續(xù)英杰

（山西焦煤霍州煤電紫晟煤業(yè)，山西 霍州 031412）

煤礦開采中粉塵的產(chǎn)生和治理越來越難以控制，給井下人員的身體健康帶來了威脅。高效率的粉塵治理主要在于通風(fēng)系統(tǒng)的效率和除塵器粉塵處理的效率，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)不合理，采用的除塵器除塵率低下，粉塵量仍不能達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)要求，所以應(yīng)圍繞通風(fēng)系統(tǒng)和除塵器進(jìn)行研究，運(yùn)用數(shù)值分析是研究除塵的常用方法。本文結(jié)合霍州煤電紫晟煤業(yè)掘進(jìn)巷道實(shí)際通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)，建立了長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)體模型，針對(duì)不同風(fēng)筒參數(shù)進(jìn)行模擬仿真研究，得出了各項(xiàng)通風(fēng)參數(shù)對(duì)于巷道除塵效率的影響程度。

1 通風(fēng)系統(tǒng)模型建立

數(shù)值模擬是對(duì)工程問題通過離散化有限元分析，將計(jì)算模型分塊化，依靠對(duì)相關(guān)范圍節(jié)點(diǎn)的模擬分析，接近于原有的連續(xù)空間，減小計(jì)算結(jié)果與實(shí)際水平的誤差，本文采用ICEM軟件建立長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)的巷道數(shù)值模型，并通過Fluent軟件進(jìn)行模擬仿真。

本文研究的巷道瓦斯相對(duì)涌出量為0.06m3/t，屬于對(duì)開采安全影響較小的瓦斯含量，危險(xiǎn)粉塵指數(shù)大于0.1，除塵措施不良極有可能引起爆炸事故，所以采用長(zhǎng)壓短抽的通風(fēng)方式、掘進(jìn)面長(zhǎng)距離通風(fēng)、短距離負(fù)壓抽風(fēng)來達(dá)到除塵目的。抽風(fēng)筒和壓風(fēng)筒直徑分別為0.8m和0.6m，抽風(fēng)口和壓風(fēng)口距離掘進(jìn)面分別為3m和8m，巷道高度和寬度分別為3.8m和5.9m。本文重點(diǎn)研究風(fēng)筒參數(shù)的影響，所以可將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，比如將掘進(jìn)機(jī)建模省略，創(chuàng)建模型如圖1所示。為了計(jì)算快速，網(wǎng)格劃分采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，加密風(fēng)筒網(wǎng)格。

圖1 長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)巷道模型

利用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分后將文件導(dǎo)入Fluent軟件，設(shè)置求解過程，計(jì)算單向風(fēng)流場(chǎng)迭代時(shí)間為30s，風(fēng)流場(chǎng)平穩(wěn)之后添加粉塵源，再完成耦合計(jì)算過程。針對(duì)模型可能存在的誤差，假設(shè)巷道內(nèi)是不可壓流動(dòng)，整個(gè)除塵過程是恒溫狀態(tài)，使用非穩(wěn)態(tài)求解器來應(yīng)對(duì)浮動(dòng)物理量，根據(jù)實(shí)際情況采用湍流模型RNGk-ε，設(shè)置抽風(fēng)量和壓風(fēng)量分別為580m3和740m3，算法采用SIMPLE算法，動(dòng)能耗散情況為二階迎風(fēng)，殘差設(shè)定為0.001，流場(chǎng)初始化后進(jìn)行迭代，時(shí)間步長(zhǎng)0.05s，每步最大200次。離散相采用DPM模型，將顆粒之間相互作用忽略，流場(chǎng)運(yùn)行20s之后運(yùn)行DPM，選擇面射流源粉塵類型，粉塵粒徑最大和最小分別為22.75μm和0.75μm，分布指數(shù)是2.68，質(zhì)量流率0.005kg/m3，混合計(jì)算設(shè)定為50s。

2 風(fēng)筒參數(shù)影響仿真

2.1 風(fēng)筒出口距離掘進(jìn)面的影響

吹風(fēng)風(fēng)筒和掘進(jìn)面之間距離過短，可能會(huì)將其他粉塵吹入巷道，但距離過長(zhǎng)又會(huì)風(fēng)速過小影響除塵效果，所以對(duì)于風(fēng)筒出口距離的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行不同參數(shù)的模擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過Fluent軟件對(duì)風(fēng)筒出口與掘進(jìn)面距離是7m、8m、9m和10m的模型進(jìn)行仿真，得出作業(yè)人員呼吸位置、司機(jī)位置、進(jìn)風(fēng)位置和巷道中部的粉塵分布濃度（如圖2所示）以及作業(yè)人員呼吸位置的沿線濃度分布對(duì)比（如圖3所示）。

由圖2、圖3可以看出，吹風(fēng)風(fēng)筒與掘進(jìn)面的距離為8m時(shí)，人員呼吸位置粉塵濃度以及擴(kuò)散水平都要比其他三個(gè)方案低，巷道中部濃度最低，司機(jī)位置濃度也明顯低于其他方案。

2.2 風(fēng)筒出口距離底板的影響

按照以上分析方法，設(shè)定風(fēng)筒與掘進(jìn)面距離為8m，分別對(duì)風(fēng)筒距底板不同高度進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，當(dāng)吹風(fēng)風(fēng)筒出口與底板距離為2.2m時(shí)，各位置斷面粉塵分布濃度均低于其他方案，由圖5可以看出在與掘進(jìn)面距離為5m位置粉塵濃度均較低，在5m之內(nèi)，風(fēng)筒距離底板2.2m的時(shí)候粉塵濃度較低，有利于井下作業(yè)人員呼吸。

2.3 長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)除塵效果分析

圖6為長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)巷道中距地面3.5m和1.5m 截面內(nèi)粉塵濃度分布的模擬分析圖，從圖中可以看出除掘進(jìn)面附近回風(fēng)側(cè)粉塵居多外其他位置空氣都較清潔，說明長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)方式可以有效降低掘進(jìn)工作面粉塵濃度。

圖2 不同距離通風(fēng)出口斷面粉塵濃度對(duì)比

圖3 不同距離通風(fēng)出口人員呼吸位置沿線粉塵分布

3 結(jié)論

針對(duì)霍州煤電紫晟煤業(yè)井下掘進(jìn)工作面粉塵問題展開研究，通過Fluent軟件建立了長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)的幾何模型，結(jié)合該礦實(shí)際情況和簡(jiǎn)化分析需要，設(shè)置了模型參數(shù)及邊界條件，通過模擬分析，對(duì)比研究了不同風(fēng)筒橫向距離與縱向距離下的粉塵濃度分布情況，結(jié)果表明長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)筒位置不同引起的粉塵分布變化情況也不同，針對(duì)該煤礦通風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)筒距離掘進(jìn)面8m、距離底板2.2m時(shí)，系統(tǒng)粉塵濃度最低，通風(fēng)效率最高。通過仿真，提高了工作面巷道通風(fēng)效果，為井下粉塵防治提供了參考依據(jù)。

圖4 不同風(fēng)筒高度的粉塵濃度分布

圖5 不同距離通風(fēng)出口人員呼吸位置沿線粉塵分布

圖6 長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)巷道內(nèi)粉塵分布云圖