煤礦綜采面PM2.5濃度分布規律研究分析*

趙建會，段 杰，楊 楠，王 豆

(1.西安科技大學， 陜西 西安 710054； 2.西安科技大學 高新學院, 陜西 西安 710054)

0 引 言

眾所周知，煤炭開采行業的作業環境是復雜和艱苦的，大多數井下作業人員會因為吸入固體顆粒而患有呼吸方面的疾病，在可吸入固體顆粒物中，PM2.5的含量占相當大的比例，且PM2.5的質量濃度與人體健康狀況顯著相關[1-2]。根據國內相關礦務局統計分析，在礦井內作業的工作人員，長期吸入顆粒物后所引發的職業病導致死亡人數已經達到工傷死亡總人數的6倍，而德國煤礦的研究表明，死于塵肺病的人數比工傷事故高出10倍[3]，并且PM2.5對于井下能見度也有重要的影響，所以也會造成礦井下的安全問題[4]。

各國學者對于大氣中PM2.5的防治進行了大量實驗研究和理論分析，同時提出了許多防治對策及措施。但是目前對煤礦井下作業產生PM2.5的研究相對較少，其主要原因是井下作業環境比較復雜，采煤過程中煤體的破碎或者風流的揚塵等造成粉塵種類過多并且容易對PM2.5的濃度分布造成影響；沒有精確的細微顆粒采樣儀器；同時PM2.5的形成具有多樣性，具體到系統不同區域、不同季節、不同狀態參數下PM2.5的形成及來源方向會有很大不同[5]。本論文主要采用實驗和模擬分析的方法對綜采面PM2.5分布運動規律進行研究分析，對在礦井下采取相應的降塵防塵措施及礦井內安全生產具有重要的指導意義。

1 井下PM2.5 的形成機理

1.1 PM2.5 的產生

在礦井內工作面作業時粉塵顆粒物的來源途徑主要有以下幾個方面：通風時的風流產生的污染，采煤機在切割工作時發生的周期性移架，運輸機載運和轉載工作以及工作面頂底板冒落和片幫的產塵等。其中，井下作業時最主要的粉塵來源是采煤機作業(包括清底和割煤)[6]。

1.2 氣固兩相流理論

本文主要是研究煤礦綜采面所產生的PM2.5 濃度分布規律，對于礦井綜采面PM2.5研究的主要理論依據是氣固兩相流運動的相關方程式?？梢詫⒚旱V綜采面做以下的假設：空間介質視為不可壓縮粘性氣體，空間場視為等溫場，并且之間沒有任何的能量傳遞，方程如下[7-9]：

(1) 對于不可壓縮粘性氣體，其連續性方程為:

Ug=0

(1)

(2) 對不可壓縮粘性氣體，其流體運動方程為：

(2)

式中,ρg為氣體密度，kg/m3；t為時間，s；F為單位體積上氣體的質量力矢量，N/m3；p為氣體的壓力矢量，Pa；μ為氣體的粘性系數，Pa·s。

(3) 由牛頓第二定律可得粉塵顆粒的運動方程為：

(3)

式中，mp為顆粒的質量，kg；Up為顆粒的運動速度，m/s；Fd為顆粒在氣流中所受的阻力，N；Ff為顆粒所受的浮力，N；Fg為顆粒所受的重力，N；Fx為顆粒所受的其他作用力，N。

2 煤礦綜采面PM2.5運動規律實驗研究

2.1 實驗構建

2.1.1 實驗對象選取

鑒于煤礦綜采面PM2.5形成的特殊性和多樣性，本次實驗主要通過研究某一特定的煤礦綜采工作面的情況來分析其濃度分布，實驗選取陜西省銅川市崔家溝煤礦三盤區2301工作面作為實驗研究對象。

2.1.2 采集器選取

實驗的測量儀器選用粉塵采樣器(見圖1)。粉塵采樣器的工作原理是已知該采集器的纖維濾膜質量，采集煤礦綜采面指定地點含塵空氣，然后稱量采樣后濾膜的質量，由采樣后濾膜的增量計算單位體積空氣中的粉塵濃度。

圖1 PM2.5采樣器裝置原理

2.1.3 測點布置

由于現場條件所限，采煤機機道空間無法進行采樣，因為本次研究主要是針對PM2.5濃度分布規律的研究，為避免PM2.5被行人過多吸入導致危害身體健康，所以在支架內行人道的呼吸帶上沿程布置采樣點能夠達到實驗的研究目的。具體布置點位置如圖2所示。

圖2 PM2.5 濃度測點布置

PM2.5粉塵采樣器在割煤的情況下，采樣點在順風割煤和逆風割煤的情況下均不改變布置點位置。圖中采樣點1-2， 14-15相距50 m，采樣點2-3， 13-14相距5 m，采樣點4-12間各相距20 m。

2.1.4 實驗數據采集

步驟一：粉塵采樣器的氣密性檢查。

步驟二：粉塵采樣器的氣密性檢查完畢后將粉塵采樣器固定在采樣點的位置，采樣入口迎風向放置，距離地面1.5 m。

步驟三：位置固定后，設定工作流量為16.67 L/min，啟動抽氣泵，連續運行15 min，并記錄數據。

2.2 實驗數據分析

本次研究的實驗數據見圖3、圖4、圖5。

2.2.1 不割煤時PM2.5沿程濃度分析

從圖3可以看出，該煤礦的綜采工作面PM2.5的沿程濃度是逐漸增加的，這是由于PM2.5的粒徑較小所以大部分是隨著風流擴散出工作面。在進風巷道與工作面交界處和回風巷道與工作面的交界處均出現PM2.5濃度驟然升高，這是因為風流在這兩處方向發生改變，產生渦流，造成煤壁的PM2.5被吹落，同時使得該處出現部分PM2.5滯留。

2.2.2 割煤時PM2.5沿程濃度分析

從圖4可以看出，距離采礦綜采工作面越近的位置產生的PM2.5濃度值會越高，一方面原因是割煤時產生的PM2.5擴散到行人道上，另一方面是由于割煤過程中移架和放頂煤導致PM2.5增加；在采樣點7處出現PM2.5濃度最大值為265～360 μg/m3不等，這主要是因為前、后滾筒處產生的PM2.5擴散進入人行道空間和移架作業時產生的PM2.5影響所致。

2.3 兩種情況下PM2.5沿程濃度對比

從圖5可以看出不割煤作業時，PM2.5的濃度含量十分低，且增長速度比較緩慢，表明風流引起的揚塵不是巷道PM2.5濃度含量增加的因素，其主要的因素是綜采工作面的煤體在割煤作業時引起的；割煤作業時，PM2.5的濃度越靠近綜采工作面其含量值越高。主要原因有：一是綜采工作面周圍的相關割煤設備儀器較多，占據一部分空間；二是綜采面的巷道截面偏小，導致該截面處的風速要比其他地方的大，形成相對較大的風流，造成更多揚塵，最終導致該處PM2.5的濃度值迅速增加。

圖3 不割煤時PM2.5 濃度沿程分布

圖4 割煤時PM2.5 濃度沿程分布

圖5 兩種情況下PM2.5濃度對比

3 FLUENT建模模擬分析

3.1 模型建立

對氣固兩相流的計算原理是比較復雜的，本次研究主要利用Fluent的數值計算方法[7-8]。計算物理模型的建立：工作面物理模型為長×高×寬=150 m×10 m×4 m的長方體、內部設備均按規則的立體結構布置；采煤機的物理模型：長×寬×高=6 m×2 m×2 m；液壓支架的物理模型為：長×寬×高=1 m×1 m×4 m，將上述3個物理模型簡化后使用Gambit軟件建立割煤時的三維集合模型，并進行網格劃分。相應的邊界條件：入口邊界類型為VELOCITY_INLET，入口速度為1.2 m/s，湍流動力能量0.8 m2/s2，湍流擴散比率為0.8 m2/s3，出口邊界類型為OUTFLOW。

3.2 模擬結果分析

本次僅分析沿煤壁至采空區方向的粉塵濃度，沿y軸正方向的行人道設置顯示粉塵濃度模擬結果的縱斷面，其中6，10 m兩個位置處縱斷面內PM2.5的濃度具體模擬結果如圖6、圖7所示。

圖6 y=6 m處縱斷面內的PM2.5濃度模擬分析

圖7 y=10 m處縱斷面內的PM2.5濃度模擬分析

從圖6和圖7中可以看出：

(1) 在y=6處，PM2.5的濃度沿著風流方向先逐漸增大，在行人道中央部位達到最大值，然后逐漸減小。同時在上風向的濃度明顯小于下風向的濃度。

(2) 在y=10處，即在煤壁處時，可以看出整個工作面區域內各點受割煤機作業的影響均有PM2.5的產生。

通過對比實地礦井綜采工作面的實驗數據，所得結果與利用FLUENT軟件模擬結果進行對比分析，可以得出，數值模擬的結果基本上論證了實驗所測數據的準確性。

4 結 論

(1) 工作面不割煤時，進風巷道PM2.5的濃度較小，且工作面PM2.5的沿程濃度逐漸增加。 在進風巷道與工作面交界處和回風巷道與工作面交界處均出現PM2.5濃度的驟然升高，回風巷道的PM2.5整體較高。

(2) 工作面割煤時，越靠近綜采工作面，產生的PM2.5濃度值越高。由于回風巷道的進風主要是通過工作面后的風，所以PM2.5的濃度整體上比進風巷道的濃度要高。工作面PM2.5濃度較進、回風巷道要大，沿程濃度最大值為265～360 μg/m3不等，在工作面的下風向PM2.5濃度值開始迅速下降，到采樣點10處以后逐漸減小，最終濃度基本上穩定在88 μg/m3左右。

參考文獻：

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