煤礦井下大傾角綜采面通風降塵系統的應用研究

白 亮

（山西陽泉盂縣辰通煤業有限公司， 山西 盂縣 045100）

引言

隨著綜采技術的不斷發展，大傾角綜放面的綜采技術不斷得到應用推廣，由于在大傾角工作面中，產塵點多、粉塵量大、巷道傾角大，氣體流動時受各因素影響量大，易產生紊流，對綜放面內的降塵產生了不利影響。目前多數煤礦生產企業主要是考慮采用噴霧降塵方式對巷道內的粉塵濃度進行抑制，但在大傾角工作面中，因地質結構復雜，對噴霧降塵方式提出了更高的要求，其應用受到了較大的限制，當前研究也較少地對大傾角工作面的通風降塵系統進行研究，造成了大傾角綜采工作面粉塵濃度居高不下，嚴重影響了煤炭生產企業的正常生產和作業人員的身體健康。

本文以大傾角綜放面的粉塵運動規律為研究方向，以氣固兩相理論為研究基礎，建立大傾角綜放工作面的仿真模型，利用流體仿真分析軟件對不同通風特性下粉塵的移運規律進行了仿真分析，確定適用于大傾角綜放工作面的最優的通風方式及通風系統的氣體流動速度。

1 氣固兩相計算原理及仿真分析模型的建立

對于離散相可通過對Lagrangian 參考系下的離散相顆粒的運動方程的積分來求解其運動規律。對于氣流連續相，可通過湍流流動方程[1]確定在工作面的速度流場和壓力分布情況。在大傾角綜采面中為氣固兩相的耦合的過程，因此在實際分析時可先得出連續收斂的流場，然后再設置一個氣流流場的噴射源，得到離散相進行耦合，在每一次的耦合中均可計算出固相的運行軌跡及其在每一個流體單元內的熱量和動量交換項，在更替中可利用已有的計算結果重新對相鄰的固液混合相進行連續流場和固體顆粒相的重新分布計算。

為了對實際井下大傾角綜采工作面內的流場情況進行分析，首先利用三維建模軟件，根據某礦井下大傾角綜采工作面的實際尺寸，設置了一個尺寸為150 m×5.1 m×3.5 m、工作傾角為30°的綜采模擬區域，利用Fluent 流體分析軟件對建立的三維模擬區域進行網格劃分[2]，其三維模型如圖1 所示。

圖1 大傾角綜采面的三維結構示意圖

根據井下綜采面的實際工作情況，在對仿真分析進行邊界條件設定時，在上行通風時，將通風口設置在巷道的底部，在巷道頂部設置為氣流出口位置。在下行通風時，將通風口設置在巷道的頂部，在巷道底部設置為氣流出口位置，各參數設置如表1 所示。

表1 仿真分析參數設置

2 不同通風方式的降塵效果研究

在對不同通風方式對巷道內粉塵的沉降效果進行研究時，利用湍流流動方程模型以及穩態求解器進行求解。分析時沿著巷道長度方向，每隔5000 mm設置一個求解分析截面，用于對巷道內的氣流流動方向對粉塵質量濃度的影響進行研究，在沿y 軸正方向，高度為1700 mm 處設置一個水平工作剖面，用于研究在呼吸帶高度上的風速對巷道內粉塵質量濃度分布的影響進行研究。在沿著z 軸正方向上3000 mm 位置處設置一個縱向切面，用于對在巷道人行通道處（兩液壓支架間位置）的風速和粉塵的質量濃度分布進行研究。

分別對上行通風和下行通風情況下巷道內不同截面位置的風速分布情況進行分析，結果如圖2、圖3 所示。

圖2 上行通風情況下的風速（m/s）分布示意圖

圖3 下行通風情況下的風速（m/s）分布示意圖

由圖2、圖3 仿真分析結果可知，在上行通風的情況下，沿巷道內采煤機推進方向其風速分布逐漸增大，在采煤機位置，其風速約為2.2 m/s，在該區域風速增加較慢，當越過采煤機后，風速最大可增至4.2 m/s。而下行通風的情況下，沿采煤機的推進方向其風速逐漸增加，在風速越過采煤機后，巷道長度較大，其風速主要分布在3.6～4.6 m/s 范圍內。

分別對上行通風和下行通風情況下巷道內不同截面位置粉塵的質量濃度分布情況進行分析，結果如圖4、圖5 所示。

由圖4、圖5 仿真分析結果可知，當在上行通風情況下，巷道內粉塵質量濃度的最大值主要在采煤機的截割滾筒位置，其最大粉塵濃度約為6500 mg/m3，在采煤機下風側的位置，其粉塵濃度穩定在約1500 mg/m3。而當在下行通風時，其最大粉塵質量濃度出現在采煤機下風側的位置約10000 mm 處，其最大粉塵濃度約為3000 mg/m3。

圖4 上行通風情況下的粉塵質量濃度（kg/m3）分布示意圖

圖5 下行通風情況下的粉塵質量濃度（kg/m3）分布示意圖

在下行通風的情況下，在采煤機的下風側的位置，巷道內的粉塵質量濃度逐漸的降低，在采煤機下風側的位置，粉塵質量的濃度逐漸穩定在450～550 mg/m3之間，在人行通道上呼吸帶上的粉塵質量濃度要顯著地低于上行通道情況下的粉塵質量濃度分布。

3 上行通風與下行通風的降塵機理研究

在煤礦井下綜采面中，粉塵顆粒的運行狀態主要是由氣流浮力以及在顆粒質量垂直與斜面方向的分量共同作用的結果。在不同通風方式情況下粉塵顆粒的受力如圖6 所示[3]。

圖6 不同通風情況下的粉塵受力示意圖

圖6 中，v 表示氣流的流動速度；v′表示粉塵顆粒的沉降速度；v″表示氣流流動速度在垂直于巷道斜面上的速度分量；α 為巷道傾角。在下行通風的情況下v′和v″的方向相同，巷道內的氣流會對粉塵的運動產生一個垂直向下的加速度的分量，此時重力加速度方向和氣流作用下的分量相疊加，其粉塵更容易產生分量。當在上行通風的情況下，v′和v″的方向相反，在氣流作用下產生的加速度的分量和重力加速度的方向相反，導致粉塵在分力的作用下難以發生沉降。

4 下行通風情況下最優風速的確定

為驗證在下行通風情況下，不同的風速對粉塵沉降特點的影響，本文利用Fluent 仿真分析軟件對在大傾角工作面在不同風速下的粉塵分布規律進行模擬[4]，導出分析數據結果，將對綜采工作面影響最大的綜采工作區、人行巷道區以及架前空間處的粉塵質量濃度分布情況進行研究，其結果如圖7 所示。

由圖7 仿真分析結果可知，隨著氣流速度的逐漸增加，其在各工作區采煤機附近的粉塵質量濃度先逐漸降低，然后再升高，當風速約為3 m/s 時的粉塵質量濃度達到最低，當風速繼續增加后粉塵的質量濃度又逐漸增大，這主要是在氣流影響下，風速越大，其容易導致已沉降的粉塵被卷起，導致揚塵。

圖7 不同風速情況下的粉塵顆粒移運分布規律

5 結論

1）上行通風情況下在人行通道空間內粉塵的質量濃度約在1500mg/m3，而當采用下行通風時在相同人行通道空間內其粉塵的質量濃度約為450～550mg/m3之間，顯著低于上行通風時的粉塵質量濃度分布。

2）下行通風時，氣流分量和重力加速度方向均垂直向下，更利于粉塵的沉降；上行通風時氣流分量和重力加速度方向相反，不利于粉塵的沉降。

3）當巷道內的氣流流速為3 m/s 時對粉塵顆粒的沉降效果最好。