高瓦斯煤層綜掘工作面風流-粉塵兩相流動特性

胡勝勇，廖 奇，王和堂，馮國瑞，徐樂華，黃宜生，邵 和，高 揚，胡 斐

(1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024; 2.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116; 3.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024; 4.太原理工大學 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024)

綜掘工作面是煤礦井下產塵量最大的場所之一，生產性粉塵質量濃度最高可達1 000 mg/m3[1-2]。綜掘工作面的高濃度粉塵，易誘發黑肺病和矽肺，嚴重威脅工作人員的身體健康，據統計，我國每年的塵肺病例約占總職業病例達90%[3-6]。粉塵濃度過高還會降低工作面的可見度，導致掘進機司機無法判斷截割頭位置而漏割或重割[7]。對于高瓦斯礦井，為避免出現綜掘工作面出現瓦斯積聚，造成安全隱患，多采用壓入式通風[8]。高瓦斯綜掘工作面一般通過增大通風風量來稀釋、排出瓦斯和粉塵[9-10]?！睹旱V安全規程》規定，存在瓦斯突出危險的掘進工作面不可采用長壓短抽式通風，為避免瓦斯積聚，只可采用壓入式通風，且要求通風風量不得低于360 m3/min，但風量增大會導致工作面氣載粉塵運移紊亂，不利于粉塵防治[11-14]。亟需研究壓入式通風條件下綜掘工作面的氣固兩相流動特性，為治理高瓦斯綜掘工作面粉塵提供理論依據[15]。

數值模擬作為一種高效可靠的方法被廣泛地用于綜掘工作面風流場分布與粉塵運移規律的研究[16-17]。HARGREAVES和LOWNDES[18]研究了綜掘工作面截割和錨固階段通風系統對粉塵分布特征的影響。王和堂[19]基于流體力學理論分析了井巷中粉塵顆粒在層流和湍流狀態下的運動特征。TORAO等[20]研究了長壓短抽通風條件下，抽風筒位置對掘進工作面內粉塵擴散特征的影響。KURNIA等[21]分析了壓入式通風、抽出式通風和采用隔板條件下，掘進工作面內粉塵的擴散特征。李雨成等[22]研究了綜掘工作面壓入式、抽出式和長壓短抽式通風條件下，風筒口距綜掘工作面不同距離時的粉塵分布規律。蔣仲安等[23]利用Fluent軟件，分析了采用長壓短抽通風方式的巖巷掘進工作面風筒高度與直徑對渦流的作用。王鵬飛等[24]研究了綜掘工作面射流屏蔽通風不同送風角度條件下的風流場和粉塵濃度分布特征。程衛民等[25]分析了風幕發生器的壓抽比與安設位置對綜掘工作面風流場與粉塵流場運移的影響。聶文等[26]研究了多徑向渦流風在不同壓風量與壓抽比條件下，綜掘工作面內風流場流動及粉塵擴散特征。上述成果主要研究綜掘工作面整體風流場與粉塵擴散規律，鮮有專門針對綜掘工作面研究壓入式通風綜掘工作面的氣固兩相流動特性。筆者通過數值計算，專門研究不同壓入式通風風速條件下，綜掘工作面風流場與粉塵場的三維分布特性，為綜掘工作面除塵設計提供借鑒。

1 數值計算模型

綜掘工作面粉塵在氣流運載作用下的擴散過程屬于氣固兩相流范疇。筆者基于歐拉-拉格朗日法建立數學模型[27]，將風流作為連續相，粉塵作為離散相，由于粉塵顆粒體積分數低于10%時，可以忽略顆粒之間的碰撞作用。為降低運算負荷，提高運算效率，未考慮粉塵顆粒之間的碰撞[9,22,28-29]。建立綜掘工作面氣載粉塵運動方程[25,30]。

連續性方程:

(1)

動量方程:

(2)

標準κ-ε兩方程:

(3)

(4)

式中，ρ為氣體密度，kg/m3;t為時間，s;u為氣體速度，m/s;x為X，Y，Z方向的坐標，m;i為張量符號，取1，2，3;j為張量符號，取1，2，3;k為單位質量的湍流動能，J/kg;ε為湍流動能的耗散速度，m2/s3;Gk為由平均速度梯度產生的湍流動能項，kg/(s3·m);p為湍流有效壓力，Pa;μ為層流黏性系數，Pa·s;μt為湍流黏性系數，Pa·s;c1ε，c2ε，cμ，σk，σε為模型常數，分別取1.44，1.92，0.09，1.00，1.30[31-33]。

運用拉格朗日法求解粉塵運動軌跡[24],主要考慮曳力與重力作用，根據牛頓第二定律[34-36]

(5)

(6)

Cd=a1+a2/Re+a3/Re2

(7)

Re=ρdp|>up-u|/μ

(8)

式中，u為氣體速度，m/s;up為粉塵顆粒的速度，m/s;mp為粉塵顆粒的質量，kg;Fd為粉塵顆粒受到的曳力，N;Fg為粉塵顆粒的重力，N;dp為粉塵顆粒的直徑，m;Cd為阻力系數;a1，a2，a3為常數;Re為雷諾準則數[37]。

2 物理模型建立及參數設定

2.1 物理模型及網格劃分

潞安集團漳村煤礦為高瓦斯礦井，為充分稀釋其綜掘工作面瓦斯，采用加大通風風量的壓入式通風方式。本文以該礦480材料巷Ⅲ段2601綜掘工作面為研究背景，建立等比例物理模型，如圖1所示。采用fluent meshing對物理模型進行網格劃分，如圖2所示。該工作面尺寸(長×寬×高)為30 m×5 m×3.5 m，壓風筒布置在巷道左側，風筒出口距綜掘工作面4 m，固定高度為3 m。圖1中，將綜掘工作面至工作面出口方向設定為X正方向，將壓風側至回風側方向設定為Y正方向，將巷道底部至頂部的方向設定為Z正方向，掘進機司機坐標為X=6.6 m，Y=1.8 m。將沿X方向定義為軸向，將沿Y方向定義為橫向。

圖1 2601綜掘工作面物理模型Fig.1 Physical model of the 2601 fully mechanized heading face

圖2 綜掘工作面計算網格Fig.2 Mesh of the fully mechanized heading face

2.2 參數設定

主要數值計算參數見表1。

表1 數值計算參數
Table 1 Parameter of numerical simulation

邊界條件參數設定求解器分離求解器湍流模型κ-ε雙方程入口邊界條件速度入口入口速度/(m·s-1)11,14,17,20,23,26水力直徑/m0.8湍流強度/(m2·s-2)2.92出口邊界類型自由出流離散格式二階迎風氣相密度/(kg·m-3)1.225氣相黏度/(m2·s-1)1.789 4×10-5固相粒徑分布R-R固相分布指數1.95固相最大粒徑/m2×10-4固相中間粒徑/m1.05×10-4固相最小粒徑/m1×10-6固相密度/(kg·m-3)1 200固相質量流率/(kg·s-1)0.01剪切邊界無滑移網格數量/1058

3 數值計算結果分析

3.1 風流流場分布

圖3為綜掘工作面風流場分布圖。由圖3可知，通風風筒流出的高速氣流由于綜掘工作面的阻擋，向巷道左右兩側分流，且由于風筒位于掘進機的左側，導致大部分的氣流在慣性作用下向巷道右側分流。掘進機前方空間狹小，且掘進機機體具有阻滯作用，導致X=0～8 m的風流流動受阻而流場紊亂，風流場的紊亂程度隨通風風速的增大而增大。在X=0～8 m，大部分氣流沿+Y側煤壁向+X方向流動。在掘進機后方，由于流通通道擴大，氣流具有-Y方向的分速度，開始沿橫向運動。

根據伯努利定律，流體中流速較大處壓強較小[38]。氣流的高速流動會造成周圍壓力降低，壓力差會反作用于氣流流動[39-40]。因此，需結合綜掘工作面的壓力分布來分析風流場的變化。圖4為Z=1.75 m處的壓力云圖。由圖4可知，在掘進機前方存在一個“負壓區”，負壓區的面積隨風速的增大而增大，其中心位于風筒出口處(X=4 m，Y=0.5 m)附近，中心處氣壓由風速u=11 m/s時的-3.23 Pa降低至u=26 m/s的-18.32 Pa。在X=0～10 m，部分+Y側的低速氣流由于負壓作用，向風筒出口處流動，并在掘進機上方形成順時針旋轉的渦流，且掘進機司機處于渦流之中。當風速為11～17 m/s時，由于壓差增大，導致渦流面積隨風速增大而增大，但當通風風速超過17 m/s時，負壓區的壓差較大，低速氣流還未向+X方向流動，就被吸引進入渦流區，因此渦流面積逐漸縮小。經過掘進機右側的氣流由于流通通道向-Y方向擴大，氣流具有向-Y方向運動的趨勢。在掘進機后方，由于大部分氣流具有較大+X方向速度，脫離負壓區的吸引繼續向+X方向流動。而在+X方向速度較小的氣流，在負壓區吸引以及丁達爾效應作用下，環繞著皮帶運輸機回流，最終匯入掘進機上方的渦流中。掘進機司機處于回流路徑上，因此司機同時受到右側渦流與后方回流的作用。當風速為11～20 m/s時，回流區面積隨風速的增大而減小，但當通風風速超過20 m/s時，由于壓差增大，可吸引距離負壓區更遠的低速風流，導致回流區面積反而增大?；亓鲄^的分布受風速影響，但回流的氣流均在掘進機的左后方匯入渦流中。

3.2 粉塵運動軌跡及濃度分布

圖5為綜掘工作面粉塵運動軌跡圖，圖6為綜掘工作面粉塵分布圖。由圖5可知，在綜掘工作面處，塵源粉塵在風流的攜帶作用下，沿回風側煤壁向軸向運動。部分粉塵會在掘進機上方渦流的作用下做類圓周運動，粉塵會從右側運動至司機周邊。由于掘進機機體的阻滯作用，氣載粉塵的流通通道縮小，導致粉塵運移速度增大，在掘進機右側形成一道高速粉塵流，應在掘進機右側攔截粉塵。當高速粉塵流經過掘進機機體時，流通通道突然擴大，粉塵流的運移速度減小，并逐漸沿橫向向工作面中部擴散。如圖5，6所示，由于存在氣流回流，沿回風側煤壁運移速度較小的粉塵在氣流的攜帶作用下流向負壓區。在掘進機后方，粉塵擴散速度較小，發生積聚，形成1個環繞著掘進機的高濃度帶，當風筒出口風速不足17 m/s時，粉塵帶平均質量濃度高于300 mg/m3。圖7為綜掘工作面粉塵質量濃度分布圖。如圖6，7所示，當風速超過20 m/s時，由于氣流單位時間內攜帶的粉塵量更大，因此工作面整體粉塵質量濃度下降。同時隨風速增大，風筒出口處形成的負壓值降低，吸引回流粉塵形成一個高濃度粉塵團。圖8為司機周邊粉塵質量濃度分布圖。由于司機周邊除了有從回風側運移而來的粉塵，還有由后方回流的粉塵，因此司機右側與后方的粉塵質量濃度較高。由圖7，8可知，掘進機司機位于粉塵帶的前部，在風筒出口風速為11 m/s時，司機后部粉塵質量濃度最大，為150 mg/m3，隨風筒出口風速增大，司機周邊粉塵質量濃度迅速降低[41]，當風筒出口風速為26 m/s時最大，此時司機右側粉塵質量濃度最高，為15 mg/m3。為保護司機及提高綜掘工作面能見度，應對掘進機回風側的高速粉塵流和后方回流粉塵進行攔截。

圖4 Z=1.75 m壓力分布Fig.4 Pressure nephogram at Z=1.75 m

圖5 綜掘工作面粉塵流線分布Fig.5 Dust trajectories at the fully nechanized heading face

圖6 粉塵空間分布Fig.6 Spatial distribution of dust

圖7 綜掘工作面粉塵質量濃度分布Fig.7 Quality concentration distribution at the fully nechanized heading face

圖8 司機周邊粉塵質量濃度分布Fig.8 Quality concentration distribution around the driver of roadheader

由圖7可知，綜掘工作面的粉塵質量濃度隨通風風速的增大而降低。因此，可考慮通過提高通風風量來降低工作面的粉塵質量濃度。由圖6，7可知，當風速為11～17 m/s時，隨通風風速增大，粉塵帶的面積與最高質量濃度均減小。當風速為20～26 m/s時，進風側距綜掘工作面2.5 m內存在高質量濃度粉塵團，平均質量濃度高于300 mg/m3。由圖7可知，當通風風速為11 m/s時，X≥6 m為高質量濃度區，其中X=6～10 m區域的粉塵質量濃度最高。隨風速的增大，高質量濃度區影響范圍縮小。在軸向上，高質量濃度區由風速為11 m/s時的X≥6 m縮小到風速為26 m/s時的X≤2 m,圖7為綜掘工作面粉塵質量濃度分布圖。在橫向上，高質量濃度區由0～5 m均勻分布縮小到2～5 m。此粉塵團的中心會隨風速增大而向綜掘工作面逐漸移動，在風速為20 m/s中心位于X=6 m，當風速為26 m/s時移動至X=2 m，且隨風速增加，高濃度區的平均粉塵質量濃度增大。

3.3 模擬結果與實測數據對比

根據2602綜掘工作面現場設備布置情況，設置5個檢測斷面，分別距離綜掘工作面4，6，8，10和12 m。每個斷面設置2個測點，分別測量風速和粉塵質量濃度。圖9為各截面的測點設置。分別采用AKFC-97-92A型礦用粉塵采樣器和CFJ-5低速風表，在各測點處測量粉塵質量濃度與風速，各點的粉塵質量濃度與風速均測量3次，取平均值。圖10為各測點風速、粉塵質量濃度的實測值與數值計算結果。由圖10可知，各測點的風速和粉塵質量濃度的實測值與數值模擬值的變化趨勢基本一致，且平均相對誤差分別為6.50%和6.75%，相對誤差在可接受范圍內[42]，因此數值模擬結果較為準確。

圖9 測點設置Fig.9 Layout of Measuring points

圖10 數值模擬結果與實測數據對比Fig.10 Comparison between simulation results and experiment results

4 結 論

(1)綜掘工作面的風筒出口處存在“負壓區”，負壓區的面積隨風筒出口風速的增大而增大，而其中心負壓值持續減小。負壓吸引掘進機右側風流，在掘進機上方形成順時針旋轉的渦流。當風速小于17 m/s時，渦流面積隨風速增大而增大，當風速大于17 m/s時，渦流面積逐漸縮小。掘進機后方氣流在負壓的吸引下回流，當風速為11～20 m/s時，回流區影響的范圍隨風速的增大而減小，當風速大于20 m/s時，回流區面積反而隨風速增大而增大。

(2)綜掘工作面的粉塵質量濃度隨通風風速的增大而減小。在X=5～9 m，沿回風側煤壁流動的粉塵流中部分粉塵隨渦流循環流動，從右側進入司機周邊。在掘進機后方，部分氣載粉塵回流經司機周邊與渦流匯合而進入負壓區，導致司機的右側與后方的粉塵質量濃度較高。當風速小于17 m/s時，回流粉塵形成一個面積隨風速增大而減小的環掘進機高質量濃度粉塵帶。當通風風速大于17 m/s時，回流粉塵在進風側距綜掘工作面2.5 m的區域聚集，形成高濃度粉塵團，且其平均濃度隨風速增大而增大。

(3)采用壓入式通風綜掘工作面區域，回風側和掘進機后方是粉塵防治的重點區域，為避免粉塵向工作面深處擴散，應在回風側設置粉塵攔截裝置或收集裝置攔截粉塵。同時，可在掘進機的后部設置覆蓋工作面斷面的除塵裝置，對沿回風側運移的粉塵進行二次攔截，還可阻擋掘進機后方粉塵在負壓吸引作用下回流至綜掘工作面，避免粉塵阻擋司機的視線。