掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中粉塵沿程分布運(yùn)移特性

李德根，潘 宇

(1.黑龍江科技大學(xué)，哈爾濱 150022；2.濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司,濟(jì)南 250000)

0 引 言

隨著我國工業(yè)飛速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，煤炭的需求量每年呈上升趨勢(shì)，為進(jìn)一步提高煤炭開采效率，電動(dòng)機(jī)功率也隨之增大，同時(shí)，掘進(jìn)工作面粉塵的產(chǎn)生量也大大增加，煤礦安全問題成為關(guān)心的重中之重[1]。當(dāng)粉塵濃度過高時(shí)，存在爆炸危險(xiǎn)，對(duì)井下安全造成嚴(yán)重安全隱患，煤礦粉塵沿程分布是礦井粉塵濃度的主要影響因素之一。考察粉塵的分布情況，發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)塵源不同的初始速度對(duì)粉塵的分布有較大影響，因此，研究掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中粉塵沿程分布的運(yùn)移規(guī)律具有重要的意義。 近年，王曉珍等[2]對(duì)壓入式通風(fēng)掘進(jìn)巷道，采用離散相模型對(duì)特定條件下的全塵濃度和呼吸性粉塵濃度進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬了距離掘進(jìn)面的不同位置和距離巷道底板不同位置的粉塵濃度分布。劉亞力[3]數(shù)值模擬了巷道內(nèi)不同風(fēng)速下的粉塵濃度分布。周剛等[4]數(shù)值模擬了特定條件下不同斷面處粉塵的分布。上述研究，一定程度上忽略了掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵源不同初始速度對(duì)巷道內(nèi)粉塵濃度的影響，文中結(jié)合某煤礦工作面的具體數(shù)據(jù)，針對(duì)掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)塵源不同初始速度條件下，掘進(jìn)時(shí)全塵粉塵和呼吸性粉塵的運(yùn)動(dòng)特性，采用流體力學(xué)軟件FLUENT軟件的離散模型，對(duì)工作面的粉塵沿程分布進(jìn)行模擬，得出產(chǎn)塵源不同的初始速度下，工作面粉塵分布規(guī)律，對(duì)治理煤礦粉塵、減少粉塵危害具有積極的意義。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型的建立

將掘進(jìn)工作面模擬成一個(gè)長為5.0 m、寬為4.0 m、高為3.0 m的掘進(jìn)獨(dú)頭巷道，風(fēng)筒的直徑為0.6 m，風(fēng)筒的出口距工作面為3.0 m，則整個(gè)掘進(jìn)工作面設(shè)為一個(gè)面粉塵源，面的長寬對(duì)應(yīng)巷道的寬和高，掘進(jìn)工作面模型如圖1(a)所示(縱剖圖)。A-A截圖如圖1(b)所示。根據(jù)二維示意圖，建立GAMBIT模型，模型如圖1c所示。用GAMBIT劃分計(jì)算網(wǎng)格，為提高粉塵運(yùn)動(dòng)的精度，對(duì)局部壁面網(wǎng)格進(jìn)行加密。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

掘進(jìn)工作面的工況較為復(fù)雜，考慮模型的特征及計(jì)算流體力學(xué)的相關(guān)理論，對(duì)模型做如下假設(shè)：(1)粉塵的運(yùn)動(dòng)是由風(fēng)流所推動(dòng)，忽略其他擾動(dòng)的影響。(2)設(shè)風(fēng)流為理想氣體，且不可壓縮。(3)設(shè)塵粒為表面光滑的圓球，且顆粒之間沒有粘附的作用。(4)不計(jì)顆粒的局部壓力。

1.3 邊界條件的設(shè)置

將在GAMBIT中建好掘進(jìn)巷道工作面的模型導(dǎo)入到FLUENT仿真軟件，文中采用壓入式通風(fēng)方式，風(fēng)筒風(fēng)流入口設(shè)為壓力入口，風(fēng)筒出口風(fēng)速為17 m/s，風(fēng)流出口為風(fēng)流自由端面出流，巷道出口風(fēng)速為0.94 m/s，巷道內(nèi)的風(fēng)量為12.5 m3/s，水力直徑為3.4 m，湍流強(qiáng)度為3.2%。由掘進(jìn)工作面模型可知，面粉塵源為一個(gè)寬為4.0 m，高為3.0 m的平面，對(duì)粉塵源參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,全塵的最小粒徑為1.0×10-6m，最大粒徑為1.0×10-4m/s，掘進(jìn)工作面平均粉塵濃度為3 g/m3，質(zhì)量流率為14 g/s，塵源顆粒初始速度在分別在0和0.002 m/s時(shí)，對(duì)全塵質(zhì)量濃度進(jìn)行計(jì)算。

1.4 計(jì)算方法

文中模型采用歐拉-拉格朗日離散相模型，該模型中流體相被處理成連續(xù)相并直接求解，湍流數(shù)值模擬采用標(biāo)準(zhǔn)的兩方程模型求解。耦合計(jì)算適用于離散相對(duì)連續(xù)相的影響無法忽略的情況，耦合壓力速度采用SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)離散方式采用一階迎風(fēng)格式，壓力、動(dòng)量、湍流、動(dòng)能、湍流耗散率松弛因子均使用默認(rèn)值進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉塵的三維分布規(guī)律

根據(jù)掘進(jìn)工作面的運(yùn)行狀況，以壓入式風(fēng)筒為入口，巷道左端面為出口，風(fēng)筒距工作面的距離為3.0 m，利用FLUENT軟件建立模型，并對(duì)巷道內(nèi)產(chǎn)塵源的初始速度分別為0和0.002 m/s工況條件下，粉塵沿程濃度進(jìn)行數(shù)值模擬，當(dāng)動(dòng)態(tài)殘差圖收斂時(shí)，迭代停止，顯示長度l分別為0、1.0、3.0、5.0 m，高度h分別為0、1.0、2.0、2.5 m、寬度b分別為1.0、2.0、3.0 m，粉塵質(zhì)量濃度 分布模擬結(jié)果，如圖2-圖7所示。

圖2顯示巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度隨著距離掘進(jìn)面越來越近，各剖面粉塵質(zhì)量濃度逐漸增高，在掘進(jìn)工作面粉塵質(zhì)量濃度以高度h為2.5 m(風(fēng)筒中心軸線所對(duì)應(yīng)的高度)呈環(huán)狀依次向四周增大，如圖2(d)所示，在巷道底面達(dá)到最大，約為187 g/m3，由于外部風(fēng)流從風(fēng)筒入口不斷向巷道內(nèi)推出氣體，使得風(fēng)筒四周形成負(fù)壓場(chǎng)，在風(fēng)流作用下，粉塵隨風(fēng)流上揚(yáng)，如圖2(c)所示。外界氣體不斷補(bǔ)充，距離巷道掘進(jìn)工作面和風(fēng)筒越來越遠(yuǎn)，粉塵受風(fēng)流擾動(dòng)越來越小， 受重力作用，得以沉降，所以在近巷道出口附近，粉塵多集中在巷道中下部，如圖2(a)所示。圖3顯示巷道高度越來越高，粉塵濃度逐漸降低，粉塵濃度最大處在巷道底面，如圖3(a)所示。垂直于h軸的同一平面內(nèi)，風(fēng)筒出口前側(cè)的粉塵質(zhì)量濃度高于風(fēng)筒后側(cè)。圖4顯示沿風(fēng)筒軸線位置兩側(cè)粉塵質(zhì)量濃度呈對(duì)稱分布，下部粉塵質(zhì)量濃度高于上部，靠近掘進(jìn)工作面，粉塵質(zhì)量濃度明顯高于出口位置處，說明粉塵大多數(shù)落至巷道底面位置。

圖5表明距離巷道出口越來越遠(yuǎn)，粉塵受風(fēng)流的影響越大，在掘進(jìn)工作面粉塵質(zhì)量濃度呈環(huán)狀依次向四周增大，在邊緣處達(dá)到最大，約為3.88 g/m3， 風(fēng)筒中心所對(duì)的掘進(jìn)面粉塵濃度為0 m/s，如圖5(d)所示。隨著風(fēng)流的不斷涌入，粉塵逐漸向出口處移動(dòng)，并在重力作用下，沉降至巷道底部，在風(fēng)筒出口距巷道出口這段距離內(nèi)，由于受負(fù)壓影響，加之產(chǎn)塵源有一定的速度，使粉塵沿豎直向頂板運(yùn)動(dòng)，如圖5(b)所示。在頂板處距風(fēng)筒的距離越來越遠(yuǎn)，粉塵受重力作用再次下沉，到達(dá)巷道出口，逐漸排出巷道外，如圖5(a)所示。圖6中粉塵質(zhì)量濃度在巷道底面近掘進(jìn)工作面前端最高，約為5.18 g/m3，隨巷道高度的增加，粉塵多集中在風(fēng)筒下部和掘進(jìn)工作面前端，粉塵質(zhì)量濃度分布以風(fēng)筒軸線為界，兩邊呈對(duì)稱分布。

2.2 截面粉塵運(yùn)移的分布規(guī)律

全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中，巷道出口截面上，寬度中心位置距底板2.3 m(風(fēng)筒下表面)位置，隨著高度增加粉塵質(zhì)量濃度逐漸降低，隨著產(chǎn)塵源初始速度的增加，巷道內(nèi)平均粉塵濃度大幅度降低，如圖8所示。

圖8顯示巷道高度截面1和2 m位置，以巷道長度中心截面為界限，不同的產(chǎn)塵源初始速度在近掘進(jìn)工作面(前端)和近巷道出口(后端)的粉塵質(zhì)量濃度不同，當(dāng)產(chǎn)塵源初始速度為0 m/s時(shí)，巷道高1 m處前端的粉塵質(zhì)量濃度大于2 m處，而后端的粉塵質(zhì)量濃度小于2 m處，如圖8(a)所示。當(dāng)產(chǎn)塵源初始速度為0.002 m/s時(shí)，與之相反，因?yàn)樵陲L(fēng)流擾動(dòng)的工況下，由于風(fēng)筒入口以17 m/s的風(fēng)速直射向巷道內(nèi)，使得巷道出現(xiàn)負(fù)壓場(chǎng)，當(dāng)產(chǎn)塵源初始速度增大時(shí)，塵源具有一定的初速度，在與風(fēng)流共同作用下粉塵運(yùn)動(dòng)速度加快，負(fù)壓場(chǎng)逐漸后移，變化曲線如圖8(b)中巷道1 、2 m高處粉塵質(zhì)量濃度所示。產(chǎn)塵源初始速度的增加，巷道內(nèi)平均粉塵質(zhì)量濃度明顯降低，對(duì)改善巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度影響顯著。

3 結(jié)束語

(1)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中，巷道下部粉塵質(zhì)量濃度大于上部，從掘進(jìn)方向看(l軸)，以巷道中心面為界限，粉塵質(zhì)量濃度呈左右對(duì)稱分布，在掘進(jìn)工作面處，壓入式風(fēng)筒入口所對(duì)壁面粉塵濃度為0 g/m3，由風(fēng)筒入口向四周呈環(huán)狀分布，且濃度依次增大。

(2)隨著產(chǎn)塵源初始速度的增加，巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度逐漸減小，加速粉塵在巷道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)產(chǎn)塵源的初始速度增加時(shí)，在風(fēng)流擾動(dòng)的作用下，負(fù)壓場(chǎng)逐漸向巷道出口方向移動(dòng)，形成一股向頂板運(yùn)動(dòng)的風(fēng)流，為降塵提供了有力條件。

(3)產(chǎn)塵源初始速度的增加，加快了粉塵的運(yùn)動(dòng)速度，使得掘進(jìn)工作面的粉塵濃度大大降低，粉塵快速向巷道出口移動(dòng)，對(duì)改善除塵效果有重要指導(dǎo)意義。