大采高綜采工作面粉塵運移分布規(guī)律及機載除塵器關(guān)鍵工藝參數(shù)研究

杜善周，莫金明，王全龍，馬 威，張設(shè)計，陳 芳

(1.神華神東煤炭集團有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

綜采工作面具有開采強度高、產(chǎn)塵量大等特點。近年來，隨著工作面采高不斷加大，開采速度不斷加快，導(dǎo)致工作面粉塵濃度大大升高，相關(guān)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)表明，在無任何防塵措施的情況下，綜采工作面總粉塵質(zhì)量濃度最高可達5 000 mg/m3，嚴(yán)重影響作業(yè)人員身心健康[1-3]。目前，對于綜采工作面的粉塵治理措施多以噴霧為主，即綜合利用多種形式的噴霧來實現(xiàn)抑塵、控塵和降塵，在一般的綜采工作面降塵效率能夠達到90%左右，但在大采高綜采工作面，由于噴霧的射程不足，霧流覆蓋范圍有限，降塵效率僅能達到70%左右，且大采高綜采工作面噴霧配套工藝較為困難，采用噴霧降塵還會不可避免地影響煤質(zhì)等。因此，為進一步提高綜采工作面的降塵效率，相關(guān)學(xué)者針對綜采工作面風(fēng)幕控塵、除塵器除塵等進行了研究。王海橋等[4]根據(jù)流體力學(xué)空氣射流理論，研究了一種空氣隔塵技術(shù)；陳大偉等[5]設(shè)計了一套新型濕式集塵網(wǎng)系統(tǒng)，利用在采煤區(qū)域中的濕式卷簾門、集塵網(wǎng)和在回風(fēng)道中的全橫截面的濕式集塵網(wǎng)來進行控塵；周剛等[6]研制了一套新型液壓軸流式除塵風(fēng)機，該風(fēng)機在綜采工作面控塵效果良好；劉強等[7]研究分析了多徑旋流風(fēng)幕位置對綜采工作面粉塵擴散規(guī)律及控塵效果的影響。雖然這些措施在很大程度上降低了綜采工作面粉塵濃度，改善了工作環(huán)境，但是由于對大采高綜采工作面產(chǎn)塵規(guī)律及粉塵運移分布規(guī)律掌握不足，導(dǎo)致這些方法的應(yīng)用效果無法令人滿意。筆者在相關(guān)學(xué)者[8-10]對綜采工作面粉塵運移分布規(guī)律的研究基礎(chǔ)上，深入分析8 m大采高綜采工作面粉塵運移分布規(guī)律，并提出通過在采煤機上風(fēng)側(cè)機身端面安裝機載除塵器的方法來控制粉塵擴散，凈化作業(yè)場所。為了使機載除塵器達到更好的降塵效果，利用數(shù)值模擬方法分析除塵器處理風(fēng)量，以及吸塵口位置對粉塵運移分布及降塵效果的影響，尋求最優(yōu)降塵效果時的吸塵口位置、風(fēng)量參數(shù)組合。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 風(fēng)流流動數(shù)學(xué)方程

綜采工作面粉塵隨氣流的運動可以被看作是氣固兩相流，將粉塵看作稀疏相，巷道內(nèi)氣體屬于連續(xù)相，而常常將氣體流動看作湍流流動。綜采工作面氣流的湍流流動可以用k-ε模型表示[11-14]。

k方程：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

ε方程：

(2)

1.2 粉塵流動數(shù)學(xué)模型

在拉格朗日坐標(biāo)下通過積分顆粒作用力的微分方程進行求解，顆粒相作用力平衡方程[15-16]為：

(3)

式中：mp為粉塵顆粒的質(zhì)量，mg；up為粉塵顆粒的運動速度，m/s；∑F為粉塵顆粒所受合力，N；Fd為粉塵顆粒所受阻力，N；Fg為粉塵顆粒所受重力，N；Ff為粉塵顆粒所受浮力，N；Fx為粉塵顆粒所受的其他作用力，如Saffman升力、Magnus升力等，N。

粉塵顆粒所受阻力Fd可以表示為：

(4)

式中：Cd為阻力系數(shù)；Cφ為動力形狀系數(shù)；Ap為顆粒迎風(fēng)面面積，m2；up為粉塵顆粒速度，m/s。

粉塵顆粒在湍流中運動，其運動軌跡要受到湍流作用的影響。假設(shè)粉塵顆粒的瞬時脈動速度符合高斯分布[17]，則：

(5)

對于k-ε模型，假設(shè)巷道內(nèi)湍流具有各向同向性，則有[18]：

(6)

為了計算湍流對顆粒擴散的隨機影響，可將瞬時速度在分段時間內(nèi)積分。即在離散的時間步長上逐步進行積分運算可求得顆粒軌跡方程。例如對于x方向而言，顆粒的運動軌跡可由式(6)得到：

(7)

同理，再沿y、z方向積分，即可得到粉塵顆粒在綜采工作面三維空間的運動軌跡[19]。

2 數(shù)值計算模型的建立及網(wǎng)格劃分

2.1 模型建立

以補連塔煤礦12511綜采工作面為研究對象，該工作面長327.4 m，開采長度3 138 m，工作面開采煤層平均厚度7.32 m，煤層傾角1°～3°，原始水分含量1.74%～10.26%，煤塵具有爆炸性，瓦斯含量較低。設(shè)計采高5.7～7.3 m，循環(huán)進度0.865 m，落煤方式采用雙滾筒電牽引采煤機割煤，端部斜切進刀，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤，雙向割煤往返一次割兩刀。選用JOY07LS08型采煤機采煤，滾筒直徑3.5 m；選用ZY21000/36.5/80D型支架作為中間支架，數(shù)量135架，支架中心距2 050 mm，支護范圍 3 650～8 000 mm；工作面供風(fēng)量2 322.4 m3/min，平均風(fēng)速1.2 m/s。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，利用CAD軟件建立計算模型。擬對工作面在原始條件下與安裝機載除塵器后粉塵運移分布進行對比分析，建立模型1、模型2，并對部分裝置進行了簡化，如圖1所示。

圖1 補連塔煤礦12511綜采工作面數(shù)值模型

該模型主要由采煤機、液壓支架、擋煤板等組成。工作面尺寸長×高×寬=150.0 m×8.0 m×6.8 m，本文只研究采煤機前方垮落煤層產(chǎn)塵情況，不考慮滾筒、支架等處。塵源設(shè)置如圖1所示。同時，在不影響模擬結(jié)果的前提下作出以下假設(shè)：

1) 將煤巷內(nèi)的空氣看作不可壓縮流體，煤巷內(nèi)風(fēng)流密度為常數(shù)，取1.225 kg/m3；

2) 將巷道內(nèi)的溫度默認(rèn)為恒溫不變，假設(shè)巷道內(nèi)溫度對結(jié)果沒有影響；

3) 將流場中各變量均認(rèn)為與時間無關(guān)，為穩(wěn)態(tài)流場。

2.2 網(wǎng)格劃分

將建立的綜采工作面模型導(dǎo)入到ICEM-CFD中，進行網(wǎng)格劃分。在模擬計算中考慮到巷道的實際情況比較復(fù)雜，決定采用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分[20-21]。共生成網(wǎng)格305.740 7萬個，由于網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性影響很大，故對網(wǎng)格進行自適應(yīng)調(diào)整，確保較小的尺寸扭曲率和角度扭曲率。

2.3 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)定模擬參數(shù)。解析通風(fēng)粉塵場時，選用穩(wěn)態(tài)風(fēng)流及其絕對速度來進行解析；由于粉塵顆粒在巷道中會受到重力的影響，模擬計算時設(shè)定重力加速度。具體參數(shù)如表1所示。

表1 邊界條件參數(shù)

2.4 綜采工作面8 m采高原始粉塵場模擬結(jié)果

補連塔煤礦12511綜采工作面未安裝除塵器時原始場粉塵質(zhì)量濃度分布情況如圖2和圖3所示。

圖2 xOz截面粉塵質(zhì)量濃度分布圖

圖3 yOz截面粉塵質(zhì)量濃度分布圖

由圖2和圖3可以看出：①由垮落煤層產(chǎn)生的粉塵在風(fēng)流的帶動下整體向后方擴散(y軸正方向)，粉塵在遇到采煤機時運動方向發(fā)生改變，沿著采煤機機身向頂板運動，隨后開始向后方運動。②高濃度粉塵團運動最高點可達5 m，之后向采煤機一側(cè)運動，由于粉塵顆粒自身重力作用，致使大顆粒粉塵逐漸沉降，小顆粒粉塵隨風(fēng)流繼續(xù)運動，懸浮在工作面內(nèi)。高濃度粉塵主要積聚在采煤機前后10 m范圍及底板靠擋煤板一側(cè)，最高粉塵質(zhì)量濃度可達3 500 mg/m3，大大超過《煤礦安全規(guī)程》所規(guī)定的允許范圍，采煤機附近粉塵濃度高，會嚴(yán)重影響司機的視線，并且還會加劇設(shè)備的損耗，極大地影響煤礦的安全開采。③在采煤機上風(fēng)側(cè)機身端面前后5 m范圍內(nèi)粉塵向人行側(cè)擴散，擋煤板頂部靠人行側(cè)粉塵質(zhì)量濃度高達2 500 mg/m3，嚴(yán)重超限，會影響工作人員的健康安全。由此可見，原12511綜采工作面粉塵污染嚴(yán)重，亟需開展井下粉塵防治研究工作。

3 不同工藝參數(shù)條件下粉塵運移分布規(guī)律模擬結(jié)果分析

基于對補連塔煤礦8 m采高的12511綜采工作面原始粉塵場模擬結(jié)果的分析，提出利用機載除塵器的方法來控制塵源處粉塵擴散。為了達到最佳降塵效果，對除塵器不同吸塵口位置及其處理風(fēng)量進行數(shù)值模擬研究。

3.1 三維空間粉塵分布模擬結(jié)果

3.1.1 吸塵口不同位置粉塵濃度分布

圖4為吸塵口距底板0.65、1.15、1.65 m，吸塵口處理風(fēng)量為30 m3/min時工作面三維空間粉塵質(zhì)量濃度分布圖。由于采煤機附近是塵源的集中區(qū)域，故為了更詳細研究采煤機附近粉塵濃度分布情況，分別截取采煤機前后xOz截面y=20～60 m進行分析。由圖4可以明顯看出，隨著吸塵口與底板距離的增加，吸塵口距離塵源越遠，相同處理風(fēng)量情況下除塵器捕塵能力減弱，導(dǎo)致粉塵逃逸增多，故粉塵向頂板和采煤機后方擴散更嚴(yán)重。從圖4(c)可以看出，在y等于55、60 m截面上仍有高濃度粉塵積聚在底板及擋煤板附近，嚴(yán)重污染巷道環(huán)境。

(a)吸塵口距底板0.65 m

(b)吸塵口距底板1.15 m

(c)吸塵口距底板1.65 m

3.1.2 吸塵口不同處理風(fēng)量粉塵濃度分布

圖5為吸塵口與底板距離為1.65 m，吸塵口處理風(fēng)量分別為30、60、90 m3/min時工作面三維空間粉塵質(zhì)量濃度分布圖。可以看出：①當(dāng)吸塵口風(fēng)量為30 m3/min時，粉塵主要集中在擋煤板靠近采煤機一側(cè)，采煤機距端頭20～60 m，粉塵質(zhì)量濃度最高達到 1 000 mg/m3；當(dāng)吸塵口風(fēng)量為60 m3/min時，粉塵向后擴散現(xiàn)象明顯減弱，粉塵主要集中在距采煤機上風(fēng)側(cè)機身端面前5 m及后15 m范圍，此時高濃度粉塵積聚在距底板約2.5 m截面處，距采煤機上風(fēng)側(cè)機身端面35 m之后無高濃度粉塵積聚現(xiàn)象；當(dāng)吸塵口處理風(fēng)量為90 m3/min時，高濃度粉塵只存在于溜槽與采煤機相鄰處，粉塵無向后擴散現(xiàn)象。②隨著除塵器吸塵口風(fēng)量的增加，工作面粉塵濃度逐漸降低，當(dāng)吸塵口風(fēng)量為90 m3/min時，粉塵幾乎無擴散現(xiàn)象存在，高濃度粉塵只存在于塵源附近，此時吸塵風(fēng)量最優(yōu)。

(a)吸塵口風(fēng)量30 m3/min

(b)吸塵口風(fēng)量60 m3/min

(c)吸塵口風(fēng)量90 m3/min

3.2 yOz截面粉塵濃度分布

3.2.1 吸塵口不同位置粉塵濃度分布

吸塵口處理風(fēng)量為30 m3/min時，吸塵口距底板不同高度情況下工作面yOz截面x=1、2、3 m時粉塵質(zhì)量濃度分布情況見圖6。可以看出：吸塵口與底板距離的增加，減弱了除塵器的吸塵能力，粉塵擴散能力增強。對比圖6(a)和圖6(c)可以發(fā)現(xiàn)，在x=1 m截面，圖6(c)中明顯有高濃度粉塵積聚在采煤機附近和沿巷靠近擋煤板一側(cè)；在x=3 m截面，圖6(a)中只有采煤機上方存在少量粉塵積聚現(xiàn)象，而圖6(c)中采煤機后方20 m還存在大量高濃度粉塵團。同時對比圖6中x=2 m截面發(fā)現(xiàn)，隨著吸塵口距底板高度的增加，采煤機后方35 m范圍粉塵濃度急劇增高。由此可見，吸塵口位置變化對工作面粉塵的擴散分布有明顯的影響，吸塵口距底板越高，粉塵擴散越嚴(yán)重，除塵器捕塵效果越差。將吸塵口布置在距離底板0.65 m時最優(yōu)，除塵器捕塵效果最優(yōu)。

(a) 吸塵口距底板0.65 m(x=1、2、3 m)

(b) 吸塵口距底板1.15 m(x=1、2、3 m)

(c)吸塵口距底板1.65 m(x=1、2、3 m)

3.2.2 吸塵口不同處理風(fēng)量粉塵濃度分布

吸塵口處理風(fēng)量分別為30、60、90 m3/min，工作面yOz截面x=1、2、3 m時粉塵質(zhì)量濃度分布情況見圖7。對比圖7中的3個分圖可以發(fā)現(xiàn)，在沿工作面x軸方向上和z軸方向上，工作面粉塵質(zhì)量濃度和擴散能力與除塵器吸塵口處理風(fēng)量成反比，當(dāng)吸塵口處理風(fēng)量為90 m3/min時，工作面除了在x=1 m截面溜槽附近存在少量高濃度粉塵外，均被除塵器捕集，此時除塵效率最高。

(a) 吸塵口風(fēng)量30 m3/min(x=1、2、3 m)

(b) 吸塵口風(fēng)量60 m3/min(x=1、2、3 m)

(c) 吸塵口風(fēng)量90 m3/min(x=1、2、3 m)

3.3 工作面整體降塵效率分析

在吸塵口不同位置及處理風(fēng)量的情況下，粉塵顆粒追蹤數(shù)量及除塵器捕集粉塵顆粒數(shù)量見表2，通過分析可以得出：①當(dāng)除塵器吸塵口距底板高度一定時，安裝機載除塵器的降塵效率與吸塵口處理風(fēng)量成正比；②當(dāng)除塵器吸塵口處理風(fēng)量一定時，安裝機載除塵器的降塵效率與吸塵口距底板高度成反比；③除塵器吸塵口位置與處理風(fēng)量最優(yōu)匹配時，安裝機載除塵器的降塵效率為99.9%。因此，可以通過調(diào)整除塵器吸塵口位置，以及處理風(fēng)量來有效降低工作面粉塵濃度。

表2 吸塵口不同位置及處理風(fēng)量時降塵效率

4 結(jié)論

1)以補連塔煤礦12511綜采工作面為研究對象，研究分析了大采高綜采工作面粉塵運移分布規(guī)律。沿風(fēng)流方向，工作面粉塵濃度逐漸降低，由于風(fēng)流的作用及粉塵自身重力作用致使粉塵最終沉降在擋煤板靠采煤機一側(cè)附近。高濃度粉塵團主要集中在采煤機前后10 m范圍內(nèi)的采煤機一側(cè)，向頂板擴散高度可達到5 m左右，最高粉塵質(zhì)量濃度可達 3 500 mg/m3。與普通采高工作面相比，大采高工作面粉塵受風(fēng)流影響更大，導(dǎo)致在橫向風(fēng)流的影響下，粉塵向人行側(cè)的擴散量增加。

2)除塵器吸塵口位置及其處理風(fēng)量對工作面內(nèi)粉塵分布有明顯的影響，特別是針對采煤機前后 5 m 范圍，有效抑制了粉塵向人行側(cè)擴散。當(dāng)機載除塵器吸塵口與底板距離一定時，除塵器的降塵效率與處理風(fēng)量成正比；當(dāng)除塵器處理風(fēng)量一定時，除塵器的降塵效率與吸塵口距底板高度成反比。合理的除塵器吸塵口位置及匹配的處理風(fēng)量，能明顯降低工作面粉塵濃度，改善井下工作環(huán)境。

3)結(jié)合現(xiàn)場實際安裝條件，針對補連塔煤礦12511綜采工作面給出最佳除塵器吸塵口位置并與處理風(fēng)量匹配：吸塵口安裝位置距底板1.15 m，除塵器處理風(fēng)量為120 m3/min，此時，除塵器捕塵效率為99.9%。