綜放面多塵源粉塵分布規律數值模擬及實測

王洪勝，譚 聰，蔣仲安，張義坤，王 明

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，100083北京;2.北京市勞動保護科學研究所，100054北京)

綜放工作面是煤礦井下最大的產塵場所，粉塵濃度高達1 500 mg·m-3以上，遠遠超過國家有關衛生標準.嚴重威脅煤礦工人的身心健康，還大大惡化了工作條件，加大了機械設備的磨損，還有煤塵爆炸的危險［1-3］.同時，綜放工作面生產工序多、塵源多、現場條件復雜，粉塵治理難度較大.因此，研究綜放工作面各塵源粉塵分布規律，對于有針對性地采取合理的粉塵治理措施有重要的指導意義.

數值模擬作為一種簡便、經濟、實用的研究方法，在粉塵控制方面得到廣泛應用.Alam［4］利用Fluent模擬了巷道設備運行條件下的粉塵分布及運動規律，Witt等［5］針對傳輸裝置產生的揚塵，利用計算機動態流體模型預測其運動軌跡.在國內，蔣仲安等［6］針對綜采工作面粉塵運動規律進行了數值模擬研究，程衛民等［7］針對綜掘工作面粉塵控制進行了數值模擬，秦躍平等［8］針對綜掘面粉塵運移進行了數值模擬，趙振保等［9］針對綜放面粉塵分布進行了數值模擬，并取得了一定的成果.其他學者也在粉塵運移數值模擬方面做了大量工作［10-14］，但這些研究僅探討了工作面整體粉塵分布情況，未能詳細研究各個塵源的粉塵分布規律.本文采用數值模擬和現場實測的方法，深入探討了綜放工作面割煤、移架、放頂煤、轉載4大工序單獨作業以及同時作業時的粉塵分布規律，為綜放工作面單塵源降塵和多塵源降塵的有機結合提供了技術支持.

1 模型的建立

1.1 氣固兩相模型的確定

粉塵在空氣流場中的運動本質上屬于氣固兩相流運動［15-17］.氣固兩相流動理論主要有3種觀點:第1種是將粉塵顆粒作為擬流體，假設其在空間中有連續的速度、溫度分布及等價的輸送性質，將粉塵顆粒相與氣體相均在歐拉坐標系下處理;第2種是在歐拉坐標系下考察氣體相的運動，而將粉塵顆粒作為離散相，在拉格朗日坐標系下研究粉塵顆粒相的運動;第3種是將流體作為擬顆粒，從單顆粒尺度上描述流體微團的運動特征，將氣相和粉塵顆粒相均在拉格朗日坐標系下處理.本文采用第2種觀點，建立歐拉—拉格朗日模型，將工作面風流作為背景流體，用歐拉法進行求解;將粉塵看作離散分布于風流中的顆粒，運用拉格朗日法對粉塵的運動軌跡進行求解.

1.2 幾何模型的建立

某礦某綜放工作面，煤層平均厚度14.44 m，采高3.9 m，平均放煤高度 10.54 m，平均控頂距 6 m，傾斜長207 m，走向長1 932.6 m，工作面設計風量2 087 m3·min-1.采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤開采，用Eickhoff SL-500AC型采煤機落煤、裝煤，42×1000×268AFC 2×1050KW TTT 型前部刮板運輸機和42×1250×268AFC 2×1050KW TTT型后部刮板運輸機運煤，ZF15000/27.5/42型低位放頂煤支架支護頂煤、頂板.進風巷中設有皮帶機、轉載機、移動變電站、各部開關、自動控制站、乳化液泵站、噴霧泵站等;回風巷為運輸巷.

根據現場實際簡化模型，將采煤機機身、電纜槽視為規則的長方體，搖臂簡化為與實際外形相近的規則狀，滾筒簡化為圓柱體加圓柱型截齒，液壓支柱簡化為規則圓柱體，建立一個長120 m、寬6 m、高3.9 m的長方體計算區域，利用GAMBIT建立采煤機割煤時的三維幾何模型，如圖1所示.

圖1 綜放工作面三維幾何模型

1.3 數值模擬參數的設置

將網格模型導入Fluent中，根據該綜放面的實際情況及相關實際測量數據，結合數值模擬方法及所確定的數學模型，設置相關參數，如表1所示.選擇標準k-ε兩方程模型，采用SIMPLEC算法，進行數值模擬計算.

表1 數值模擬主要參數設定

2 模擬結果及分析

2.1 工作面流場分布規律

通過Fluent軟件進行流場解算，綜放工作面風速矢量圖和各斷面風速云圖如圖2，3所示.由圖2，3可知:1)液壓支柱的阻礙作用使得采煤機機道空間的風速較大，在整個流場中占主導作用;液壓支柱間的人行道空間風速較小，局部出現大的擾動;液壓支柱后方放煤空間風速也較小，風速變化也較明顯.2)在采煤機的阻礙作用下，采煤機附近的流場出現了較大擾動，風流產生繞流，采煤機上方風流速度增加較大;在采煤機的上風側和下風側，工作面的流場分布相對比較穩定.3)由于井下粉塵的擴散主要受空氣流速的影響，通過風流流場的模擬可知:在采煤機附近風速較大，極易將粉塵吹散開，因此，必須在采煤機滾筒點采取措施，在粉塵還未擴散開前進行降塵;移架作業產生的粉塵隨著風流在機道擴散，需要采取全斷面降塵措施;放煤作業產生的粉塵一旦擴散至液壓支柱空間，由于該部分空間風流流速變化大，流場極不穩定，很不利于降塵工作，因此，必須采取措施防止放頂煤產生的粉塵向液壓支架間及采煤機道擴散.

圖2 綜放工作面風速矢量圖

圖3 綜放工作面各斷面風速分布云圖

2.2 割煤粉塵分布規律的模擬結果

采煤機割煤過程中的產塵，一方面是采煤機截齒對煤體的截割破碎產塵，另一方面是煤塊在下落過程中破碎及沖擊氣流產塵.分別在采煤機前后滾筒上設置塵源.通過跟蹤大量粉塵的擴散軌跡，得到粉塵濃度空間分布，如圖4所示.圖5為采煤機道呼吸帶高度沿線(y=2.0 m，z=1.6 m)、電線槽外側呼吸帶高度沿線(y=3.2 m，z=1.6 m)、以及液壓支柱間人行道呼吸帶高度沿線(y=4.2 m，z=1.6 m)粉塵濃度沿程變化(采煤機中部在x=40 m處).

圖4 割煤粉塵濃度空間分布

圖5 割煤粉塵濃度沿程分布

由圖4、5可以看出:1)采煤機割煤產生的粉塵大部分沿著前煤壁隨風流擴散，少數粉塵向后方液壓支柱間擴散.這是由于靠近煤壁側風速較大，且風流比較穩定，粉塵也主要沿著煤壁向回風巷飄散.2)在采煤機附近粉塵濃度出現峰值，且采煤機道空間粉塵濃度峰值比人行道大很多;而在采煤機下風向整個工作面空間的粉塵濃度迅速降低，并最終達到穩定狀態.原因是采煤機占據了工作面幾乎一半的斷面，風速在采煤機附近幾乎增加1倍，大量大粒徑粉塵被風流吹揚擴散開.同時由于采煤機的阻礙作用，風流方向在此向人行道側偏轉，增強了粉塵從滾筒處向人行道的擴散;在采煤機下風向，風速減小，風向再次穩定，大部分大粒徑粉塵逐漸沉降，小粒徑粉塵繼續隨風流飄散，粉塵濃度也逐漸趨于穩定.3)順風割煤時，在采煤機道呼吸帶沿線上，在后滾筒位置(x=34 m)處，粉塵濃度開始迅速增加到400 mg·m-3，在采煤機下風向15 m處，粉塵濃度再次急劇增加，達最大值1 200 mg·m-3.隨后開始緩慢下降，最終穩定在300 mg·m-3左右.在電線槽外側呼吸帶高度沿線，粉塵在采煤機中部位置達到最大值1 100 mg·m-3后，逐 漸 下 降，最 終 穩 定 在200 mg·m-3左右.在液壓支柱間的人行道內，采煤機附近濃度也略有增加，最大峰值為400 mg·m-3，然后緩慢降至150 mg·m-3左右.但隨著距離的增加，人行道粉塵濃度又略微有增加的趨勢.說明風流對割煤粉塵的擴散起決定作用，在進行防降塵設計時，應該充分考慮風流的影響.4)逆風割煤粉塵濃度分布規律與順風割煤基本一致，只是在采煤機附近粉塵濃度最大值比順風割煤大，達1 500 mg·m-3左右.

2.3 移架粉塵分布規律的模擬結果

在割煤作業上風向20 m位置設置粉塵源，該塵源在工作面機道上方頂板處，為一長3.5 m、寬0.3 m的細長面塵源.模擬計算得粉塵濃度空間分布如圖6所示.圖7為電線槽外側呼吸帶高度沿線(y=3.2 m，z=1.6 m)以及液壓支柱間人行道呼吸帶高度沿線(y=4.2 m，z=1.6 m)粉塵濃度沿程變化.

圖6 移架粉塵濃度空間分布

圖7 移架粉塵濃度沿程分布

由圖6，7可以看出:1)移架產生粉塵后，粉塵迅速向移架作業下風向的全斷面擴散.在擴散過程中，部分粉塵擴散至底板沉降;部分粉塵與前后壁及頂板發生碰撞后被反彈回氣流中，繼續隨著氣流向工作面下風向擴散;大部分粒徑較小的粉塵在風流的作用下一直運動到回風巷，隨回風被排出工作面.2)在移架作業附近，粉塵濃度較大.在移架作業下風向20 m由于采煤機對風流的影響，風速變大，流場也變得極不穩定，不利于粉塵的沉降，因此，該段的粉塵濃度也較大，在采煤機下風向，隨著風流流場逐步趨于穩定，大顆粒粉塵逐漸沉降，粉塵濃度也逐漸降低.3)在人行道呼吸帶高度，移架處粉塵濃度最大，達775 mg·m-3，隨后粉塵濃度逐漸降低，最后穩定在100 mg·m-3左右.在液壓支柱與電線槽之間的機道呼吸帶高度，由于風速相對于人行道較大，粉塵迅速被吹散開，因此，該線上的峰值相對較小，只有300 mg·m-3左右，在50 m后(采煤機后)機道粉塵濃度逐漸與人行道內的濃度趨于一致.

2.4 放頂煤粉塵分布規律的模擬結果

在割煤作業上風向30 m處的放頂煤液壓支柱后方設置一長2 m、寬0.3 m的面塵源.粉塵濃度空間分布如圖8所示.圖9為電線槽外側呼吸帶高度沿線(y=3.2 m，z=1.6 m)以及液壓支柱間人行道呼吸帶高度沿線(y=4.2 m，z=1.6 m)粉塵濃度沿程變化.

圖8 放頂煤粉塵濃度空間分布

圖9 放頂煤粉塵濃度沿程分布

由圖8，9可知:1)放頂煤作業產生粉塵后，粉塵迅速向液壓支柱間的人行道擴散，由于人行道處風速較小，并且放頂煤塵源離底板較近，一部分粉塵沉降在底板上，另一部分粉塵則擴散至采煤機機道，在機道風流的吹散作用下又逐漸彌漫在整個工作面.2)放頂煤作業時，在作業點附近粉塵濃度較大.由于前方煤壁側風速較大，液壓支柱空間風速較小，粉塵基本上都是沿液壓支柱空間擴散.在采煤機附近，由于采煤機對風流的阻礙，風流在此偏轉，橫向沖刷后方液壓支柱空間，從而也帶動粉塵擴散至整個作業面空間.3)在人行道呼吸帶高度，放煤處粉塵濃度最大，達345 mg·m-3，隨后粉塵濃度逐漸降低，最后穩定在100 mg·m-3左右.這主要是因為放頂煤在液壓支柱后方，液壓支柱空間風速相對較小，粉塵不易被吹散開，大部分粒徑較大的粉塵則沉降較快.而未能迅速沉降的粉塵粒徑均相對較小，也更容易隨風流向回風巷飄散.4)放頂煤作業過程中，在其下風向10 m范圍內粉塵濃度較大，因此，應該在放煤孔處進行降塵的同時加強對底板和液壓支架底座的灑水，增強其對粉塵的捕獲能力.

2.5 轉載點粉塵分布規律的模擬結果

按照實際生產中的布局，在工作面進風口前后轉載處分別設置兩個點塵源，模擬計算得粉塵濃度空間分布如圖10所示.圖11為電線槽外側呼吸帶高度沿線(y=3.2 m，z=1.6 m)以及液壓支柱間人行道呼吸帶高度沿線(y=4.2 m，z=1.6 m)粉塵濃度沿程變化.

圖10 轉載點粉塵濃度空間分布

圖11 轉載點粉塵濃度沿程分布

由圖10，11可知:1)轉載點處產生的粉塵除了部分沉降被底板捕獲外，大部分粉塵隨著風流向整個工作面空間擴散，一直隨著風流穿過整個工作面進入回風巷，對整個工作的作業均會產生影響.這主要是由于轉載點處在進風巷與工作面的交匯點，風流在此方向發生90°偏轉，局部風速較大，轉載產生的粉塵極易被風流吹散開并隨著風流迅速擴散開.2)在轉載點處粉塵濃度急劇增加到最大值400 mg·m-3，然后又緩慢下降，在離轉載點35 m后基本穩定在50 mg·m-3左右.3)由于轉載點處的粉塵影響著割煤、移架、放煤等整個工作面的作業，轉載點處的粉塵治理也是綜放工作面粉塵治理的重點，應在轉載點處粉塵源頭控制住粉塵，防止其隨風擴散.

2.6 多塵源粉塵分布規律的模擬結果

在井下實際生產過程中，各個工序在時間上并沒有明確的界限，一般都是多個甚至全部工序同時作業.因此，工作面粉塵濃度實際是多個塵源共同作用的結果.為了能夠更真實地模擬井下實際粉塵擴散分布規律，分別在轉載點、放煤孔、移架處、割煤點設置塵源，模擬計算在多塵源作用下的綜放工作面粉塵濃度分布規律.在多工序共同作業下，工作面粉塵擴散空間分布和濃度沿程變化如圖12，13所示.

圖12 多塵源粉塵濃度空間分布

圖13 多塵源粉塵濃度沿程分布

由圖12，13可知:1)轉載點和放頂煤作業產生的粉塵沿人行道擴散較多，而移架和割煤產生的粉塵則主要是沿著采煤機道空間擴散，特別是割煤作業，越靠近前煤壁粉塵濃度越大.因此，移架和割煤是綜放工作面粉塵控制的重點.但由于轉載和放頂煤其粉塵擴散空間正好是工人的工作區域，對轉載和放煤粉塵的控制也非常重要.2)在多塵源作用下，綜放工作面的粉塵濃度疊加效應十分明顯，風流每經過1個塵源點，工作面粉塵濃度就顯著增加，特別是經過采煤機割煤后，工作面的粉塵濃度明顯高于單個塵源作用下的濃度.3)電線槽外側及人行道呼吸帶高度沿線，在轉載點塵源(x=3 m)作用下，粉塵濃度出現第1個峰值，隨后粉塵濃度有所下降;經過放頂煤塵源(x=15 m)后，粉塵濃度再次急劇增加;經過移架塵源后粉塵濃度達到峰值，然后又迅速下降;在隨后的擴散過程中有緩慢上升的趨勢.在采煤機道，轉載、放煤、移架作業對其粉塵濃度影響均較小.而在割煤作業點，粉塵濃度出現急劇增加，并且之后保持在較高值，說明割煤作業的主要影響區域是采煤機道空間.

3 現場實測結果

根據GBZ/T192.1—2007《工作場所空氣中粉塵測定》及相關文獻粉塵采樣點布置方法，在該礦該綜放工作面人行道(割煤作業為電線槽外側)呼吸帶高度沿程布置多個測點，采用AKFC-92A粉塵采樣儀對割煤、移架、放頂煤、轉載及多工序同時作業時的粉塵濃度進行測定.各個數據均測量3次取平均值，模擬結果與實測數據對比如圖14所示.

圖14 實測數據與模擬數據對比

由于綜放工作面粉塵濃度受煤層賦存條件、采煤工藝、粉塵控制措施、測量誤差等多方面因素影響，在實際測量中粉塵濃度偏差往往較大，根據多次重復測定結果及以往粉塵濃度測定經驗，在此取±20%的實測誤差區間.從圖14可以看出，在各個單工序作業以及多工序作業中，模擬結果中人行道呼吸帶高度粉塵濃度分布曲線與現場實測數據分布規律基本吻合，粉塵濃度峰值出現的位置也完全一樣.模擬數值基本均在實測數據的允許誤差范圍內，二者的吻合度較高，誤差較小，不影響數值模擬結果的可信性，說明用數值模擬的方法研究相關參數對綜采割煤粉塵運移的影響是可行的.通過數值模擬的方法研究綜放工作面粉塵濃度分布規律，更能直觀地了解整個工作面空間的粉塵分布情況，從而為粉塵治理工作提供技術參考.

4 結 論

1)粉塵濃度分布規律的數值模擬結果和現場實測數據基本相同，用數值模擬的方法研究綜放工作面粉塵分布情況具有較高的可信度.

2)綜放工作面各工序作業的粉塵濃度分布規律各不相同:割煤作業產塵量最大，粉塵主要沿采煤機道擴散，部分粉塵向人行道空間擴散.因此，在加強滾筒塵源處粉塵控制的同時，也應在采煤機外側采取水幕簾降塵措施，阻止割煤粉塵向人行道擴散;移架作業人行道粉塵濃度高于機道粉塵濃度，需在機道空間和人行道空間均設置架間噴霧;放煤作業粉塵沿人行道空間分布較大，需在放煤口采取隔塵措施，防止粉塵逸散;轉載點局部風速大，粉塵影響范圍較廣，應采取密封等措施防止粉塵向工作面飄散.

3)綜放工作面多工序共同作業時，工作面空間粉塵濃度分布較復雜，粉塵濃度疊加效應較明顯.防降塵工作中，針對各塵源采取不同措施的同時，應在放煤作業和割煤作業之間增加全斷面噴霧裝置，在所有作業工序的下風向也應適當布置幾道全斷面噴霧裝置，還應常灑水保持工作面濕潤性，增強對粉塵的捕獲作用.

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