影響巷道粉塵運移的影響因素數值模擬研究

施展 趙藝菲 張子屹 方磊

中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，中國·北京 100000

1 引言

煤礦作為中國的主體能源，在中國能源結構上占有重大比例，這也確立了煤在中國能源無可替代的地位。近年來，隨著科技進步，社會的發展，國家能源的需求日益增大，這也給煤礦的開采使用提出了巨大的任務。

2 煤礦粉塵濃度超標背景下的治理方法

在這種背景下，煤礦井下生產效率大幅提高的同時也導致局部粉塵濃度嚴重超標。作為礦井高產塵地點的掘進工作面，在煤礦開采的過程會產生高濃度的局部粉塵，濃度高達1000mg/m3以上。就目前來看，煤礦的粉塵已經成為中國最大的職業危害之一。第一，高濃度的粉塵第一會嚴重威脅工人的身心健康，長期吸入高濃度的粉塵會誘發塵肺病等高危險職業病。同時，高濃度的粉塵也會加速機械的磨損，縮短機械的使用壽命，大大增加了煤礦的生產成本。第二，在高濃度的粉塵環境中，存在煤塵爆炸的風險，易造成嚴重的生產事故，造成人員與財產的損失。因此，在此類嚴峻形勢的推動下，如何防治礦井煤塵，減少其對于礦井生產的影響，已經成為了當下煤礦行業急需研究的重點問題[1]。

目前，在煤礦生產過程中主要的防塵、降塵方法主要有通風除塵、煤層注水、噴霧降塵、泡沫除塵等。為取得更好的除塵效果，進一步了解掘進工作面粉塵的運移規律和時空分布，是能否實現掘進工作面高效除塵的基礎。在實際生產過程中，掘進工作面往往是一條獨頭巷道，通風系統一般是由礦用局部通風機和風筒組成的，其作用是引入進風巷道內的新鮮風流對掘進工作面產生的粉塵進行稀釋和排出。通風風速和粉塵粒徑對獨頭巷道中煤塵的運移、分布、排出產生巨大影響。

3 建立模型

模型以實際現場煤礦掘進工作面為對象，根據掘進工作面的實際情況，進行構建模型，并進行一定簡化處理，再利用FLUENT流體仿真軟件，利用DPM模型模擬獨頭巷道掘進工作面煤塵顆粒在不同風速下的運動軌跡與分布狀況。為了更加合理地模擬掘進工作面現場情況，在數值模擬之前進行了一定的假設。

①巷道內大氣溫度濕度相對穩定，忽略溫濕度變化造成的影響。

②忽略重力作用造成的空氣流速變化。

③將粉塵顆粒視為密度相同的球體。

④忽略顆粒之間的作用，考慮顆粒與壁面的碰撞。

4 設定邊界條件與模型參數

設定掘進工作面工作時粉塵產生量為0.006kg/s，在模擬過程中粉塵微粒以恒定的質量率0.006kg·s-1流入巷道內。在此仿真分析中，粉塵顆粒的粒徑服從Rosin-Rammler分布，粉塵粒徑范圍在1.8×10-6～1×10-4，1.15×10-5平均粒徑，其他具體參數如表1所述。

表1 模型參數

5 使用模型

工作面粉塵運移、擴散以及分布問題屬于多相流問題中的氣固兩相流問題。離散相模型（DPM——Discrete Phase Model），Fluent中對氣固兩相顆粒流問題的模擬，主要采用其自帶的離散相模型（DPM——Discrete Phase Model）。此模型是以歐拉—拉格朗日方法為基礎建立的[2]。其把流體作為連續介質，在歐拉坐標系內加以描述，對此連續相求解輸送方程，而把粉塵顆粒群作為離散體系，通過積分拉氏坐標系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道，可以計算出這些顆粒的軌道以及由顆粒引起的熱量/質量傳遞。

同時，在計算中，相間耦合以及耦合結果對離散相軌道、連續相流動的影響均可考慮進去。當計算顆粒的軌道時，Fluent跟蹤計算顆粒沿軌道的熱量、質量、動量的得到與損失，這些物理量可作用于隨后的連續相的計算中去。于是，在連續相影響離散相的同時，也可以考慮離散相對連續相的作用。交替求解離散相與連續相的控制方程，直到二者均收斂（二者計算解不再變化）為止，這樣就實現了雙向耦合計算，從而得到工作面的壓力場、風流速度場、每個位置粉塵粒子的運動狀態以及粉塵的濃度分布。

6 模擬結果與分析

6.1 模型的構建

巷道內氣固兩相的分布特征掘進工作面粉塵入口質量流率不變，送風筒送風速度設置為10m/s。通過fluent仿真模擬分析，得到了粉塵隨時間的運移規律及時空變化。

隨著時間的推移，粉塵顆粒在巷道中隨氣流不斷擴散，直至充滿巷道。同時，在巷道內的粉塵分布是隨著風流變化而變化，在粉塵在2s時開始產生，粉塵在通風筒風流作用下偏移原本的運動方向，向一側集中，形成高濃度地區。新鮮風流從送風筒中流出后由巷道后方排出，將新鮮空氣污染形成污風，同時巷道內的粉塵濃度也不斷上升，使工作面環境變差。在巷道中間位置形成一個較窄的污染面，粉塵在其位置集中在通風風筒的對側，而在風筒附件粉塵濃度較低[3]。

6.2 粉塵顆粒大小對于巷道內粉分布的影響

模型中粉塵顆粒的粒徑服從Rosin-Rammler分布，改變掘進工作面產生顆粒的粒徑平均值，從而得到不同顆粒粒徑對粉塵運移的影響，分別改變模型中粉塵顆粒的粒徑為2×10-5和5×10-5。

6.3 送風風速對巷道內粉塵分布的影響

改變掘進工作面送風筒送風速度7m/s、10m/s、13m/s，分析送風筒風流出口速度對獨頭巷道內掘進產生粉塵顆粒濃度隨時間變化狀況，設粉塵顆粒進入巷道內的速度為0，由掘進壁面上的圓形區域內對外噴出，噴出的粉塵量保持固定為0.006kg/s，保持恒定。

掘進工作面面風速不變的作用下，越靠近掘進面，粉塵濃度有先增大后減小的趨勢。這是因為在巷道前端，粉塵剛進入巷道內部還未有效的擴散。而粒徑較大的粉塵顆粒能在風速較大的情況下隨著風流運移，但是隨著風流向巷道后方流動，有效斷面增大，巷道內的風速逐漸減小，粒徑較大的粉塵因為自身重力較大，在自身重力作用下發生沉降，巷道后方粉塵濃度逐漸降低。對比于同一距離下不同送風風速的粉塵濃度分布發現，送風速度越大，巷道后方的粉塵濃度卻越小。在靠近掘進面位置，7m/s時的粉塵濃度與13m/s的粉塵濃度都大于10m/s，因此對于風速過大或過小都會導致粉塵在掘進面處加快傳播，造成污染面增大。

粉塵主要集中在巷道的中下部且在平面區域呈三角形，隨著與出口距離的增加，粉塵擴散加劇。在風速為7m/s時粉塵大量在巷道內積聚，粉塵無法快速排出，造成環境快速惡化，嚴重危害掘進作業的安全生產與工作人員的身心健康。當送風速度增加到10m/s時，氣流對粉塵顆粒的曳力增加，模擬結果中顯示為紅色的高濃度粉塵區域面積減少，表明此時的掘進機后方送風筒一側粉塵濃度開始降低；當送風速度為13m/s時，氣流對粉塵顆粒的曳力加強使其能夠起到主要作用，顆粒受到風流的作用大于其他力，使其定向朝逃離方向在掘進工作面附近顆粒聚集現象明顯減弱。掘進機后方送風筒一側粉塵濃度明顯低于另一側。由上述分析可知，增大送風速度能夠減少粉塵顆粒在掘進工作面的積聚，縮短粉塵滯留巷道內的時間，降低巷道內粉塵濃度。

7 結語

論文利用Euler-Lagrange模型，探討了掘進工作面產塵粒徑和不同送風速度兩個影響因素對巷道內粉塵顆粒運移規律及分布進行了數值模擬和分析。研究結果表明：粉塵粒徑越小，擴散作用越強，易在航帶內擴散，形成多處高濃度區域，不利于粉塵防治。巷道內粉塵分布受掘進工作面送風速度變化影響較大。當送風速度為7m/s時，粉塵在掘進機前端積聚，粉塵無法及時排出。當增大送風速度時，由于風流對粉塵顆粒的曳力增大，能夠快速吹散掘進機前端積聚的高濃度粉塵，加快粉塵排出巷道的時間。同時，在巷道后方送風筒一側粉塵濃度明顯低于巷道另一側。

綜上所述，控制煤塵粒徑大小可以改變粉塵擴散的范圍及高濃度區域分布，提高工作面送風速度能夠快速有效的排出巷道內的粉塵，降低巷道內粉塵濃度，保證安全生產，減少工人患塵肺病的概率，提高生產效率。但在生產過程中，要注意風速應當選取最優值防止產生二次揚塵，同時要采取多種措施控制其產生煤塵的粒徑，增強除塵效率，同時提高一線工人工作中的舒適度[4]。