煤礦主提升井內(nèi)氣固兩相流運(yùn)動特性研究

王德強(qiáng) ，滕海旭 ，王明欽 ，劉正軍 ，桂長庚 ，曹 帥 ，李世航

（1.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司 東灘煤礦，山東 鄒城 273512；2.中國礦業(yè)大學(xué) 低碳能源與動力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 碳中和研究院，江蘇 徐州 221008；4.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

提升井作為煤炭從井下進(jìn)入地面的首站，是連接井上、井下的關(guān)鍵場所，承擔(dān)著提升煤炭的作用，是煤炭生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵一環(huán)，也被稱作煤礦生產(chǎn)過程中的“咽喉要道”[1-8]。煤炭開采量的持續(xù)增加使煤礦提升井的提升量也同步上升，箕斗卸煤過程造成井塔內(nèi)的粉塵濃度迅速增加。

主提升井自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)造成粉塵在井塔內(nèi)大量擴(kuò)散，高濃度的粉塵顆粒會隨著氣流遷移至井塔外，對環(huán)境造成污染。粉塵作為礦井的“六害”之一，工人長期在高濃度的粉塵環(huán)境下工作會誘發(fā)嚴(yán)重的職業(yè)塵肺病[9-10]。殘留在井塔內(nèi)部的粉塵不僅會對在井塔內(nèi)工人的身心健康造成嚴(yán)重的損害，還會對井塔內(nèi)的精密機(jī)械設(shè)備及電氣設(shè)備造成嚴(yán)重磨損，甚至?xí)?dǎo)致提升裝置的停運(yùn)，影響煤礦的安全生產(chǎn)[11-13]。

東灘煤礦是山東能源集團(tuán)的設(shè)計(jì)年產(chǎn)400 萬t的特大型現(xiàn)代化礦井，位于兗州煤田中部的東面。東灘煤礦主井標(biāo)高49 m，井深垂直710 m，安裝2 臺同型號的塔式摩擦輪提升機(jī)，提升速度最大為14 m/s，箕斗設(shè)計(jì)容量為18 t。提升井井塔的通風(fēng)方式為混合式通風(fēng)，井塔俯視圖呈現(xiàn)“回”字形。

為研究井塔內(nèi)部的粉塵擴(kuò)散規(guī)律，解決井塔內(nèi)的粉塵污染問題，對東灘煤礦主提升井的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何簡化，分析粉塵的懸浮及沉積特點(diǎn)，為分類治理井塔內(nèi)的粉塵污染提供了理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 幾何模型

對東灘礦提升井井塔尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，按照現(xiàn)場尺寸建立了幾何模型，并構(gòu)建計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分前后物理模型如圖1。井塔共10 層，總高度為49 m。

圖1 網(wǎng)格劃分前后物理模型Fig.1 Physical model before and after grid division

塔內(nèi)中間區(qū)域有箕斗通道在1～7 層之間運(yùn)動；8～10 層的中心區(qū)域有2 個(gè)纜繩通道。樓層高4 m，寬8 m，其中7～8 層長8 m，其余樓層長10 m；運(yùn)煤箕斗卸煤時(shí)位于3、4 層之間，箕斗可以最高可以運(yùn)動至7 層，箕斗通道長寬分別為正常工作時(shí)箕斗底面距離地面約10.5 m，箕斗依靠提升機(jī)利用鋼絲繩將箕斗從井下提升至井塔，其中鋼絲繩在井塔內(nèi)的通道長寬皆為1 m，箕斗通道的長寬為6 m 和5 m；將卸煤口視為塵源，位于3 樓幾何中心兩側(cè)。塔內(nèi)通風(fēng)方式為混合式通風(fēng)，進(jìn)回風(fēng)口均位于8 層，進(jìn)風(fēng)口位于8 層的北側(cè)、回風(fēng)口位于南側(cè)。進(jìn)、回風(fēng)口長寬分別為4 m 和2 m。井塔數(shù)值計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 井塔數(shù)值計(jì)算參數(shù)Table 1 Numerical calculation parameters of hoisting shaft

1.2 數(shù)學(xué)模型

氣固兩相運(yùn)動基于下列假設(shè)的前提進(jìn)行：①假設(shè)塵粒的形狀為球形；②模擬中忽略了傳熱傳質(zhì)；③考慮了耦合兩相流與相間交換項(xiàng)。

當(dāng)流體改變顆粒運(yùn)動狀態(tài)的同時(shí)，顆粒也會與流體產(chǎn)生動量交換，進(jìn)而影響流體的運(yùn)動狀態(tài)。

考慮到井塔內(nèi)的粉塵占比，粉塵屬于稀相，因此將空氣視作連續(xù)相，粉塵視作離散相，采用歐拉-拉朗日方法建立主井井塔內(nèi)兩相流數(shù)學(xué)模型，采用CFD-DPM 模型，同時(shí)考慮相間耦合作用，忽略粉塵顆粒之間的碰撞。粉塵顆粒在流場中受到的力有很多，例如馬格努斯旋轉(zhuǎn)提升力、薩夫曼剪切提升力、壓力梯度力、熱作用力、虛擬質(zhì)量力。由于不考慮傳熱，而粉塵顆粒占比小，主要分析粉塵受到的曳力和重力，其他力忽略。

對于定常不可壓縮的氣相，其連續(xù)性與動量守恒方程如下：

2 結(jié)果與討論

式中： ρ為氣相密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為氣體速度，m/s；i為張量符號，取1，2，3；p為氣相壓力，Pa；xi為x、y、z方向的坐標(biāo)，m；F為連續(xù)相與離散相的相互作用力，N。

采用的Realizablek-ε模型為：

式中：Gk為由平均運(yùn)動速度梯度引起的紊流流動能生成項(xiàng)；C1、C2為常數(shù)；k為單位質(zhì)量的湍流動能，J/kg；ε為湍流動能的耗散速度，m2/s3；Γk、Γε分別為k方程和ε方程的有效擴(kuò)散系數(shù)；Sε為源項(xiàng)；ν 為運(yùn)動黏度。

采用拉格朗日法求解粉塵運(yùn)動軌跡，主要考察曳力與重力作用，根據(jù)牛頓第二定律可知：

式中：up為粉塵顆粒的速度，m/s；mp為粉塵顆粒的質(zhì)量，kg；FD為粉塵顆粒受到的曳力，N；Fg為粉塵顆粒的重力，N；dp為粉塵顆粒的直徑，m；CD為阻力系數(shù)；a1、a2、a3為常數(shù)；Re為雷諾準(zhǔn)則數(shù)。

采用伯努利方程研究井塔內(nèi)部氣流壓力的沿程變化，方程如下：

式中：g為重力加速度，m/s2；h為高度，m。

2.1 井塔內(nèi)氣流速度變化

由于粉塵主要受到氣流曳力的作用，因此分析井塔內(nèi)重點(diǎn)樓層內(nèi)的氣流變化至關(guān)重要。不同樓層內(nèi)氣流矢量場分布如圖2。

圖2 不同樓層內(nèi)氣流矢量場分布Fig.2 Distribution of airflow vector in different floors

1 層為東灘礦配電室所在位置，也是運(yùn)轉(zhuǎn)工區(qū)維修工人進(jìn)入最頻繁的區(qū)域之一；但是根據(jù)現(xiàn)場觀測，地面粉塵的沉積僅次于3 樓卸煤區(qū)域。由圖2（a）可知，1 樓區(qū)域內(nèi)的速度最大可達(dá)0.5 m/s，速度最大區(qū)域位于井塔中心區(qū)域，即井塔箕斗運(yùn)動區(qū)域。

井下含塵氣流被箕斗及鋼絲繩擾動向上運(yùn)動，在進(jìn)入1 層后流通面積與環(huán)境壓力發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致箕斗通道以外的區(qū)域氣流運(yùn)動軌跡顯著變化。在該區(qū)域內(nèi)，部分氣流離開主流向井塔墻壁四周方向運(yùn)動，氣流運(yùn)動方向開始向下偏移，當(dāng)氣流遇到壁面后，大部分氣流沿著墻面法線方向反射回主流中，少部分氣流會在井塔內(nèi)形成漩渦。

由圖2（b）可知，當(dāng)氣流流入3 樓后，氣流矢量場變得更加紊亂。這是由于3 樓箕斗在卸煤過程中產(chǎn)生的氣流與井塔底層氣流互相融合，不同含塵率的氣流發(fā)生摩擦使卸煤區(qū)域內(nèi)的氣流速度減小，而井塔中心區(qū)域內(nèi)的氣流速度小幅增加。而此時(shí)產(chǎn)生氣流漩渦的區(qū)域不僅像1 樓局限于墻壁拐角處，在井塔中心區(qū)域也會產(chǎn)生渦流現(xiàn)象。

由圖2（c）可知，當(dāng)箕斗在3 樓卸煤時(shí)，此時(shí)箕斗的頂端到達(dá)井塔6 樓處，與3 樓相比，氣流運(yùn)動變得更加平穩(wěn)，說明此時(shí)氣流的擾動能力變?nèi)酰? 樓的氣流運(yùn)動速度開始下降，此時(shí)相較于3 樓下降了20%以上，卸煤區(qū)域一側(cè)的氣流速度方向大部分向下。

進(jìn)回風(fēng)口位于井塔8 樓，因此8 樓的氣流矢量場與其他樓層明顯不同。由圖2（d）可知，氣流的速度核心已經(jīng)不再位于井塔中心，與其他樓層相比，8 樓整個(gè)樓層內(nèi)的氣流運(yùn)動最紊亂。進(jìn)風(fēng)口和從井塔底層流入的氣流發(fā)生碰撞，根伯努利方程，從底部流進(jìn)井塔上層的氣流速度會進(jìn)一步衰減，而進(jìn)風(fēng)口的氣流速度比井塔下方氣流速度大，因此8 樓內(nèi)的氣流速度方向大部向出風(fēng)口偏移。

2.2 井塔內(nèi)壓力變化

井塔內(nèi)的壓力與大氣壓力基本持平，以進(jìn)風(fēng)口所在區(qū)域?yàn)榉纸缑妫? 層及其以上區(qū)域內(nèi)的靜壓低于大氣壓力，維持著一種微負(fù)壓狀態(tài)。井塔中心截面壓力分布如圖3。井塔內(nèi)的靜壓大小可以反映該區(qū)域?qū)Ψ蹓m的攜帶能力，靜壓越小，說明該空間氣流的運(yùn)動阻力減小[14]，對粉塵的攜帶能力越強(qiáng)。因此，從圖3 可以觀察出，從靜壓角度，8樓及以上樓層區(qū)域內(nèi)的粉塵較7 層及以下區(qū)域更易從相應(yīng)樓層內(nèi)的窗戶飄出井塔。

圖3 井塔中心截面壓力分布Fig.3 Diagrams in the center section of hoisting shaft

井塔內(nèi)的動壓主要與井塔內(nèi)氣流的運(yùn)動速度有關(guān)，根據(jù)上節(jié)速度矢量圖可知，在7 層及以下樓層內(nèi)的最大速度僅為0.5 m/s 左右，因此該區(qū)域內(nèi)的動壓較小，在7 樓與8 樓之間的纜繩通道內(nèi)，由于流通面積突然減小，氣流運(yùn)動的流動速度會突然增大，因而，該區(qū)域內(nèi)動壓也會顯著增加。動壓越大，氣流的運(yùn)動速度也就越大，對粉塵的攜帶能力也就越強(qiáng)。由此可見，從動壓角度，8 樓區(qū)域內(nèi)的粉塵較其他樓層也更容易流出井塔。由上述分析可知，在井塔內(nèi)流通阻力小的區(qū)域內(nèi)，氣流的運(yùn)動能力會明顯提升，也就是說環(huán)境內(nèi)的靜壓減小與動壓增加對粉塵的運(yùn)動是促進(jìn)的，這也與伯努利定律相符合（圖3（b））。

全壓力梯度是氣流運(yùn)動的主要動力來源[15]，決定了氣流的運(yùn)動方向。由圖3（c）可知，整個(gè)井塔的壓力呈現(xiàn)出底部壓力較大，樓層高的區(qū)域內(nèi)壓力較小，因此井塔內(nèi)的氣流主流流動方向從下向上，將大量粉塵攜帶至井塔頂部樓層。所以井塔內(nèi)的氣流對粉塵的攜帶能力與流動方向應(yīng)該從靜壓、動壓以及全壓這3 種因素來分析。

2.3 井塔內(nèi)粉塵濃度變化

為了降低井塔內(nèi)的粉塵濃度，試圖在不加裝任何設(shè)備的前提下，僅通過改變井塔內(nèi)混合式通風(fēng)的通風(fēng)參數(shù)來研究其對井塔內(nèi)粉塵濃度的影響。不同送風(fēng)速度下測線粉塵濃度變化如圖4。

圖4 不同送風(fēng)速度下測線粉塵濃度變化Fig.4 Dust concentration on the measuring line under different air supply velocities

在井塔內(nèi)部卸煤側(cè)取1 條測線，從3 樓卸煤處到6 樓頂板處，通過改變井塔進(jìn)風(fēng)口的氣流速度來判斷進(jìn)口氣流速度對粉塵濃度的影響。在卸煤時(shí)刻，3 樓的粉塵濃度依然最大，送風(fēng)速度無法改變粉塵濃度沿高度方向的變化趨勢，但是可以改變粉塵濃度的大小。當(dāng)送風(fēng)速度增加時(shí)，卸煤區(qū)域內(nèi)的粉塵濃度開始升高；當(dāng)送風(fēng)速度從1.8 m/s增加至2.3 m/s 后，3 樓卸煤側(cè)的粉塵濃度增幅較為顯著，粉塵濃度最高可達(dá)2 500 mg/m3；然而，在5 樓及5 樓以上的區(qū)域內(nèi)，粉塵濃度隨著送風(fēng)速度的增加卻開始減小，但從總體來說，從井塔底部至井塔頂部，送風(fēng)速度對井塔內(nèi)卸煤側(cè)粉塵濃度的影響力逐漸減小。

為了解井塔內(nèi)粉塵濃度分布的均勻性，研究了井塔4～7 層整體的平均濃度；不同送風(fēng)速度下4～7 層粉塵濃度變化如圖5。

圖5 不同送風(fēng)速度下4～7 層粉塵濃度變化Fig.5 Dust concentration at different air supply velocities in floors 4 to 7

4 樓的平均全塵濃度為60 mg/m3，遠(yuǎn)小于4 樓測線位置處的粉塵濃度，說明粉塵在井塔內(nèi)分布極不均勻，主要集中在卸煤側(cè)，其他位置處的粉塵濃度遠(yuǎn)小于60 mg/m3，因此井塔內(nèi)的粉塵防治應(yīng)集中治理井塔卸煤側(cè)。

井塔內(nèi)卸煤倉以上樓層內(nèi)的平均全塵粉塵濃度以及PM2.5 粉塵濃度均隨著送風(fēng)速度的增加而逐漸減小，與相應(yīng)樓層卸煤側(cè)粉塵濃度的變化趨勢保持一致。同時(shí)根據(jù)圖5 可以看出低樓層內(nèi)的PM2.5 占比較低，隨著樓層的升高，PM2.5 占比逐漸升高，特別是在7 層區(qū)域內(nèi)，PM2.5 占比高達(dá)90%以上，因此，粉塵的防治需要根據(jù)不同樓層的粉塵分散度制定相應(yīng)的防塵方案，以期達(dá)到最佳的除塵效果。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了研究主提升井粉塵濃度分布規(guī)律，掌握不同區(qū)域內(nèi)粉塵濃度特征，對東灘煤礦主井每層特定區(qū)域內(nèi)的粉塵濃度進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，測點(diǎn)布置如圖1。分別在井塔1～5 層布置測點(diǎn)A（3，1.55，7）、B（3，6.55，7）、C（3，11.55，7）、D（3，16.55，7）、E（3，21.55，7）、F（3，26.55，7），測定井塔風(fēng)速使用TSI-9545 手持式風(fēng)速儀，該風(fēng)速儀基于多個(gè)傳感器的測量探頭可以有效記錄測點(diǎn)氣流速度，量程范圍為0～30 m/s，分辨率為0.01 m/s。

根據(jù)GB/T 18204.15—2000《公共場所室內(nèi)空氣流速測定方法》規(guī)定，結(jié)合現(xiàn)場情況，采用風(fēng)速儀對東灘煤礦主井塔內(nèi)特定區(qū)域的空氣流速進(jìn)行測定。每個(gè)測點(diǎn)測試3～5 組，每組測試15 min，模擬結(jié)果可靠性驗(yàn)證如圖6。

圖6 模擬結(jié)果可靠性驗(yàn)證Fig.6 Reliability verification of simulation results

經(jīng)測量后，測點(diǎn)位置的氣流速度的測量值與模擬值的誤差均小于5%，驗(yàn)證了計(jì)算模型的可靠性。

3 結(jié) 語

1）井下含塵氣流進(jìn)入井塔內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈擾動，在井塔內(nèi)的拐角處產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流漩渦；當(dāng)箕斗卸煤時(shí)，3 樓氣流擾動力度開始增大，隨著氣流繼續(xù)流入較高樓層后，氣流擾動減弱，在8 樓氣流交換空間內(nèi)，氣流最紊亂，漩渦數(shù)量減少。

2）井塔內(nèi)的壓力基本與大氣壓力持平，8 樓及以上區(qū)域內(nèi)的靜壓為微負(fù)壓，含塵氣流的運(yùn)動阻力最小，此區(qū)域內(nèi)的動壓最大，表明氣流運(yùn)動速度最大，該區(qū)域內(nèi)粉塵運(yùn)動能力最強(qiáng)。

3）在卸煤時(shí)刻，3 樓卸煤處的粉塵濃度最大，送風(fēng)速度的增加會使3 層以及4 層部分區(qū)域內(nèi)的卸煤側(cè)的粉塵濃度升高，而會降低4 層及其他區(qū)域內(nèi)的粉塵全塵濃度及PM2.5 粉塵濃度。