李勇，張凱，史紀(jì)飛，閆濤，王亮

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

0 引言

隨著煤炭機械化作業(yè)程度的進一步加大，開采過程中煤碳顆粒破碎引起的粉塵量也在不斷加大。掘進工作面是主要的產(chǎn)塵源，粉塵含量的加大，對安全生產(chǎn)以及工人健康構(gòu)成了極大的威脅，實踐表明，在不采取任何除塵措施的情況下，掘進面作業(yè)時粉塵濃度可達3500 mg/m3，已經(jīng)嚴(yán)重超出了安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。由于礦井下環(huán)境條件的特殊性，現(xiàn)場測試很難全面地研究風(fēng)流和粉塵在井下巷道的運移規(guī)律，但隨著計算機仿真技術(shù)的快速發(fā)展，一些現(xiàn)場難以測定的規(guī)律可以在計算機上實現(xiàn)，這為研究風(fēng)速以及粉塵在巷道內(nèi)的運移規(guī)律提供了重要參考依據(jù)[3-5]。

本文運用流體動力學(xué)仿真軟件FLUENT對巷道內(nèi)壓入式通風(fēng)條件進行仿真模擬，得出巷道內(nèi)風(fēng)速以及粉塵的運移情況，并得到壓風(fēng)管道最優(yōu)的布置高度以及最優(yōu)的出風(fēng)口距掘進面距離，以達到最優(yōu)的除塵效果。

1 工作面概述及模型構(gòu)建

1.1 物理模型搭建

以葫蘆素21404掘進面為研究對象，21404工作面運輸巷在掘進過程中主要用于煤炭運輸、設(shè)備 備檢修及通風(fēng)行人，在回采期間主要用于煤炭運輸、通風(fēng)。21404工作面運輸巷設(shè)計巷寬5.4 m，高度為3.8 m，選用MB670/265 型掘錨機一次成巷掘進，由于巷道粉塵主要分布在距離掌子面50 m范圍內(nèi)，因此對模型進行簡化，巷道模型尺寸設(shè)定上底為3.8 m，下底為5.4 m，高為3.8 m，長度為50 m的梯形截面巷道，通風(fēng)管道直徑為1 m，內(nèi)置掘進機簡化模型如圖1所示。

圖1 掘進巷道模型

1.2 數(shù)學(xué)模型搭建

掘進巷道粉塵運動軌跡是多種外界因素作用的結(jié)果，因其數(shù)量級較小，期間所受的力可以簡化為流體的阻力、自身的重力以及自身的浮力，其他因素可以忽略不計。一般將粉塵沿著巷道的擴散簡化為等強度源一維縱向擴散，從某一時刻在產(chǎn)塵面加入粉塵顆粒[6-8]，其擴散方程為：

式中，ρ為粉塵平均質(zhì)量濃度，mg/m3；v為平均速 度，m/s；K為綜合擴散系數(shù)；t為擴散時間，s。

粉塵在空氣中的運動方程可列為

式中，mP為粉塵總質(zhì)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；gρ為氣體密度，kg/m3；dP為粉塵的粒徑，m；CP為阻力系數(shù)。

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

將建立好的模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分模塊進行網(wǎng)格劃分，本次劃分選擇適應(yīng)性強的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，節(jié)點數(shù)約為162 460個，體網(wǎng)格數(shù)約為894 847個，網(wǎng)格質(zhì)量平均為0.85，質(zhì)量符合計算要求，網(wǎng)格劃分圖如2所示。

2.2 邊界條件及求解器設(shè)置

模擬巷道粉塵是典型的氣固兩相流，當(dāng)顆粒體積率在10%之內(nèi)，一般采用DPM模型[9-11]。先計算連續(xù)相，當(dāng)連續(xù)相計算收斂后，再打開離散相，注入粉塵顆粒，繼續(xù)疊代計算，直至收斂。本次仿真連續(xù)相計算300步后，打開離散型注入顆粒，分別在計算注入顆粒后5，20，40 s的粉塵分布情況。 根據(jù)現(xiàn)有資料以及工程經(jīng)驗，對邊界體條件，連續(xù)相計算模型、離散相計算模型及沉源設(shè)置，見表1至表3。

圖2 網(wǎng)格劃分

表1 邊界條件

表2 連續(xù)相計算模型設(shè)置

表3 離散相模型及沉源設(shè)置

3 仿真結(jié)果分析

3.1 風(fēng)流場分布結(jié)果

將仿真結(jié)果導(dǎo)入后處理軟件CFD-Post中，得到壓風(fēng)筒通風(fēng)后風(fēng)流場的分布情況，為清晰直觀地觀察風(fēng)流場的分布情況，分別取其不同巷道高度平面速度云圖進行觀察。如圖3所示，從下到上依次為巷道高度為1，1.5，2，2.5，3，3.5 m的平面風(fēng)速云圖，2.5 m高處風(fēng)速矢量圖見圖4。

由圖3、圖4可以看出，高速風(fēng)流從壓風(fēng)筒噴射而出，直接射向掘進面，形成了典型的高速貼壁射流。當(dāng)高速風(fēng)流射向壁面后，風(fēng)速方向開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，在風(fēng)速轉(zhuǎn)向過程中，一部分風(fēng)速流向回風(fēng)區(qū)，并繼續(xù)往巷道出口方向繼續(xù)流動，另一部分風(fēng)流會跟隨高速風(fēng)射流繼續(xù)轉(zhuǎn)向掘進面，在掘進機以及壓風(fēng)口處形成渦旋區(qū)，在靠近掘進機和巷道角落交匯處，風(fēng)速基本不流動，因此粉塵也不易排出，容易在此處位置積聚。

圖3 巷道不同高度風(fēng)流場速度云圖

圖4 風(fēng)速矢量圖

3.2 風(fēng)筒高度對粉塵分布的影響

當(dāng)連續(xù)相計算結(jié)果收斂后，打開離散相加入粉塵源，分別計算加入粉塵通風(fēng)5，20，40 s后巷道粉塵分布情況。其他影響因素不變，對通風(fēng)管道布置高度進行不同取值，分別取高度為2.2，2.5，3 m進行數(shù)值模擬，得到粉塵分布情況見圖5至圖14。

由圖5、圖8、圖11可知，無論通風(fēng)筒高度布 置情況如何，在加入粉塵通風(fēng)5 s時，粉塵會布滿掘進機回風(fēng)側(cè)處，這與現(xiàn)場情況也較為符合。隨著時間的推移，粉塵隨著風(fēng)流開始往掘進機后方移動，當(dāng)通風(fēng)20 s后，粉塵基本運移到掘進機后方10 m后，當(dāng)通風(fēng)40 s后，粉塵基本移動到距離工作面30 m處，此時工作面處粉塵基本已經(jīng)排走，粉塵含量較低。由圖5～圖13可以看出，當(dāng)通風(fēng)筒布置高度為2.5 m時，盡管巷道個別地方粉塵濃度相比于2.2，3 m的布置高度高一點，但是無論是在通風(fēng)5，20，40 s時，粉塵的運移速度都是相對較快的，這有利于掘進過程中粉塵的及時排除，還可以減小工作面處粉塵含量，提高工人工作環(huán)境質(zhì)量，因此，風(fēng)筒高度布置為2.5 m較為合理。

圖5 高度2.2 m通風(fēng)5 s粉塵分布

圖6 高度2.2 m通風(fēng)20 s粉塵分布

圖7 高度2.2 m通風(fēng)40 s粉塵分布

圖8 高度2.5 m通風(fēng)5 s粉塵分布

圖9 高度2.5 m通風(fēng)20 s粉塵分布

圖10 高度2.5 m通風(fēng)40 s粉塵分布

圖11 高度3 m通風(fēng)5 s粉塵分布

圖12 高度3 m通風(fēng)20 s粉塵分布

圖13 高度3 m通風(fēng)40 s粉塵分布

3.3 壓風(fēng)筒出口距掘進面距離對粉塵分布的影響

將風(fēng)筒高度設(shè)置為2.5 m，調(diào)整風(fēng)筒出風(fēng)口與掘進面的距離，分別設(shè)置距離為12，10，8，5 m進行模擬，分別得到加入粉塵通風(fēng)40 s后的粉塵分布如圖14至圖17所示。

圖14 距掘進面12 m粉塵分布

圖17 距掘進面5 m粉塵分布

由圖14和圖15可以看出，當(dāng)通風(fēng)口距離掘進面太遠(yuǎn)時，風(fēng)筒最佳的射流區(qū)域無法到達掘進面，并且在掘進機附近產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，因此，粉塵在掘進面附近排出較慢，甚至無法排出。由圖16可以看出，當(dāng)通風(fēng)口距離掘進面8 m時，此時掘進面在風(fēng)筒的最佳射流區(qū)域內(nèi)，此時粉塵運移速度快，能夠及時排出巷道。由圖17看出，當(dāng)距離為5 m時，粉塵運移速度較快，但是風(fēng)筒口距離掘進面太近， 使得粉塵產(chǎn)生粉塵團聚集在風(fēng)筒口處，同時有可能會產(chǎn)生二次揚塵現(xiàn)象，因此風(fēng)筒出口距離掘進面7～8 m較為合適。

圖15 距掘進面10 m粉塵分布

圖16 距掘進面8 m粉塵分布

4 結(jié)論

（1）掘進巷道布置壓入式通風(fēng)管道后，高速風(fēng)流射向掘進面，然后風(fēng)流發(fā)生轉(zhuǎn)向流向回風(fēng)側(cè)，掘進機附近風(fēng)流較為紊亂，會有渦旋產(chǎn)生，距離掘進機后方10 m后，風(fēng)流逐步穩(wěn)定并流向巷道出口。

（2）在掘進面粉塵產(chǎn)生5 s內(nèi)，粉塵便會遍布掘進機附近，通風(fēng)20 s后粉塵基本運移到距離掘進面20 m處，通風(fēng)40 s后粉塵基本運移到巷道35 m處后，因此，掘進巷道布置通風(fēng)管道非常有利于粉塵及時排出巷道。

（3）當(dāng)壓風(fēng)筒布置高度為2.5 m，風(fēng)筒出口距離掘進面8 m時，巷道內(nèi)的粉塵排出速度較快，達到最優(yōu)的除塵布置，能夠盡可能地減少工作面粉塵濃度，給現(xiàn)場作業(yè)提供一定參考，減少作業(yè)環(huán)境可能對工人產(chǎn)生的危害。