抽出式通風(fēng)綜掘工作面粉塵分布規(guī)律的數(shù)值模擬研究

王志寶 黃立寧

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

綜掘工作面作為煤礦井下作業(yè)過(guò)程中粉塵的其中一個(gè)主要產(chǎn)塵源，其工作面的高濃度粉塵一直威脅著煤礦的安全高效生產(chǎn)。在沒有防護(hù)措施的情況下，掘進(jìn)工作面粉塵濃度為1200 mg/m3以上，個(gè)別地方甚至高達(dá)3000 mg/m3，呼吸性粉塵濃度達(dá)800～900 mg/m3，總粉塵濃度和呼吸性粉塵濃度都嚴(yán)重超標(biāo)，工人長(zhǎng)期處于粉塵超標(biāo)的作業(yè)環(huán)境下，會(huì)增加塵肺病的發(fā)病率。抽出式通風(fēng)作為綜掘工作面的主要通風(fēng)方式之一，可有效稀釋工作面區(qū)域的粉塵濃度，降低作業(yè)人員遭受粉塵危害的可能性，有效地保護(hù)工人身心健康。這種通風(fēng)方式可使無(wú)序運(yùn)移的粉塵變得定向有序，進(jìn)一步研究其粉塵沿巷道通風(fēng)風(fēng)流的分布規(guī)律，對(duì)抽出式通風(fēng)綜掘工作面粉塵防治與治理具有重要意義。

1 數(shù)值模型及邊界條件

1.1 數(shù)值模型

建立簡(jiǎn)化的矩形巷道物理模型：

(1)模型巷道全長(zhǎng)25 m(Y軸方向)，巷道斷面為矩形，巷道凈高3.5 m(Z軸方向)、凈寬3.6 m(X軸方向)，巷道斷面積S為12.6 m2。以掘進(jìn)工作面所在平面為Y=0的平面、巷道底板所在平面為Z=0的平面、以巷道左右兩側(cè)煤壁的中面為X=0的平面。

(2)圓柱形風(fēng)筒中心線距離巷道底板2.0 m，距離巷道左側(cè)煤壁3.1 m，根據(jù)計(jì)算可得吸程為5.65 m。

利用ICEM軟件對(duì)模型巷道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體采用六面體網(wǎng)格，以提高數(shù)值模擬的計(jì)算精度，準(zhǔn)確分析粉塵沿風(fēng)流的分布規(guī)律。模擬巷道網(wǎng)格劃分示意圖見圖1。

圖1 模擬巷道網(wǎng)格劃分示意圖

利用ICEM軟件對(duì)模擬巷道模型進(jìn)行劃分后，得到的六面體網(wǎng)格總數(shù)為46.6萬(wàn)個(gè)。經(jīng)運(yùn)算檢驗(yàn)，Determinant比值在0.6～1之間，0.6～0.8區(qū)間占比3.463%，比推薦的最低值0.1大，Determinant比值滿足模擬計(jì)算要求。在網(wǎng)格劃分時(shí)，單元格的最小內(nèi)角越大網(wǎng)格質(zhì)量越好。對(duì)劃分的單元格最小內(nèi)角質(zhì)量進(jìn)行運(yùn)算檢驗(yàn)，最小內(nèi)角在40.5°～67.5°區(qū)間的單元格占總數(shù)的6.059%，其余單元格內(nèi)角均為67.5°～90°，所有單元格最小內(nèi)角均比推薦的最小角度18°大，單元格的最小內(nèi)角滿足模擬計(jì)算要求。

1.2 計(jì)算模型選取及邊界條件參數(shù)設(shè)置

采用多相流計(jì)算中的離散相模型(Discrete Phase Model ，DPM模型)進(jìn)行計(jì)算，其中風(fēng)流流場(chǎng)(連續(xù)相)采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，顆粒軌跡追蹤(離散相)采用瞬態(tài)計(jì)算。依次按表1的參數(shù)對(duì)抽出式通風(fēng)流場(chǎng)、DPM離散相模型、顆粒入射參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在完成風(fēng)流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算的基礎(chǔ)上，添加DPM離散相模型，進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。模擬計(jì)算時(shí)采用密度為1.45 g/cm3、最大粒徑小于10 μm的固體顆粒代替粉塵微粒進(jìn)行計(jì)算。

表1 模擬參數(shù)設(shè)置表

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 粉塵沿風(fēng)流分布規(guī)律分析

為了研究粉塵沿風(fēng)流分布規(guī)律，抽出式通風(fēng)風(fēng)筒入風(fēng)口與掘進(jìn)頭距離設(shè)置為3 m，抽出風(fēng)量為150 m3/min。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別得出開始產(chǎn)塵后30 s、120 s、210 s、300 s、390 s、480 s時(shí)粉塵微粒在巷道空間的瞬態(tài)云圖，如圖2所示。

由圖2可以得出，產(chǎn)塵后30 s時(shí)，有少量粉塵進(jìn)入抽風(fēng)風(fēng)筒，隨著時(shí)間推移，工作面的粉塵沿著風(fēng)筒軸向運(yùn)移，然后大量粉塵微粒被抽入風(fēng)筒，其余粉塵基本被控制在掘進(jìn)面附近的范圍內(nèi)，只有少量粉塵沿靠近風(fēng)筒一側(cè)的煤壁向外擴(kuò)散，由于風(fēng)流的作用，向外擴(kuò)散的速度逐漸降低，最后積聚在底板和煤壁的角落里。

在產(chǎn)塵后480 s時(shí)粉塵微粒在巷道空間的瞬態(tài)云圖上，分別選取距離工作面2 m、3 m、4 m、5 m、7 m、9 m、12 m、15 m的斷面，計(jì)算巷道中的粉塵濃度，得到如圖3所示結(jié)果。

圖2 不同時(shí)間粉塵微粒在巷道空間的位置圖

從圖3可以看出，在距工作面3 m范圍以內(nèi)時(shí)(即在風(fēng)筒入風(fēng)口前)，巷道中的粉塵濃度隨距工作面的距離增大而迅速降低，在距工作面5 m以外(即在風(fēng)筒入風(fēng)口后)，巷道內(nèi)的粉塵濃度很小。

通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，距工作面3～4 m處的粉塵濃度值比距工作面15 m處的粉塵濃度值大，結(jié)合粉塵微粒在巷道空間的瞬態(tài)云圖，有少量粉塵沿靠近風(fēng)筒一側(cè)的煤壁向外擴(kuò)散，該部分粉塵導(dǎo)致距工作面3～4 m處的粉塵濃度值較距工作面15 m處的粉塵濃度值偏大。通過(guò)分析還可以發(fā)現(xiàn)，距工作面5～9 m處的濃度值與距工作面15 m處的粉塵濃度值比較接近，結(jié)合粉塵微粒在巷道空間的瞬態(tài)云圖，少量沿風(fēng)筒一側(cè)煤壁向外擴(kuò)散的粉塵由于風(fēng)流作用運(yùn)移速度降低而積聚在煤壁與底板的角落里。

圖3 粉塵濃度沿程分布圖

綜上，在抽出式通風(fēng)綜掘工作面，粉塵主要分布于距工作面5 m以內(nèi)的巷道空間。

2.2 掘進(jìn)面與風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離變化對(duì)粉塵分布規(guī)律的影響

為了分析掘進(jìn)工作面到抽出式風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離L的變化對(duì)粉塵分布規(guī)律的影響，L依次選取1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m，建立不同的物理模型進(jìn)行模擬分析，其中風(fēng)量統(tǒng)一設(shè)置為150 m3/min，模擬產(chǎn)塵時(shí)間為900 s。

根據(jù)數(shù)值模擬運(yùn)算結(jié)果，分別計(jì)算出不同距離L的物理模型距工作面0 m、0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、7.0 m、9.0 m、12 m、15 m處斷面的平均粉塵濃度，分析不同物理模型的粉塵在巷道空間內(nèi)的分布規(guī)律，得出如圖4所示的結(jié)果。

圖4 掘進(jìn)面與入風(fēng)口不同距離的粉塵變化趨勢(shì)圖

由圖4可以看出，在掘進(jìn)面與入風(fēng)口距離不同的條件下，距工作面1 m以內(nèi)巷道空間內(nèi)粉塵濃度急劇下降，在距工作面1～3 m的巷道空間最高粉塵濃度為22 mg/m3，在距工作面3 m以外的巷道空間粉塵濃度不超過(guò)1 mg/m3，距工作面5 m處(大約為掘進(jìn)機(jī)司機(jī)所在位置)粉塵濃度幾乎為0。掘進(jìn)面與風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離L越小，在距工作面0～1.5 m巷道空間內(nèi)的粉塵濃度越小。

2.3 不同風(fēng)量對(duì)粉塵分布規(guī)律的影響

由于巷道內(nèi)風(fēng)速的變化對(duì)巷道內(nèi)粉塵分布規(guī)律的影響較大，巷道斷面一定時(shí)，風(fēng)量的大小決定風(fēng)速的大小，根據(jù)大量抽出式通風(fēng)綜掘工作面的風(fēng)速數(shù)據(jù)，結(jié)合模擬斷面的大小，選取120 m3/min、130 m3/min、140 m3/min、150 m3/min、160 m3/min幾個(gè)不同的風(fēng)量建立物理模型，分析不同風(fēng)量對(duì)粉塵分布規(guī)律的影響。工作面與風(fēng)筒入風(fēng)口的距離統(tǒng)一設(shè)置為2.5 m，模擬產(chǎn)塵時(shí)間為900 s。

根據(jù)數(shù)值模擬運(yùn)算結(jié)果，分別計(jì)算出不同風(fēng)量下的物理模型距工作面0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、7.0 m、9.0 m、12.0 m、15.0 m處斷面的平均粉塵濃度，分析不同物理模型的粉塵沿風(fēng)流的分布規(guī)律，得出如圖5所示粉塵濃度變化結(jié)果。

圖5 不同風(fēng)量條件下粉塵濃度變化趨勢(shì)圖

由圖5可以看出，在風(fēng)量不同的條件下，在距工作面0～0.5 m范圍內(nèi)的巷道空間中粉塵濃度下降很快，距工作面0.5～2.5 m的巷道空間中粉塵濃度最小為0.4 mg/m3、最大為22 mg/m3。在距工作面2.5 m以外的巷道空間內(nèi)(包括掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處)，粉塵濃度幾乎為0，不同風(fēng)量對(duì)應(yīng)的粉塵分布規(guī)律變化曲線比較相似。風(fēng)量的不同對(duì)抽出式通風(fēng)工作面粉塵分布規(guī)律的影響不大。

3 結(jié)論

(1)掘進(jìn)工作面與風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離L為3 m時(shí)，距工作面0～1 m范圍內(nèi)的巷道空間粉塵急劇下降，在距工作面5 m以外的巷道空間粉塵濃度幾乎為零。

(2)在風(fēng)量一定的條件下，風(fēng)筒前端巷道內(nèi)的粉塵濃度隨L(掘進(jìn)工作面與風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離)的增大而增大。

(3)在掘進(jìn)工作面與風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離L一定時(shí)，在距工作面2.5 m以外的巷道空間內(nèi)，風(fēng)量的不同對(duì)抽出式通風(fēng)工作面粉塵分布規(guī)律的影響不大。

(4)掘進(jìn)工作面與風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離L和風(fēng)量對(duì)風(fēng)筒入風(fēng)口前端巷道空間的粉塵分布均有影響，掘進(jìn)工作面與風(fēng)筒入風(fēng)口之間的距離L的變化比風(fēng)量大小的變化對(duì)粉塵分布的影響效果強(qiáng)，應(yīng)當(dāng)首選改變抽出式風(fēng)筒入風(fēng)口到掘進(jìn)頭的距離L來(lái)控制掘進(jìn)面前端的粉塵。