綜采面粉塵運移規律與通風降塵方式研究

黃 正 華

（同煤集團挖金灣煤業公司防塵隊，山西 大同037001）

0 引 言

綜采工作面是煤礦井下粉塵污染最重的區域，粉塵污染的嚴重程度隨著機械化的提高而增加[1-2]。礦井下高濃度粉塵可能導致爆炸的發生，也會威脅井下員工的身體健康，所以，開展粉塵治理，降低粉塵含量對于煤礦生產安全和工人身體健康具有重要意義。

山西省挖金灣煤礦301#礦井開采部分采用通風方式為壓入式風筒。《煤礦安全規程》規定工作面粉塵含量為6mg/m3，該煤礦巷道內粉塵含量300 mg/m3，遠遠大于規定的安全濃度。開展綜采面的數值模擬研究，利用軟件ANSYS 分析粉塵含量，將模擬分析的結果和測量所得的粉塵含量結果對比。選擇合適的降低粉塵含量的方式，改善煤礦通風環境，提高煤礦安全生產的可靠性。

1 建立數學模型與設置邊界條件

1.1 數學模型的建立

為了研究礦井中顆粒的運動規律，實現更好的通風降塵，結合歐拉方程，建立拉格朗日數學模型，對微塵作用下運動的微分方程求解，得出顆粒運動軌跡。

1）連續方程。

式中：ρ為連續相密度，單位kg/m3；x,y,z為質點坐標，單位m；t為時間，單位s；v,u,w在x,y,z 軸的速度分量，單位m/s。

2）標準K-ε 方程。

礦井中粉塵的運動形式為湍流，運動過程中，滿足動能K 方程為

式中：k為湍流時產生的動能，單位為J；ai、aj為坐標位置（i,j=1，2，3，表示x，y，z 3 個不同的方向），單位是m；u為微塵沿方向a 運動的速度，單位是m/s；μ為動力黏度，單位是N·s/m2；μ為微塵湍流黏度系數，無量綱；σ為試驗常數，取1.0；Gb為巷道內微塵浮力產生的湍流能量效率；Gk為微塵速度梯度產生的湍流能量效率；ε為微塵湍流耗散率；Sk為用II；YM為II 產生的的湍動。

湍流耗散率ε 方程為

式中：C1ε，C2ε，C3ε，σ 為粉塵含量測試的常數，取1.44，1.92，0.9，1.3。

1.2 建立幾何模型

煤礦井下巷道結構復雜，巷道通風部位為圓柱體，煤礦綜采面與巷道周圍理想化為平面，巷道中氣管、水管對粉塵運動速度和運動方向的影響忽略不計。結合綜采面真實情況，建立仿真分析幾何模型所用軟件為ANSYS，如圖1 所示。

圖1 巷道幾何模型

建立的幾何模型高3.4m，長為50m，寬為5.4m。通風口距地面1.5m，能夠滿足粉塵擴散，距離較近側壁面1.2m，直徑0.8m。

1.3 設置邊界條件

進行網格劃分，然后導入仿真模擬軟件，選擇離散相瞬態模型，詳細的模擬參數設置見表1。

表1 設置仿真運行的模擬參數

2 數值模擬結果分析

2.1 巷道粉塵下降規律

開展采掘工作面的分析，選擇不同的底板離（Y=1，1.5，2m）和煤巖不同距離（X=5.4，4.2，2.7，1.2m），分析仿真所得云圖如圖2 所示。

圖2 距離煤巖壁不同距離的粉塵分布云圖

圖中Z代表所在位置與工作面之間的距離。由圖2 可知，粉塵在礦井巷道內的分布不規律，粉塵沉降速度大小與其密度有關，濃度越高的粉塵且高濃度粉塵沉降較慢。巷道中的粉塵較多的聚集在遠離風筒的截面（X=1.2m）附近區域，其他區域（X=1.2，2.7m）粉塵也較多。粉塵積聚不均勻的原因是，粉塵隨風擴散，風速降低，粉塵開始下降。壓風筒形成一個高壓區域，風的流動帶著粉塵擴散，在于工作面距離10～20m 的區域沉降。在巷道區域（X=4.2m，X=5.4m）處粉塵較少，風速導致擴散較大。

距離底板不同距離（Y=1，1.5，2m）的粉塵分布云圖如圖3 所示。

圖3 距離底板不同距離粉塵分布云圖

由圖3 可知，粉塵在巷道中下降的速度不一樣，不同區域表現出明顯的不同，高濃度粉塵沉降至1m以下在巷道中部（Z=25m），粉塵擴散至該地區才全部沉降，粉塵沉降緩慢的區域在風筒附近。與風筒距離較近（X＞2.7m）粉塵濃度較低，該區域受風筒作用的影響，顆粒下沉較慢，細小顆粒多分布再空氣中。

2.2 粉塵濃度實測對比

測量巷道粉塵濃度，測量工具為濃度測量儀，型號為IFC-2 防爆型，該儀器測量礦井內粉塵濃度的準確性較高。測量時選擇合適位置，測量高度1.5m，選擇多個測量點，不同測量點之間距離5m，多次測量求得平均值。將現場測量的結果與數值模擬結果對比分析，如圖5 所示。

由圖5 可知，距離工作面遠近不同，顆粒含量不同。距離工作面4m 處，煤礦井下粉塵含量為1 546mg/m3，5m 處所測含量為1 532mg/m3；隨著距離工作面的高度增加，粉塵濃度降低，在距工作面5～10m，粉塵濃低至400mg/m3，粉塵在通風方向濃度更低，距離工作面40m 處，粉塵濃度維持在30mg/m3，并隨高度增加，濃度降低幅度減小。現場測試顯示，仿真結果與測試基本吻合，證明數值模擬具有一定的可靠性。

圖4 模擬數據與測量點測得數據對比

3 除塵效果實際驗證

引入2 種不同的通風方式，即短壓長抽式和長壓短抽式，比較其通風方式的降塵效果，將工作面的實際情況考慮在內，通風呼吸帶和粉塵采集分析儀如圖5、圖6 所示，風筒參數設置如表2 所示。

圖5 通風呼吸帶范圍圖

圖6 粉塵濃度分析儀

表2 風筒參數設置

為了研究粉塵對作業人員的影響，取不同通風方式下巷道中部的粉塵濃度模擬結果進行對比，結果如圖7 所示。

對比圖7（a）、（c），對于短壓長抽式通風方式，距離工作面5m，巷道中粉塵擴撒最快，通風方式最優，粉塵濃最低。

對比圖7（b）、（d），對于長壓短抽式通風方式，巷道粉塵最低處位于距離工作面15m 時，粉塵下降速度較慢；出風口于工作面距離不同，粉塵濃度不同，當距離工作面5m 時，粉塵濃度降低速度較快，除塵效果好，距離工作面15m 降低到低水平，是一種較好的除塵通風方式。

圖7 粉塵濃度隨通風方式改變

對比圖7（a）、（b）可知，巷道通風方式選擇長壓短抽式效果更優。2 中不同的通風方式均能將粉塵降低到6mg/m3以下，距離工作面20m 內，通風方式均可發揮較好效果。

通過仿真分析和試驗對比可知，長壓短抽式除塵效果好，出風口距離工作面5m 時，煤礦粉塵消除較快，粉塵濃度降低到6mg/m3以下，巷道中粉塵濃度達到安全標準，煤礦井下環境得到改變。

4 結 論

1）巷道通風方式采用壓入式，粉塵較大，很多粉塵懸浮在巷道中，不能快速擴散，沉降速度慢，對于煤礦的安全生產不利，存在較大安全隱患。

2）通過仿真分析和實地測量，對比得出最優通風方式為長壓短抽式通風，風筒出風口距離工作面5m 時，能夠實現快速除塵，巷道中粉塵濃度可降低到6mg/m3以下。