綜采面排塵風(fēng)速及顆粒軌跡的數(shù)值模擬

虞啟輝,杜旭東,高勝昱,韓世杰,譚 心

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機械工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

隨著現(xiàn)代采煤技術(shù)向著機械化、自動化的趨勢發(fā)展,煤炭開采效率得到提高,采煤工作面的產(chǎn)塵量也會相應(yīng)增大,而部分礦井對粉塵防治工作重視不夠,防塵技術(shù)薄弱,人員主要作業(yè)區(qū)域的總塵濃度可達500～850 mg/m3,呼塵濃度可達300 mg/m3,甚至更高。其中,綜采工作面的產(chǎn)塵量占45%～80%,而巷道中的風(fēng)流在實現(xiàn)除塵的同時,使浮游粉塵向工作面大范圍空間擴散,是引起粉塵擴散的主要因素[1]。據(jù)調(diào)查,1～10 μm粒級粉塵易使工人患上塵肺病,此粒級粉塵又因粒徑小,具有懸浮性及擴散性,在高溫環(huán)境下,當(dāng)懸浮煤塵達到爆炸的下限濃度45 mg/m3時還可能引起爆炸[2-4]。因此,采取有效粉塵治理手段,控制1～10 μm粒級的粉塵濃度在國家標準規(guī)定的安全范圍內(nèi),對保障工人職業(yè)健康具有重大意義。

綜采面高濃度粉塵分布一方面會引起塵肺病,威脅工人身體健康;另一方面,還可能造成不可估量的爆炸事故、磨損設(shè)備、降低工作現(xiàn)場能見度等安全隱患問題。許多學(xué)者對此進行了研究,并提出了相應(yīng)的抑塵措施。周剛等[5]針對大采高綜采面風(fēng)流場,利用Fluent軟件進行數(shù)值模擬研究,得到采煤機下風(fēng)側(cè)10 m附近有一段高風(fēng)速帶,易導(dǎo)致呼塵涌入人行道;宋淑鄭等[6]針對綜采面風(fēng)流分布進行了模擬分析,也得出在采煤機與移架完成區(qū)下風(fēng)側(cè)形成了高風(fēng)速區(qū);孔陽等[7]針對綜采面粉塵彌散規(guī)律進行數(shù)值模擬,得到工作面風(fēng)流呈“兩區(qū)一帶”的規(guī)律。這些研究僅得到因為工作面斷面的變化,在采煤機下風(fēng)側(cè)形成了一段高風(fēng)速帶,但未深入探討通風(fēng)排塵時的最佳風(fēng)速。任志峰等[8]采用數(shù)值模擬方法得到工作面的重點防塵區(qū)域,通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)采煤機附近粒級5 μm以下粉塵擴散現(xiàn)象更嚴重,大幅度增加作業(yè)人員的患病率,但僅分析了采煤機附近,沒有考慮整個采煤巷道;王洪勝等[9]采用Fluent軟件模擬了綜放面不同工序單獨或共同作業(yè)時的粉塵濃度分布情況,得出割煤工序產(chǎn)塵量最大,不同工序共同作業(yè)使得粉塵濃度疊加效應(yīng)較明顯,但只是較為簡單地分析了工作面粉塵分布,沒有對粉塵運移跡線展開研究;程衛(wèi)民等[1]提出綜采面塵源局部霧化密閉控除塵技術(shù),有效隔斷煤塵向人行道逸散,并將滯留于呼吸帶附近的移架煤塵凈化。

針對現(xiàn)有研究的不足,為了獲得綜采面的通風(fēng)排塵風(fēng)速,得到巷道粉塵分布情況,本文以某煤礦為研究對象,對其進行數(shù)值模擬分析,并利用相關(guān)文獻對粉塵濃度分布進行實驗驗證;同時,基于數(shù)值模擬分析得到工作面最佳排塵風(fēng)速,以及在此風(fēng)速下粉塵顆粒的運移軌跡線,獲得整個巷道不同粒徑顆粒的占比,進而為治理粉塵污染提供有效的控塵方法。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

在采煤工作面中,風(fēng)流攜帶著微細塵粒四處逸散,而這種固體顆粒具有一定的體積和形狀,不能與氣體溶合為單相流動。為了方便對流場內(nèi)流體分布及特征進行模擬仿真,將其看作為氣固兩相流動。依據(jù)文獻[10],利用歐拉方法描述氣相連續(xù)介質(zhì),利用拉格朗日方法描述固相離散顆粒。

將采煤工作面中的連續(xù)相流動假設(shè)為不可壓的絕熱流動,用Navier-Stokes運動微分方程表示氣相流動控制方程組,用標準k-ε兩模型方程計算湍流流動。固體離散相由拉格朗日坐標下顆粒作用力的微分方程求解得到顆粒軌跡,具體方程表示如下[10-12]:

連續(xù)性方程:

(1)

式中,αf為連續(xù)相孔隙率;ρg為氣體的密度;xi為軸的坐標,i和j為張量的指標符號;u為速度矢量。

標準k-ε模型方程:

(2)

(3)

顆粒軌跡控制方程:

(4)

式中,mp為顆粒的質(zhì)量;vp為顆粒的速度;Ffp為連續(xù)相作用于顆粒的一系列流體力。

2 三維模型的建立

2.1 三維模型

某煤礦綜采工作面煤層平均厚度7.23 m,可采高度4.1 m,傾斜長243 m,走向長624 m,采用MG300/700-WD系列交流變頻電牽引采煤機雙向割煤,前滾筒割頂煤,后滾筒割底煤。為確保所建立的三維模型能充分反映真實礦井工作環(huán)境,綜合考慮后采用SolidWorks建模(圖1),并做出以下基本假設(shè):①將采煤巷道視為長60 m、寬4 m、高4 m的長方體計算區(qū)域;②采煤機視為規(guī)則長方體,滾筒視為圓柱體,截深0.7 m,直徑2 m;③液壓支架簡化為細長圓柱體,支架中心距為1 m,支架間距為1.5 m,支架頂梁和邊界看作平面邊界。

圖1 綜采面三維模型Fig.1 3D model of fully-mechanized mining face

2.2 邊界條件及主要參數(shù)的設(shè)定

將三維模型導(dǎo)入Fluent軟件后,根據(jù)礦井實際情況并結(jié)合所確定的數(shù)學(xué)模型,對邊界條件和主要參數(shù)做以下基本假設(shè)[13]:①入口風(fēng)流。將流入風(fēng)流視為新鮮風(fēng)流,不攜帶揚塵。②粉塵源。將滾筒渦流的旋轉(zhuǎn)線速度和軸向速度看作塵源的初始速度,塵源類型為面塵源、球形顆粒狀。③巷道墻壁。考慮到煤塵與墻壁之間存在碰撞、附著、摩擦等情況,將巷道墻壁(wall)設(shè)為trap狀態(tài)。

煤礦采煤工作面固體顆粒的粒徑分布規(guī)律一般服從羅辛—拉姆勒(Rosin-Rammler)分布函數(shù)[14-15]。當(dāng)注入一種顆粒源時,因粒徑設(shè)置單一,數(shù)值模擬后得到的顆粒粒徑數(shù)據(jù)不完整,不能較好地反映實際巷道的顆粒分布情況。因此,本文選擇注入2種不同粒徑的顆粒噴射源進行模擬研究,具體參數(shù)設(shè)定見表1。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 三維模型的求解與數(shù)據(jù)后處理步驟

首先,將三維模型導(dǎo)入Fluent中,在DesignModeler中生成流體計算區(qū)域;其次,在Mesh劃分網(wǎng)格,并檢查網(wǎng)格質(zhì)量;然后,根據(jù)實際情況在Setup設(shè)置邊界條件及主要參數(shù)采用相間耦合的SIMPLEC算法,首先,對連續(xù)相風(fēng)流場迭代計算,收斂后對離散相顆粒求解,導(dǎo)出顆粒數(shù)據(jù)文件;然后,在CFD-Post后處理分析。

表1 邊界條件及顆粒噴射源參數(shù)Tab.1 Boundary conditions and particle injection source parameters

3.2 作業(yè)區(qū)橫斷面風(fēng)流場分析

風(fēng)速和風(fēng)量直接影響粉塵濃度,適宜的排塵風(fēng)速既能有效排除工作空間的浮游粉塵,防止呼塵過量積聚,又能避免落塵的二次揚起[16-19]。鑒于我國粉塵污染防治思路偏向于低耗水、高降塵,在通過煤層注水使煤層濕度達到3%左右后,認為1.4～2.3 m/s是允許風(fēng)速。在允許風(fēng)速的范圍內(nèi),選取多個風(fēng)速仿真模擬后,截取綜采面采煤機前滾筒附近風(fēng)流場特點明顯的速度云圖進行分析,入口風(fēng)速分別為1.50、1.75、2.00 m/s(圖2)。

圖2 不同風(fēng)速下前滾筒附近橫斷面速度云圖 Fig.2 Cross section velocity cloud map near the front drum under different wind speeds

從圖2可知,隨著巷道通風(fēng)速度的增加,由于采煤機、液壓支架等障礙物改變風(fēng)流方向,導(dǎo)致機道空間風(fēng)速增大,且滾筒上螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生渦旋風(fēng)流,極易造成粉塵向更大范圍工作面擴散[20]。從圖2(a)和圖2(b)可以發(fā)現(xiàn),入口風(fēng)速為1.50、1.75 m/s時,工作面整體風(fēng)流場情況分布穩(wěn)定,風(fēng)流相對集中。在風(fēng)速為1.50 m/s時,巷道整體氣流速度不高,中部風(fēng)速僅有2.00 m/s,這就可能導(dǎo)致一些細微顆粒不均衡地隨風(fēng)流作布朗運動,沉降速度極慢。另外,由于采煤前的預(yù)先潤濕使得煤層的水分增加,濕度大的礦塵有一定的附著力,若想將其及時排除,則需要較大的風(fēng)速克服力。從圖2(c)可以看出,當(dāng)風(fēng)速為2.00 m/s時,巷道中部靠近液壓支架附近的風(fēng)速為3.80 m/s,最高風(fēng)速已達4.50 m/s,風(fēng)流有逐漸橫向擴散的趨勢,這使得割煤產(chǎn)生的礦塵在紊流效應(yīng)下極易被吹散到司機處,或使落塵揚起,污染治理難度增大。

3.3 風(fēng)流場流動規(guī)律分析

為了直觀分析v=1.75 m/s時的巷道風(fēng)流場,分別截取巷道高度Y=0.3 m、Y=1.6 m、Y=3.5 m的水平剖面,分析不同高度的風(fēng)流場,如圖3所示。

圖3 不同高度水平剖面風(fēng)流場云圖Fig.3 Cloud map of wind flow field at different altitude horizontal profiles

由圖3可知,進風(fēng)巷口到采煤機附近空間的風(fēng)流場較穩(wěn)定。在采煤作業(yè)區(qū)附近局部風(fēng)流出現(xiàn)擾動,導(dǎo)致風(fēng)向不穩(wěn)定,風(fēng)速也有明顯變化。對比靠近煤壁不同距離的風(fēng)速可以看出,靠近煤壁一側(cè)工作面的風(fēng)速明顯高于液壓支架空間的風(fēng)速,并在采煤機下風(fēng)向到回風(fēng)巷口形成一條穩(wěn)定在3.2 m/s的高速風(fēng)流帶。從圖3得出,沿煤壁到放煤空間方向風(fēng)速呈現(xiàn)出由大變小再變大的規(guī)律,原因是液壓支架對空氣流動有一定的減緩作用。

由于巷道進風(fēng)口、出風(fēng)口附近風(fēng)流變化不大,在采煤機和下風(fēng)向20 m左右每隔5 m截取一個橫斷面,分析采煤路徑上的風(fēng)流場,如圖4所示。

通過對圖4分析可知,巷道中部風(fēng)速較高,最高可達3.8 m/s,頂部和底部風(fēng)速相對緩慢。原因是風(fēng)流主要從巷道中間通過,巷道中部機械設(shè)備復(fù)雜,空間斷面變化不穩(wěn)定,局部空間狹小,導(dǎo)致流速加快[21];而頂部和底部的空氣在流動過程中與煤壁存在一定面摩擦,煤壁抑制了空氣與周圍氣體的相互卷吸,從而避免了空氣擴散。

實際作業(yè)時,除考慮通風(fēng)除塵外,還要考慮瓦斯涌出量[4]。因此,實際風(fēng)速需要超過理論風(fēng)速。

圖4 巷道各空間斷面風(fēng)流場云圖Fig.4 Cloud map of wind flow field in various spatial cross sections of the roadway

綜上所述,在保證滿足最低排塵風(fēng)速和極限排塵風(fēng)速的前提下,當(dāng)進風(fēng)巷風(fēng)速為1.75 m/s 時,采煤作業(yè)區(qū)下風(fēng)側(cè)風(fēng)速提高到3.2 m/s。此時,一方面,風(fēng)流能使大部分粉塵在巷道中部隨氣流一起流出,有助于稀釋粉塵濃度,又能保證因煤層注水而濕度大的煤塵排除,也能避免因風(fēng)速過高而導(dǎo)致落塵二次揚起的問題;另一方面,工作面整體風(fēng)流場分布穩(wěn)定,采煤機前滾筒附近空間渦流相對集中,風(fēng)流沒有明顯的橫向擴散趨勢,減小了粉塵逸散至活動區(qū)對作業(yè)人員的威脅。此外,在采空區(qū)和人行道安裝簡易風(fēng)簾,可有效減少從進風(fēng)巷進入工作面的風(fēng)流向采空區(qū)的泄漏量,使風(fēng)流主要靠工作面煤壁一側(cè)通過,增加工作面有效通風(fēng)量,以降低司機處的粉塵濃度。

3.4 氣體—顆粒耦合的數(shù)值模擬

在最佳通風(fēng)速度下,對巷道中顆粒運動規(guī)律進行數(shù)值模擬,得到顆粒運動軌跡如圖5所示。

圖5 順風(fēng)割煤下顆粒運動軌跡Fig.5 Particle motion track under downwind coal cutting

從圖5可以看出,采煤機機身附近和下風(fēng)向15 m以內(nèi)空間的塵粒運移跡線密集且復(fù)雜,呈不規(guī)則曲線;隨著距離回風(fēng)巷越近,跡線變得越稀疏,橫向運動也更為明顯,到回風(fēng)巷口,跡線數(shù)量清晰可見。這說明采煤機割煤產(chǎn)生的煤塵在空氣流動的影響下,大部分在接觸到煤壁、機械設(shè)備等物體時,會附著在其表面上終止運動軌跡,或者沿煤壁一側(cè)運動流出,只有小部分煤塵在風(fēng)流的推力下發(fā)生橫向位移,不斷向人行道、液壓支架逸散、運動、懸浮。總體來看,作業(yè)區(qū)和未采區(qū)的塵粒跡線數(shù)量有較大差異,原因是大粒級礦塵能在風(fēng)流作用下快速沉降或黏附在煤壁上,只剩下細小礦塵(<7 μm)繼續(xù)發(fā)散,作無規(guī)則擴散運動,從塵源至回風(fēng)巷的跡線數(shù)量呈逐漸減少的趨勢。即跡線越密集,粉塵濃度就越高。

采煤機附近粉塵濃度高是由各種因素引起的,分析如下:①滾筒割煤時,螺旋葉片以一定的速度旋轉(zhuǎn),將附近的空氣卷入,在過道形成渦旋流場,使粉塵有橫向隨機擴散的趨勢;②采煤機械設(shè)備和液壓支柱之間空間斷面的突變,致使工作面風(fēng)速提高,使粉塵隨風(fēng)流在巷道蔓延;③巷道頂部的煤塊在下落時會在尾部形成一股氣流,使一部分煤塵被吹散開。當(dāng)煤塊落到地面時,沉積的煤塵被重新?lián)P起。

3.5 不同粒徑顆粒的分布情況

在Fluent中迭代平衡后,統(tǒng)計顆粒信息,得到作業(yè)區(qū)、巷道、回風(fēng)巷附近空間不同粒級顆粒數(shù)量,多次計算求取平均值,得到各區(qū)域不同粒徑顆粒數(shù)量的分布情況,如圖6所示。

圖6 巷道各區(qū)域不同粒徑顆粒數(shù)量分布Fig.6 Distribution of particles with different particle sizes in different areas of the roadway

從圖6可以看出,距離工作面越遠,1～10 μm粒級顆粒數(shù)量有逐漸減少的趨勢。采煤作業(yè)區(qū)處1～10 μm粒級的顆粒數(shù)量占比最大,約36%。從礦塵的懸浮性、擴散性分析,此粒級顆粒(又稱為呼吸性粉塵)因粒徑小,幾乎不受重力作用的影響,在相對靜止的空氣中彌漫在工作面很難沉降,且在風(fēng)流作用下任意向四周逸散,導(dǎo)致粉塵污染面積大大增加。此外,粒徑越小,分散度越高,在空氣中的穩(wěn)定程度也越高,導(dǎo)致工人吸入的可能性就越大,一旦呼塵深入、沉積于氣管,發(fā)病概率也會越大?；仫L(fēng)巷附近多為20～30 μm粒級的顆粒,占比達29%,原因是粒徑較大的顆粒在沿途受重力作用的影響及時沉降了,而小粒徑顆粒因質(zhì)量小,不能很好地隨風(fēng)流流出,而是在巷道中無規(guī)則地飄浮。多次采樣求取平均值后發(fā)現(xiàn),巷道內(nèi)10～30 μm粒級的顆粒占比最大。

基于上述分析,根據(jù)空氣動力學(xué)理論,霧滴與塵粒徑越相近,越容易降塵。采用聲波霧化除塵技術(shù)集中捕集1～10 μm粒級的呼塵,霧滴在聲波作用下形成微細水霧,因霧滴粒徑小、霧化密度大,能更好地攔截、凝聚呼塵,且耗水量小[22];在采煤機兩端頭布置負壓二次降塵器,主要用于捕集10～30 μm粒級的顆粒,一方面利用高壓氣霧流阻止粉塵橫向擴散,另一方面產(chǎn)生負壓將治理盲區(qū)的煤塵吸入裝置并凈化[23];在機身上安裝卷吸水幕,緩沖含塵氣流,將其引向煤壁側(cè),防止污染物大面積橫向外逸;在液壓支架間安設(shè)全斷面噴霧裝置,利用高壓噴霧后方形成的負壓將支架附近的含塵氣流二次引射,防止粉塵隨空氣向下運動彌漫整個巷道。將多種治塵技術(shù)共同作用于綜采面,配合采煤機自帶的內(nèi)外噴霧裝置共同使用,在塵源附近形成局部密閉的除塵區(qū),以實現(xiàn)高效控塵。

3.6 粉塵濃度分析

選取綜采工作面靠近開采面煤壁一側(cè)和人行道處的垂直截面,即Z=0.8 m、Z=3.0 m,分析粉塵濃度分布情況,如圖7所示。

圖7 不同垂直截面粉塵濃度分析Fig.7 Analysis of dust mass concentration in different vertical sections

由圖7可知,采煤機順風(fēng)割煤作業(yè)時,煤體在滾筒切割、擠壓作用下產(chǎn)生大量的細微粉塵,并以一定初始速度開始擴散,大部分集中在采煤作業(yè)區(qū)及下風(fēng)向15 m附近靠近煤壁一側(cè),此處粉塵濃度相對較大,約為762 mg/m3。原因是巷道內(nèi)采煤設(shè)備較為復(fù)雜,中部空間狹小,使得風(fēng)速較大,小部分粉塵因為粒徑小,在空氣中擴散具有不穩(wěn)定性,在橫向紊流作用下,向司機處逸散,危害工人身體健康,且分散度大,沉降速度極慢。因此,大大增加了粉塵污染治理難度。隨著與塵源的距離不斷增大,粉塵濃度逐漸降低,但幾乎遍布于整個截面。

3.7 仿真結(jié)果驗證

依據(jù)GBZ/T 192—2007《工作場所空氣中粉塵測定》測定現(xiàn)場粉塵濃度,在巷道每隔5 m布置粉塵采樣器、測塵儀,且全工班個體佩戴采樣器檢測,采用濾膜重量法測定質(zhì)量濃度,多次采樣后求取平均值。通過實測并查閱資料[1,7-9],得到某煤礦綜采面實測粉塵濃度,與數(shù)值模擬結(jié)果對比如圖8所示。

從圖8可以看出,兩者粉塵濃度分布規(guī)律基本保持一致,誤差在可允許范圍內(nèi),這說明數(shù)值模擬結(jié)果具有可靠性。存在誤差的原因:①在實際采煤作業(yè)中,割煤、移架、放煤等多種工序同時進行;②工作環(huán)境更復(fù)雜,部分區(qū)域空間狹小,使得實際巷道空氣流動速度較高;③由于開采深度增加、地溫升高,大型機械設(shè)備高強度運行,可能引起不同區(qū)域空氣溫度存在一定梯度,致使呼塵擴散。

圖8 模擬與實測數(shù)據(jù)對比情況Fig.8 Comparison between simulated and measured data

4 結(jié)論

(1)當(dāng)工作面風(fēng)速達到1.75 m/s時,既能在保障采煤生產(chǎn)效率的前提下有效排除粉塵,又能減小風(fēng)流橫向運動的趨勢,避免司機區(qū)域粉塵濃度過高。

(2)割煤時產(chǎn)生的煤塵在紊流作用下,除隨風(fēng)流流動以及受滾筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦旋風(fēng)流影響外,還受在空間斷面減小產(chǎn)生的高速風(fēng)流影響,在風(fēng)流的推力下發(fā)生橫向位移,向司機處逸散、蔓延,且由于液壓支架空間風(fēng)速偏低,呼塵將會長時間滯留在空氣中,不能及時隨新鮮風(fēng)流排除或沉降。

(3)巷道內(nèi)1～10 μm粒級的粉塵顆粒占比約為36%,主要集中在作業(yè)區(qū),因其粒徑小、質(zhì)量小,懸浮在空氣中的能力也越強,更有可能給工作人員帶來安全隱患。

(4)采煤作業(yè)區(qū)和下風(fēng)向15 m以內(nèi)空間的塵粒運移跡線密集且復(fù)雜,多為呼吸性粉塵,粉塵濃度也較高,因液壓支架的阻礙主要集中于煤壁側(cè),應(yīng)是粉塵治理的重點區(qū)域。