程根銀，侯佳音，司俊鴻，楊聯(lián)恒，鄧鵬飛，李 林

(1. 華北科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；3. 陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司玉華煤礦，陜西 銅川 727200))

0 引言

綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的普及應(yīng)用提高了煤礦的生產(chǎn)效率，也帶來了煤礦井下工作面粉塵濃度超標(biāo)，工作環(huán)境惡化等問題。巷道有限空間內(nèi)粉塵濃度超標(biāo)不僅會引發(fā)粉塵爆炸事故，還會降低工作場所能見度、加速機(jī)械設(shè)備磨損和縮短精密儀器的使用壽命，在職業(yè)健康方面，增加井下作業(yè)人員患塵肺病的風(fēng)險。工人一旦患上塵肺病將逐漸失去勞動能力，甚至危及生命。人民健康是國家優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，以煤礦工人塵肺病為主的職業(yè)安全健康問題嚴(yán)重制約“健康中國”發(fā)展[1-3]。

綜采工作面是煤礦井下主要的塵源產(chǎn)生地，在不采取防塵措施時，其總粉塵質(zhì)量濃度可達(dá)4000 mg/m3，呼吸性粉塵質(zhì)量濃度達(dá)1100 mg/m3，嚴(yán)重超出安全生產(chǎn)的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。綜采工作面產(chǎn)塵量占礦井粉塵產(chǎn)出總量60%左右，是煤礦粉塵防治的重點區(qū)域[4-5]。由于煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，實測實驗手段難以對粉塵運(yùn)移與分布狀況進(jìn)行準(zhǔn)確分析，要獲得并分析綜采工作面的粉塵分布及彌散規(guī)律，采用數(shù)值模擬仿真的方法較好。國內(nèi)學(xué)者在這方面研究已經(jīng)取得了一定的成果，如：周剛等[6]基于計算流體力學(xué)(CFD)理論，應(yīng)用FLUENT數(shù)值模擬軟件分析了多工序、多塵源下的大采高綜采面風(fēng)流—呼塵耦合運(yùn)移規(guī)律，并根據(jù)模擬結(jié)果提出了呼塵防治措施與體系。王建國等[7-8]運(yùn)用數(shù)值仿真及現(xiàn)場實測的方法研究了涼水井礦綜采工作面風(fēng)流運(yùn)動情況，移架和割煤時粉塵的運(yùn)移規(guī)律及懸浮時間。許滿貴等[9-10]分析了不同工序及不同地點粉塵濃度的分布及運(yùn)移規(guī)律，結(jié)果表明采煤機(jī)割煤是工作面最主要的塵源，移架居第二，采煤機(jī)割煤時下風(fēng)向10～50 m空間的粉塵濃度最大，需要重點防治。蔣仲安等[11-13]在建立綜采工作面數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，開展氣體—粉塵顆粒兩相流數(shù)值仿真模擬，得出在相同粒徑下的粉塵顆粒，通風(fēng)風(fēng)速越大，粉塵顆粒的通風(fēng)降塵率越低，而且會對工作的環(huán)境和條件造成負(fù)面影響。尹文婧等[14-15]通過對綜采工作面粉塵彌散規(guī)律進(jìn)行模擬分析，得出粉塵隨風(fēng)流的逸散規(guī)律，模擬結(jié)果表明，綜采工作面風(fēng)流總體呈現(xiàn)出中間大、兩頭小的規(guī)律。但是目前還沒有關(guān)于采煤機(jī)分別位于上風(fēng)側(cè)和工作面中心位置的兩種特定工況下，對于井下工作面，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷整體粉塵分布特點對比研究，因此分析采煤機(jī)的工作位置對于巷道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)流運(yùn)動和礦井整體作業(yè)環(huán)境的粉塵污染影響，有助于企業(yè)在生產(chǎn)過程中針對性地建立防塵降塵技術(shù)措施，優(yōu)化井下作業(yè)環(huán)境。

研究煤礦綜采工作面粉塵溢散分布及運(yùn)移規(guī)律是有效開展與應(yīng)用粉塵防治技術(shù)的基礎(chǔ)，對于有針對性地實施降塵方案，采取降塵措施，提高降塵效率具有指導(dǎo)作用。本文以柴家溝煤礦42222工作面為例，采用Gambit軟件構(gòu)建巷道三維幾何模型，F(xiàn)luent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析綜采工作面在通風(fēng)除塵的條件下，粉塵分布狀況及隨風(fēng)流運(yùn)移的規(guī)律，得出粉塵污染較嚴(yán)重的區(qū)域，為礦井有針對性地安置除塵設(shè)備、實施防塵技術(shù)措施和建立綜合有效的防塵體系提供參考、理論支撐與建議。

1 數(shù)學(xué)模型

目前，對于氣固耦合兩相流數(shù)值模擬的理論依據(jù)有歐拉法(Euler method)和歐拉—拉格朗日法(Euler-Lagrange)兩種。本文采用歐拉—拉格朗日理論，將氣體運(yùn)動的過程匹配歐拉模型，粉塵顆粒運(yùn)移的過程匹配拉格朗日模型，通過歐拉—拉格朗日離散相模型分析固體顆粒隨風(fēng)流運(yùn)移過程的規(guī)律。將綜采工作面通風(fēng)風(fēng)流運(yùn)動視為在絕熱條件下，不可壓縮流體的定常流動，選用標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon模型，具體方程表示如下。

1.1 連續(xù)性方程

由于將綜采面的風(fēng)流運(yùn)動狀態(tài)視為不可壓縮流體的運(yùn)動過程，則可運(yùn)用連續(xù)性方程：

(1)

式中，ρ為氣體密度，kg/m3；ui為速度矢量，m/s；t為時間，s；xi為沿x軸方向的坐標(biāo)；i為張量指標(biāo)符號。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程是基于湍流脈動動能k及其湍流脈動動能耗散率ε模型的輸運(yùn)方程。湍流脈動動能方程(k方程)為：

(2)

湍動能耗散率方程(ε方程)為：

(3)

(4)

式中，Gk為湍動能變化率受剪切力改變的影響系數(shù)，kg/(s3·m)；C1ε、C2ε、σε、σk為常數(shù)項，對應(yīng)取值為1.44、1.92、1.00、1.30。

另外，綜采工作面內(nèi)的粉塵運(yùn)移還與其自身受力相關(guān)。巷道中的粉塵可視為稀相氣固兩相流，暫不考慮粉塵之間相互碰撞的影響，根據(jù)牛頓第二定律及氣固兩相流理論，粉塵顆粒在巷道中的受力主要有重力、浮力、空氣阻力、薩夫曼升力和附加質(zhì)量力等。粉塵顆粒受力狀態(tài)表達(dá)式為：

∑F=Fd+Fg+Ff+Fx

(5)

式中，∑F為粉塵顆粒所受合力，N；Fd為粉塵顆粒所受阻力，N；Fg為粉塵顆粒所受重力，N；Ff為粉塵顆粒所受浮力，N；Fx為粉塵顆粒所受其他附加作用力，N。

2 三維模型及參數(shù)設(shè)定

2.1 幾何模型及網(wǎng)格

根據(jù)焦坪礦區(qū)柴家溝井42222綜采工作面的實際情況，采用gambit軟件構(gòu)建數(shù)值模擬的幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Tgrid方式進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格劃分單元為143075個。如圖1所示。幾何模型包括綜采工作面空間、采煤機(jī)和液壓支架等三部分。工作面采用U形通風(fēng)方式，將工作面作業(yè)空間簡化為一個長方體，尺寸為160 m×7 m×3 m；兩側(cè)的進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷尺寸都為50 m×5 m×3 m；采煤機(jī)采高3 m，礦井在實際生產(chǎn)過程中采用的是MG300/730-WD1雙滾筒采煤機(jī)割煤，為簡化區(qū)域形狀復(fù)雜的狀況，將采煤機(jī)視為規(guī)則的長方體，并忽略采煤機(jī)的運(yùn)動，建立的采煤機(jī)模型尺寸為7.8 m×2 m×1.56 m；在建立的模型中，液壓支架直徑為40 cm，放置間隔為2 m。

圖1 網(wǎng)格劃分幾何模型

2.2 邊界條件及求解器

在圖1中，左側(cè)藍(lán)色截面為進(jìn)風(fēng)巷通風(fēng)風(fēng)流入口，右側(cè)紅色截面為回風(fēng)巷通風(fēng)風(fēng)流出口，采煤機(jī)位于進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷之間。由于綜采工作面中采煤機(jī)割煤的過程為主要產(chǎn)塵源，所以將采煤機(jī)與煤壁交接的界面設(shè)置為Surface噴塵源，粉塵顆粒的粒度分布符合Rosin-Rammler分布。根據(jù)綜采工作面的具體情況設(shè)置的數(shù)值模擬主要數(shù)據(jù)參數(shù)見表1。

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

3.1 粉塵分布規(guī)律

根據(jù)柴家溝礦井42222綜采面需風(fēng)量要求，工作面通風(fēng)量不應(yīng)低于1000 m3/min，取進(jìn)風(fēng)巷入口風(fēng)速為1.2 m/s，分別模擬采煤機(jī)位于工作面上風(fēng)側(cè)和工作面中心位置的兩種狀態(tài)下粉塵濃度分布狀況，得出巷道粉塵分布狀況云圖，如圖2和圖3所示。云圖通過不同顏色的渲染效果來表示所模擬工況的等級差別，紅色代表粉塵污染程度最嚴(yán)重，藍(lán)色代表粉塵污染程度最輕微。由圖中可知，采煤機(jī)位于工作面上風(fēng)側(cè)和工作面中心位置時對于巷道內(nèi)粉塵分布狀況的影響差別較大。在這兩種情況中，采煤機(jī)位于上風(fēng)側(cè)時，巷道內(nèi)整體粉塵污染程度較高，作業(yè)環(huán)境比較惡劣；采煤機(jī)位于工作面中心位置時，巷道內(nèi)粉塵污染程度較低。以正常通風(fēng)量采取通風(fēng)措施時，采煤機(jī)在工作面上風(fēng)側(cè)順風(fēng)割煤，使粉塵在采煤機(jī)后方整個巷道區(qū)域中飛揚(yáng)彌散，產(chǎn)生的粉塵對整個巷道及工作面區(qū)域的污染程度較高。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

圖2 采煤機(jī)位于上風(fēng)側(cè)時粉塵濃度分布狀況

為分析采煤機(jī)位于工作面不同位置采煤時巷道內(nèi)粉塵濃度的變化規(guī)律，分別對采煤機(jī)位于綜采面上風(fēng)側(cè)和中心位置的兩種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，并截取巷道內(nèi)三個不同高度的截面，分析巷道內(nèi)沿程粉塵顆粒的分布狀況。模擬通風(fēng)風(fēng)速為1.2 m/s，水平截面的高度分別為0.3 m(底板附近)、1.5 m(呼吸帶高度)和2.7 m(頂板附近)。

采煤機(jī)位于工作面上風(fēng)側(cè)時，巷道內(nèi)不同高度水平上粉塵顆粒的分布如圖4所示。圖中不同粒徑、不同類型的顆粒分布密度可以定性代表粉塵的濃度。在通風(fēng)系統(tǒng)正常工作的條件下，大顆粒粉塵受自身重力影響而自然沉降，底板附近粉塵濃度較高；采煤機(jī)采煤的過程使煤體發(fā)生破裂粉碎，滾筒附近揚(yáng)塵較多，隨風(fēng)流在頂板附近彌漫分散，所以頂板附近粉塵濃度仍然較高，尤其采煤機(jī)上方空間的污染程度較嚴(yán)重；剩余受自身重力影響較小，不易發(fā)生沉降的小顆粒粉塵，即呼吸性粉塵在呼吸帶高度上漂浮擴(kuò)散。由圖中可觀察得出，巷道內(nèi)液壓支架一側(cè)粉塵濃度較高，這可能是因為液壓支架對于通風(fēng)風(fēng)流的運(yùn)動存在一定阻礙作用，甚至在架間區(qū)域形成擾流，導(dǎo)致粉塵在空中緩慢彌散或飛揚(yáng)，沉降進(jìn)程減緩。

相同的通風(fēng)條件下，采煤機(jī)位于工作面中心位置時，巷道內(nèi)不同高度水平上粉塵顆粒的分布如圖5所示。采煤機(jī)位于工作面中心位置時，不同高度平面上粉塵顆粒的分布規(guī)律與采煤機(jī)位于工作面上風(fēng)側(cè)的規(guī)律類似，即采煤機(jī)在工作面中的位置對于不同高度水平上粉塵濃度分布的影響不大。

所以，頂板和底板附近粉塵濃度較高，尤其底板附近沉積粉塵較多，應(yīng)定時清理、消除沉積粉塵，由此可以避免煤塵爆炸事故或沉積粉塵再次揚(yáng)起惡化作業(yè)環(huán)境。雖然呼吸帶高度上粉塵濃度較低，但漂浮的微小粉塵顆粒不易沉降而且對煤礦工人生命健康的威脅與危害更大，也應(yīng)給予足夠重視，有針對性地加強(qiáng)對于呼吸性粉塵的防治與處理。

3.2 風(fēng)流與粉塵運(yùn)移規(guī)律

粉塵的運(yùn)移分布與通風(fēng)風(fēng)流速度大小相關(guān)，采煤機(jī)位于工作面上風(fēng)側(cè)和工作面中心位置的兩種工況下巷道內(nèi)整體速度矢量圖如圖6所示。圖6中數(shù)軸描述物理量為速度，單位是m/s。

圖5 采煤機(jī)位于工作面中心巷道內(nèi)不同高度的粉塵分布

圖6 采煤機(jī)位于不同位置時巷道內(nèi)的速度矢量圖

由圖6可知，通風(fēng)風(fēng)流在經(jīng)過進(jìn)、回風(fēng)巷時在U型彎道處存在速度突變，人行道一側(cè)的風(fēng)速低于采煤機(jī)工作區(qū)域與煤壁一側(cè)的風(fēng)速，液壓支架一側(cè)風(fēng)流速度最低。采煤機(jī)機(jī)身對于風(fēng)流運(yùn)動存在阻礙作用，使采煤機(jī)附近出現(xiàn)輕微擾流，因此，采煤機(jī)割煤時滾筒附近揚(yáng)塵較多。采煤機(jī)位于工作面上風(fēng)側(cè)和位于工作面中心位置時，回風(fēng)巷的風(fēng)流速度都高于進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)流速度，這可能使得回風(fēng)巷的粉塵污染更為嚴(yán)重。采煤機(jī)位于上風(fēng)側(cè)時回風(fēng)巷的整體風(fēng)速略低于采煤機(jī)位于工作面中心位置時回風(fēng)巷的風(fēng)流速度。

4 結(jié)論

(1) 順風(fēng)割煤時，將采煤機(jī)位于工作面上風(fēng)側(cè)和位于工作面中心位置的兩種工況進(jìn)行對比分析，采煤機(jī)位于工作面上風(fēng)側(cè)采煤時，煤巖體破碎產(chǎn)生的粉塵隨風(fēng)流運(yùn)動并在巷道內(nèi)擴(kuò)散，粉塵彌漫至工作面下風(fēng)側(cè)未被開采的區(qū)域，巷道內(nèi)整體粉塵濃度較高，此工況下粉塵的飛揚(yáng)、彌散與污染較嚴(yán)重；采煤機(jī)位于工作面中心位置采煤時，巷道內(nèi)粉塵的飛揚(yáng)與污染程度較低。

(2) 按照規(guī)定通風(fēng)量對綜采工作面進(jìn)行通風(fēng)時，頂、底板附近(距底板高度分別為2.7 m和0.3 m)粉塵濃度較高，呼吸帶高度(距底板高度為1.5 m)上粉塵濃度較低，但是呼吸帶高度漂浮的粉塵多為顆粒細(xì)小且不易受自身重力而沉降的呼吸性粉塵，存在于呼吸帶高度對于井下工作人員的生命健康構(gòu)成極大威脅，應(yīng)在治理產(chǎn)塵源、降低呼塵濃度和加強(qiáng)員工個體防護(hù)等多方面完善防治措施。另外，采煤機(jī)位于工作面中不同的位置時，巷道內(nèi)不同高度水平上粉塵微粒的分布規(guī)律類似。

(3) 綜采工作面采用U型通風(fēng)方式時，截面積的突然改變使通風(fēng)風(fēng)流的行進(jìn)受到干擾，導(dǎo)致風(fēng)流速度瞬時增加，甚至產(chǎn)生擾流。采煤機(jī)位于工作面上風(fēng)側(cè)和中心位置的兩種工況下，整個巷道中回風(fēng)巷的風(fēng)流速度明顯過高，易導(dǎo)致回風(fēng)巷內(nèi)粉塵飛揚(yáng)，污染程度加劇，可在回風(fēng)巷內(nèi)設(shè)置捕塵網(wǎng)、全斷面噴霧等除塵設(shè)施，優(yōu)化作業(yè)環(huán)境。由于液壓支架對通風(fēng)風(fēng)流的運(yùn)動具有阻礙作用，使得液壓支架一側(cè)風(fēng)流速度過低，導(dǎo)致粉塵難以沉降，液壓支架附近區(qū)域及人行道一側(cè)粉塵濃度較高，礦井可采用增設(shè)架間噴霧等方式加速粉塵沉降，降低此區(qū)域的粉塵濃度，保障員工健康。