魏 偉

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤礦綜掘工作面產(chǎn)塵量約占礦井總產(chǎn)塵量的30%～40%。煤礦粉塵是礦工塵肺病的罪魁禍?zhǔn)譡1-4]，塵肺病每年造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 800多億元[5]，煤礦患者中有85%以上是長期工作于掘進(jìn)工作面。目前，學(xué)者們對綜掘工作面粉塵分布規(guī)律的研究大多是采用數(shù)值模擬的方法[6-7]，或者基于現(xiàn)場測試來揭示粉塵分布規(guī)律[8-10]，鮮有學(xué)者研究不同粒徑粉塵的運(yùn)移和沉降規(guī)律。筆者以蘆嶺煤礦為工程背景，利用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試等手段研究了綜掘工作面粉塵分布規(guī)律，并揭示了不同粒徑粉塵的沉降和運(yùn)移規(guī)律，旨在為綜掘工作面的粉塵治理提供理論支撐。

1 氣體—粉塵顆粒兩相流動及控制方程

氣體—粉塵顆粒兩相流動普遍存在于煤礦井下的生產(chǎn)過程。在礦井粉塵的數(shù)值模擬研究中，描述氣體—粉塵顆粒兩相流動的數(shù)值模型主要有3種，即單流體模型、雙流體模型和歐拉—拉格朗日模型，其中，歐拉—拉格朗日模型應(yīng)用最多，該模型將氣體看作主體相，將粉塵顆?？醋鳛殡x散分布于流體中的粒子，用歐拉方法研究流體運(yùn)動，用拉格朗日方法追蹤粉塵粒子的運(yùn)動[11-14]。

1.1 連續(xù)相流動控制方程

氣固兩相流中氣相連續(xù)性方程為：

(1)

動量守恒方程為：

(2)

氣固兩相流模式下標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動能k和耗散率ε的輸運(yùn)方程分別為：

Gk+Gb-ρε-Ym+Sk

(3)

(4)

式中：ui、uj分別為在x、y方向上的分速度，m/s;ρ為氣體的密度，kg/m3;μ、μt分別為在層流及湍流中的黏性系數(shù)，Pa·s；Gk為因?yàn)榧羟辛ψ兓鸬耐牧鲃幽艿淖兓?，kg/(s3·m)；Gb為由于浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Ym為可壓湍流中脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn)值；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk和σε分別為與湍動能k和耗散率ε對應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；Sk、Sε為源項(xiàng)。

1.2 離散相控制方程

離散相模型通過計(jì)算離散相—粉塵顆粒在拉格朗日坐標(biāo)下的受力微分方程而得到粉塵的運(yùn)動軌跡，顆粒相的受力方程為：

(5)

式中：mp為顆粒質(zhì)量，kg；up為顆粒運(yùn)動速度，m/s；Fd為顆粒運(yùn)動所受的阻力，N；Fg為粉塵顆粒所受重力，N；Ff為顆粒所受浮力，N；Fx為顆粒所受其他作用力，主要包括流體曳力、馬格努斯旋轉(zhuǎn)提升力、薩夫曼升力、倍瑟特力、虛擬質(zhì)量力和壓力梯度力等，N。

在實(shí)際情況下，粉塵顆粒主要受到阻力、重力和浮力的作用[14-16]，受力方程為：

(6)

(7)

(8)

式中：Cd為阻力系數(shù)；Cp為動力形狀系數(shù)；Ap為顆粒迎風(fēng)面面積，m2；ug為氣流運(yùn)動速度，m/s；up為粉塵顆粒運(yùn)動速度，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；ρp為粉塵顆粒密度，kg/m3；dp為粉塵粒徑，m。

2 物理建模與求解

2.1 物理模型

以蘆嶺煤礦Ⅱ1084機(jī)巷綜掘工作面為研究對象，巷道斷面為直墻斜梯形，凈寬4.6 m，(中)凈高度為3 m，采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)量為800 m3/min，風(fēng)筒出風(fēng)口距掘進(jìn)端頭5 m。根據(jù)巷道及內(nèi)部設(shè)備的實(shí)際尺寸參數(shù)，建立三維物理模型，該模型由掘進(jìn)機(jī)、壓入式風(fēng)筒、二運(yùn)膠帶和巷道壁面4部分組成，設(shè)計(jì)計(jì)算域?yàn)?0 m。物理模型如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)巷道物理模型

2.2 邊界條件

在計(jì)算域內(nèi)，粉塵總體上均勻分布于巷道中，其在氣流中的體積分?jǐn)?shù)介于10-6～10-3，粉塵將對湍流產(chǎn)生影響，此時(shí)應(yīng)考慮粉塵與氣流之間的雙向耦合[17-20]。開啟離散相模型，粉塵入射模型設(shè)置為Solid-cone，粒徑分布符合Rosin-Rarnmler分布，最小粒徑為1 μm，最大粒徑為150 μm，平均粒徑為55 μm，破碎性指標(biāo)為1.54，風(fēng)筒入射風(fēng)速為26.5 m/s，湍流強(qiáng)度3.07%，水力直徑0.8 m，出口邊界類型為Outflow。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算結(jié)束后，沿y軸正方向設(shè)置平行于巷道底板平面的剖面圖，分別為y=0.5 m、y=1.0 m、y=1.5 m(礦工呼吸帶高度)和y=2.0 m，得到的粉塵濃度分布情況如圖2所示；在礦工呼吸帶高度上列出了距壓風(fēng)側(cè)不同距離時(shí)粉塵濃度的沿程變化曲線，如圖3所示；巷道內(nèi)粉塵顆粒追蹤軌跡如圖4 所示。

圖2 不同巷道高度斷面粉塵濃度分布

圖3 距壓風(fēng)側(cè)不同距離呼吸帶高度的粉塵濃度沿程分布

圖4 巷道內(nèi)粉塵顆粒追蹤軌跡

從圖2～4可以看出：

1)受壓入式風(fēng)流的輸運(yùn)和巷道壁面、掘進(jìn)機(jī)身的阻擋作用，粉塵主要集中在距工作面端頭5 m的范圍內(nèi)，該范圍存在渦流區(qū)，二次揚(yáng)塵現(xiàn)象嚴(yán)重，粉塵不易沉降，最大粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到1 060 mg/m3。

2)在礦工呼吸帶高度上(y=1.5 m)，z=0～5.5 m時(shí)，回風(fēng)側(cè)的粉塵濃度明顯大于壓風(fēng)側(cè)，粉塵濃度沿z軸正方向逐漸減小，壓入側(cè)反之，這是由于風(fēng)流將大部分粉塵吹向回風(fēng)一側(cè)，回風(fēng)側(cè)粉塵被卷入渦流區(qū)或發(fā)生重力沉降，而壓風(fēng)側(cè)受到風(fēng)流卷吸作用，越靠近出風(fēng)口該作用越明顯，卷吸的粉塵量越大；z=5.5～17.0 m時(shí)，由于大粒徑粉塵發(fā)生重力沉降，粉塵濃度均呈現(xiàn)大幅度的下降趨勢；z=17.0～39.0 m時(shí)，粉塵質(zhì)量濃度降至100 mg/m3以下;z=39.0～50.0 m時(shí)，粉塵質(zhì)量濃度則降至50 mg/m3以下。

3)粉塵主要從兩條逸散路徑向掘進(jìn)機(jī)后側(cè)運(yùn)移，其一是回風(fēng)側(cè)煤壁和掘進(jìn)機(jī)機(jī)身之間，其二是掘進(jìn)機(jī)機(jī)身與巷道頂板之間，其中，粒徑大于100 μm的粉塵主要在慣性作用下沿路徑一向掘進(jìn)司機(jī)處運(yùn)移，絕大部分在重力作用的主導(dǎo)下沉降于司機(jī)前部，而粒徑小于100 μm的粉塵則從上述兩條路徑向掘進(jìn)工作面后方運(yùn)移，且粒徑越小越不易沉降。

4 現(xiàn)場測試分析

4.1 測試方法

現(xiàn)場測試中，綜掘巷道的粉塵測點(diǎn)布置如圖5所示。在編號為A～G的7個(gè)斷面中，斷面A位于掘進(jìn)機(jī)司機(jī)所在的平面，斷面B～G與斷面A的距離分別為3、5、9、15、20、30 m。每個(gè)斷面中并排布置6個(gè)測點(diǎn)，其中，測點(diǎn)1、3、5距離回風(fēng)側(cè)煤壁0.5 m，測點(diǎn)2、4、6距回風(fēng)側(cè)1.5 m；測點(diǎn)1、2距底板0.8 m，測點(diǎn)3、4距底板1.5 m，處于工人呼吸帶高度上，測點(diǎn)5、6距底板2.0 m。基于濾膜稱重法，利用粉塵采樣器測定掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)的粉塵濃度，測試結(jié)束后，將每個(gè)斷面測得的6個(gè)粉塵濃度值求平均值，作為該斷面處粉塵濃度測定值。為進(jìn)一步揭示不同粒徑粉塵的沉降規(guī)律，采用粒度分析儀對巷道斷面A、C、D、E、G中測點(diǎn)3(礦工呼吸帶高度)的濾膜粉塵進(jìn)行粒度分析。

圖5 粉塵濃度測點(diǎn)布置

4.2 粉塵濃度分布規(guī)律

通過計(jì)算，得到的粉塵濃度沿程分布曲線如圖6所示。

圖6 掘進(jìn)巷道內(nèi)粉塵濃度沿程分布曲線

由圖6可見：①掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置(A處)粉塵質(zhì)量濃度為780.6 mg/m3，污染最嚴(yán)重，由A至B時(shí)，粉塵由掘進(jìn)機(jī)機(jī)身與巷道壁面之間的狹小空間向工作面后側(cè)逸散，此過程粉塵濃度的下降主要體現(xiàn)為大粒徑粉塵的重力沉降；②C處粉塵濃度下降至約B處的1/2，兩點(diǎn)之間粉塵濃度降幅最大，原因?yàn)?B處位于掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾前部，粉塵集中在相對狹小的空間內(nèi)，C處位于機(jī)尾后2 m，粉塵濃度通過空間的變大而瞬間得到稀釋；③從D處開始，粉塵濃度降幅逐漸減小，粉塵下降趨勢逐漸趨于平緩；④可將粉塵的沿程沉降劃分為3個(gè)分區(qū)，即粉塵的急速沉降區(qū)(A～C)、中速沉降區(qū)(C～E)及慢速沉降區(qū)(E～G)。

4.3 粒度分布規(guī)律

通過分析得到的粉塵粒度分布曲線如圖7和圖8所示。

圖7 不同斷面處呼吸帶高度粉塵粒度分布曲線

圖8 不同粒徑范圍下粉塵粒度分布曲線

從圖7和圖8可以看出，在距司機(jī)位置0～30 m內(nèi)：①巷道礦工呼吸帶高度的粉塵粒徑主要集中在50 μm以下，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為93.9%～95.8%，粒徑 50～100 μm的粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.4%～5.2%，粒徑大于100 μm的粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～1.9%，說明粒徑大于50 μm的粉塵主要在司機(jī)前方沉降；②當(dāng)粉塵粒徑小于40 μm時(shí)，篩上累計(jì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)R皆隨著與司機(jī)距離的增大而減小，粒徑大于40 μm時(shí)無類似特定規(guī)律，筆者將d=40 μm稱之為粉塵的“拐點(diǎn)粒徑”；③在斷面G處，粒徑小于10 μm的粉塵質(zhì)量百分?jǐn)?shù)增至A處的2.1倍，粒徑小于20 μm、小于30 μm、小于40 μm的粉塵質(zhì)量百分?jǐn)?shù)則分別增至A處的 1.5倍、1.3倍和1.1倍，說明粉塵越細(xì)越不易在空氣中沉降。

5 結(jié)語

1)通過數(shù)值模擬，得到了綜掘工作面粉塵主要集中在距工作面端頭5 m的范圍內(nèi)，在礦工呼吸帶高度上回風(fēng)側(cè)的粉塵濃度明顯大于壓風(fēng)側(cè)，工作面粉塵主要沿回風(fēng)側(cè)煤壁和掘進(jìn)機(jī)機(jī)身之間、掘進(jìn)機(jī)機(jī)身與巷道頂板之間向端頭后方運(yùn)移。

2)通過現(xiàn)場測試分析，可將綜掘工作面粉塵的沿程沉降劃分為急速沉降區(qū)、中速沉降區(qū)及慢速沉降區(qū)。

3)通過分析濾膜粉塵的粒度分布，得出粒徑大于50 μm的粉塵易在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)前方沉降，小于“拐點(diǎn)粒徑”(40 μm)的粉塵在空氣中不易沉降，其在浮游粉塵中的占比隨著與掘進(jìn)機(jī)司機(jī)距離的增大而逐漸增大。

4)綜掘工作面在采取降塵措施時(shí)應(yīng)遵循3個(gè)原則：一是可采取煤層注水措施預(yù)濕煤體，降低作業(yè)時(shí)粉塵的飛揚(yáng)；二是就地消滅塵源處的粉塵；三是在粉塵逸散路徑上布置降、除塵設(shè)備，切斷掘進(jìn)工作面粉塵的逃逸路徑。