塵(10

2.3 渦流處粉塵富集特征分析

巷道粉塵的運(yùn)動軌跡如圖9所示。大顆粒粉塵主要富集在回風(fēng)側(cè),并很快沉降,而大部分小顆粒粉塵會在3處渦流的作用下做往復(fù)運(yùn)動,難以沉降。由圖5可知,渦流Ⅰ和渦流Ⅱ位于距掘進(jìn)面4 m處,渦流Ⅲ距掘進(jìn)面15 m。為了分析3個渦流處不同粒徑粉塵富集特征,設(shè)定掘進(jìn)面在1 s內(nèi)產(chǎn)生4 000 mg粉塵,定義不同粒徑粉塵質(zhì)量為M產(chǎn),通過計算得出4 000 mg粉塵在541 s內(nèi)均由底板捕獲或流出巷道,統(tǒng)計得到底板捕獲不同粒徑粉塵質(zhì)量M底,計算得到空中懸浮粉塵質(zhì)量M浮如式(9)所示:

M浮=M產(chǎn)-M底

(9)

統(tǒng)計在541 s內(nèi)通過渦流截面的不同粒徑粉塵質(zhì)量m,令Φ=m/M浮。計算結(jié)果如表2～3所示。

表2 渦流Ⅰ和渦流Ⅱ粉塵富集特征分析Table 2 Analysis of dust enrichment characteristics in vortex Ⅰ and vortex Ⅱ

由表2可知,到達(dá)4 m前氣流中1≤dp≤5 μm的粉塵質(zhì)量M浮1-5 μm僅有175.5 mg,即若無渦流存在,則通過x=4截面的1≤dp≤5 μm的粉塵質(zhì)量最多為175.5 mg,而實際在541 s內(nèi)通過截面x=4的1≤dp≤5 μm的粉塵質(zhì)量m1-5 μm達(dá)到了3 428.1 mg,是氣流中1≤dp≤5 μm懸浮粉塵粒子質(zhì)量的19倍多,表明大量1≤dp≤5 μm的粉塵在渦流Ⅰ和渦流Ⅱ的攜帶作用下在掘進(jìn)機(jī)上方和左側(cè)做往復(fù)運(yùn)動,導(dǎo)致該部分粉塵被重復(fù)采集,因此質(zhì)量之比Φ值達(dá)到了1 953.33%。而對于粒徑130

由表3可知,粉塵在向后運(yùn)移過程中,130 μm以上的粉塵在掘進(jìn)面前15 m已全部沉降,90

表3 渦流Ⅲ粉塵富集特征分析Table 3 Analysis of dust enrichment characteristics in vortex Ⅲ

3 結(jié)論

1)綜掘工作面增大局部通風(fēng)量后,在掘進(jìn)機(jī)附近共形成3處渦流區(qū)。受渦流區(qū)的影響,掘進(jìn)巷道內(nèi)共形成3個粉塵富集區(qū)域,其中,粉塵質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在富集區(qū)Ⅰ區(qū),達(dá)到868 mg/m3。

2)局部風(fēng)量的增大對粉塵的運(yùn)移規(guī)律和分布特征影響較大。粉塵整體向后運(yùn)移的能力明顯加強(qiáng),距掘進(jìn)面20 m處粉塵質(zhì)量濃度仍達(dá)到300 mg/m3,直至60 m后粉塵質(zhì)量濃度才趨于穩(wěn)定,保持在150 mg/m3以下,且距掘進(jìn)面15 m后巷道呼吸性粉塵不斷富集。

3)渦流Ⅰ和渦流Ⅱ區(qū)的粉塵富集特征分析結(jié)果表明,該區(qū)域的粉塵團(tuán)聚沉降的噴霧應(yīng)以超細(xì)水霧的形式來降低渦流區(qū)對細(xì)顆粒粉塵運(yùn)移的影響。

4)渦流Ⅲ區(qū)的粉塵富集特征分析結(jié)果表明,該區(qū)域的粉塵團(tuán)聚沉降的噴霧應(yīng)以接近中顆粒粉塵粒徑的細(xì)水霧來降低渦流區(qū)對中顆粒粉塵運(yùn)移的影響。