綜掘工作面風(fēng)筒最優(yōu)布置數(shù)值模擬研究

趙宇新

（山西焦煤西山煤電斜溝煤礦, 山西 呂梁 033602）

0 引 言

礦井掘進(jìn)面的粉塵防治是關(guān)乎煤礦生產(chǎn)安全、職工身體健康的重要內(nèi)容?，F(xiàn)階段掘進(jìn)面粉塵防治手段包括化學(xué)試劑降塵、通風(fēng)除塵、除塵器除塵以及噴霧降塵等[1-2]，其中通風(fēng)除塵是各礦應(yīng)用最普遍的防治技術(shù)。現(xiàn)階段掘進(jìn)面大多采用這3 種局部通風(fēng)手段：長壓短抽式、抽出式、壓入式，風(fēng)筒末端位置影響著除塵效果[3]。參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[4]，得到在掘進(jìn)面使用這3 種局部通風(fēng)手段的風(fēng)筒末端到掘進(jìn)面的距離滿足以下條件：壓入式風(fēng)筒出口到掘進(jìn)面的距離需要達(dá)到；抽出式風(fēng)筒出口到掘進(jìn)面的距離需要達(dá)到；長壓短抽式風(fēng)筒出口到掘進(jìn)面的距離需要達(dá)到、；其中，、分別表示壓入式和抽出式風(fēng)筒出口至掘進(jìn)面的距離，m；表示掘進(jìn)巷道斷面積，m2；表示壓入式通風(fēng)有效射程，m；表示抽出式通風(fēng)有效吸程，m。

井下掘進(jìn)過程中，雖然掘進(jìn)面風(fēng)筒按以上要求進(jìn)行吊掛，但現(xiàn)場通風(fēng)除塵效果不佳[5]，依然發(fā)生問題，掘進(jìn)面粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)1 500 ～2 500 mg/m3，局部地點甚至達(dá)到5 500 mg/m3，明顯比要求的濃度10 mg/m3大很多。因此，本文借助數(shù)值模擬手段對3 種通風(fēng)方法下，對掘進(jìn)面迎頭區(qū)域風(fēng)筒末端出口到迎頭距離不一致時的風(fēng)流、粉塵運移規(guī)律，最終得到3 種通風(fēng)方法下風(fēng)筒出口到掘進(jìn)面的最理想距離。

1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)歐拉—拉格朗日法構(gòu)建粉塵顆粒運動數(shù)學(xué)模型，當(dāng)粉塵顆粒濃度在10% 以下時，不考慮粉塵顆粒摩擦撞擊影響，依靠拉格朗日法對處于流場內(nèi)的粉塵顆粒運動軌跡進(jìn)行追蹤。建立模型時做以下兩點假設(shè)[6]：

1）假設(shè)掘進(jìn)面空氣屬于不可壓縮氣體，忽略掘進(jìn)面生產(chǎn)期間，風(fēng)流受到職工行走、設(shè)備工作的干擾；

2）氣體未和邊界進(jìn)行強(qiáng)熱源交換，因此熱傳導(dǎo)的影響暫不考慮。

控制方程結(jié)合以下公式進(jìn)行建立：

連續(xù)性方程見公式（1）：

式中：xi為x 軸坐標(biāo)，m；ρ為密度，kg/m3；ui為在x軸上的速度，m/s；

動量方程見公式（2）：

式中：xj為y 軸坐標(biāo)，m；uj為在y 軸上的速度，m/s；p為壓力，Pa；gi為重力加速度，m/s2；μ為黏性系數(shù)，Pa·s；

k 方程見公式（3）：

式中：t為時間，s；k為湍動能變率，m2/s2；μeff為擴(kuò)散系數(shù)；Gk為湍流動能，J；ε為湍動能耗散率，m2/s3；Sk為源項；

ε方程見公式（4）：

式中：C1ε取1.42；C2ε取1.68；Cμ取0.084 5；αs取0.05；η0取 4.38，η≡Sk/ε；Prandtl 倒數(shù)αk=αε≈1.393；β取0.012；Ω為默認(rèn)估計值。

粉塵顆粒運動軌道借助微分方程方法計算取得，與重力和曳力相比較，運動粉塵的質(zhì)量力、升力及熱泳力非常小可以忽略，因此顆粒在笛卡爾坐標(biāo)系下，作用力平衡方程見公式（8）：

式中：FD（u-up）為顆粒的單位質(zhì)量曳力，F(xiàn)D可根據(jù)式（9）計算，即：

式中：CD為曳力系數(shù)；up為速度，m/s；u為相速度，m/s；ρp為密度，kg/m3；dp為直徑，m。

顆粒軌道的控制方程見公式（10）：

式中：τp為松弛時間，s；

氣體速度u為瞬時速度，u=，顆粒與離散渦作用時，脈動速度u' 滿足高斯概率密度分布，可表示為u'=ζ，ξ 為正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)。

顆粒較小的粉塵相間的滑移速度幾乎為0，所以用顆粒軌道積分代替氣流的拉格朗日積分時間長度，tL=，對于RNGk-ε模型，tL取0.15。

2 工作面概況

山西焦煤西山煤電斜溝煤礦25 采區(qū)輔助運輸上山掘進(jìn)面掘進(jìn)煤層為13 號煤層，傾角為8.5～9.9°，平均為9.5°，局部割頂?shù)装鍘r石，煤厚為12.25～14.79 m，平均煤厚為13.89 m，黑色，塊狀，暗煤居多，亮煤次之，層狀構(gòu)造，含少量黃鐵礦結(jié)核，一般含2～3 層泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸，煤層普氏硬度2～3；煤層絕對瓦斯涌出量為0.6 m3/min，煤塵具有爆炸性，煤自燃等級為Ⅱ類，最短自然發(fā)火期77 d；設(shè)計長度2 644 m，巷道為半圓拱型巷道，寬×高為4.6 m×3.9 m，斷面積約為15.67 m2，開口方位角：29°，坡度+3.00°～+6.50°。

3 幾何模型和模擬參數(shù)

3.1 構(gòu)建幾何模型

試驗?zāi)Ｐ蜑榘雸A拱型巷道，尺寸（長×寬×高）為34 m×4.6 m×3.9 m，斷面積約為15.67 m2，巷道內(nèi)放置一臺型號為EBZ160 掘進(jìn)機(jī)，尺寸（長×寬×高） 為9 m×2.9 m×1.8 m，抽出式風(fēng)筒尺寸選擇0.5 m 直徑，壓入風(fēng)筒的尺寸選擇直徑0.6 m，查閱相關(guān)資料，抽出式和壓入式最合適的風(fēng)筒高度分別為2.2 m 和1.8 m，構(gòu)建幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

3.2 設(shè)置模擬參數(shù)

抽出式和壓入式的風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)量為250.7 m3/min 和300.8 m3/min，湍流強(qiáng)度分別為5.10%和2.95%。參考相關(guān)資料，設(shè)置長壓短抽式通風(fēng)參數(shù)，具體見表1。

表1 模型參數(shù)設(shè)定

4 模擬結(jié)果分析

4.1 抽出式通風(fēng)

伴隨風(fēng)筒出口到工作面距離的變化，掘進(jìn)面司機(jī)位置粉塵質(zhì)量濃度如圖2 所示，當(dāng)Lc和Ly不同時，巷道各處粉塵質(zhì)量濃度變化規(guī)律如圖3 所示。從圖2發(fā)現(xiàn)：當(dāng)抽出式風(fēng)筒口至掘進(jìn)面距離（Lc）由3.9 m（約增大到5.9 m（約1.5）時即由約增大到約時，掘進(jìn)面司機(jī)位置粉塵質(zhì)量濃度開始逐步升高。當(dāng)Lc大于4.4 m 時，粉塵質(zhì)量濃度大于《煤礦安全規(guī)程》要求的時間加權(quán)平均容許濃度4 mg/m3，且當(dāng)Lc不同時粉塵擴(kuò)散距離都小于7 m，具體如圖3（a）所示?？諝鉁魠^(qū)面積變化情況如圖4 所示，從圖4 發(fā)現(xiàn)當(dāng)Lc大于5.9 m 即約時，在掘進(jìn)面周圍產(chǎn)生范圍較大的空氣滯留區(qū)，在這處的風(fēng)速達(dá)不到0.15 m/s，所以采用抽出式通風(fēng)的掘進(jìn)面風(fēng)筒口到掘進(jìn)面的距離要保持在最理想的距離為3.9～4.4 m，即約。

圖2 抽出式掘進(jìn)面司機(jī)處粉塵質(zhì)量濃度變化

圖4 空氣滯留區(qū)面積變化規(guī)律

4.2 壓入式通風(fēng)

從圖2 和圖3（b）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓入式風(fēng)筒出口至掘進(jìn)面距離Ly由9.8 m 增加到19.8 m 即2.5:5，粉塵質(zhì)量濃度呈現(xiàn)起伏變化趨勢，即下降、上升、再下降。當(dāng)Ly達(dá)到12.8 m 即約時，粉塵質(zhì)量濃度下降到最小。當(dāng)Ly大于12.8 m 時，掘進(jìn)面周圍粉塵質(zhì)量濃度顯著上升，說明通風(fēng)除塵的效果在下降，風(fēng)流稀釋掘進(jìn)面粉塵濃度的作用在下降，導(dǎo)致掘進(jìn)面部分地點存在聚集粉塵。在Ly達(dá)到19.8 m（接近）時，掘進(jìn)面進(jìn)入到壓入式通風(fēng)的有效射程內(nèi)，產(chǎn)生渦流效應(yīng)，造成掘進(jìn)面粉塵堆積，同時也會引發(fā)掘進(jìn)面局部地點有毒有害氣體濃度升高。圖5 中的曲線展示出了氣體流線，壓入式通風(fēng)的風(fēng)筒布置規(guī)律大致和Ly≤（4∶5）規(guī)律一致，結(jié)合掘進(jìn)面司機(jī)處和巷道各處粉塵質(zhì)量濃度變化規(guī)律以及風(fēng)流變化規(guī)律，獲得對于壓入式通風(fēng)的掘進(jìn)面風(fēng)筒口到掘進(jìn)面的最理想的距離Ly為11.8～12.8 m，即約。

圖5 壓入式通風(fēng)的空氣流線變化規(guī)律

4.3 長壓短抽式通風(fēng)

1）使用控制變量法，將抽出式通風(fēng)的風(fēng)筒初始地點設(shè)置在單獨采用抽出式通風(fēng)的最理想位置3.9 m 即約，從圖6 和圖7（a）發(fā)現(xiàn)，在保持Lc為3.9 m 不變，Ly由9.8 m 增加到27.7 m 即：7，掘進(jìn)面司機(jī)作業(yè)地點及巷道各處粉塵質(zhì)量濃度發(fā)生先減少再升高后減少的變化規(guī)律，和單獨進(jìn)行壓入式通風(fēng)規(guī)律基本吻合，因此發(fā)現(xiàn)壓入式通風(fēng)的風(fēng)筒位置直接影響著粉塵質(zhì)量濃度變化規(guī)律。掘進(jìn)面司機(jī)作業(yè)地點的粉塵質(zhì)量濃度在風(fēng)筒出口至掘進(jìn)面距離的兩個范圍內(nèi)相對較低（13.8～19.8 m 即和23.7 ～27.7 m 即：7；在風(fēng)筒出口至掘進(jìn)面距離23.7～27.7 m 即6，巷道各處的粉塵質(zhì)量濃度相對較低，但當(dāng)Ly>Ls+Lx時，掘進(jìn)面容易產(chǎn)生瓦斯積聚現(xiàn)象，所以Ly需控制在以內(nèi)。綜上風(fēng)筒到掘進(jìn)面的距離需控制在≤，風(fēng)筒布置的最理想距離為≤

圖6 長壓短抽式司機(jī)位置粉塵質(zhì)量濃度變化規(guī)律

圖7 巷道各處粉塵質(zhì)量濃度變化規(guī)律

2）保持壓入式風(fēng)筒到掘進(jìn)面的距離Ly為25.7 m（即約）不變，從圖6 和圖7（b）發(fā)現(xiàn)，抽出式風(fēng)筒到掘進(jìn)面的距離Lc為3.9 m 即約和Lc為5.9 m 即約時，巷道各處的粉塵質(zhì)量濃度較??；當(dāng)Lc為3.9 m 時即約，掘進(jìn)面司機(jī)位置粉塵質(zhì)量濃度最小，當(dāng)Lc為5.9 m 時即約掘進(jìn)面司機(jī)位置粉塵質(zhì)量濃度最大。圖8 為在壓入式風(fēng)筒到掘進(jìn)面的距離Ly為25.7 m 時，空氣流線隨著抽出式風(fēng)筒到掘進(jìn)面的距離Lc增大而變化曲線圖，從圖8 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Lc為5.9 m 即約時，抽出式風(fēng)筒的排塵能力已經(jīng)達(dá)到臨界狀態(tài)，此時距離接近風(fēng)筒極限吸程，當(dāng)Lc為6.9 m 即約時，掘進(jìn)面周圍發(fā)生顯著渦流現(xiàn)象，風(fēng)筒到掘進(jìn)面的距離超過抽出式通風(fēng)的有效吸程，所以Lc需要小于5.9 m 即約。因此Ly需保持在：風(fēng)筒的最理想位置為

圖8 長壓短抽式通風(fēng)空氣流線隨Lc 變化規(guī)律

5 結(jié) 論

2）Ly應(yīng)符合Ly≤（4:5），掘進(jìn)面司機(jī)處和巷道各處粉塵質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先降低再升高后降低的變化規(guī)律，最理想的距離Ly約為；

4）雖然通過數(shù)值模擬獲得3 種通風(fēng)方式風(fēng)筒的最理想布置距離，但是掘進(jìn)面巷道粉塵濃度仍然不滿足規(guī)程要求，因此需要增加輔助除塵手段，例如微霧除塵、風(fēng)流凈化水幕、降塵劑除塵等。