綜掘工作面長壓短抽通風下粉塵分布的數值模擬

2018-03-05 07:05:49魯忠良

中國煤炭 2018年1期

孟晗魯忠良

(河南理工大學安全科學與工程學院，河南省焦作市，454000)

隨著煤礦采掘機械化、自動化程度的不斷提高，煤礦井下粉塵的產生量也不斷加大，特別是綜掘工作面，產塵量大，粉塵的治理比較困難。綜掘工作面的粉塵濃度過高會降低工作面的能見度、影響井下工人的身心健康，甚至發生煤塵爆炸，綜掘工作面的粉塵治理已經成為煤礦安全生產重點治理工作之一。

山西省潞安集團漳村煤礦2506掘進工作面的粉塵濃度高達0.0001～0.0002 kg/m3,粉塵濃度遠遠超出了《煤礦安全規程》的規定。本文以該掘進工作面為研究背景,分別對工作面在長壓短抽的通風方式和壓入式通風下進行了數值模擬研究，得出了這兩種通風方式下掘進工作面的粉塵分布規律，通過對粉塵分布規律的分析，可以更好地指導該綜掘工作面的通風除塵工作。壓入式通風和長壓短抽通風的區別在于,壓入式通風只有壓入式風筒,不存在抽出式風筒和除塵風機,其他設置與長壓短抽設置相同，故對于壓入式通風不再詳細敘述。

1 長壓短抽布置方式

根據局部通風機和風筒的布置位置和2506綜掘工作面的特點，煤礦決定采用長壓短抽的局部通風方式，即壓入式的長風筒將新鮮的風流送入工作面，工作面產生的污風經抽出式風筒進行除塵凈化，被凈化后的風流沿巷道排出。

2506綜掘工作面采用的長壓短抽通風方式由壓入式風筒、抽出式風筒、除塵器三部分構成。該通風方式在巷道內的布置如圖1所示。壓入式風筒出口距離工作面7 m,抽出式風筒入口距離工作面3 m，壓入式風筒和抽出式風筒的直徑都是0.6 m，壓入式風筒出口風速為15 m/s，抽出式風筒壓力為-300 Pa。

1-壓入式風機；2-壓入式風筒；3-抽出式風筒；4-抽風機；5-除塵風機圖1 2506綜掘工作面長壓短抽裝置布置圖

2 數值模擬的計算方法以及邊界條件的設定

2.1 數學模型的建立

綜掘工作面風流為三維定常不可壓縮的湍流流動，數值模擬時所需要的數學模型主要用于研究風流速度場的變化情況，對模擬結果的要求并不是非常精確，所以數值模擬采用工程中適用范圍最廣、最常用的標準k-ε兩方程模型，該模型假設流動為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略，只考慮動量的傳輸，不考慮熱量的傳輸。

連續性方程即是質量守恒方程，根據這一定律可以得到流體的連續性方程為：

(1)

式中：ρ——流體密度，kg/m3；

t——時間，s；

u,v,w——三維空間的流體速度在x,y,z坐標方向上的速度分量，m/s。

運動方程又稱動量守恒方程，根據牛頓第二定律，各坐標方向上的動量守恒方程為：

式中：ν——運動粘性系數，m2/s；

f——單位質量力分布函數；

p——單位面積上表面力分布函數。

在標準k-ε模型中，湍動能k和湍流耗散率ε的輸運方程可以用式(3)、(4)表示：

式中：μt——湍流動力粘度系數；

Cu——經驗常數，取0.09；

Gk——平均速度梯度引起的湍流能量生成率；

Gb——浮力引起的湍流能量生成率；

YM——可壓湍流中脈動擴張引起的湍動能的產生項；

Sk,Sε——用戶定義的源項；

C1ε,C2ε,C3ε,σk,σε——試驗常數，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.9，σk=1.0，σε=1.3。

2.2 幾何模型的建立

選取2506綜掘工作面長度為15 m、寬度為3.6 m、高度為4 m的巷道，利用GAMBIT建立巷道的幾何模型，并且對巷道模型進行網格劃分，壓入式風筒出口距離工作面7 m,抽出式風筒距離工作面的距離是3 m,壓入式風筒和抽出式風筒的直徑是0.6 m,距離地面高2.5 m,壓入式風筒出口風速為15 m/s，抽出式風筒壓力為-300 Pa，巷道出口風速為0.35 m/s，入口邊界條件類型為Velocity-inlet，出口邊界條件類型為Outflow。

2.3 邊界條件的設定

將GAMBIT劃分好的網格導入到FLUENT中，設定求解需要的各種參數。本文選用離散相模型非穩態求解，采用k-ε湍流模型，根據2506綜掘工作面的產塵情況,噴射源為面源噴射，顆粒粒徑分布符合Rosin-rammler分布。其中離散相參數設定為：顆粒迭代步數為50000，相間耦合頻率為10，時間步長為0.01，阻力特征為球形顆粒；粉塵噴射源參數設置：顆粒材質為高揮發性煤，組噴射源類型，質量流率為0.02 kg/s，顆粒速度為-0.5 m/s，最小粒徑為2×10-6m，最大粒徑為1×10-4m，中粒徑為5×10-5m，分布指數為2.55。

3 數值模擬的結果分析

按照上述條件進行參數的設置，再進行迭代計算，并且保持風筒直徑和巷道風速不變，把長壓短抽的結果與壓入式通風條件下的綜掘工作面的產塵情況進行比較分析。

3.1 粉塵擴散的模擬結果分析

壓入式通風條件下粉塵的運移結果如圖2(a)所示，圖中從左到右依次是X=13 m，14 m，15 m(以綜掘巷道的出口為0點,正方向指向巷道的掘進端頭)的截面。從圖2(a)可以看出，在綜掘工作面前端由于掘進機的原因，粉塵濃度比較高，嚴重影響了掘進司機的視線，并且使得掘進司機長時間處于高濃度的粉塵濃度下；同時，工作面的風流還會在掘進機前端產生渦流，帶動粉塵運動，使得掘進工作面的粉塵逐漸彌散到整個巷道中。

長壓短抽的粉塵運移擴散結果如圖2(b)所示，圖中從左到右依次是X=13 m，14 m，15 m(以綜掘巷道的出口為0點,正方向指向巷道的掘進端頭)的截面。從圖2(b)可以看出，掘進工作面前端產生的粉塵在抽出式風筒負壓作用下，會進入到抽出式風筒，然后通過與抽出式風筒相連的除塵風機除去，沒有進入到抽出式風筒的部分粉塵會在抽出式風筒的外圍運動，就是通常所說的附壁運動。