綜掘面塵源動態(tài)變化下粉塵場優(yōu)化的風(fēng)流調(diào)控研究

龔曉燕，趙曉瑩，楊富強(qiáng)，劉 輝，馮 雄，宋 濤，陳 菲

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.檸條塔礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719300)

隨著煤礦機(jī)械化水平的不斷提高，使得井下工作面的產(chǎn)塵量大幅度增加，掘進(jìn)巷道安全隱患和環(huán)境污染風(fēng)險提升。而傳統(tǒng)“通風(fēng)總量”式的控制模式[1]通風(fēng)效率低，且風(fēng)筒直徑、方向角度和前后距離不能隨時動態(tài)變化，從而造成風(fēng)流分布不合理及粉塵濃度聚集、二次揚(yáng)塵等問題。實(shí)際掘進(jìn)過程中，塵源隨著截割頭位置移動在不斷的動態(tài)變化，不同塵源產(chǎn)生的粉塵積聚區(qū)域也不相同，這更加加大了掘進(jìn)巷道降塵的難度。目前，國內(nèi)外學(xué)者研究表明，綜掘面風(fēng)流狀態(tài)變化可以降低粉塵濃度，美國科學(xué)家Wang J[2]做了大量的氣固兩相流實(shí)驗(yàn)，研究粉塵運(yùn)移規(guī)律與氣流之間的關(guān)系。徐景德、周心權(quán)[3]基于三種不同的粉塵源位置，得出了風(fēng)速和粉塵源位置對粉塵源附近區(qū)域的粉塵濃度有較大影響。劉榮華、王海橋[4]針對掘進(jìn)面風(fēng)流流場分布特征，分別建立了射流區(qū)、回流區(qū)及渦流區(qū)粉塵濃度計算模型，得出了三區(qū)粉塵分布不均勻的規(guī)律。課題組[5，6]通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和井下測試研究得出風(fēng)筒出風(fēng)口口徑、前后距離及方向角度等參數(shù)對粉塵運(yùn)移分布有著明顯的影響，并研制出一種風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)流調(diào)控新型裝置[7]來優(yōu)化粉塵場運(yùn)移分布，如圖1所示。本文利用數(shù)值模擬手段及正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計法對塵源動態(tài)變化下風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)流調(diào)控參數(shù)對粉塵場影響進(jìn)行分析，進(jìn)而建立粉塵場優(yōu)化分布的風(fēng)流調(diào)控方案。

圖1 綜掘面風(fēng)流動態(tài)調(diào)控裝置空間布局

1 塵源動態(tài)變化下粉塵場有限元模型建立

1.1 產(chǎn)塵源的影響因素及數(shù)學(xué)模型分析

掘進(jìn)工作面粉塵產(chǎn)生的主要根源是截割產(chǎn)塵。不同截割方式導(dǎo)致塵源的位置不同[8]。因此粉塵離開塵源后的運(yùn)動軌跡也不相同。粉塵顆粒離開塵源后，風(fēng)流與自身重力影響著它的運(yùn)移擴(kuò)散。

綜掘面粉塵體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于10%，屬于稀相氣固兩相流，因此選用 Euler-Lagrange方法的離散相模型(DPM)模擬粉塵運(yùn)動[9]。忽略粉塵顆粒之間的相互作用力，運(yùn)動過程中主要受到重力、浮力、拖曳阻力、壓力梯度力、Basset力、Saffman力、Magnus力等[10]。根據(jù)其受力建立的平衡方程式如式(1)和(2)[11]。

式中：FD(u-up)為顆粒單位質(zhì)量曳力，N/kg；up為顆粒速度，m/s；u為流體速度，m/s；ρp為顆粒密度，kg/m3；ρ為流體密度，kg/m3；Fs為Saffman力；μ為流體的動力粘度，Pa·s；CD為拖曳阻力系數(shù)；Rep為顆粒雷諾數(shù)；dp為顆粒直徑，m。

1.2 塵源動態(tài)變化下粉塵場有限元模型建立

根據(jù)檸條塔礦S1212膠運(yùn)巷道現(xiàn)場實(shí)際，采用自上而下弓形截割方式，對壓入式通風(fēng)巷道進(jìn)行合理簡化，掘進(jìn)巷道總體長度為40m，橫斷面寬6.2m、高4.0m；風(fēng)筒直徑為1m。掘進(jìn)機(jī)簡化為長9.2m、寬2.9m、高1.8m的長方體。建立綜掘面三維幾何模型并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元為84.2萬個，劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入FLUENT中，設(shè)置求解類型并編寫塵源隨截割順序連續(xù)動態(tài)變化的邊界條件，水力直徑為1m，湍流強(qiáng)度為3.08%；通過DPM模型對粉塵場進(jìn)行設(shè)定，粉塵的粒徑分布符合Rosin- Rammler分布規(guī)律，分布指數(shù)為1.62，質(zhì)量流率取0.0036kg/s。

1.3 粉塵場有限元計算模型井下測試驗(yàn)證

圖3 測試斷面測點(diǎn)布置

根據(jù)以上數(shù)值模擬方案，對粉塵場濃度進(jìn)行數(shù)值模擬計算，并分別在距迎頭5m、7.5m、10m、15m、20m斷面內(nèi)布置A(1.0m，1.5m)，B(3.05m，2.0m)，C(5.0m，1.5m)3個粉塵測試點(diǎn)進(jìn)行井下粉塵濃度測試，如圖3所示，坐標(biāo)位置分別代表距風(fēng)筒側(cè)煤壁距離和距巷道底板距離。A、C測點(diǎn)位于行人呼吸帶高度位置，B測點(diǎn)位于司機(jī)呼吸帶高度位置。將實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，見表1。

表1 各測點(diǎn)粉塵濃度實(shí)測數(shù)據(jù)及模擬數(shù)據(jù)對比

由表1看出在距迎頭5～20m內(nèi)，井下實(shí)測粉塵濃度和模擬結(jié)果基本保持一致，由于數(shù)值模擬過程中對模擬環(huán)境做了部分假設(shè)及對井下實(shí)際情況進(jìn)行了部分簡化，導(dǎo)致出現(xiàn)細(xì)微誤差，誤差基本控制在5%左右，驗(yàn)證了粉塵場數(shù)值模擬的可行性。

2 風(fēng)流調(diào)控下的粉塵場模擬及優(yōu)化

課題組前期研究確定了風(fēng)流動態(tài)調(diào)控參數(shù)范圍為：出風(fēng)口距迎頭范圍為5～10m；出風(fēng)口口徑0.7～1.2m；水平偏轉(zhuǎn)角度0～25°；垂直偏轉(zhuǎn)角度0～6°[12]。通過對出風(fēng)口距迎頭不同距離下的原始場粉塵濃度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)出風(fēng)口距迎頭5m和10m時較其他掘進(jìn)距離更容易出現(xiàn)粉塵聚集現(xiàn)象，以出風(fēng)口距迎頭5m極限工況為例模擬分析塵源動態(tài)變化下出風(fēng)口各參數(shù)變化對粉塵場分布的影響。

2.1 出風(fēng)口風(fēng)流調(diào)控參數(shù)優(yōu)化范圍分析確定

2.1.1 出風(fēng)口口徑范圍確定

對出風(fēng)口距迎頭5m工況下，不同口徑大小的回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶高度風(fēng)速范圍和粉塵濃度平均值、掘進(jìn)司機(jī)處的風(fēng)速和粉塵濃度值進(jìn)行記錄，由于風(fēng)速沿程變化在距迎頭0～20m區(qū)域內(nèi)變化趨勢明顯，因此選取該區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行對比分析。綜合分析得到口徑大小為1.0～1.2m時，風(fēng)速分布合理，粉塵濃度相對較低。

2.1.2 水平偏轉(zhuǎn)角度范圍確定

對不同水平偏轉(zhuǎn)角度下的回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶高度風(fēng)速范圍和粉塵濃度平均值、掘進(jìn)司機(jī)處風(fēng)速及粉塵濃度值進(jìn)行記錄。綜合分析得到出風(fēng)口距迎頭5m工況下，水平偏轉(zhuǎn)角度為5°～15°時，風(fēng)速分布合理，粉塵濃度相對較低。

2.1.3 垂直偏轉(zhuǎn)角度范圍確定

對不同垂直偏轉(zhuǎn)角度下的回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶高度風(fēng)速范圍和粉塵濃度平均值以及掘進(jìn)司機(jī)處的風(fēng)速及粉塵濃度值進(jìn)行記錄。綜合分析得到出風(fēng)口距迎頭5m工況下，垂直上偏角度為2°～6°時，風(fēng)速分布合理，粉塵濃度相對較低。

2.2 風(fēng)流調(diào)控正交試驗(yàn)方案設(shè)計及模擬

上一節(jié)對出風(fēng)口三個參數(shù)進(jìn)行了單因素分析，但出風(fēng)口各個參數(shù)往往交互影響粉塵場，正交設(shè)計正是從多角度多因素進(jìn)行分析研究。出風(fēng)口距迎頭不同距離工況下，各個調(diào)控參數(shù)的影響評價不相同，因此需要對具體工況分別進(jìn)行正交試驗(yàn)因素水平的設(shè)計。出風(fēng)口距迎頭5m工況下的因素水平設(shè)計如下：

1)出風(fēng)口口徑(a)設(shè)計：試驗(yàn)設(shè)計為1.0m，1.1m，1.2m三個水平。

2)出風(fēng)口水平偏轉(zhuǎn)角(b)設(shè)計：試驗(yàn)設(shè)計為5°，10°，15°三個水平。

3)出風(fēng)口垂直上偏角(c)設(shè)計：試驗(yàn)設(shè)計為2°，4°，6°三個水平。

最終設(shè)計的三因素三水平的正交表L9(33)見表2，其中a代表出風(fēng)口口徑/m，b代表出風(fēng)口水平偏轉(zhuǎn)角度/°，c代表出風(fēng)口垂直偏轉(zhuǎn)角/°。

對以上正交試驗(yàn)方案下的綜掘面風(fēng)速及粉塵濃度進(jìn)行數(shù)值模擬計算，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 出風(fēng)口距迎頭5m工況下正交試驗(yàn)設(shè)計表

2.3 粉塵分布優(yōu)化的風(fēng)流調(diào)控方案

2.3.1 以行人呼吸帶高度粉塵濃度為優(yōu)化指標(biāo)

依據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶高度粉塵濃度值的極差計算，見表4。其中Kjm為第j列因素m水平所對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和；kjm為Kjm的平均值；Rj為第j列因素的極差。根據(jù)表4繪制行人呼吸帶高度粉塵濃度極差分布圖，如圖4所示。

結(jié)合表4中Rj值的大小和圖4分析可知，水平偏轉(zhuǎn)角度對行人呼吸帶高度粉塵濃度影響程度最大，水平偏轉(zhuǎn)角度為15°時，粉塵濃度最低；口徑大小的影響次之，口徑增大，粉塵濃度增大；垂直偏轉(zhuǎn)角度參數(shù)的影響最小，垂直偏轉(zhuǎn)角度增大，粉塵濃度減小。

表3 出風(fēng)口距迎頭5m工況下正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 行人呼吸帶高度粉塵濃度值的極差計算

圖4 行人呼吸帶高度粉塵濃度極差分布

因此，以行人呼吸帶高度粉塵濃度為優(yōu)化指標(biāo)，得到影響因素的顯著性順序?yàn)椋篵>a>c，最佳調(diào)控方案為：水平偏轉(zhuǎn)15°、垂直上偏6°、口徑為1.0m。

2.3.2 以司機(jī)處粉塵濃度為優(yōu)化指標(biāo)

依據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行司機(jī)處粉塵濃度極差計算，見表5。根據(jù)表5繪制司機(jī)處粉塵濃度極差分布圖，如圖5所示。

結(jié)合表5中Rj值的大小和圖5分析可知，水平偏轉(zhuǎn)角度這一因素的變化幅度最大，對司機(jī)位置粉塵濃度影響程度明顯最大，水平偏轉(zhuǎn)角度為15°時，粉塵濃度達(dá)到最低；垂直偏轉(zhuǎn)角度的影響次之，垂直偏轉(zhuǎn)角度增大，粉塵濃度呈降低的趨勢；口徑大小的影響最小，口徑為1.1m時，粉塵濃度達(dá)到最低。

表5 司機(jī)位置粉塵濃度值的極差計算

圖5 司機(jī)位置粉塵濃度極差分布

因此，以司機(jī)位置粉塵濃度為優(yōu)化指標(biāo)，得到影響因素的顯著性順序?yàn)椋篵>c>a，最佳調(diào)控方案為：水平偏轉(zhuǎn)15°、垂直上偏6°、口徑為1.1m。

2.3.3 風(fēng)流最優(yōu)調(diào)控方案

采用綜合平衡法對距迎頭5m工況下的兩項(xiàng)粉塵濃度指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行綜合比較，水平偏轉(zhuǎn)角度為15°和垂直上偏角度為6°時，行人呼吸帶高度和司機(jī)位置粉塵濃度都同時達(dá)到最低。口徑大小的選取通過風(fēng)速的分布情況分析得出，由表3可以看出，口徑為1.0m時，司機(jī)處出現(xiàn)風(fēng)速低于0.25m/s，不符合煤安規(guī)定。因此，出風(fēng)口距迎頭5m工況下，口徑為1.1m、水平偏轉(zhuǎn)角度為15°、垂直上偏角度為6°時，風(fēng)速分布更加合理，綜掘面粉塵濃度調(diào)控效果最佳。

采用本章節(jié)相同的方法分析得到，出風(fēng)口距迎頭10m工況下，回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶高度粉塵濃度的影響因素顯著性順序?yàn)椋篵>a>c，司機(jī)處粉塵濃度的影響因素顯著性順序?yàn)椋篶>b>a。綜合考慮得到口徑0.8m、水平偏轉(zhuǎn)15°、垂直上偏0°時，風(fēng)速分布合理，綜掘面粉塵濃度調(diào)控效果最佳。

3 檸條塔礦風(fēng)流調(diào)控測試分析

基于上文得到塵源動態(tài)變化下粉塵場優(yōu)化分布的最佳風(fēng)流調(diào)控方案，利用實(shí)驗(yàn)室自主研制的風(fēng)筒出風(fēng)口調(diào)控裝置對檸條塔礦S1212巷道出風(fēng)口距迎頭5m和10m工況下，調(diào)控前后行人呼吸帶平均粉塵濃度和司機(jī)位置粉塵濃度進(jìn)行井下實(shí)測，并進(jìn)行調(diào)控效果分析，見表6和表7。可以得到，出風(fēng)口距迎頭5m時，行人呼吸帶平均粉塵濃度和司機(jī)位置粉塵濃度分別降低33.4%和45.3%，出風(fēng)口距迎頭10m時，行人呼吸帶平均粉塵濃度和司機(jī)位置粉塵濃度分別降低34.3%和40.4%。

表6 出風(fēng)口距迎頭5m工況下調(diào)控效果分析

4 結(jié) 論

1)出風(fēng)口距迎頭5m時，回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶高度粉塵濃度的影響因素顯著性順序?yàn)椋核狡D(zhuǎn)角度>口徑大小>垂直上偏角度，司機(jī)處粉塵濃度影響因素的顯著性順序?yàn)椋核狡D(zhuǎn)角度>垂直上偏角度>口徑大小。綜合考慮得到最佳調(diào)控方案為：口徑為1.1m、水平偏轉(zhuǎn)15°、垂直上偏6°；出風(fēng)口距迎頭10m時，回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶高度粉塵濃度的影響因素顯著性順序?yàn)椋核狡D(zhuǎn)角度>口徑大小>垂直上偏角度，司機(jī)處粉塵濃度的影響因素顯著性順序?yàn)椋捍怪鄙掀嵌?水平偏轉(zhuǎn)角度>口徑大小。綜合考慮得到最佳調(diào)控方案為：口徑為0.8m、水平偏轉(zhuǎn)15°、垂直上偏0°。

2)調(diào)控前后的結(jié)果表明，出風(fēng)口距迎頭5m時，調(diào)控后回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶平均粉塵濃度降低33.4%，司機(jī)處粉塵濃度降低45.3%；出風(fēng)口距迎頭10m時，調(diào)控后回風(fēng)側(cè)行人呼吸帶平均粉塵濃度降低34.3%，司機(jī)處粉塵濃度降低40.4%。