綜掘工作面不同直徑風筒下粉塵運移規律研究

王　凱，郭紅光，王　飛，劉汝正，曹萬璞

(太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030000)

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綜掘工作面不同直徑風筒下粉塵運移規律研究

王凱，郭紅光，王飛，劉汝正，曹萬璞

(太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030000)

[摘要]為了研究風筒直徑對煤礦掘進工作面粉塵運移規律的影響，選取采用壓入式通風的山西某煤礦1105掘進工作面為研究對象，利用理論分析和數值模擬的方法，研究了風量為355m3/min的條件下，不同直徑風筒(0.4~1.0m)供風時巷道內的粉塵運移規律。研究結果顯示：在距離巷道左幫0.5~1.0m范圍內，使用直徑0.6~0.7m風筒供風時，呼吸帶粉塵平均濃度較直徑0.5m或0.8m風筒供風時降低了100mg/m3左右，較直徑0.9~1.0m風筒供風時降低了200~300mg/m3，降塵效果顯著。研究結果為掘進工作面粉塵治理提供了一定的理論及實驗分析基礎。

[關鍵詞]綜掘工作面；數值模擬；風筒直徑；粉塵運移規律；理論分析

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.022

[引用格式]王凱，郭紅光，王飛，等.綜掘工作面不同直徑風筒下粉塵運移規律研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：80-83，69.

我國煤礦生產中，粉塵危害非常嚴重，煤礦工人長期工作在高濃度粉塵環境下很容易患塵肺病，高濃度粉塵也容易引起粉塵爆炸，嚴重影響工人身體健康和生命安全[1]。掘進工作面因為產塵量大，受通風條件限制等諸多因素，一直是我國煤礦粉塵治理中的重點、難點。通風稀釋粉塵是我國煤礦掘進工作面最基本也是最普遍的除塵方法。我國掘進工作面通風方式大多數為壓入式通風。據相關學者研究，在通風距離200m之內，當設計風量≤2~3m3/s時，宜使用直徑為0.3~0.4m的風筒；當通風距離在200~500m之內時，宜使用直徑為0.4~0.5m的風筒；在相同風量的情況下，當通風距離在500~1000m之內時，宜使用直徑為0.5~0.6m的風筒。長期以來我國礦山應用的風筒直徑基本在0.3~0.6m的范圍內[2-3]。然而在國外，由于巷道斷面比較大，風量需求相應增加，因此需要增大風筒直徑，有的甚至達到1.5m[4]。近幾年由于我國礦井綜合機械化水平的提高，煤礦巷道正逐步向大斷面方向發展，在個別礦井也逐漸開始使用直徑為0.8~1.0m的大直徑風筒供風[5]。

然而，以上分析多為增大風量稀釋巷道瓦斯濃度，對如何有效減少粉塵濃度研究較少。據分析，風筒出口風速決定粉塵的初始運動狀態，進而影響工作面粉塵在巷道中的運移規律。而在相同風量的情況下，風筒直徑的大小直接決定著風筒出風口的風流速度，因此，風筒直徑是影響巷道內粉塵運移規律的關鍵因素。

本文通過理論分析及數值模擬的方法，研究不同直徑風筒下粉塵在巷道中的分布運移規律，以期得出壓入式風筒直徑與巷道內粉塵濃度之間的關系，為掘進工作面粉塵治理工作提供一定依據。

1粉塵顆粒的受力分析

單顆粒的受力情況是影響粉塵移動軌跡的重要因素,其所受的作用力主要有：重力、浮力、顆粒之間的碰撞力、氣動阻力、壓強梯度力、附加質量力、巴賽特(Basset)力、薩夫曼(Saffman)力、馬格努斯(Magnus)效應。其中在掘進巷道內，浮力、附加質量力、巴賽特力、壓強梯度力等對粉塵顆粒的運動影響較小，顆粒間碰撞力近似平衡，可以不予考慮[6-7]。

壓入式通風掘進面風流流場分為射流區、渦流區和回流區三部分[8]。射流區和回流區交界處的受力情況是粉塵顆粒進入到巷道的關鍵因素。粉塵顆粒在該處的受力分析如圖1所示[8]。其中G為重力；FR為空氣阻力。由于粉塵運動滯后于氣流流動，因此此處的空氣阻力實際上是粉塵顆粒移動的動力；FSaff為薩夫曼力,顆粒在有速度梯度的流場運動時，該力由低速區指向高速區；FMag為馬格努斯效應，是固體顆粒在氣相中旋轉時產生的，一個與流動方向垂直的、由逆流側指向順流側方向的力，可以托起流場中的顆粒[6]。

圖1　粉塵顆粒風流流場中受力分析

由粉塵顆粒的受力分析可知，當風筒直徑在一定范圍內變小時，風流在風筒的出口風速變大，導致粉塵顆粒的初速度以及空氣阻力FR增大，加大了粉塵向下的運動速度。由于粉塵顆粒密度比空氣大，在粉塵運移經過射流區和回流區的邊界時，風流由向下運動改變為水平運動，一部分顆粒由于慣性作用脫離氣流被巷道底板捕集。粉塵速度越快，其脫離氣流主流的幾率越大[9]，巷道后方呼吸帶的粉塵濃度也就越小。反之，增大風筒直徑，將降低粉塵向下的運動速度，減少其脫離氣流主流的幾率，從而增大巷道后方呼吸帶的粉塵濃度。

然而，經現場考察及理論分析，由于巷道底板的粉塵捕集能力有限，當風筒直徑小到一定程度，粉塵移動到巷道底板的速度過大，將會導致粉塵顆粒的反彈，而且將會吹起已經沉降的粉塵顆粒，反而會增大后段巷道內的粉塵濃度。故防塵效果最佳的風筒直徑應為一定范圍。

2數值模擬

2.1　幾何模型的建立

根據現場掘進條件及計算機的計算能力，將該掘進巷道做適當的簡化：選取掘進面及其后50m作為研究對象，利用Fluent自帶的處理軟件Gambit建立模型，巷道幾何模型的網格劃分采用interval size為0.2的整體六面體網格。建立好的長方體物理模型長50m，寬5m，高3.7m。其中，風筒直徑分為1m，0.9m,0.8m,0.7m,0.6m,0.5m,0.4m，長46m的圓柱體，風筒懸掛在巷道左上角，距離頂板和左幫各0.1m。掘進機簡化為長4m，寬3m，高2m的長方體模型。

2.2　數學模型的建立

對掘進巷道風流和粉塵的運動進行研究。由于巷道內粉塵體積分數相對于空氣體積非常小，因此可以忽略粉塵顆粒與顆粒之間的相互作用、顆粒體積分數對連續相的影響，建立離散相數學模型。假設空氣為不可壓縮氣體，由于工作面沒有高溫熱源，溫度常年保持在20℃左右，因此不考慮溫度對氣體密度的影響[10]。建模過程中將空氣視為密度為1.17kg/m3的連續相，粉塵顆粒視為密度為1450kg/m3的離散相。利用歐拉-歐拉方法對連續相求解，利用歐拉-拉格朗日方法對離散相進行求解[11]。采用k-ε方程模型，首先使用SIMPLEC算法對連續相的流場速度和湍流強度進行計算，然后利用在拉格朗日坐標下對離散相粉塵顆粒進行軌道積分。其中氣相控制方程如式(1)~(4)所示[12]。

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程：

ρε-YM+Sk

(3)

ε方程：

(4)

式中，ui，uj，uz分別表示流體在X，Y，Z方向的速度，m/s；xi，xj分別表示X，Y方向上的坐標；ρ為氣體密度kg/m3；p為有效湍流壓力，Pa；gi為i方向重力加速度，m/s2；μeff為擴散系數；μ為層流黏性系數；μt為漩渦修改后湍流黏性系數；ε為湍流動能耗散率；σk，σε為k和ε對應的Prandtl數，σk=1.0，σε=1.2；Gk為平均速度梯度引起的湍動能；Gb為浮力引起的湍動能；YM為擴散產生的波動；C1ε，C2ε，C3ε，為經驗常數；Sk和Sε是作者定義的源項。

固相控制方程如式(5)~(8)所示[12]：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，FD(u-up)為顆粒的單位質量拽力，N/kg；u為氣相流速，m/s；up為顆粒流速，m/s；dp為顆粒直徑，m；ρ，ρp為氣相和顆粒的密度，kg/m3；gx為x方向的重力加速度，m/s2；Re為雷諾數；CD為拽力函數；對于球形顆粒α1，α2和α3為常數，可由公式算出。

2.3　邊界條件

根據該煤礦1105掘進工作面現場工作條件以及井下實際測量的相關數據，結合所建立的相關幾何、數學模型，在Gambit和Fluent中相關邊界條件的設置如表1所示。根據所設置的參數，對粉塵在巷道中的運移規律進行數值模擬計算。

表1　Fluent相關邊界條件參數設定

2.4　模擬結果分析

2.4.1風流的速度分布

由于粉塵源產生的粉塵初始速度為0m/s，因此粉塵顆粒在巷道內的擴散運移幾乎完全依靠巷道內風流的裹挾作用。所以風流的運動方向直接影響粉塵的運移規律，本文模擬了風筒直徑為1.0m的情況下風流的運動規律。圖2為風流在巷道內運動的矢量圖。風流速度分布圖顯示與理論分析的風流流場圖一致。

圖2　風流在巷道內運動矢量圖

由圖2可以看出，風流從風筒以自由流出的方式向前移動，初始速度很高，且不斷卷吸巷道另一側的空氣，風流直徑不斷增大，速度逐漸減小。當風流撞擊到巷道工作面后，由于風流的附壁效應，貼壁沿工作面向下流動。風流在貼巷道壁流動的同時向巷道內擴散，流經掘進機的時候，由于掘進機的阻撓作用，在掘進機機身部位會形成渦流。風流的速度將會對渦流的大小造成很大的影響，進而直接影響粉塵的運移規律，導致此處的粉塵不容易被運移到巷道外面，以至于形成高濃度的粉塵集聚區。而此處空氣湍流強度高，在應用噴霧除塵措施時有利于水霧對粉塵顆粒的捕捉。

2.4.2巷道內粉塵濃度運移規律

巷道內粉塵濃度分布運移規律的模擬結果如圖3所示。根據模擬結果顯示，在x方向上，掘進工作面粉塵濃度最高；在z方向上，懸掛風筒一側粉塵濃度遠小于遠離風筒一側。而且，由于風流的附壁效應以及巷道壁對粉塵的吸附作用，使得巷道內行人側距巷道壁0.5~1m范圍內粉塵濃度最大。而隨著距工作面距離的增加，高濃度粉塵區也逐漸由距行人側巷道壁1m處向巷道中心距離移動，這是由于風流由巷道壁向巷道內逐漸擴散并攜帶粉塵顆粒所致。

圖3　粉塵濃度分布運移規律

3粉塵質量濃度分布模擬結果分析

據現場考察發現，當掘進機工作時，除了司機外，其他工人大多數在距掘進工作面20m，距行人側巷道壁0.5~1m位置等待一次掘進工作的完成。因此數值模擬研究在1.5m的呼吸帶高度上，距離行人側巷道壁0.5m和1m處呼吸帶粉塵濃度的分布，結果分別如圖4中(a)和(b)所示。

圖4　粉塵濃度分布

當風筒直徑為0.4m時，由于模擬數據波動較大，且風筒出口附近風速過大，遠超出工人工作適宜風速范圍，因此該數據在文章中并未體現。

由圖4可知，當使用直徑為1.0m風筒通風時，掘進工作面粉塵濃度最高可達1700mg/m3，在掘進機工作期間人員聚集區粉塵濃度高達300~500mg/m3。使用直徑為0.6~0.7m風筒通風時粉塵濃度顯著降低。隨著距工作面距離的增加，粉塵濃度整體呈減小趨勢，然而，在距離工作面10m之內，粉塵濃度有一定的波動，這是由于此處有掘進機工作，導致風流不穩定的緣故。

由于風筒直徑的不同，使相同風量下風流流出風筒的速度不一樣，導致沿程粉塵濃度不一樣，當風量為355m3/min時，其粉塵濃度分布由圖4可得，采用0.6~0.7m風筒較采用0.5m或0.8m風筒通風時粉塵濃度平均降低100mg/m3左右，較0.9~1.0m風筒直徑供風時粉塵濃度降低了200~300mg/m3，防塵效果顯著。模擬結果與理論計算一致。其原因由上述可知，由于風筒掛在巷道頂端，小直徑風筒風流速度大，有利于將工作面所產生的粉塵吹向巷道底板，再由重力和巷道底板的吸附等共同作用，有效加速了粉塵的沉降，減小了巷道內粉塵的濃度。然而當風筒直徑為0.5m或繼續變小時，工作面射流區和回流區交界處風速將會超過5m/s,導致落入地上的粉塵重新被大量吹起，粉塵濃度反而上升。

4結論

(1)經理論分析及模擬結果顯示，當風量為355m3/min，使用0.6~0.7m直徑風筒時，巷道內粉塵濃度顯著降低。

(2)如果風筒下有膠帶運輸機，當掘進機工作時工人就只能在遠離風筒一側等待，而此側為高濃度粉塵區，因此，應將膠帶運輸機設在遠離風筒一側。

(3)由模擬結果可以看出，在距離工作面10m之內，即掘進機司機位置前后，由于風流波動比較大，粉塵分布無規律可言。且單獨采用通風除塵，無法使巷道內粉塵濃度降到國家標準之下。因此掘進工作面應采取通風、噴霧、煤層注水、泡沫除塵等綜合防塵措施。

(4)由于高瓦斯長距離通風時為增大風量多用大直徑風筒供風，不利于粉塵防治。因此，在選擇風筒時，應同時考慮風筒直徑對粉塵防治的影響。

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[責任編輯:李青]

Dust Movement Rule in Ventilators with Different Diameters in Full-mechanized Driving Face WANG Kai，GUO Hong-guang，WANG Fei，LIU Ru-zheng，CAO Wan-pu

(Mining Engineering School，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030000，China)

Abstract：Applying theoretical analysis and numerical simulation method，dust movement rule in ventilators with different diameters under the condition of 355m3/min air volume in 1105 driving face.Results showed that average dust concentration in 0.6-0.7m diameter ventilator was less 100mg/m3than that in 0.5 or 0.8m diameter ventilator，and less 200-300mg/m3than that in 0.9-1.0m diameter ventilator at the range of 0.5-1.0m near left side of the roadway.Dust reduction effect was obvious.The result provided theoretical and experimental basis for dust control in driving face.

Keywords：full-mechanized driving face；numerical simulation；ventilator diameter；dust movement rule；theoretical analysis

[作者簡介]王凱(1990-)，男，河北保定人，碩士研究生，研究方向為礦井粉塵防治。通訊作者：王飛(1972-)，男，內蒙古巴彥淖爾人，博士，副教授。

[基金項目]太原理工大學2013校基金項目(2013Z015);太原理工大學引進人才科研啟動基金項目(tyutrc-201250a)

[收稿日期]2015-02-17

[中圖分類號]TD714.2

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0080-04