壓入式掘進巷道風流粉塵運移規(guī)律及最佳壓風量研究

高 海,程傳興

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122;2.山東科技大學 安全與環(huán)境工程學院,山東 青島 266590)

煤炭作為世界三大能源之首,為國民經(jīng)濟發(fā)展做出了突出貢獻[1]。近年來,我國鼓勵新能源發(fā)展,但煤炭仍是我國能源消費的重要組成部分[2-3]。然而,隨著機械化水平不斷提高,煤巷掘進速度得到提升,同時產(chǎn)生的粉塵量也大大增加[4]。其中,粉塵中含有的大量SiO2是導致塵肺病的重要原因之一。塵肺病是我國目前最嚴重的職業(yè)病,2020年全國共報告各類職業(yè)病新病例中職業(yè)性塵肺病14 367例,占84.2%。因此改善綜掘工作面作業(yè)環(huán)境、保障作業(yè)工人職業(yè)衛(wèi)生健康尤為重要。

20世紀初,美國、日本等國外學者對粉塵在巷道中的運動進行了相關(guān)研究,并得出了與粉塵運移相關(guān)的數(shù)學模型[5],從此揭開了對粉塵運移研究的新篇章。MORENO等[6]研究發(fā)現(xiàn)巷道通風可以有效降低可吸入粉塵的質(zhì)量和濃度。HAMDANI等[7]驗證了粉塵沉積和表面粗糙度的關(guān)系,進一步驗證了粉塵的沉積規(guī)律。WITT等[8]利用計算機流體動力學(CFD)模型預測了傳輸裝置附近揚塵的運動軌跡。TORANO等[9]根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果驗證了基于CFD的作業(yè)過程中粉塵擴散行為模擬的可靠性,并發(fā)現(xiàn)改變風筒與底板和工作面之間的距離會極大地影響粉塵控制性能。COLINET等[10]詳細介紹了粉塵控制領域的研究成果,匯總了各種粉塵控制的方法,為礦井粉塵防治工作提供了有力幫助。

除此之外,國內(nèi)學者也對掘進工作面風流及粉塵的運動進行了詳細研究。陳榮策等[11]在現(xiàn)場實驗的基礎上,研究了沒有局部通風的條件下,掘進鑿巖時粉塵的產(chǎn)生及分布規(guī)律。李雨成等[12]分析了掘進工作面采用壓入式、抽出式及長壓短抽式3種通風方式下,風筒距工作面不同距離時的粉塵分布特征。蔣仲安等[13]研究了掘進工作面采取長壓短抽通風方式下,風筒高度與直徑對渦流的作用,并對長壓短抽通風系統(tǒng)參數(shù)進行了優(yōu)化。秦躍平等[14]利用FLUENT模擬軟件研究了“長壓短抽”通風方式下,掘進巷道內(nèi)粉塵的運移和分布規(guī)律,提出了“壓風分流”通風方式,并對其降塵效果進行了模擬。程衛(wèi)民等[15]利用FLUENT軟件對綜掘工作面旋流氣幕抽吸控塵進行了數(shù)值模擬,并設計了由附壁風筒和抽塵凈化裝置構(gòu)成的綜掘工作面旋流氣幕抽吸控塵系統(tǒng)。

國內(nèi)外學者都對巷道內(nèi)粉塵運移規(guī)律進行了詳細的研究,但現(xiàn)有研究對單壓入式通風條件下掘進巷道風流-粉塵運移規(guī)律及最佳通風控塵風量的研究并不充分。基于此,本文對壓入式掘進巷道風流及粉塵的運移規(guī)律及最佳控塵風量進行了研究,進而客觀地預測了通風除塵的效果,為解決巷道粉塵嚴重污染問題提供理論支持。

1 工作面概況

3206回風順槽工作面地質(zhì)條件簡單,褶曲寬緩,煤層賦存平穩(wěn),約在1 400 m處有一處地質(zhì)構(gòu)造,其他隱伏地質(zhì)構(gòu)造需在掘進過程中進一步探明。3#煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組下部,所采煤層平均埋藏深度約為500 m;煤層平均厚度為5.76 m,黑色,亮煤為主,煤層穩(wěn)定,全區(qū)可采,煤層傾角為2°～10°,平均為6°;煤層單軸抗壓強度平均為18.09 MPa。絕對瓦斯涌出量為2.45 m3/min,平均二氧化碳絕對涌出量為0.20 m3/min,煤層無自然發(fā)火傾向,無地溫異常區(qū)。該工作面水文地質(zhì)條件較簡單,涌水來源主要為3#煤層上覆砂巖、粉砂巖等裂隙水。巷道設計長度2 134.68 m,斷面寬為5.00 m,高為3.40 m。3206回順掘進期間采用前探梁臨時支護或錨桿鉆車臨時支護。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor of coal seam

2 數(shù)學模型的選取

2.1 風流相數(shù)學模型的選取

掘進工作面壓入式通風屬于有限空間受限附壁射流,選用Realizableκ-ε模型能較好地處理模擬中的流動,模型求解的κ和ε方程如下:

(1)

式中:ρ為流體密度,kg/m3;κ為湍動能,m2/s3;t為時間,s;ui為瞬間速度,m/s;xi、xj為張量坐標x方向的速度,m/s;μ為流體的分子黏性系數(shù);μt為渦黏性;σκ為κ方程的紊流普特朗數(shù),默認值為1.0;Gκ為平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生;Gb為浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生;ε為紊流耗散率,m2/s3。

(2)

式中:σε為湍動耗散率對應的普朗特數(shù),取1.2;C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù),FLUENT中默認值為C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09。

(3)

式中:C1為常數(shù);η為氣體動力黏度,Pa·s;S為顆粒實際表面積,m2。

2.2 粉塵相數(shù)學模型的選取

根據(jù)“作用在塵埃顆粒上的力是平衡的”原理,拉格朗日坐標系中的運動方程可導出下式:

(4)

式中:up為顆粒速度,m/s;FD為曳力,N;u為相續(xù)連速度,m/s;gx為X方向重力加速度,m/s2;ρp為顆粒密度,kg/m3;Fx為X方向的其他作用力,N。

流體對粉塵的拖曳阻力計算公式為:

(5)

式中:dp為顆粒直徑,m;CD為曳力系數(shù);Re為相對雷諾數(shù)。

相對雷諾數(shù)Re表達式為:

(6)

曳力系數(shù)CD的表達式為:

(7)

式中:α1,α2,α3為常數(shù)。

3 物理模型的建立與網(wǎng)格劃分

3.1 物理模型的建立

通過對王坡煤礦掘進工作面進行實地調(diào)查,并結(jié)合該礦實際布置情況,利用Solidworks軟件建立了1∶1仿真物理模型。物理模型主要由掘進工作面、壓風筒、掘進機、轉(zhuǎn)載機、輸送機5部分組成。掘進機為EBZ160型掘進機,轉(zhuǎn)載機為DZQ-80/30/11橋式轉(zhuǎn)載機,輸送機為DTL80/20/22帶式輸送機。其中綜掘巷道為長80 m、寬5 m、高3.4 m的長方體,掘進機長寬高分別為9.3 m、2.9 m、1.68 m,風筒為直徑1 m的圓柱體。掘進工作面物理模型如圖1所示。

圖1 掘進工作面物理模型Fig.1 Physical model of excavation working face

3.2 網(wǎng)格劃分及獨立性測試

在數(shù)值模擬過程中,網(wǎng)格獨立性對模擬結(jié)果的準確性非常重要,在進行數(shù)值模擬之前應先進行網(wǎng)格獨立性測試[16-17]。利用ICEM CFD生成了3種不同質(zhì)量的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,分別命名為網(wǎng)格I、II、III。利用FLUENT軟件分別對3種不同質(zhì)量的網(wǎng)格進行了風流模擬,結(jié)果如圖2(a)所示。網(wǎng)格II和網(wǎng)格III產(chǎn)生了幾乎相同的模擬結(jié)果,當使用網(wǎng)格I時獲得的數(shù)據(jù)差異較大。考慮模擬結(jié)果、模型形成程度和美觀程度后選擇了網(wǎng)格III進行后續(xù)研究。進行網(wǎng)格劃分后的物理模型如圖2(b)所示。劃分后的網(wǎng)格總數(shù)為1 638 017,最大網(wǎng)格質(zhì)量為0.999 75,最小網(wǎng)格質(zhì)量為0.292 237,平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.745。其中,99.99%的網(wǎng)格質(zhì)量在0.4以上,網(wǎng)格沒有負值,網(wǎng)格質(zhì)量良好,符合模擬計算精度和收斂速度的條件。網(wǎng)格質(zhì)量分布如圖3所示。氣流和粉塵的計算可以分別看作是穩(wěn)態(tài)解和非穩(wěn)態(tài)解,具體參數(shù)設置如表2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分及獨立性測試Fig.2 Grid division and independence test

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量分布Fig.3 Grid mass distribution

表2 數(shù)值模擬的參數(shù)設置Table 2 Parameters of numerical simulation

4 綜掘工作面壓入式通風模擬結(jié)果及分析

4.1 風流流場數(shù)值模擬

運用FLUENT數(shù)值模擬軟件對掘進工作面的風流流場運移情況進行模擬,并運用CFD-POST軟件對模擬結(jié)果進行后處理,風流流場數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:

1)風流以27.6 m/s的速度從壓風口排出,在射流卷吸作用下沿著巷道壁面向前運移,在與工作面相距0～5 m處形成附壁射流。射流在前進過程中不斷卷吸周邊空氣,使向工作面運移的射流區(qū)域范圍呈錐形不斷擴大。其中,風筒出口處的風流不受空間限制呈自由射流狀態(tài),靠近壁面?zhèn)鹊娘L流受到壁面阻擋沿壁面向前運移,遠離壁面?zhèn)鹊娘L流卷吸周圍空氣不斷向外擴散。

2)由于射流卷吸作用及受空氣阻力的影響,風流從壓風口向工作面運移過程中速度不斷減小,在到達工作面時速度衰減為13.6 m/s,該速度滿足工作面除塵所需風速要求。

3)當射流到達迎頭時撞擊工作面,因受工作面的阻擋導致風流方向發(fā)生改變,改變后的風流方向大致分為3部分:一部分流向下部底板,一部分流向工作面頂板,絕大部分風流在巷道風筒側(cè)流向巷道出口方向,進而在巷道遠離風筒側(cè)產(chǎn)生回流區(qū)域。

4)由于綜掘巷道空間有限,在射流卷吸作用和回流區(qū)的共同作用下,風流流場在距工作面0～5 m、10～16 m及18～24 m處形成了3處閉合狀渦流區(qū):第一處特征明顯的渦流區(qū)出現(xiàn)在掘進機截割頭附近,由于掘進機體積龐大,回流區(qū)風流在移動過程中受到掘進機機身的阻擋作用,使得巷道1.7 m以下的風流流場遭到破環(huán),從而造成截割頭與工作面之間風流場紊亂,且形成了較為明顯的渦流區(qū);第二處渦流區(qū)出現(xiàn)在距工作面10～16 m的掘進機尾部處;因受轉(zhuǎn)載機及運輸機的影響,在距工作面18～24 m處,即轉(zhuǎn)載機和運輸機之間形成了第三處范圍較大且形狀不規(guī)則的渦流區(qū)。

5)在距工作面40 m后,風流己基本脫離前方壓風射流場及渦形風流場的影響,風流跡線逐漸平滑且保持穩(wěn)定,形成風速較小(1.27 m/s左右)、風流跡線垂直于巷道出口的平穩(wěn)流。

圖4 風流流場分布Fig.4 Air flow field distribution

4.2 粉塵運移數(shù)值模擬及時空演化規(guī)律

對壓入式通風條件下巷道的粉塵運移情況進行了模擬,并對模擬結(jié)果進行后處理。圖5為不同時刻下粉塵的擴散情況。由圖5可知:

1)單壓入式通風條件下掘進巷道的風流流場可分為射流區(qū)、回流區(qū)、渦流區(qū)3個區(qū)域,而巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度分布和風流流場分布一致。高速射流從壓風筒流出后迅速將工作面產(chǎn)生的粉塵沖散,粉塵在風流的作用下開始向巷道出口方向擴散。

2)工作面附近風流流場復雜,存在一處風速較小的渦流區(qū)域。顆粒較大的粉塵在渦流及自身重力的作用下發(fā)生沉降,造成掘進機前方粉塵積聚。當t=4 s時,部分粉塵已逐漸擴散到掘進機尾部的渦流區(qū)域,并開始運移至轉(zhuǎn)載機與運輸機附近的渦流區(qū)。由于渦流區(qū)域攜帶能力差,導致顆粒較大的粉塵在渦流區(qū)沉降,造成該區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度較高,達到613 mg/m3左右。

3)在t=8 s時,粉塵開始脫離渦流區(qū)域,進入40～80 m的平穩(wěn)風場,并向風場較穩(wěn)定的區(qū)域擴散,此時粉塵的運動軌跡相對平緩,質(zhì)量濃度超過350 mg/m3的較高濃度粉塵主要集中在遠離風筒的一側(cè)及掘進機運輸機之間的渦流區(qū)域。在t=48 s時,粉塵在風流的作用下初次到達巷道出口,且在t=145 s時粉塵質(zhì)量濃度在巷道中達到穩(wěn)定狀態(tài)。

從整體上看,隨著距地板距離的增加,粉塵質(zhì)量濃度變小,這是由于大顆粒粉塵受重力和阻力等因素的影響在逐漸沉積。巷道壓風筒一側(cè)粉塵質(zhì)量濃度較低,質(zhì)量濃度超過350 mg/m3的高濃度粉塵主要集中在巷道遠離風筒的一側(cè),說明粉塵在運移過程中主要受風流的影響。

4.3 不同壓風量下粉塵運移規(guī)律

為了研究不同壓風量對通風控塵的影響,從而尋找通風控塵的最佳通風量,選取了1 300 m3/min、1 350 m3/min、1 400 m3/min、1 450 m3/min、1 500 m3/min共計5組壓風量進行模擬,觀察巷道內(nèi)粉塵運移情況。5種不同通風量下巷道內(nèi)的粉塵情況,如圖6所示。

圖5 不同時刻下粉塵運移情況Fig.5 Dust transportation at different times

圖6 不同壓風量下巷道內(nèi)粉塵濃度分布Fig.6 Dust concentration distribution in roadway under different pressure air volume

采用原始方案時,即壓風量為1 300 m3/min時,整個巷道內(nèi)充滿了高質(zhì)量濃度粉塵,給掘進巷道清潔生產(chǎn)工作造成了阻礙。在壓風量從1 300 m3/min提升到1 400 m3/min的過程中,巷道內(nèi)整體粉塵質(zhì)量濃度明顯降低,這是由于隨著風量的增加,巷道內(nèi)風速增大,從而粉塵攜帶能力增大,粉塵在風流的卷吸作用下攜帶到巷道后方,此時巷道內(nèi)空氣流通較好。但壓風量繼續(xù)增加時,即壓風量從1 400 m3/min增加到1 500 m3/min過程中,巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度明顯增高。這是由于壓風量不斷增加,導致巷道內(nèi)風速過大,造成巷道二次揚塵,所以巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度明顯增高。當壓風量為1 400 m3/min時通風控塵效果相對較好,巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度較低。所以選取壓風量1 400 m3/min為最佳控塵風量。

5 現(xiàn)場實測結(jié)果及分析

為了驗證模擬結(jié)果的準確性和科學性,根據(jù)實際情況,在王坡煤礦3206工作面現(xiàn)場選取測試點,測試點設置(X、Y、Z)坐標,Y值為測量距巷道地板的垂直距離,Y值選取呼吸區(qū)高度,即Y=1.55 m;Z值為測量點距風筒側(cè)巷道壁面水平距離,Z值選取兩個距離,分別為1.5 m和4.5 m,測量點坐標可表示為#A(X,1.55,1.50)、#B(X,1.55,4.50);X為測量點距工作面的水平距離,X值分別取5 m、10 m、30 m、50 m、70 m。選取最佳壓風量1 400 m3/min進行現(xiàn)場測量,待巷道風流場穩(wěn)定后,對各個測點的風流大小及粉塵質(zhì)量濃度進行了實測,并與數(shù)值分析的結(jié)果進行比較,計算出兩者的誤差范圍。測試點分布如圖7所示,各測點風速、粉塵質(zhì)量濃度實測值與模擬值對比如表3和表4所示。由表中數(shù)據(jù)可知,各測點風速及粉塵質(zhì)量濃度實測值與模擬值的相對誤差控制在10%以內(nèi),證明了模擬的有效性。

表3 #A(X,1.55,1.5)各測點風速及粉塵質(zhì)量濃度實測值與模擬值對比Table 3 Comparison of measured and simulated values of wind velocity and dust concentration at measuring points in section A (X, 1.55, 1.5)

表4 #B(X,1.55,4.5)各測點風速及粉塵質(zhì)量濃度實測值與模擬值對比Table 4 Comparison of the measured and simulated values of wind velocity and dust concentration at measuring points in section B (X, 1.55, 1.5)

6 結(jié)論

1)壓入式通風條件下巷道內(nèi)風流流場主要分為射流區(qū)、渦流區(qū)、回流區(qū)3個區(qū)域。射流區(qū)風速最高且風速降低較快;巷道內(nèi)存在3處特征比較明顯的渦流,分別位于工作面附近、掘進機后方、轉(zhuǎn)載機與運輸機連接處,風流流場在經(jīng)過渦流區(qū)域后速度呈大幅度衰減趨勢;回流區(qū)風速較為穩(wěn)定,速度衰減較慢,最后風流以1.26 m/s的速度流出巷道。

2)壓入式通風條件下巷道內(nèi)質(zhì)量濃度超過350 mg/m3的粉塵主要積聚在掘進機與工作面之間以及渦流區(qū)域及巷道內(nèi)遠離風筒的一側(cè),與風流流場射流區(qū)、渦流區(qū)、回流區(qū)3個區(qū)域發(fā)生位置保持一致,說明了粉塵運動主要受風流的影響。

3)提高風筒壓風量在一定程度上可以提高通風控塵的效果,但壓風量過大會造成巷道內(nèi)二次揚塵。研究發(fā)現(xiàn)當壓風量為1 400 m3/min時通風控塵效果最佳。