綜采工作面呼吸性粉塵濃度分布規(guī)律及其與湍流強(qiáng)度關(guān)系的研究

向曉剛，孫少偉，趙美成，鄧小良，李 鵬，徐 銳，5，安世崗，江丙友，祝文軍，5，余國鋒，任 波，梁羽翔

（1.中國工程物理研究院流體物理研究所 沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽621900；2.四川大學(xué) 物理學(xué)院，四川 成都610065；3.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安710049；4.神華神東煤炭集團(tuán)技術(shù)研究院，陜西 神木719315；5.江西安源通風(fēng)設(shè)備有限公司，江西 萍鄉(xiāng)337000；6.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南232001；7.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南232001；8.廣東賀爾環(huán)境技術(shù)有限公司，廣東 佛山528000）

隨著采煤設(shè)備的機(jī)械化程度越來越高以及開采強(qiáng)度越來越大，導(dǎo)致綜采工作面粉塵產(chǎn)量和粉塵濃度均在增加，煤礦井下粉塵污染問題日益嚴(yán)重，致使患塵肺病的礦工人數(shù)也在逐年增加。而這其中的罪魁禍?zhǔn)诪?0 μm 以下的呼吸性粉塵（后面均簡稱為呼塵）。因此，深入開展煤礦呼塵治理的工程與科學(xué)研究就顯得尤為重要和急迫。近年來，許多學(xué)者開展了綜采面粉塵相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究工作，包括主要塵源點(diǎn)分布[1-2]、粉塵的沿程分布規(guī)律[2-11]、逆風(fēng)割煤與順風(fēng)割煤對粉塵濃度分布的影響[9]、風(fēng)速對降塵率的影響[12]、煤塵含水率對粉塵擴(kuò)散影響[13]、煤機(jī)在不同位置割煤時(shí)粉塵分布差別[14]、PM10 粉塵、PM2.5 粉塵在工作面比例波動(dòng)性[15]、粉塵分散度與粉塵濃度之間的關(guān)系[16]等。然而，之前對綜采面粉塵濃度分布相關(guān)的研究主要集中在巷道沿程方向的分布規(guī)律方面，對綜采面橫截面的寬度和高度方向的濃度分布規(guī)律研究甚少。此外，巷道中放置的各種機(jī)械設(shè)備會(huì)使流場產(chǎn)生湍流。而湍流作為一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動(dòng)，它的各種物理參數(shù)，如速度、壓力、溫度等都隨時(shí)間和空間發(fā)生變化，無疑會(huì)對粉塵的演化規(guī)律和濃度分布產(chǎn)生極其重要的影響。然而，湍流強(qiáng)度和呼塵濃度分布之間的關(guān)系還未見報(bào)道。為了全方位探索綜采面呼塵濃度的三維分布規(guī)律以及湍流強(qiáng)度與呼塵濃度分布之間的關(guān)系，利用流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent，通過氣固雙向耦合的方法，系統(tǒng)地研究了割煤機(jī)和破碎機(jī)產(chǎn)生的呼塵在綜采面巷道的沿程、寬度、高度3 個(gè)方向的濃度分布情況，進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析，并對呼塵濃度與湍流強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了深入探究，以期為噴霧除塵相關(guān)工程的裝置設(shè)計(jì)和安裝給出可靠性的指導(dǎo)和實(shí)際性的幫助。

1 模型及方法

1.1 幾何模型

以神東哈拉溝煤礦22410 巷道綜采面為原型建立了仿真模型，模型里面包括割煤機(jī)、破碎機(jī)、綜采面巷道、液壓支柱、線槽，神東哈拉溝煤22410 工作面整體布局平面圖和通風(fēng)方式以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 神東哈拉溝煤22410 工作面整體布局平面圖和通風(fēng)方式以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Planar graph, ventilation method and internal structure of 22410 fully mechanized mining face in Shendong Halagou Coal Mine

巷道長300 m，寬4 m，高2.8 m。巷道中間有高1.4 m 厚0.2 m 的線槽。以線槽為界將綜采面空間劃分為2 個(gè)平行區(qū)域，有割煤機(jī)一側(cè)寬2.25 m 稱為割煤機(jī)側(cè)，有液壓支柱一側(cè)寬1.75 m 稱為液壓支柱側(cè)（可供人行走）。綜采面有液壓支柱164 根，每根液壓支柱上下2 段鋼柱的直徑分別為0.5、0.6 m，下面1 段高1.1 m；液壓支柱中心間隔1.8 m，每根液壓支柱底部都有1 個(gè)高0.4 m 的長寬分別為1.6、1.5 m的長方體底座。進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的長寬高分別是10、3.5、2.8 m。在進(jìn)風(fēng)巷里面，距離進(jìn)風(fēng)巷與綜采面轉(zhuǎn)彎處1 m 是破碎機(jī)。割煤機(jī)總長26.24 m、寬2 m，滾筒半徑1.12 m，放在巷道的中間位置。根據(jù)所建立的幾何模型生成四面體網(wǎng)格，共劃分4 822 196個(gè)節(jié)點(diǎn)、25 967 168 個(gè)單元。

1.2 顆粒運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬方法及參數(shù)設(shè)定

粉塵在空氣中的運(yùn)動(dòng)可以用計(jì)算流體力學(xué)的拉格朗日離散相模型進(jìn)行描述。拉格朗日離散相模型遵循歐拉-拉格朗日方程，將流體處理成連續(xù)相，直接求解時(shí)均納維-斯托克斯方程獲得流場的速度、湍流動(dòng)能等信息；離散相則采用拉格朗日方法描述，在考慮顆粒受到流場對顆粒的力以及湍流擴(kuò)散等物理過程后，通過對大量顆粒的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分運(yùn)算就可得到它們的運(yùn)動(dòng)軌跡。離散相和連續(xù)相之間可以交換動(dòng)量、質(zhì)量和能量。將空氣定義為連續(xù)相，粉塵定義為離散相。

使用Fluent 18.0 作為求解器，將割煤機(jī)的2 個(gè)滾筒看作粉塵噴射點(diǎn)。另外，由于本工作面的煤炭破碎機(jī)放在了進(jìn)風(fēng)巷，由破碎機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大量粉塵會(huì)隨風(fēng)在巷道飄散，所以把破碎點(diǎn)也作為1 個(gè)塵源點(diǎn)。求解器模式選擇壓力基和瞬態(tài)并考慮重力，黏性模型。湍流流動(dòng)采用可實(shí)現(xiàn)的雙方程模型并采用SIMPLE 算法進(jìn)行模擬。時(shí)間步長是0.000 1 s，模擬粉塵擴(kuò)散時(shí)間為350 s。顆粒源參數(shù)和邊界條件設(shè)定見表1。

表1 顆粒源參數(shù)和邊界條件設(shè)定Table 1 The parameters of particle source and boundary conditions

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 呼塵在巷道沿程方向的濃度分布規(guī)律

割煤機(jī)側(cè)的沿程呼吸性粉塵濃度分布如圖2，割煤機(jī)側(cè)的沿程呼吸性粉塵數(shù)目分布如圖3，液壓支柱側(cè)的沿程呼吸性粉塵數(shù)目分布如圖4。

圖2 割煤機(jī)側(cè)的沿程呼吸性粉塵濃度分布Fig.2 Respirable dust concentration distribution along the fully mechanized coal faces tunnel at the coal cutter side

圖3 割煤機(jī)側(cè)的沿程呼吸性粉塵數(shù)目分布Fig.3 Respirable dust number distribution along the fully mechanized face tunnel at the coal cutter side

圖4 液壓支柱側(cè)的沿程呼吸性粉塵數(shù)目分布Fig.4 Respirable dust number distribution along the fully mechanized face tunnel at the hydraulic prop side

由圖2～圖4 可以看出，單位體積的粉塵數(shù)目的相對大小與粉塵濃度的相對大小是對應(yīng)的。把現(xiàn)場測試點(diǎn)映射到數(shù)值模擬結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，它們吻合得非常好，說明模擬參數(shù)設(shè)置合理。在割煤機(jī)的上風(fēng)側(cè)呼塵濃度相對最低；在割煤機(jī)下風(fēng)側(cè)附近呼塵濃度最高；在割煤機(jī)下風(fēng)側(cè)遠(yuǎn)離煤機(jī)的地方，呼塵濃度下降。

從圖3 與圖4 對比發(fā)現(xiàn)，割煤機(jī)側(cè)的呼塵遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液壓支柱側(cè)。在割煤機(jī)側(cè)，3 個(gè)塵源點(diǎn)（煤塊破碎點(diǎn)、割煤機(jī)的2 個(gè)滾筒）對應(yīng)粉塵濃度的3 個(gè)峰值。割煤機(jī)在割煤過程中會(huì)不斷產(chǎn)生大量的粉塵，它是產(chǎn)塵最多的地方，所以在割煤機(jī)下風(fēng)側(cè)附近的呼塵濃度是最大的。煤塊被割落后，被下面的運(yùn)輸帶運(yùn)送到進(jìn)風(fēng)巷處的破碎機(jī)進(jìn)行破碎，在煤塊破碎過程中，也會(huì)產(chǎn)生大量呼塵。破碎點(diǎn)產(chǎn)生的呼塵會(huì)隨風(fēng)沿著巷道向回風(fēng)巷方向擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中呼塵會(huì)逐漸沉降使?jié)舛冉档?，在與割煤機(jī)相遇后，會(huì)與割煤機(jī)產(chǎn)生的呼塵一起隨風(fēng)擴(kuò)散。呼塵主要沿著割煤機(jī)側(cè)的通道擴(kuò)散，但在擴(kuò)散過程中受到湍流的影響，部分呼塵擴(kuò)散到了液壓支柱側(cè)。在液壓支柱側(cè)，由破碎點(diǎn)產(chǎn)生的呼塵在沿割煤機(jī)側(cè)巷道擴(kuò)散過程中受湍流的影響，在距進(jìn)風(fēng)巷轉(zhuǎn)角50 m 左右濃度開始逐漸增大，然后又逐漸減小。割煤機(jī)下風(fēng)側(cè)25 m左右，呼塵受湍流的影響擴(kuò)散到液壓支柱側(cè)，使液壓支柱側(cè)的粉塵濃度逐漸增大。

2.2 呼塵在巷道橫截面寬度方向的濃度分布規(guī)律

對綜采面巷道寬度方向上的呼塵濃度分布進(jìn)行了研究，巷道橫截面寬度方向呼吸性粉塵分布如圖5，綜采巷橫截面呼吸性粉塵分布如圖6。

圖5 巷道橫截面寬度方向呼吸性粉塵分布Fig.5 Respirable dust distribution along the width of roadway cross section

由圖5、圖6 可以看出，液壓支柱側(cè)的呼塵濃度遠(yuǎn)小于割煤機(jī)側(cè)。由于割煤機(jī)采煤產(chǎn)生大量粉塵導(dǎo)致割煤機(jī)下風(fēng)側(cè)的呼塵濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上風(fēng)側(cè)；在割煤機(jī)側(cè)，隨著呼塵隨風(fēng)飄散，單位體積呼塵數(shù)目峰值逐漸由靠近煤層側(cè)向液壓支柱側(cè)偏移，同時(shí)液壓支柱側(cè)的單位體積呼塵數(shù)目增加。這也從側(cè)面說明為什么在巷道后端的液壓支柱側(cè)呼塵濃度要高于前端。

圖6 綜采巷橫截面呼吸性粉塵分布Fig.6 Respirable dust distribution on the cross section of fully mechanized face tunnel

2.3 呼塵在巷道橫截面高度方向的濃度分布規(guī)律

對綜采面巷道不同位置橫截面在高度方向上的呼塵濃度分布進(jìn)行了研究。巷道橫截面割煤機(jī)側(cè)在高度方向呼吸性粉塵分布如圖7，巷道橫截面在液壓支柱側(cè)高度方向呼吸性粉塵分布如圖8。

在巷道高度方向，液壓支柱側(cè)的單位體積的呼塵數(shù)目遠(yuǎn)小于割煤機(jī)側(cè)。不管在割煤機(jī)側(cè)還是在液壓支柱側(cè)，割煤機(jī)下風(fēng)側(cè)呼塵濃度都要大于上風(fēng)側(cè)；在割煤機(jī)側(cè)的下風(fēng)側(cè)，巷道的下面空間比上面空間的呼塵濃度高，然而在液壓支柱側(cè)則剛好相反，巷道上面空間的呼塵濃度要比下面空間的高。這主要是由于液壓支柱側(cè)與割煤機(jī)側(cè)之間有個(gè)1.4 m 高的線槽，呼塵從割煤機(jī)側(cè)擴(kuò)散到液壓支柱側(cè)的位置比較高。割煤機(jī)側(cè)與液壓支柱側(cè)的呼吸性粉塵的粒徑如圖9，對2 個(gè)子通道的呼塵粒徑對比發(fā)現(xiàn)，液壓支柱側(cè)的呼塵粒徑要比割煤機(jī)側(cè)的呼塵粒徑小，說明割煤機(jī)側(cè)的呼塵粒徑越小越容易擴(kuò)散到液壓支柱側(cè)。

圖7 巷道橫截面割煤機(jī)側(cè)在高度方向呼吸性粉塵分布Fig.7 Respirable dust distribution on the cross section of fully mechanized face tunnel in the height direction of the coal cutter side

圖8 巷道橫截面在液壓支柱側(cè)高度方向呼吸性粉塵分布Fig.8 Respirable dust distribution on the cross section of fully mechanized face tunnel in the height direction of the hydraulic prop side

2.4 呼塵濃度與流場湍流強(qiáng)度的關(guān)系

湍流是流體的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在湍流情況下，流場的流速與方向都是不穩(wěn)定的。巷道在1.5 m 高截面的湍流強(qiáng)度如圖10。

圖9 割煤機(jī)側(cè)與液壓支柱側(cè)的呼吸性粉塵的粒徑Fig.9 Particle size of the respirable dust on the side of the coal cutter and the side of the hydraulic prop

圖10 巷道在1.5 m 高截面的湍流強(qiáng)度Fig.10 Turbulence intensity of fully mechanized face tunnel at 1.5 m height cross section

在綜采工作面巷道中，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的轉(zhuǎn)角處風(fēng)流方向會(huì)發(fā)生很大變化，導(dǎo)致湍流比較強(qiáng)。所以進(jìn)風(fēng)巷破碎點(diǎn)產(chǎn)生的粉塵會(huì)有部分在轉(zhuǎn)角之后被風(fēng)吹到液壓支柱側(cè)。在割煤機(jī)處，由于割煤機(jī)的阻擋使得風(fēng)流不得不改變方向，致使割煤機(jī)處的湍流強(qiáng)度很大。割煤機(jī)處是呼塵最主要的產(chǎn)生源，由于割煤機(jī)處湍流強(qiáng)度較大，部分呼塵會(huì)隨風(fēng)擴(kuò)散到液壓支柱側(cè)使液壓支柱側(cè)的呼塵濃度增大。

巷道在1.5 m 高截面的呼塵濃度和湍流強(qiáng)度及風(fēng)流速度分布如圖11。在綜采面巷道中，流場的湍流強(qiáng)度呈準(zhǔn)周期性變化，強(qiáng)弱交替變化。割煤機(jī)側(cè)的湍流強(qiáng)度與液壓支柱側(cè)湍流強(qiáng)度剛好互補(bǔ)，當(dāng)割煤機(jī)側(cè)的湍流強(qiáng)度大時(shí)液壓支柱側(cè)湍流強(qiáng)度則相對較小。在割煤機(jī)側(cè)，呼塵濃度越大，湍流強(qiáng)度相對越小，風(fēng)速相對較大。在液壓支柱側(cè)，流場湍流強(qiáng)度在液壓支柱周圍較大，并且湍流強(qiáng)度越大，呼塵濃度越大，與割煤機(jī)側(cè)相反。割煤機(jī)側(cè)的風(fēng)速要大于液壓支柱側(cè)。

圖11 巷道在1.5 m 高截面的呼塵濃度和湍流強(qiáng)度及風(fēng)流速度分布Fig.11 Respirable dust concentration, turbulence intensity and airflow velocity distribution of fully mechanized face tunnel at 1.5 m height cross section

3 結(jié) 論

1）綜采面的割煤機(jī)側(cè)的呼塵遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液壓支柱側(cè)；割煤機(jī)附近的呼塵濃度是最大的；呼塵主要沿著割煤機(jī)側(cè)的通道擴(kuò)散，但在擴(kuò)散過程中受到湍流的影響，部分呼塵擴(kuò)散到了液壓支柱側(cè)。

2）割煤機(jī)側(cè)的呼塵在隨風(fēng)飄散過程中，呼塵濃度峰值逐漸由靠近煤層側(cè)向液壓支柱側(cè)偏移，同時(shí)液壓支柱側(cè)的呼塵濃度增加。

3）在割煤機(jī)側(cè)的下風(fēng)側(cè)，巷道的下面空間比上面空間的呼塵濃度高，但在液壓支柱側(cè)則剛好相反，巷道上面空間的呼塵濃度要比下面空間的高。液壓支柱側(cè)的呼塵粒徑越小越容易擴(kuò)散到割煤機(jī)側(cè)。

4）在綜采面巷道中，流場的湍流強(qiáng)度呈準(zhǔn)周期性變化，強(qiáng)弱交替變化。割煤機(jī)側(cè)的湍流強(qiáng)度與液壓支柱側(cè)湍流強(qiáng)度剛好互補(bǔ)，當(dāng)割煤機(jī)側(cè)的湍流強(qiáng)度大時(shí)液壓支柱側(cè)湍流強(qiáng)度則相對較小。在割煤機(jī)側(cè)，呼塵濃度越大，湍流強(qiáng)度相對越小，風(fēng)速相對較大。在液壓支柱側(cè)，流場湍流強(qiáng)度在液壓支柱周圍較大，并且湍流強(qiáng)度越大，呼塵濃度越大，與割煤機(jī)側(cè)相反。