基于氣固雙向耦合的采煤面粉塵分布規律研究

李 勇，張 凱，史紀飛，閆 濤，王 亮

（1.國能億利能源有限責任公司黃玉川煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.山東科技大學，山東 青島 266590）

0 引言

隨著科學技術的進步與發展，煤礦井下機械化、自動化作業程度不斷提高，采煤效率也得到進一步提高，但隨之而來的便是粉塵污染問題的加劇，據相關研究表明，采煤面在割煤過程中不采取任何降塵措施的情況下，全塵濃度可達到1 400 mg/m3，掘進面附近甚至高達4 000 mg/m3,呼吸性粉塵濃度可達800～91 000 mg/m3[1]。在采煤過程中，煤巖顆粒的破碎以及落煤、運煤等過程都會產生煤塵，粉塵顆粒主要會帶來兩方面的危害，一方面煤塵顆粒會加速井下設備的磨損速度，使得井下設備要經常性的維修、保養，煤礦生產效率大大降低；另一方面煤塵會使得工人身體健康受到嚴重損害，特別是呼吸性粉塵會隨著工人的呼吸作用進入到肺泡中，長年累月積累會使得肺部纖維化，產生嚴重的塵肺病，根據國家衛生部門統計，在統計報告的所有職業病例中，塵肺病的占比高達94.21%，其中煤礦工人占主要部分。同時高濃度的粉塵會產生煤塵爆炸的危險，煤塵爆炸一旦發生，會帶來一系列連鎖反應，因此煤塵爆炸破會性極強，是煤礦重大災害之一[2-3]。

近幾年來，隨著人們對于防患意識的提高，學者專家對于煤礦粉塵運移規律的研究也慢慢增多，楊勝來[4]等人對綜采工作面的粉塵分布規律進行了研究，將風流以及粉塵顆粒分別作為氣固兩相，通過程序編輯模擬了氣流粉塵的分布狀況。左前明[5]等人運用數值模擬的方法對大采高工作面的粉塵分布進行了分析，發現在割煤過程中，采煤機的前滾筒上方會聚集大量粉塵，高濃度粉塵團出現在采煤機滾筒附近。蔣仲安[6]等人運用流體仿真軟件FLUENT對掘進工作面的粉塵進行了仿真分析，研究得出了掘進面不同條件下的粉塵分布規律。齊慶杰[7]等人對東榮煤礦采煤面進行實際粉塵濃度測量，總結出來了順風割煤時粉塵顆粒的擴散規律。

周剛[8]等人運用氣固兩相流理論，對巷道內部的風流和粉塵進行了研究，得出了大采高綜采工作面的呼吸性粉塵的分布規律。程衛民[9]等人根據流體力學三大守恒定律對風流場中的粉塵運移過程進行方程的建立。劉亞力[10]對粉塵運移過程繼續模型的建立，并且根據建立的模型對風流中的粉塵運動狀態進行了相關研究。

粉塵污染已經成為煤礦作業時急需要解決的問題，因此本文運用FLUENT流體仿真軟件，基于雙向耦合的氣固兩相流模型，對采煤工作面不同通風速度情況下的風流及粉塵分布狀況進行研究，確當其最佳通風風速，分析其防塵重點區域，給與現場降塵設備的安裝提供一定的理論指導意義。

1 模型構建

1.1 采煤面物理模型構建

本文以某礦的綜采面為背景進行物理模型建立，由于其井下作業場所環境的復雜性，因此對其模型進行簡化處理，保留其主要的影響模擬結果的機械設備--采煤機和液壓支架，運用三維建模軟件Solidwork對采煤機進行簡化建模，液壓支架簡化為均勻分布的圓柱體，采煤面長度為50 m，進風巷和回風巷均為25 m，其采煤面簡化模型如圖1所示。

圖1 采煤面模型簡圖

1.2 氣固兩相流數學模型構建

本文運用氣固兩相流模型也稱作為DPM模型進行仿真模擬，該模型下假設粉塵數量級小，粉塵主要受自身重力、空氣阻力以及自身浮力等的作用，其余影響作用小的因素可以忽略不計，其在運移過程遵循的方程如下式所示[11-12]。

其擴散方程為：

式中：ρ為粉塵平均質量濃度，mg/m3；v為平均速度，m/s；K為綜合擴散系數；t為擴散時間，s。

根據牛頓力學定律，粉塵在空氣中的運動方程可列為：

式中：mP為粉塵總質量，kg；v為粉塵與空氣相對速度，m/s；t為時間，s；ρP為粉塵密度，kg/m3；ρg為氣體密度，kg/m3；dp為粉塵的粒徑，m；g為重力加速度，m/s2；CP為阻力系數。

2 風流及粉塵仿真模擬

2.1 網格劃分

在仿真模擬之前需要對模型進行離散化處理，也即是對模型進行網格劃分，劃分網格常見的有結構化網格和非結構化網格，對于結構簡單的模型采用結構化網格計算結果更為精準，而結構復雜的模型，結構化網格劃分困難甚至無法劃分，且計算時間大大延長，而對于非結構化網格來說，對復雜模型網格的劃分具有更好的適用性，因此本文選擇適應性更強的非結構化網格，網格數量約1 449 283個左右，平均質量為0.84，完全可達到計算精度要求[13]。

2.2 邊界條件設定

網格劃分結束后，將網格導入到計算仿真軟件FLUENT，然后進行模型參數以及邊界條件設定，準確的邊界條件設定是達到精確仿真結果的前提，根據現場實際以及相關資料查詢對邊界條件以及粉塵源參數進行設定。

此次仿真模擬模型選擇氣固雙向耦合的DPM模型，該模型將空氣視作為連續相，粉塵顆粒視作為離散相，先將連續相計算收斂后，在加入離散相顆粒，開啟雙向耦合，此時由于粉塵顆粒的加入，導致連續相動能的改變，反過來繼續作用于離散相，直至計算收斂穩定。該模型計算結果更符合實際情況，其具體設置見表1、表2。

表1 邊界條件設置

3 仿真結果分析

3.1 風流分布結果分析

由于煤礦井下粉塵顆粒的運動主要受風流作用的影響，研究其風流的分布規律有助于對下一步粉塵分布規律的研究，因此對于風流分布的研究是非常有必要的。分別設置進入進風巷的風速為0.5、0.8、1.2、1.6、2 m/s，通過仿真得出整個進風巷-采煤面-回風巷的風流分布狀況，不同進風速度下的風流分布大致相同，因此取進風速度為1.2 m/s時，距地板高度為1.5 m（呼吸帶）高度的速度云圖分析速度分布狀況，如圖2所示。

表2 塵源參數設置

圖2 距底板1.5 m速度分布云圖

由圖2可以看出，進風巷由于其結構簡單，風流以一定的速度進入后，速度基本保持不變；當風流到達進風巷與采煤面90°拐角處，風流難以到達拐角處，因此此處速度基本保持0.15 m/s左右；當風流進入采煤面后，由于采煤機的阻擋作用，在采煤機前方形成高速湍流區，在此處風速達到采煤面風速的最大值；風流沿著采煤機側面繼續前進，風流速度有一定下降直至達到風速穩定狀態；然后風流進入回風巷道，風速再一次加大，并且在回風巷道形成一側風速大，一側風速小的分布狀況。

由圖3采煤面沿程速度分布圖可以看出，不同速度的風速，在進入采煤面后，速度會出現增大-減小-增大-穩定的分布狀況，在X為5 m左右也就是風流從進風巷進入采煤面時，風速出現第一個峰值，在此處速度增大到進風巷風速的1.8倍左右，然后風速發生急劇衰退，當X為7 m左右時，風速到達第二個峰值點，此時風速增大到整個采煤面風速的最大值，在此處風速約為進風巷風速的2.1倍左右。在X為18 m左右時，風速基本保持穩定在進風巷風速的1.2倍左右。

圖3 沿采煤面沿程不同進風速度速度分布

3.2 粉塵分布結果分析

分別取不同進風速度下的距離底板0.5、1、1.5 m高度平面的粉塵分布云圖，分別如圖4所示:

圖4 不同進風速度下的粉塵分布云圖

從圖4可以清楚的看出，割煤過程產生的粉塵會順風擴散，并且主要沿著煤壁面進行運移，由于液壓支架的阻擋作用，風流在液壓支架一側速度較小，粉塵主要被風流帶到液壓支架另一側，導致液壓支架一側粉塵濃度相對較低；距離底板附近，粉塵濃度較大，隨著高度的增加，粉塵濃度也在逐漸減小，粉塵濃度最大的區域在采煤機前方的高速湍流區，此處風流速度大，風流較為復雜，同時由于割煤過程的持續，導致此處粉塵濃度最大。

煤礦工人工作時的呼吸高度大約為1.5 m，由圖4可知，在1.5 m高度的粉塵濃度隨著進風速度的增大，粉塵濃度呈現先減小后增大的趨勢。當進風速度為1.2 m/s時，此時1.5 m高度粉塵濃度最低，當風速大于1.2 m/s時，粉塵濃度出現一定的增大趨勢，這是由于風速的增大導致已經沉降的粉塵再次被揚起，出現了粉塵的二次揚起的現象，因此進風速度為1.2 m/s時是最佳的排塵風速。

圖5 粉塵粒子分布圖

圖5為進風速度為1.2 m/s時的粉塵粒子分布圖，由圖5可以看出粒徑較大的粉塵顆粒，在產生后運移25 m左右就基本全部沉降，靠近回風巷道以及回風巷道以內主要是粒徑較小的呼吸性粉塵，由于粒徑較小難以沉降，隨風流一直漂浮在作業空間，并且隨著采煤機的運動，采煤機越靠近回風巷，回風巷的粉塵濃度越大，因此，可以在回風巷道布置一些高壓噴霧裝置，對呼吸性粉塵進行沉降。

4 結論

1）不同速度的風流進入采煤面后，由于采煤機以及液壓支架等的存在，風速會出現增大-減小-增大-穩定的分布，其中在風流從進風巷轉入采煤面時，速度增大到進風速的1.8倍左右，然后速度發生驟降，風流越過采煤機后出現風速的最大值，此時風速增大到進風速的2.1倍左右，隨后風速衰落穩定在進風速的1.2倍左右。

2）采煤面的粉塵隨著進風速度的增大出現先減小后增大的趨勢，當進風速度為1.2 m/s時，整個采煤面粉塵濃度較低，并且此時風速處于二次揚塵的臨界狀態，此時風速既有利于帶走粉塵，又防止風流過大再次將沉降的粉塵揚起。

3）粒徑較大的粉塵顆粒基本在產生后25 m左右就已全部沉降，粒徑較小的呼吸性粉塵會隨風流一直漂浮在作業區及回風巷道，因此可以給與現場回風巷加裝高壓噴霧裝置，對呼吸性粉塵進行沉降。