付村煤礦綜掘通風(fēng)除塵參數(shù)優(yōu)化及風(fēng)流-粉塵運移規(guī)律研究

牟國禮 郭英俊 李 強 芮 君

(1.棗莊礦業(yè)(集團)付村煤業(yè)有限公司，山東省濟寧市，277605；2.山東省煤礦機電裝備安全檢測中心，山東省棗莊市，277100；3.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中一直占據(jù)主導(dǎo)地位，2019年煤炭消費量為占能源消費總量的57.7%。然而隨著機械化水平的提高，礦井的開采強度和生產(chǎn)集中度大幅度增加，煤礦粉塵產(chǎn)生量也隨之愈來愈多，粉塵問題變得日益嚴(yán)重。大量煤塵的存在不僅降低工作場所的能見度，還會引發(fā)爆炸，縮短井下生產(chǎn)裝備和儀器設(shè)備的使用壽命，危害人的身體健康，增加工傷事故的發(fā)生率[1]。據(jù)統(tǒng)計，2018年全國各類職業(yè)病新病例中職業(yè)性塵肺病及其他呼吸系統(tǒng)疾病新增19524例(其中職業(yè)性塵肺病19468例)，而塵肺病患病人數(shù)中，煤炭行業(yè)占50%以上。由此可見，礦井粉塵對煤礦職工的身體健康及財產(chǎn)損失造成了極大的威脅。為了更好地控制綜掘工作面的粉塵濃度，國內(nèi)外學(xué)者對通風(fēng)除塵[2-4]、噴霧降塵[5]、化學(xué)抑塵[6,7]、靜電除塵[8]等粉塵控制的技術(shù)措施進行了許多研究。其中，噴霧降塵技術(shù)耗水量高，形成的噴霧容易阻擋工人視線，增大了作業(yè)環(huán)境的濕度，影響工人作業(yè)；化學(xué)抑塵技術(shù)所使用的化學(xué)試劑成本高、難以保證完全綠色環(huán)保；靜電除塵技術(shù)目前尚未成熟，還未在我國煤礦得到真正意義上的現(xiàn)場推廣。通風(fēng)除塵技術(shù)是一種較為傳統(tǒng)的礦井除塵技術(shù)，由于其技術(shù)發(fā)展較為成熟、運行成本低、控塵效果顯著等優(yōu)點，已成為我國煤礦礦井中廣泛應(yīng)用的控塵技術(shù)。然而在現(xiàn)場調(diào)控風(fēng)筒及風(fēng)機的最優(yōu)除塵效果時，需要消耗大量的人力、物力及時間，因此，筆者利用可視性強的數(shù)值模擬研究方法，結(jié)合付村煤礦綜掘工作面的實際情況，對長壓短抽式通風(fēng)中風(fēng)流場及粉塵運動規(guī)律進行仿真分析，確定最優(yōu)的礦井通風(fēng)參數(shù)，為礦井通風(fēng)技術(shù)提供理論及技術(shù)支持，對治理煤礦粉塵和減少粉塵危害均具有重要的意義。

1 長壓短抽式通風(fēng)方式原理

長壓短抽式通風(fēng)方式在實際應(yīng)用中需要合理確定抽出式通風(fēng)機和壓入式通風(fēng)機的選型，控制壓入式通風(fēng)機的供風(fēng)距離及抽風(fēng)口距掘進頭的距離，確定合理的抽壓比，這樣才能保證供應(yīng)到掘進工作面的風(fēng)量滿足要求。長壓短抽式通風(fēng)方式的風(fēng)流狀態(tài)如圖1所示。

長壓短抽通風(fēng)方式[9]必須在確定合理抽、壓風(fēng)筒口位置時保證抽風(fēng)口吸塵量最大，這是關(guān)鍵問題。壓入風(fēng)筒口位置距工作面太近，高速射流的沖擊作用力使粉塵向外流動，污染范圍大，不利于粉塵的排除。合理的抽、壓風(fēng)筒口位置能降低工作區(qū)的粉塵濃度，這是因為在抽、壓兩風(fēng)筒口之間的巷道中，形成一個壓、吸風(fēng)流共同作用的風(fēng)流屏障[10]。該屏障內(nèi)的風(fēng)流屬穩(wěn)定流動且具有一定速度，既能排出工作面產(chǎn)生的粉塵，又不至于使大量粉塵向抽出風(fēng)筒口后的巷道擴散流動，提高了抽風(fēng)系統(tǒng)吸捕粉塵的能力。

圖1 長壓短抽式通風(fēng)方式的風(fēng)流狀態(tài)

2 付村煤礦綜掘工作面物理模型的建立

2.1 煤巷物理簡化模型的建立及網(wǎng)格劃分

筆者以付村煤礦的掘進巷道3上603運巷中的5-5斷面為研究對象，對該綜掘工作面進行通風(fēng)模擬研究。3上603運巷巷道全長701.21 m，其中5-5斷面施工45.5 m，凈高3.78 m，工作面寬5.1 m左右。

為了準(zhǔn)確地模擬出綜掘工作面采用長壓短抽通風(fēng)方式時的風(fēng)流狀況以及粉塵的分布、運移規(guī)律，應(yīng)用FLUENT自帶的建模板塊Geometry建立了煤巷工作面的簡化物理模型，構(gòu)建的物理模型由巷道、掘進機、壓風(fēng)筒、抽風(fēng)筒4大部分構(gòu)成。采用網(wǎng)格劃分板塊對所建的物理模型進行了網(wǎng)格劃分。煤巷綜掘工作面物理模型參數(shù)見表1，煤巷模型情況如圖1所示。

圖2 煤巷模型

表1 綜掘工作面物理幾何模型參數(shù)

2.2 邊界條件的設(shè)定

進行綜掘工作面氣體-粉塵顆粒兩相流場運移規(guī)律的數(shù)值模擬前，需要對其模擬的邊界條件進行設(shè)定。首先為單相風(fēng)流場的設(shè)定，相關(guān)參數(shù)：入口邊界類型VELOCITY_INLET，出口邊界類型OUTFLOW，湍流動力能量0.8 m2/s2，湍流擴散比率0.8 m2/s3。在計算其收斂后，再進行離散相粉塵源的求解，粉塵源相關(guān)參數(shù)：粒徑R-R分布，最小粒徑8.58×10-7m，最大粒徑2.218×10-5m，中位徑4.701×10-6m，初始速度0.05 m/s，質(zhì)量流率0.02 kg/s。計算時選擇瞬態(tài)求解器和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

3 風(fēng)流場仿真模擬最優(yōu)方案的確定

為了確定最優(yōu)的長壓短抽式通風(fēng)方案，結(jié)合付村煤礦綜掘工作面的實際情況，通過數(shù)值模擬仿真來確定壓風(fēng)口與掘進頭距離、抽風(fēng)口距掘進頭的距離以及壓抽風(fēng)量比3個參數(shù)，最終確定最優(yōu)的風(fēng)流場模擬方案。

3.1 壓風(fēng)口與掘進頭距離對風(fēng)流場的影響分析

根據(jù)煤巷綜掘工作面的實際情況，設(shè)定基礎(chǔ)壓風(fēng)量為500 m3/min，基礎(chǔ)壓抽比為1.15∶1，抽風(fēng)口與掘進頭的基礎(chǔ)距離為3 m。

在研究壓風(fēng)口與掘進頭距離對風(fēng)流場運移的影響時，首先設(shè)定煤巷斷面積為19.8 m2，模擬壓風(fēng)口距掘進頭分別為5 m、10 m、15 m、20 m及25 m。煤巷壓風(fēng)口與掘進頭不同距離風(fēng)流場運移模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著壓風(fēng)口與掘進頭距離的增大，在風(fēng)流漩渦與抽風(fēng)口之間形成了均沿壓入風(fēng)流負方向流動的風(fēng)流場，在壓風(fēng)口與掘進頭距離由5 m逐漸增大至25 m的過程中，當(dāng)壓風(fēng)口距掘進頭20 m時形成了沿壓入風(fēng)流負方向流動的控塵風(fēng)流場，風(fēng)流的流動逐漸趨向均勻；同時，壓風(fēng)口與掘進頭距離越大，壓風(fēng)在巷道內(nèi)的擴散就更為充分、均勻，但在25 m時，形成的風(fēng)流場較稀疏，無整體性。因此，選定壓風(fēng)口距掘進頭20 m為煤巷綜掘工作面其他風(fēng)流場及氣載粉塵兩相流場運移的數(shù)值模擬基本條件。

圖3 煤巷壓風(fēng)口與掘進頭不同距離風(fēng)流場運移模擬結(jié)果整體圖

3.2 抽風(fēng)口與掘進頭距離對風(fēng)流場的影響分析

根據(jù)已確定的壓風(fēng)口距掘進頭的距離并結(jié)合煤巷綜掘工作面的實際情況，基礎(chǔ)條件不變：壓風(fēng)量為500 m3/min，基礎(chǔ)壓抽比為1.15∶1，壓風(fēng)口與掘進頭的基礎(chǔ)距離為20 m。設(shè)定抽風(fēng)口距掘進頭分別為2 m、3 m、4 m及5 m。煤巷抽風(fēng)口與掘進頭不同距離風(fēng)流場運移模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 煤巷抽風(fēng)口與掘進頭不同距離風(fēng)流場運移模擬結(jié)果整體圖

由圖4可知，在抽風(fēng)口與掘進頭距離由2 m增大至5 m的過程中，形成的均壓入風(fēng)流負方向流動的風(fēng)流場距掘進頭越近，其變化幅度越小；由圖4(b)可以看出，在抽風(fēng)口與掘進頭距離3 m時，沿壓入風(fēng)流方向流動的風(fēng)流距抽風(fēng)口最近，說明抽風(fēng)口在距離掘進頭3 m時，能夠?qū)⑿纬傻娘L(fēng)流很好地控制在抽風(fēng)口的前部。當(dāng)抽風(fēng)口距掘進頭3 m時，風(fēng)流場在掘進機后部形成了渦流風(fēng)流場，有利于風(fēng)流在掘進機周圍的循環(huán)；同時在抽風(fēng)口距掘進頭3 m時，風(fēng)流場擴散較充分且聚集在壓風(fēng)口之前，利于風(fēng)流再循環(huán)。

因此，選定抽風(fēng)口距掘進頭3 m為煤巷綜掘工作面其他風(fēng)流場及氣載粉塵兩相流場運移的數(shù)值模擬基本條件。

3.3 不同壓抽風(fēng)流參數(shù)條件下的流場分析

根據(jù)前文確定的壓風(fēng)口及抽風(fēng)口距掘進頭的距離分別為20 m、3 m，設(shè)定壓風(fēng)量為500 m3/min，壓抽比分別為1.10、1.15、1.20、1.25及1.30，對應(yīng)的參數(shù)見表2。不同壓抽比條件下風(fēng)流場運移模擬結(jié)果見圖5，不同壓抽比下抽風(fēng)口水平截面風(fēng)流圖見圖6。

表2 不同壓抽比風(fēng)流參數(shù)設(shè)定

隨著壓抽比的增大，壓風(fēng)量不變，抽風(fēng)量逐漸減小，形成的沿壓入風(fēng)流方向流動的風(fēng)流場與掘進頭距離也逐漸由壓抽比1.10、抽風(fēng)量約454.5 m3/min時的7.22 m增至壓抽比1.30、抽風(fēng)量384.6 m3/min時的8.68 m，這說明壓抽比的增大即抽風(fēng)量的減小有利于形成沿壓入風(fēng)流方向流動的控塵風(fēng)流場；在距掘進頭5 m處，不同壓抽比均可形成均沿壓入風(fēng)流方向流動的控塵風(fēng)流場，且在壓抽比為1.15∶1時風(fēng)流場已擴散分布較均勻，且風(fēng)流均分布在壓風(fēng)口至掘進頭的范圍內(nèi)，因此，選定壓抽比為1.15∶1煤巷綜掘工作面其他風(fēng)流場及氣載粉塵兩相流場運移的數(shù)值模擬基本條件。

圖5 不同壓抽比條件下風(fēng)流場運移模擬結(jié)果整體圖

圖6 不同壓抽比下抽風(fēng)口水平截面風(fēng)流圖

4 綜掘工作面氣體—粉塵顆粒兩相流運移規(guī)律的數(shù)值模擬分析

在煤巷綜掘工作面的風(fēng)流場模擬基本邊界條件確定的基礎(chǔ)上設(shè)置粉塵源主要參數(shù)：粉塵粒徑呈Rosin-Rammler分布，顆粒軌道跟蹤次數(shù)為3200，積分時間尺度常數(shù)為0.23，收斂精度為0.001，對所確定的風(fēng)流參數(shù)條件下氣載粉塵流場的運移規(guī)律進行數(shù)值模擬。煤巷氣載粉塵流場運移模擬結(jié)果如圖7所示，粉塵濃度曲面如圖8所示。由圖7可知以下結(jié)果。

(1)靠近掘進工作面處粉塵質(zhì)量濃度較高，最高達359 m/m3，在X=0～5 m巷道斷面中部位置大部分區(qū)域，粉塵質(zhì)量濃度較高，維持在200 mg/m3左右，在X=5～8 m巷道斷面中部位置大部分區(qū)域粉塵濃度較小，從X=8 m起粉塵開始向巷道全斷面擴散，粉塵質(zhì)量濃度逐漸增大，這是由于壓入式風(fēng)筒引起的旋流風(fēng)所致，從X=18 m開始沿程逐漸減小。

(2)在靠近掘進頭處平均粉塵質(zhì)量濃度明顯高于掘進機司機處平均粉塵質(zhì)量濃度；由于受空氣流動影響和較大粒子自身的重力影響，從掘進面至抽出式風(fēng)筒吸風(fēng)口3.5 m左右的作業(yè)空間內(nèi)，巷道底板處的粉塵質(zhì)量濃度高于巷道其他處的粉塵質(zhì)量濃度，底板處粉塵質(zhì)量濃度為340 mg/m3。

圖7 煤巷氣載粉塵流場運移粉塵濃度分布圖

圖8 粉塵濃度曲面圖

由圖8可知：粉塵為300 mg/m3以上濃度的均集中在掘進頭部分，綜掘工作面中100 mg/m3以上高濃度粉塵的擴散距離主要集中在壓風(fēng)口與掘進頭之間，巷道內(nèi)粉塵濃度較低，此時的控塵效果明顯。

5 結(jié)論

(1)基于FLUENT數(shù)值模擬，建立了簡化的付村煤礦綜掘工作面通風(fēng)模型，通過對其長壓短抽風(fēng)筒距掘進頭的距離以及不同風(fēng)量分配進行了對比，最終確定了最優(yōu)的通風(fēng)方案：壓風(fēng)口距掘進頭20 m，抽風(fēng)口距掘進頭3 m，壓抽比為1.15∶1(壓風(fēng)量為500 m3/min、抽風(fēng)量為436 m3/min)，此時形成的風(fēng)流場的控塵效果最佳。

(2)從綜掘工作面氣體—粉塵顆粒兩相流運移規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果表明：粉塵濃度300 mg/m3以上的主要集中在掘進頭部分，然后沿程逐漸降低，粉塵濃度為100 mg/m3以上范圍的粉塵集中在壓風(fēng)口前部，通過渦流風(fēng)流場，由抽風(fēng)口可以將絕大多數(shù)的粉塵排出，有效控制和減少了工作面粉塵。

(3)采用數(shù)值模擬的方法進行通風(fēng)系統(tǒng)最優(yōu)化方案的確定，可以最大程度地減少人力、物力以及經(jīng)濟的投入，且能取得較好的粉塵防治效果，降低了礦井粉塵的危害，具有一定的經(jīng)濟效益與社會效益。