姚海飛，鄧志剛，李繼良，謝華東，吳建賓，付 偉，吳海軍

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；3.兗州煤業(yè)股份有限公司 東灘煤礦，山東 鄒城 273512)

抽出式通風(fēng)風(fēng)流運(yùn)動(dòng)及粉塵運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬研究

姚海飛1,2，鄧志剛1,2，李繼良3，謝華東3，吳建賓3，付 偉3，吳海軍1,2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；3.兗州煤業(yè)股份有限公司 東灘煤礦，山東 鄒城 273512)

為直觀地了解抽出式通風(fēng)風(fēng)流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立物理模型，設(shè)置邊界條件對(duì)抽出式通風(fēng)條件下巷道風(fēng)流運(yùn)動(dòng)及粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別研究了X，Y，Z方向的速度、壓力分布規(guī)律和不同粒徑粉塵運(yùn)移軌跡，結(jié)果表明：巷道內(nèi)風(fēng)速0.54m/s，較為穩(wěn)定，風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)速較大，為23m/s左右，這與實(shí)際情況非常吻合，在截面X=5.2m處巷道內(nèi)的風(fēng)流方向朝向掘進(jìn)頭，風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)流方向則由風(fēng)筒入口朝向出口。巷道內(nèi)的風(fēng)速在整個(gè)模擬區(qū)段內(nèi)幾乎保持恒定，沒(méi)有較大變化，而風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)速則變化較大，在入口處最大，達(dá)40m/s，之后逐漸減小，然后穩(wěn)定在23m/s左右。整個(gè)巷道均為正壓，風(fēng)筒內(nèi)是負(fù)壓，在這兩股壓力的共同作用下形成穩(wěn)定的通風(fēng)風(fēng)流，風(fēng)筒入口處負(fù)壓最大，而后負(fù)壓逐漸減小，但很快就維持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)。抽出式通風(fēng)時(shí)粉塵擴(kuò)散較少，掘進(jìn)面產(chǎn)生的粉塵全部都被吸入負(fù)壓風(fēng)筒，抽出式通風(fēng)時(shí)更有利于控制巷道中特別是司機(jī)位的粉塵含量，保護(hù)司機(jī)等掘進(jìn)機(jī)周圍工人的身體健康。

抽出式通風(fēng)；風(fēng)流運(yùn)動(dòng)；粉塵運(yùn)移；速度分布；壓力分布；數(shù)值模擬

礦井粉塵是我國(guó)最大的職業(yè)危害之一，在煤礦井下粉塵污染的作業(yè)場(chǎng)所工作，工人長(zhǎng)期吸入大量的粉塵，往往會(huì)患有塵肺病[1-2]。高濃度粉塵還可能爆炸造成人員傷亡和設(shè)備損壞。煤礦粉塵嚴(yán)重威脅著作業(yè)人員的生命和安全，是煤炭生產(chǎn)的五害之一，一直是各國(guó)科研人員研究的重要課題。

掘進(jìn)工作面一般采用的通風(fēng)除塵途徑是長(zhǎng)壓短抽的方式，即用壓入式風(fēng)機(jī)將新鮮風(fēng)流送至工作面，然后通過(guò)抽出式風(fēng)機(jī)將污風(fēng)進(jìn)行凈化抽出[3-5]。為了達(dá)到較好的除塵效果，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究和生產(chǎn)實(shí)踐，提出使用掘進(jìn)機(jī)內(nèi)、外噴霧的方法將掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)生的粗粒粉塵迅速沉降，在此基礎(chǔ)上通過(guò)抽出式風(fēng)機(jī)進(jìn)一步凈化，提高除塵效率。但在長(zhǎng)壓短抽的通風(fēng)除塵系統(tǒng)中存在以下問(wèn)題：污風(fēng)不能全部封閉在工作面，有一部分?jǐn)U散在巷道內(nèi)，降低了抽出式風(fēng)機(jī)的吸塵量；由于抽出式風(fēng)機(jī)的風(fēng)筒不能緊跟著掘進(jìn)機(jī)司機(jī)一同前移，使掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處在粉塵中；原通風(fēng)除塵系統(tǒng)易形成循環(huán)風(fēng)，影響除塵風(fēng)機(jī)的除塵效果；由于除塵效果差，使工人和設(shè)備仍處在污染的環(huán)境中，既危害了工人的健康，也易引起煤塵爆炸。

抽出式通風(fēng)條件下，掘進(jìn)巷道內(nèi)為進(jìn)風(fēng)風(fēng)流，污風(fēng)從抽出式通風(fēng)風(fēng)筒內(nèi)流出，克服了壓入式通風(fēng)存在的除塵效率不高的難題，能極大地提高除塵效率，改善掘進(jìn)工作面作業(yè)環(huán)境。數(shù)值模擬有助于研究人員更直觀地了解抽出式通風(fēng)風(fēng)流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1 物理模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和數(shù)值模擬的需要，對(duì)巷道進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后模型及尺寸如下：

(1)巷道斷面視為長(zhǎng)方形，巷道高3m，寬4m，長(zhǎng)50m。

(2)抽出式風(fēng)筒視為規(guī)則的圓柱體，半徑0.3m，抽出式風(fēng)筒軸線距底板2.1m，距外幫0.1m，風(fēng)筒吸風(fēng)口距離掘進(jìn)頭5.1m。

(3)考慮到掘進(jìn)機(jī)對(duì)巷道中風(fēng)流的影響，將其視為規(guī)則的長(zhǎng)方體和圓柱體的組合體，長(zhǎng)方體模型規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×高=4.9m×1.7m×1.2m，圓柱體直徑0.6m，長(zhǎng)3m，圓柱體一側(cè)位于長(zhǎng)方體前段的正中間，一側(cè)緊貼掘進(jìn)頭。

用GAMBIT建立掘進(jìn)巷道抽出式通風(fēng)的幾何模型見(jiàn)圖1，建完模型后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖1 抽出式通風(fēng)數(shù)值模擬幾何模型

2 邊界條件的設(shè)定

將GAMBIT完成的幾何模型導(dǎo)入到Fluent中，設(shè)置邊界條件：巷道內(nèi)的風(fēng)速為0.54m/s，根據(jù)公式(1)可計(jì)算出水力直徑為3.4m，根據(jù)式(2)可計(jì)算出湍流強(qiáng)度為3.2%。

水力直徑計(jì)算方法[6-7]：

dH=4A/S

(1)

式中，dH為水力直徑，m；A為過(guò)流斷面積，m2；S為流體與固體基礎(chǔ)周長(zhǎng)，m。

湍流強(qiáng)度計(jì)算方法：

(2)

根據(jù)掘進(jìn)巷道的一般情況，將整個(gè)掘進(jìn)工作面設(shè)為一個(gè)面粉塵源，即粉塵源是一個(gè)寬為4m、高為3m的平面，對(duì)粉塵源的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，見(jiàn)表1，通常情況下礦井中的呼吸性粉塵占全塵的80%。

表1 顆粒源參數(shù)設(shè)置

3 風(fēng)流運(yùn)動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 速度分布規(guī)律

3.1.1 X方向速度分布

建立物理模型，設(shè)置好邊界條件后，用Fluent可求解出抽出式通風(fēng)條件下掘進(jìn)工作面風(fēng)流分布情況。X=0,5.2,10,20,30,40,50m處的速度分布云圖如圖2(a)所示，為觀察得更加清楚，可將其中某個(gè)截面放大，將X=5.2m的速度分布云圖放大后的效果如圖2(b)所示。

由圖2可知，巷道內(nèi)風(fēng)速較為穩(wěn)定，比風(fēng)筒中小，風(fēng)速為0.54m/s，風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)速較大，為23m/s左右，這與實(shí)際情況非常吻合，因?yàn)樵陲L(fēng)量一定的條件下，通風(fēng)斷面越大則風(fēng)速越小，通風(fēng)斷面越小則風(fēng)速越大，風(fēng)筒面積為0.2826m2，巷道斷面積為12m2，風(fēng)流運(yùn)動(dòng)方向如圖3所示。

圖2 X方向速度分布

圖3 X=5.2m截面處的速度分布矢量

由圖3可知，在截面X=5.2m處巷道內(nèi)的風(fēng)流方向即圖中線段的箭頭方向朝向掘進(jìn)頭，并且所有箭頭都有朝風(fēng)筒入口的趨勢(shì)，風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)流方向則由風(fēng)筒入口朝向出口。因?yàn)槌槌鍪酵L(fēng)時(shí)，風(fēng)筒內(nèi)是負(fù)壓，風(fēng)流在巷道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況是由外向掘進(jìn)頭涌入。

3.1.2Y方向速度分布

Y=2.1m截面的速度分布如圖4(a)所示，該截面處的速度分布矢量圖如圖4(b)所示。

由圖4可知，巷道內(nèi)的風(fēng)速在整個(gè)模擬區(qū)段內(nèi)幾乎保持恒定，沒(méi)有較大變化，而風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)速則變化較大，在入口處最大，達(dá)40m/s，之后逐漸減小，然后穩(wěn)定在23m/s左右。入口處風(fēng)速最大，這是因?yàn)槌槌鍪酵L(fēng)時(shí)通風(fēng)動(dòng)力完全來(lái)自于吸風(fēng)風(fēng)筒，入口處由于橫截面積的急劇減小，風(fēng)速自然急劇增加，這樣才能保證足夠多的風(fēng)流能吸入風(fēng)筒，形成連續(xù)不斷的通風(fēng)風(fēng)流。

3.1.3 Z方向速度分布

Z=0.4m截面的速度分布如圖5(a)所示，該截面處的速度分布矢量圖如圖5(b)所示。Z=0.4m截面處風(fēng)速分布與Y=2.1m截面的風(fēng)速分布類似，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上是互相垂直的兩個(gè)平面，都經(jīng)過(guò)負(fù)壓硬質(zhì)風(fēng)筒的中軸線。

圖4 Y方向速度分布

圖5 Z方向速度分布

3.2 壓力分布規(guī)律

3.2.1 X方向壓力分布

X=0,5.2,10,20,30,40,50m處的壓力分布云圖如圖6(a)所示，將X=5.2m截面處的壓力云圖放大后如圖6(b)所示。

圖6 X方向壓力分布

由圖6可以看出，整個(gè)巷道均為正壓，風(fēng)筒內(nèi)是負(fù)壓，這與實(shí)際情況相符，因?yàn)槌槌鍪酵L(fēng)的動(dòng)力來(lái)自硬質(zhì)風(fēng)筒內(nèi)的負(fù)壓，所以在正常通風(fēng)條件下，風(fēng)筒內(nèi)外形成的狀態(tài)是風(fēng)筒外部正壓，內(nèi)部負(fù)壓，在這兩股壓力的共同作用下形成穩(wěn)定的通風(fēng)風(fēng)流。

3.2.2 Y方向壓力分布

Y=2.1m截面的壓力分布經(jīng)局部放大后如圖7所示。

圖7 Y=2.1m截面處的壓力分布放大

由圖7可以看出，巷道、風(fēng)筒內(nèi)壓力分布較為均勻，因?yàn)檫\(yùn)算收斂后達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)，這預(yù)示著抽出式通風(fēng)穩(wěn)定后，風(fēng)筒內(nèi)外壓差將維持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)，這有利于通風(fēng)的穩(wěn)定。

3.2.3 Z方向壓力分布

Z=0.4m截面局部放大后的壓力分布如圖8所示。

圖8 Z=0.4m截面處的壓力分布放大

和速度分布狀況類似，Z=0.4m截面處的壓力分布與Y=2.1m截面的壓力分布類似，風(fēng)筒入口處負(fù)壓最大，而后負(fù)壓逐漸減小，但很快就維持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 粉塵運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬結(jié)果分析

各種粒徑粉塵的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖9所示。

圖9 各種粒徑粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖9可以看出，抽出式通風(fēng)時(shí)粉塵擴(kuò)散較少，掘進(jìn)面產(chǎn)生的粉塵全部都被吸入負(fù)壓風(fēng)筒，有力地保證巷道內(nèi)的清潔和工人的身體健康。從1μm粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡與100μm，500μm粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡的對(duì)比可以看出，小粒徑的粉塵由于質(zhì)量較小，更容易被風(fēng)筒及早吸走，這說(shuō)明抽出式通風(fēng)時(shí)更有利于控制巷道中特別是司機(jī)位的粉塵含量，保護(hù)司機(jī)等掘進(jìn)機(jī)周圍工人的身體健康。

5 結(jié)論

建立物理模型對(duì)抽出式通風(fēng)條件下巷道風(fēng)流運(yùn)動(dòng)規(guī)律、粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了X，Y，Z方向的速度、壓力分布規(guī)律以及不同粒徑粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡，得出以下結(jié)論：

(1)巷道內(nèi)風(fēng)速較為穩(wěn)定，比風(fēng)筒中小，風(fēng)速為0.54m/s，風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)速較大，為23m/s左右，這與實(shí)際情況非常吻合，因?yàn)樵陲L(fēng)量一定的條件下，通風(fēng)斷面越大則風(fēng)速越小，通風(fēng)斷面越小則風(fēng)速越大。

(2)巷道內(nèi)的風(fēng)速在整個(gè)模擬區(qū)段內(nèi)幾乎保持恒定，沒(méi)有較大變化，而風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)速則變化較大，在入口處最大，達(dá)40m/s，之后逐漸減小，然后穩(wěn)定在23m/s左右。

(3)整個(gè)巷道均為正壓，風(fēng)筒內(nèi)是負(fù)壓，在這兩股壓力的共同作用下形成穩(wěn)定的通風(fēng)風(fēng)流；風(fēng)筒入口處負(fù)壓最大，而后負(fù)壓逐漸減小，但很快就維持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

(4)抽出式通風(fēng)時(shí)粉塵擴(kuò)散較少，掘進(jìn)面產(chǎn)生的粉塵全部都被吸入負(fù)壓風(fēng)筒，小粒徑的粉塵由于質(zhì)量較小，更容易被風(fēng)筒及早吸走。抽出式通風(fēng)時(shí)更有利于控制巷道中特別是司機(jī)位的粉塵含量，保護(hù)司機(jī)等掘進(jìn)機(jī)周圍工人的身體健康。

[1]金龍哲，蔣仲安，潘大勇，等.掘進(jìn)巷道中粉塵分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2001，29(3)：43-44.

[2]何清海.綜掘工作面粉塵防治新技術(shù)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35(6)：36-38.

[3]劉 建，姚海飛，魏傳光，等.掘進(jìn)面濕式離心除塵器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(3)：424-428.

[4]W.P.Jones，B.C.Launder.The Prediction of Laminarization with a Two-equation Model of Turbulence[J].Int.J.Heat and mass Transfer，1972，115(15)：301-314.

[5]王海橋.掘進(jìn)工作面射流通風(fēng)流場(chǎng)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，1999，24(5)：498-501.

[6]王曉珍，蔣仲安，王善文，等.煤巷掘進(jìn)過(guò)程中粉塵濃度分布規(guī)律的數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(4)：386-387.

[7]周光炯，嚴(yán)宗毅.流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1992.

[責(zé)任編輯：鄒正立]

NumericalSimulationforAirflowMovementandDustTransportationofExhaustVentilation

YAO Hai-fei1,2,DENG Zhi-gang1,2,LI Ji-liang3,XIE Hua-dong3,WU Jian-bin3,FU Wei3,WU Hai-jun1,2

(1.Safety Research Institute,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.State Key Laboratory of Coal Resource High-efficiency Mining and Clean Utilization(China Coal Research Institute),Beijing 100013,China;3.Dongtan Colliery,Yanzhou Coal Co.,Ltd.,Zoucheng 273512,China)

In order to intuitively obtain airflow movement of exhaust ventilation,a physical model was built up and airflow movement and dust transportation rule in roadway was simulated by setting boundary condition.Velocity,pressure distribution and transportation tracks of dust with different sizes fromX,YandZdirection were researched.Results showed that air speed in roadway was 0.54m/s,which was stable and air speed in airduct was 23m/s,which was accordance with practice. At the site of roadway whose section wasx=5.2m,airflow orientation directed to driving face. Air speed in roadway was nearly constant and that in airduct changed largely,it was 40m/s at air inlet then reduced gradually,and kept at 23m/s. Air pressure was positive in whole roadway and negative in airduct,stable ventilation formed under the two pressures. Negative pressure was maximum at air inlet then reduced gradually,and kept stable rapidly. Dust diffusion was less in exhaust ventilation. Dust in driving was wholly drawn into negative-pressure airduct. Therefore,exhaust ventilation was favorable for controlling dust at driver site and protecting workers’ health.

exhaust ventilation; airflow movement; dust transportation; velocity distribution; pressure distribution; numerical simulation

2014-01-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.027

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(2012BAB13B02)；中國(guó)煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2012MS001)；煤炭科學(xué)研究總院科技發(fā)展基金(2012JC11)

姚海飛(1984-)，男，江西吉安人，助理研究員，主要從事綜合防塵、防滅火等礦山安全技術(shù)方面的研究。

姚海飛，鄧志剛，李繼良，等.抽出式通風(fēng)風(fēng)流運(yùn)動(dòng)及粉塵運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬研究[J].煤礦開(kāi)采，2014，19(5)：96-99,85.

TD724

A

1006-6225(2014)05-0096-04