可變角度新鮮風流下煤巷掘進長壓短抽除塵效果數值模擬

肖 旸，孫帥強，楊雪兒，曹 勇，王振平，范 寧

（1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.中煤華晉集團有限公司，山西 河津 043301）

煤炭作為我國的基礎能源，在一次能源的生產與消費中占據的比例達到70%左右。隨著我國對能源需求的不斷提高，煤礦的數量也在不斷增加，同時一些生產性的災害也在不斷的發(fā)生。粉塵是在掘進過程中，煤壁與掘進頭互相擠壓、摩擦與塌落等相互作用的過程中產生的固體顆粒[1-3]。對人體有很大的危害，其中生產性粉塵是引發(fā)全球職業(yè)危害的重要因素。煤炭行業(yè)的生產性粉塵主要來源于采掘工作面，掘進工作面中空間狹小，粉塵運移受阻，工作面嚴重污染，時刻影響著礦井的安全生產與職工的身心健康[4]。為了改善作業(yè)環(huán)境，確保安全生產，世界各國都采取了一系列的技術措施防治粉塵。目前，煤礦粉塵防治的方法主要有：通風除塵、泡沫降塵、噴霧除塵、煤層注水等[5-6]。通風除塵相較其他除塵方式來說，適用面廣、除塵效率高并且對環(huán)境要求較小，所以應用最為廣泛，它主要包括壓入式通風、抽出式通風以及混合式通風。長壓短抽式通風除塵系統(tǒng)目前已經普遍應用于礦井當中。長壓短抽通風除塵技術是以長壓為主、短抽為輔，通過長管壓風與短管抽風形成風流循環(huán)帶動空氣中的粉塵，達到除塵效果[7]。

一直以來，科技學者們都在對長壓短抽式通風除塵系統(tǒng)進行研究。王冕[8]利用模擬分析和實驗研究了壓入式通風掘進巷道流場對粉塵運移和沉降的影響；SUN 等[9]運用數值模擬的方法探究了風流擾流對粉塵的影響；王曉珍等[10]建立了壓入式、抽風式等通風條件下掘進巷道的模型，對全塵與呼塵的分布規(guī)律進行分析；杜翠鳳等[11]建立了長壓短抽通風條件下的掘進巷道模型，對粉塵的運移規(guī)律進行了分析。綜上，在學者們的不斷努力下，長壓短抽除塵系統(tǒng)取得了巨大的進展。但對如何減小迎頭渦流研究尚還不足。

王家?guī)X煤礦位于山西省運城市境內，2015 年經臨汾煤炭安全檢測檢驗中心鑒定為高瓦斯礦井。目前開采的12307 掘進工作面，隨著開采程度的延伸和機械化程度的提升，導致12307 掘進面產塵量增大，隨著通風的增加，粉塵的彌散性增強，危害范圍增大，且12307 掘進面粉塵具有爆炸性，如不注意控塵易造成人員傷亡?，F階段的長壓短抽技術，壓風筒輸送的風流垂直打在迎頭壁面上，高速風流帶來的巨大沖擊力使得采掘過程中形成的粉塵四處飛揚，無形中增加了除塵的難度，并且高速風流擊打在壁面后，會向四周逸散，不僅使得參與循環(huán)的風流減少，還會在迎頭壁面處形成渦流，影響粉塵運移。為了減少渦流的產生，提高除塵效率，以王家?guī)X煤礦為基礎，利用Fluent 軟件模擬壓風筒出口不同角度風流、不同壓抽比的工況，觀察壓入風流角度以及壓抽比對粉塵運移的影響規(guī)律。

1 模型建立

1.1 數學模型

運用Fluent 進行氣固兩相流數值模擬，因粒子與風流之間的作用力較為復雜，采取已有的經驗模型來進行計算，由于是紊流運動，因此還包括k-ε方程[12-14]。顆粒的作用力平衡方程在笛卡爾坐標系下的形式為：

式中：up為顆粒速度，m/s；t 為時間，s；FD為顆粒的單位質量曳力；Fs為單位質量粉塵所受力；u 為流體相速度，m/s；g 為重力加速度，m/s2；ρp為顆粒密度，kg/m3；ρ 為流體密度，kg/m3。

式中：μ 為流體動力黏度，Pa·s；dp為顆粒直徑，m；Re 為相對雷諾數（顆粒雷諾數）；CD為曳力系數。

式中：a1、a2、a3為一般為常數（球形顆粒時）。

質量守恒方程：

式中：ui為i 方向流速；xi為i 方向坐標；Sm為分散相加入到連續(xù)相的質量。

動量守恒方程：

式中：uj為j 方向流速；xj為j 方向坐標；p 為靜壓；τij為應力張量；ρgi為i 方向上的重力；Fi為i 方向上的外部體積力。

式中：ul為l 方向流速；xl為l 方向坐標；δij為克羅內克函數。

連續(xù)方程：

Navier-Stokes 方程：

式中：μeff為有效黏度。

k 方程（紊流動能方程）：

式中：k 為紊流動能；μt為湍流黏性系數；σk為系數，σk=1.0；Gk為湍流動能；ε 為紊流耗散項。

ε 方程（紊流耗散方程）：

式中：σε、c1、c2為系數，σε=1.3，c1=1.44，c2=1.92。

式中：cμ為系數，cμ=0.09。

1.2 幾何模型及網格劃分

將掘進巷道的橫斷面模擬成凈寬×凈高5.6 m×3.55 m 的長方體，巷道長度設為70 m。巷道左幫懸掛壓風筒，風筒的半徑為0.4 m，風筒前端向下彎折60°，風筒軸線到巷道頂壁面和側壁面均為0.6 m，出風口距迎頭6 m。巷道中部為抽風筒，風筒的半徑為0.3 m，根據不同條件用Design Modeler 建立幾何模型，用Mesh 劃分計算網格。

當巷道模型建立完成以后，將模型導入mesh 中進行網格劃分。在進行網格劃分時，網格的精度主要取決于網格的質量（正交性、歪斜度等）。網格劃分完成后，通常都會對網格質量進行評價，其中網格數量作為1 個重要的指標會直接影響運算性能。通過mesh 對網格的質量進行查看，得到的網格質量圖如圖1。

圖1 網格質量圖Fig.1 Grid quality diagram

該模型網格數量為1 630 490 個，網格最小質量為0.489，平均質量為0.848 34，當其數值越接近于1 時表明該網格越趨于完美狀態(tài)。由圖1 可以看出：該模型網格質量集中在0.7～1.0 范圍內，其中網格質量為0.9 左右的網格占比最多，數量為584 000個。綜上可得，該模型網格可以進行正常計算。

1.3 模擬參數

根據綜掘工作面工作空間的實際情況及實驗室數據，確定數值模擬的參數如下：

1）計算模型。①求解器：耦合求解法；②湍流模型：k-ε 雙方程模型；③能量方程：關閉；④離散型模型：打開。

2）邊界條件。①壓風筒出口邊界類型：速度入口；②抽風口出口邊界類型：風機；③巷道末端出口邊界類型：大氣壓力出口，即總壓力為0；④巷道壁面、掘進機壁面DPM 條件：反彈；⑤2 個風筒口、巷道末端DPM 條件：逃逸。

3）離散相模型。①粉塵成分：中揮發(fā)性煤；②最大粒徑：247 μm；③中間粒徑：40 μm；④最小粒徑：0.361 μm；⑤粉塵源類型：表面；⑥粉塵源流量：8 g/s；⑦分布指數：1.66；⑧粒徑個數：20；⑨時間：60 s。

非穩(wěn)態(tài)解算過程可以按一定時間截取模擬結果，連續(xù)的模擬結果可以準確地觀察到粉塵的動態(tài)運移規(guī)律，而穩(wěn)態(tài)解算只有1 個最終結果，并不能反映粉塵的運移規(guī)律，所以采取非穩(wěn)態(tài)解算的方法進行模擬[15]。每隔10 s 調取1 次模擬結果，通過連續(xù)的模擬查看掘進工作面粉塵運移規(guī)律。

2 模擬結果

2.1 粉塵運移規(guī)律

風流跡線圖如圖2，粉塵運移規(guī)律分布云圖如圖3。

圖2 風流跡線圖Fig.2 Air flow trace diagram

圖3 粉塵運移規(guī)律分布云圖Fig.3 Cloud diagrams of dust transport law distribution

由圖2 可知：在局部風機供風條件下，壓縮氣流經風筒運送至綜掘工作面前端，從風筒出口產生的高速氣流在接觸巷道端面前形成高速射流區(qū)，周邊空氣經高速氣流卷吸進入射流區(qū)隨高速氣流一起往前運移，運移過程中能量逐漸衰減風速也逐漸減?。辉诨仫L側，風流在綜掘機后方匯聚，導致其風流較為復雜，容易形成粉塵積聚。由圖3 非穩(wěn)態(tài)解算掘進60 s 內的粉塵運移可知：非穩(wěn)態(tài)解算模擬出的結果連續(xù)性較好，更加直觀，可信度更高；壓入風流角度為60°時，高速風流與水平面成60°傾角打在前端，傾斜的風流減小了粉塵逸散，參與風流循環(huán)的風流增多，逸散的風流減少，一定程度上減小迎頭處渦流的產生，加快粉塵循環(huán)；模擬開始后，粉塵在前壁端面產生經風流裹挾往后運移，風流由于受巷道空間及綜掘機的影響會在抽風筒附近積聚，另一部分粉塵隨風流往巷道后方進行擴散；當壓入風流角度為60°時，高速風流傾斜向下，吹向迎頭壁面處的逸散風流有所減弱，且在迎頭處沒有渦流產生。

由此可得：在模擬的初始階段，迎頭處不斷產生粉塵且粉塵向巷道內部擴散，在風流循環(huán)的作用下，粉塵向著抽風側移動；在抽風側，由于巷道壁面與掘進機的阻攔作用，使得粉塵顆粒逐漸積聚；受抽風口抽吸作用限制，粉塵顆粒在抽風口與工作面之間不斷堆積，逐漸形成高濃度的粉塵團，使得抽風側粉塵濃度較高；小部分粉塵跟隨氣流向巷道后部運移，隨著風流的不斷減弱與重力的沉降作用，大顆粒粉塵發(fā)生沉降，導致粉塵在掘進機后方積聚，形成較高濃度粉塵帶。

2.2 同壓抽比下壓入風流角度對粉塵運移的影響

壓入風流角度為60°且壓抽比為1∶1.5 時粉塵運移規(guī)律分布云圖如圖4。壓入風流角度為45°且壓抽比為1∶1.5 時粉塵運移規(guī)律分布云圖如圖5。

圖4 壓入風流角度為60°且壓抽比為1∶1.5 時粉塵運移規(guī)律分布云圖Fig.4 Cloud diagrams of dust migration law with air outlet inclined by 60 ° and pressure pumping ratio of 1∶1.5

圖5 壓入風流角度為45°且壓抽比為1∶1.5 時粉塵運移規(guī)律分布云圖Fig.5 Cloud diagrams of dust migration law when the air outlet is inclined at 45 ° and the pressure pumping ratio is 1∶1.5

為了更加直觀地觀察粉塵運移規(guī)律，選取點X（7，1.75，1.5）作為觀察對象，其中各方向分別表示距離掘進端面長度、距巷道壁面寬度以及距底板高度。由于距離底板1.5 m 處為掘進機司機的呼吸帶，故而1.5 m 高處的粉塵濃度更加具有參考價值。2種壓入風流角度工況不同掘進時刻點X 處的粉塵濃度如圖6。

圖6 2 種壓入風流角度工況不同掘進時刻點X 處的粉塵濃度Fig.6 Dust concentration at point X at different driving time under two pressure inlet air angle conditions

由圖6 可以看出：壓入風流角度不同時2 種壓入風流角度工況的粉塵濃度變化趨勢。在整個掘進過程中，壓入風流角度為60°時粉塵濃度始終低于45°時，這是由于當壓入風流角度為45°時，壓風筒與水平之間的夾角較小，壓風筒的高速風流大部分都以一定的角度打在迎頭壁面處，由于力的作用，大部分風流向四周發(fā)生逸散，導致參與風流循環(huán)的風量變少，裹挾的粉塵也就變少，間接地降低了除塵效率。當壓入風流角度為60°時，壓風筒與水平之間的夾角較大，來自壓風筒的高速風流與迎頭壁面接觸較少，風流逸散較少，絕大多數風流都參與到風流循環(huán)當中，大量的風流裹挾著絕大多數粉塵往抽風筒運移，因此壓入風流角度為60°時，除塵效率較高。

圖4 和圖5 的粉塵運移規(guī)律分布與圖6 的不同掘進時刻點X 處的粉塵濃度幾乎一致。可以看出：當壓入風流角度為45°時，由于風流與壁面之間力的作用，導致部分風流像后方逸散，逸散的風流攜帶部分粉塵一起運移，導致在掘進機上方形成粉塵帶，不利于掘進機司機的正常作業(yè)。

2.3 同壓入風流角度下壓抽比對粉塵運移的影響

壓入風流角度為60°且壓抽比為1∶1.5 時粉塵運移規(guī)律分布云圖如圖7，壓入風流角度為60°且壓抽比為1∶1.3 時粉塵運移規(guī)律分布云圖如圖8。2 種壓抽比工況不同掘進時刻點X 處的粉塵濃度如圖9。

圖8 壓入風流角度為60°且壓抽比為1∶1.3 時粉塵運移規(guī)律分布云圖Fig.8 Cloud diagrams of dust migration law at air outlet inclination of 60 ° and pressure pumping ratio of 1∶1.3

由圖7～圖9 可知：壓入風流角度相同壓抽比不同時，粉塵的運移規(guī)律并沒有很大的變化；但在模擬開始階段，產塵量較小，壓抽比對除塵效率的影響較為明顯；當模擬穩(wěn)定后，壓抽比對粉塵運移規(guī)律的影響較??；隨著壓抽比的減小，抽風量不斷增大，使得壓抽比較小的工況除塵效率較高。

圖7 壓入風流角度為60°且壓抽比為1∶1.5 時粉塵運移規(guī)律分布云圖Fig.7 Cloud diagrams of dust migration law with air outlet inclined by 60 ° and pressure pumping ratio of 1∶1.5

圖9 2 種壓抽比工況不同掘進時刻點X 處的粉塵濃度Fig.9 Dust concentration at point X at different driving time under two pressure pumping ratios

2.4 對比分析

選取巷道內控制點X 和距離掘進面50 m 地面處為測點。不同壓入風流角度和壓抽比工況不同掘進時刻點X 處的粉塵濃度如圖10，不同壓入風流角度和壓抽比工況距離綜掘面50 m 處的粉塵濃度如圖11。

由圖10 可知：在靠近綜掘機的區(qū)域，壓入風流角度為45°時的粉塵濃度明顯大于60°時；壓入風流角度為60°時的粉塵濃度，隨著時間變化差別不大，但壓抽比越高，粉塵濃度越低。

圖10 不同壓入風流角度和壓抽比工況不同掘進時刻點X 處的粉塵濃度Fig.10 Dust concentration at point X at different driving time under different inlet air angle and pumping ratio conditions

由圖11 可知：在后方作業(yè)人員工作區(qū)域，壓入風流角度為60°時粉塵濃度較低，相比45°時的除塵效率較高。

圖11 不同壓入風流角度和壓抽比工況距離綜掘面50 m 處的粉塵濃度Fig.11 Dust concentration at 50 m from fully mechanized face under different conditions of forced air flow angle and pressure pumping ratio

綜上所述，壓入風流角度為60°時除塵效率較45°高，且當除塵風量適量增大時，風流的稀釋作用和排塵能力增強，掘進空間處及后端行人作業(yè)區(qū)粉塵濃度得到有效降低。

通過實測王家?guī)X礦12307 掘進面主要渦流區(qū)處粉塵濃度得出，在傳統(tǒng)長壓短抽除塵系統(tǒng)作用下，迎頭處有明顯的渦流場，導致粉塵濃度升高。在多角度壓入風流作用下，當壓入風流角度為60°時，迎頭處渦流達到最小。通過與高效智能除塵風機、細水霧等除塵設備和技術相結合，渦流區(qū)粉塵濃度得到大幅下降，同時有效減少循環(huán)風和粉塵積聚，使得掘進面迎頭處粉塵濃度從800 mg/m3左右降低至煤礦職業(yè)衛(wèi)生健康要求范圍內。

3 結 語

應用非穩(wěn)態(tài)的DPM 模擬了長壓短抽式除塵系統(tǒng)在不同壓入風流角度以及壓抽比作用下巷道內的粉塵運移規(guī)律；通過對比分析，得出在壓抽比相同的情況下，壓入風流角度對除塵效果的影響較大，在一定范圍內，除塵效果隨著壓入風流角度的改變而改變；在角度相同的情況下，壓抽比的變化對除塵效果的影響較小，在一定的范圍內，壓抽比的適當減小，對除塵效果有較好的影響；當壓入風流角度為60°時，迎頭處渦流最弱，此時最有利于粉塵的運移。