陳建忠

（中國平煤神馬控股集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467000）

1 引言

綜掘工作面作為礦井主要產(chǎn)塵點(diǎn)之一，粉塵污染問題十分突出[1-3]。高濃度粉塵場不僅嚴(yán)重威脅井下職工的身心健康，同時也會誘發(fā)粉塵爆炸事故，導(dǎo)致大量人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。此外，粉塵還會嚴(yán)重降低井下能見度，導(dǎo)致攝像頭、傳感器等高精度儀器無法正常工作，阻礙了智能化開采技術(shù)的發(fā)展[4-7]。平煤股份六礦戊10-22220 綜掘工作面不僅是高瓦斯煤層，同時煤體疏水性較大，干式除塵及常規(guī)水噴霧降塵并不適用該工作面。此外，該工作面水壓不穩(wěn)定且風(fēng)量較大，致使現(xiàn)有霧場無法有效覆蓋產(chǎn)塵區(qū)域。為提高戊10-22220 綜掘工作面粉塵防治效率，采用數(shù)值模擬的方法研究巷道風(fēng)流及粉塵時空運(yùn)移分布規(guī)律，根據(jù)模擬結(jié)果，合理布置噴霧裝置，達(dá)到更好的降塵效果。

2 數(shù)學(xué)模型

綜掘工作面實(shí)際生產(chǎn)過程中，巷道中含塵氣流中粉塵所占體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于10%，因此選用歐拉-拉格朗日模型進(jìn)行模擬計(jì)算[8]。

2.1 風(fēng)流流動數(shù)學(xué)模型

掘進(jìn)巷道風(fēng)流可視為連續(xù)相流體，適用于歐拉法，其流動滿足連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。將空氣視作不可壓縮氣體，連續(xù)性方程簡化[9]：

式中：u、v、w分別為連續(xù)相速度矢量沿x、y、z方向分量，m/s。

動量方程（N-S 方程）可表示：

其中：μt=ρ·Cμ·k2/ε

式中：ρ為連續(xù)相密度，kg/m3；t為時間，s；k為湍流動能，m2/s2；ε為湍動能耗散率，m3·s2；μ為層流黏性系數(shù)，Pa·s；μt為湍流黏性系數(shù)，Pa·s；Cμ為常數(shù)，Cμ=0.09。

2.2 粉塵流動數(shù)學(xué)模型

將粉塵顆粒視為離散相隨風(fēng)流流動，適用于拉格朗日法，主要受到重力、浮力和阻力等力的作用，連續(xù)相與離散相相互作用，粉塵顆粒的控制方程[10]：

式中：FD為顆粒單位質(zhì)量阻力，N；μp為離散相流速，m/s；ρp為粉塵密度，kg/m3；Re為雷諾數(shù)，無因次量；dp為顆粒直徑，m；CD為阻力系數(shù)，無因次量；α1、α2和α3為常數(shù)。

3 高瓦斯綜掘面風(fēng)流及粉塵運(yùn)移規(guī)律

3.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

戊10-22220 綜掘工作面巷道設(shè)計(jì)長度1900 m，斷面呈梯形，內(nèi)幫高度3 m，外幫高度3.8 m，寬5.2 m，工作面需風(fēng)量534 m3/min。為便于模擬，簡化了掘進(jìn)巷道，取距離迎頭50 m 巷道長度作為研究對象，采用Solidworks 建模軟件建立全尺寸物理模型，再利用ICEM 軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸0.4 m，最小尺寸為1.55×10-5m，對物理模型不同部位單獨(dú)進(jìn)行尺寸加密調(diào)整，從而得到非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最小網(wǎng)格質(zhì)量超過0.3，滿足計(jì)算需求。物理模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1 所示。

圖1 物理模型與網(wǎng)格劃分

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)設(shè)置

經(jīng)過現(xiàn)場取樣，采用激光粒度分析儀進(jìn)行粒度測試，得到粉塵顆粒的最大、最小、中位粒徑并計(jì)算出粉塵分散度系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場粉塵濃度測量結(jié)果，計(jì)算出離散相噴射源的質(zhì)量流率[11]。具體模擬參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 邊界條件及粉塵顆粒主要參數(shù)設(shè)置

3.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證Fluent 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，對掘進(jìn)工作面現(xiàn)場進(jìn)行了風(fēng)速實(shí)測，并對實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。在迎頭后方5 m 處（進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)行人通道1.8 m 和0.5 m 高度）、掘進(jìn)機(jī)后方15 m 處（回風(fēng)側(cè)與巷道中部1.8 m 和0.5 m 高度）布置測點(diǎn)，采用CFD25 煤礦用電子式風(fēng)速表在每個測點(diǎn)測量3 次并將測量結(jié)果取平均值。為使模擬風(fēng)流趨于穩(wěn)定，計(jì)算100 s 后再提取風(fēng)速數(shù)據(jù)，與實(shí)際測量進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 風(fēng)速模擬值與實(shí)測值對比

由圖2 可知，模擬風(fēng)速與實(shí)測風(fēng)速數(shù)值差距較小，相對誤差最大為17.85 %，小于20 %，平均誤差為8.51 %，且模擬風(fēng)速與實(shí)測風(fēng)速具有相似的分布規(guī)律，故認(rèn)為模型計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1）掘進(jìn)巷道流場分析

由圖3 可知，巷道風(fēng)流整體呈現(xiàn)螺旋式向巷道后方運(yùn)移，由掘進(jìn)機(jī)回風(fēng)側(cè)向上運(yùn)移至頂板附近，在巷道中部風(fēng)流流線集中至外幫側(cè)，這使得巷道距離迎頭約25 m 位置處風(fēng)速相對較大，此后風(fēng)流流線又在巷道后方逐漸擴(kuò)散并逐漸趨于平行，這表明巷道后段風(fēng)速逐漸降低且趨于均勻穩(wěn)定。同時，風(fēng)筒出風(fēng)口前端射流區(qū)風(fēng)速基本維持較大入射速度不變，射流受迎頭壁面影響向四周橫向偏移，其中少部分風(fēng)流運(yùn)移至外幫頂板角落形成高速渦流區(qū)，風(fēng)速在2.5 m/s 以上，大部分風(fēng)流沿迎頭壁面經(jīng)截割處到達(dá)回風(fēng)側(cè)，這會將截割處產(chǎn)生的大量粉塵攜帶至回風(fēng)側(cè)區(qū)域。

圖3 三維空間風(fēng)速-流線分布圖

此外，從圖3 可以看出，掘進(jìn)機(jī)搖臂外幫側(cè)風(fēng)流紊亂，在高度1.75 m 左右處存在渦流區(qū)，流線稀疏，風(fēng)速在1 m/s 左右。而回風(fēng)側(cè)是迎頭風(fēng)流向巷道后方流動的主要通道，此處風(fēng)速可達(dá)3 m/s 以上，這股風(fēng)流受到巷道壁面的限制沿壁面向頂板流動，使掘進(jìn)機(jī)上方高度約3 m 處風(fēng)流流速較大，而高度2 m 處由于搖臂的阻礙風(fēng)速相對較小。掘進(jìn)機(jī)后方區(qū)域風(fēng)流受到機(jī)身的阻擋，風(fēng)速較小，風(fēng)流在距迎頭25 m 處風(fēng)流流線主要集中至風(fēng)筒附近，距離大于25 m 的巷道空間中風(fēng)流流線擴(kuò)散至巷道外幫和底板附近。巷道整體風(fēng)速差別不大，風(fēng)速分布均勻，維持在1 m/s 以下。風(fēng)速降低不利于懸浮在空中的粉塵擴(kuò)散和及時排出，增加粉塵在巷道中的停留時間，從而污染巷道環(huán)境。

2）粉塵濃度分布分析

據(jù)現(xiàn)場截割作業(yè)時長，待風(fēng)流穩(wěn)定后加入粉塵顆粒，計(jì)算100 s后，在模型高度方向上設(shè)置0.5 m（底板附近）、1.75 m（呼吸帶高度附近）、2 m（掘進(jìn)機(jī)司機(jī)高度）、3 m（頂板附近）4 個不同截面，距離方向上設(shè)置距迎頭1 m（迎頭附近）、5 m（掘進(jìn)機(jī)搖臂處）、8 m（掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處）、15 m、25 m、35 m 等6 個不同截面，在不同截面上繪制離散相顆粒濃度云圖，得到各截面粉塵質(zhì)量濃度分布情況，如圖4 所示。

圖4 不同位置粉塵濃度分布圖

如圖4（a）所示，綜掘面截割迎頭粉塵分布較為紊亂，且截割頭附近粉塵濃度較高；截割處產(chǎn)生的大量粉塵隨著風(fēng)流運(yùn)動，運(yùn)移到巷道頂板和內(nèi)幫回風(fēng)側(cè)，平均濃度超過3000 mg/m3，這與風(fēng)流流場分析結(jié)果一致。

結(jié)合圖4（b）分析可知，在距離迎頭壁面z=5 m 的截面上，由于風(fēng)流攜帶大量粉塵運(yùn)移至回風(fēng)側(cè)與頂板附近，使得回風(fēng)側(cè)和頂板附近粉塵濃度增大，達(dá)到1500 mg/m3以上，而在距離z=8 m 處掘進(jìn)機(jī)外幫側(cè)粉塵濃度亦較大，結(jié)合前文風(fēng)流流場分析可知此處存在低速渦流區(qū)，隨風(fēng)流運(yùn)移至此的粉塵在此停留聚集。

通過圖4（a）中y=2 m、y=3 m 和圖4（b）中z=5 m、z=8 m 位置粉塵濃度分布圖可知：在掘進(jìn)機(jī)上方2 m 高度處粉塵濃度達(dá)到1000 mg/m3以上，這是由于大量粉塵隨風(fēng)流運(yùn)移至掘進(jìn)機(jī)上方3 m 處的頂板附近，而2 m 高度處風(fēng)速較低，部分粉塵憑借自身重力發(fā)生沉降，這使得該處下方掘進(jìn)司機(jī)位置粉塵濃度增大，影響司機(jī)正常作業(yè)。

此外，結(jié)合圖3 分析可知，掘進(jìn)機(jī)后方粉塵分布與風(fēng)流分布密切相關(guān)。在距迎頭z=15 m 斷面處粉塵隨風(fēng)流沿巷道壁面運(yùn)移，高粉塵濃度主要集中在巷道頂板和外幫側(cè)附近；而在z=25 m 處風(fēng)流流速減小，粉塵隨風(fēng)流聚集在風(fēng)筒附近并發(fā)生沉降，巷道后端風(fēng)速較低，粉塵主要沉降在巷道底板附近，巷道中部濃度降低至500 mg/m3以下，大量小粒徑粉塵仍然懸浮于巷道中上部無法快速排出。

4 平煤六礦綜掘面粉塵防治措施及應(yīng)用

4.1 平煤六礦戊10-22220 綜掘面概況

通過對戊10-22220 機(jī)巷掘進(jìn)工作面現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該掘進(jìn)面在掘進(jìn)過程中其粉塵產(chǎn)生源主要包括3 個：掘進(jìn)機(jī)切割破碎煤體、扒裝機(jī)扒裝及煤體轉(zhuǎn)載運(yùn)輸過程產(chǎn)塵。此外，由于平煤六礦戊10-22220機(jī)巷掘進(jìn)工作面為瓦斯煤層，因此為了降低瓦斯含量，其局部風(fēng)機(jī)供風(fēng)量較大，易形成紊亂風(fēng)流，卷吸部分掘進(jìn)頭粉塵，使得掘進(jìn)機(jī)在工作過程中截割頭粉塵濃度高達(dá)3000 mg/m3以上，導(dǎo)致井下職工工作環(huán)境十分惡劣。目前，該綜掘工作面主要采用水噴霧降塵技術(shù)，由于綜掘面水壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致噴霧射程及覆蓋范圍較小，無法有效覆蓋塵源點(diǎn)，導(dǎo)致現(xiàn)有噴霧降塵效果不佳，無法滿足相關(guān)要求。

為此，基于風(fēng)流及粉塵運(yùn)移分布規(guī)律數(shù)值模擬結(jié)果，為了實(shí)現(xiàn)對綜掘面截割迎頭這一主要塵源點(diǎn)的高效防治，該文基于所研發(fā)的新型氣水噴霧裝置及水幕簾形成相應(yīng)的噴霧場及水幕對截割粉塵及逸散粉塵進(jìn)行高效捕捉。

4.2 平煤六礦綜掘面粉塵防治方法

1）新型氣水噴霧裝置霧化封閉截割塵源

通過數(shù)值模擬分析，迎頭截割處塵源應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注，而現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)外噴霧采用靜壓水管路供水，供水壓力不足，現(xiàn)有外噴霧難以形成高射程霧場，無法有效對塵源點(diǎn)包裹，導(dǎo)致大量粉塵無法得到有效沉降而發(fā)生逸散。為此，該文采取在掘進(jìn)機(jī)搖臂上方及兩側(cè)安裝所研發(fā)的新型氣水噴霧裝置，基于氣水兩相流霧化原理，以壓力水和壓縮空氣作為動力，在低水壓條件下取得良好的霧化效果。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用表明：該裝置通過形成具有霧化性能好、射程遠(yuǎn)的噴霧場，能對截割頭形成良好霧化封閉噴霧場，從源頭減少粉塵產(chǎn)生并實(shí)現(xiàn)粉塵的高效捕捉。

2）水幕簾

針對巷道后方長期懸浮于空氣中的粉塵無法有效沉降的問題，采取在掘進(jìn)機(jī)后方安裝水幕簾的方式將氣流中的浮塵阻隔沉降。在距離迎頭20 m 處設(shè)置一道水幕簾，通過優(yōu)化噴嘴噴射方向，實(shí)現(xiàn)水霧在水幕簾上形成致密的水膜，粉塵穿過水幕簾時，水膜能對粉塵實(shí)現(xiàn)高效捕捉。為了便于人員進(jìn)出及物體運(yùn)輸，捕塵網(wǎng)一側(cè)設(shè)有小門便于人員設(shè)備通過。

4.3 應(yīng)用效果分析

為測試粉塵防治措施的應(yīng)用效果，在戊10-22220 工作面設(shè)置了3 個粉塵采樣點(diǎn)：測點(diǎn)1 位于掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處，測點(diǎn)2 位于掘進(jìn)機(jī)下風(fēng)側(cè)15 m，測點(diǎn)3 位于掘進(jìn)機(jī)下風(fēng)側(cè)30 m。通過對3 個采樣點(diǎn)在相同生產(chǎn)條件下分別進(jìn)行采樣，得出相應(yīng)測點(diǎn)的粉塵濃度，計(jì)算得到相應(yīng)的降塵效率，如圖5 所示。

圖5 不同測點(diǎn)降塵效率

應(yīng)用結(jié)果表明：采用所構(gòu)建新型降塵噴霧場，平煤股份六礦戊10-22220 機(jī)巷綜掘工作面工作環(huán)境得到了大幅改善，顯著降低了粉塵濃度，主要人員作業(yè)區(qū)域的平均總塵降塵效率86.44%，平均呼塵降塵效率82.88%，有力保障了井下職工的身心健康。

5 結(jié)論

1）掘進(jìn)面迎頭風(fēng)流擾動性較大，產(chǎn)塵量大，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)時產(chǎn)生的大量粉塵隨風(fēng)流向回風(fēng)側(cè)和頂板附近擴(kuò)散運(yùn)移，使迎頭附近粉塵平均濃度超過3000 mg/m3。因此，從掘進(jìn)面產(chǎn)塵源頭減少粉塵產(chǎn)量及控制粉塵逸散對礦井粉塵高效防治具有重要意義。

2）針對戊10-22220 綜掘工作面存在的粉塵問題，采用所研發(fā)的新型氣水噴霧裝置對截割粉塵實(shí)現(xiàn)霧場封閉覆蓋，以減少粉塵產(chǎn)生及降低粉塵濃度，同時結(jié)合水幕簾對截割逸散粉塵進(jìn)行二次降塵，綜掘面粉塵得到了有效防治，總粉塵降塵效率超過85%，呼吸塵降塵效率超過82%，顯著改善了井下工作環(huán)境。