姬玉成, 樓建國, 張留祥, 黃建功

(1. 西南科技大學 環(huán)境與資源學院, 四川 綿陽 621010; 2. 四川師范大學 工學院, 四川 成都 610101)

隨著煤炭生產(chǎn)機械化的推進,煤礦井下生產(chǎn)效率大幅提高,同時井下粉塵產(chǎn)生量也越來越大.局部聚集的高濃度粉塵不僅存在粉塵爆炸危險[1-2],而且嚴重影響井下一線作業(yè)人員的職業(yè)健康,增大員工患塵肺病[3-4]的幾率.此外,高濃度的粉塵還加快井下機械設(shè)備的磨損[5],降低員工可視范圍[6],降低作業(yè)效率等.綜采工作面是煤礦粉塵的重要產(chǎn)塵點之一,采取內(nèi)外噴霧措施后,粉塵質(zhì)量濃度一般為400～800 mg/m3,局部甚至超過1 000 mg/m3,產(chǎn)塵量占礦井粉塵總量60%左右[7-8],是煤礦井下粉塵治理的重點區(qū)域,迫切需要有效措施控制粉塵.掌握綜采面粉塵運動變化對采取有效措施降低粉塵過高濃度十分關(guān)鍵.目前,國內(nèi)綜采工作面現(xiàn)場實際主要防塵措施是工作面通風[9]、采煤機內(nèi)外噴霧[10]、架間噴霧[11]與煤層注水[12-13]等.國外礦山因采場空間較大和技術(shù)條件等原因,較多采用除塵器[14]除塵,同時也較多的應(yīng)用了化學降塵材料[15].部分科研人員也采用實測、相似模擬與數(shù)值分析等方法對礦井粉塵在工作面空間的分布、沿工作面方向的運動規(guī)律及風速、濕度等影響因素進行了研究.本文采用數(shù)值分析方法通過FLUENT軟件對綜采工作面粉塵運動變化進行模擬研究[16-18].

1 建立幾何模型

模型以四川煤礦井下實際工作面為對象,選擇采用U型通風方式和綜合機械化開采的走向長壁式回采工作面為原型.根據(jù)綜采面具體情況,工作面斷面尺寸長方形部分為4 m×3.5 m,倒梯形部分上下底及高分別為1.5 m×3.5 m×1.8 m.綜采工作面上有綜合機械化采煤機、刮板輸送機、液壓支架等各種設(shè)備,風流多屬湍流運動,流場復(fù)雜多變.根據(jù)模擬研究目的的需要,本文在使用GAMBIT軟件建立幾何模型并劃分計算網(wǎng)格過程中,工作面傾斜長度設(shè)置為100 m.同時,對工作面粉塵擴散計算區(qū)間和部分參數(shù)進行適當?shù)暮喕驮O(shè)定.

1) 采用離散相(DPM)隨機軌道模型[19-20]對顆粒運動進行分析;

2) 粉體顆粒為球形顆粒;

3) 顆粒只受到重力、浮力以及氣流阻力的作用,其余力忽略不計;

4) 工作面斷面形狀視為長方形與倒梯形的組合;

5) 假設(shè)顆粒碰到煤壁后不再反彈,即顆粒被捕捉.

在上述基礎(chǔ)上用GAMBIT建立綜采工作面的幾何模型,并劃分計算網(wǎng)格,如圖1所示.

2 設(shè)定邊界條件與模型參數(shù)

根據(jù)綜采工作面實際情況,滾筒割煤作業(yè)產(chǎn)塵量是綜采工作面粉塵產(chǎn)生的主體,此處粉塵產(chǎn)生強度最大.模擬主要考察滾筒割煤作業(yè)產(chǎn)生的粉塵在后部空間的運動、沉降狀態(tài),在模型中設(shè)定滾筒位置為粉塵源.模型中,采煤機位置設(shè)置在距機巷端頭20 m處.為分析風速對粉塵分布、運移及沉降的影響,本次數(shù)值模型計算中設(shè)計1、1.5、2 m/s 3種工況模擬3組氣流速度.確定邊界條件及數(shù)值模擬的其他各主要參數(shù)如表1所示.

表 1 數(shù)值計算模型邊界條件及主要參數(shù)設(shè)定

3 數(shù)據(jù)分析

幾何模型和網(wǎng)格劃分完成后,通過計算流體力學FLUNT軟件進行解算.

3.1風速對小顆粒粉塵沉降的影響在風速相同的情況下,對于粒徑1～10 μm小顆粒粉塵,粉塵顆粒粒徑越大通風降塵率越高;在粉塵粒徑相同的情況下,隨通風風速越大,粉塵顆粒的通風降塵率越低,如圖2所示.顯然,對于顆粒較小的呼吸性粉塵,通風斷面風速越高反而越不利于粉塵的自由沉降;受工作面通風需要的限制,通過調(diào)節(jié)通風手段來控制粉塵難以起到顯著效果.

3.2粉塵在工作面空間運動的宏觀定性分析根據(jù)粉塵在建立的三維模擬回采空間中質(zhì)量濃度變化狀態(tài),可以分析得出:

1) 粉塵距離煤壁0.5 m,平行于煤壁面的回采工作面剖面的質(zhì)量濃度分布,受塵源直接影響,從塵源高質(zhì)量濃度逐漸降低,在剖面上粉塵覆蓋面積向風流方向延伸擴大.這表明粉塵自塵源開始,在風流的揚散作用下,粉塵分布完成了從一點到一定空間的擴散.從粉塵治理角度分析,降低高度集中微團狀存在的粉塵遠遠比降低擴散在大空間的分散狀粉塵的難度小.因此,從模擬結(jié)果和粉塵源頭治理的觀念考慮,治理粉塵應(yīng)充分認識到粉塵擴散前的時間和空間優(yōu)勢對于治理粉塵效果的重要性.

2) 粉塵距離煤壁1 m,平行于煤壁面的回采工作面剖面的粉塵質(zhì)量濃度分布,距煤壁面距離增加,其粉塵峰值濃度區(qū)域位于距離煤壁面近的剖面粉塵直接產(chǎn)生源的后方,且其剖面上粉塵質(zhì)量濃度具有從低濃度向峰值濃度上升的過程.這表明在粉塵產(chǎn)生后具有擴散的初始階段,粉塵在工作面方向和與之垂直的煤壁到采空區(qū)方向2個方向上存在同步擴散,在粉塵源后方10～20 m內(nèi)形成粉塵質(zhì)量濃度峰值區(qū)域,之后粉塵質(zhì)量濃度逐漸降低.

3.3沿工作面方向各高程位置處粉塵質(zhì)量濃度變化分析圖3～5為回采工作面距煤壁面分別為0.5、1、1.5 m處,空間高度上距底板分別為0.5 、1 、1.5 和2 m位置處的粉塵質(zhì)量濃度曲線圖.

分析圖3～5,可以看出:

1) 距底板0.5 m、距煤壁0.5 m高度處,在沿工作面方向上粉塵質(zhì)量濃度從割煤處峰值濃度逐漸下降,原因主要是此位置割煤作業(yè)點靠近煤壁,為粉塵集中的區(qū)域.在后方區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度變化受到粉塵粒徑不同,沉降方式不同的影響.在粉塵源即采煤機滾筒后方20～50 m范圍內(nèi),塵源后方不同高程處的粉塵質(zhì)量濃度逐漸下降,并趨于一致特點.在粉塵源后方工作面方向的這段距離上,較大顆粒的粉塵主要依靠重力沉降,難以長時間自由懸浮在空氣中,絕大部分較大顆粒粉塵在沿工作面方向的運移中沉降下來;同時,以呼吸性粉塵為主的小顆粒粉塵受靜電作用等因素影響顯著,呈現(xiàn)布朗運動狀態(tài),完成向空間的均勻化擴散,并長時間懸浮在空氣中,這2個過程在此段距離內(nèi)同時存在.

2) 距底板1和1.5 m高度,沿工作面方向上,各高程位置處的粉塵質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出在塵源后方的較短距離內(nèi)快速上升,粉塵質(zhì)量濃度峰值主要出現(xiàn)在滾筒后方10～20 m的范圍內(nèi).距離煤壁1、1.5 m不同高程處粉塵質(zhì)量濃度曲線出現(xiàn)峰值是粉塵源產(chǎn)生的粉塵向空間擴散移動的結(jié)果.其中,粉塵峰值濃度呈現(xiàn)隨距離煤壁距離的增加而減小.達到粉塵質(zhì)量濃度峰值之后,在后方較長距離上緩慢變化并同樣呈現(xiàn)出逐漸趨于一致的特點.

3.4工作面斷面上粉塵質(zhì)量濃度變化分析圖6反映了在同一工作面斷面距煤壁不同距離處粉塵擴散規(guī)律.同一斷面上,距煤壁0.2、0.5 m處粉塵質(zhì)量濃度由峰值濃度開始下降;距煤壁1、1.5 m處,粉塵質(zhì)量濃度逐步上升至峰值濃度.這說明粉塵產(chǎn)生后,粉塵在工作面斷面上,也存在由塵源區(qū)域向非塵源區(qū)域的擴散過程.在非塵源區(qū)域,粉塵質(zhì)量濃度具有一個上升過程.

3.5工作面粉塵運動的綜合分析綜合以上分析,結(jié)合多個礦井綜采工作面粉塵狀況,綜采工作面產(chǎn)塵點后方形成3個粉塵運移帶.

1) 粉塵快速擴散帶.此帶位于粉塵源(即采煤機滾筒)后20 m范圍內(nèi),大顆粒粉塵和呼吸性粉塵同時向全斷面快速擴散,粉塵質(zhì)量濃度達到峰值.此運移帶也正是取得工作面降塵效果的關(guān)鍵區(qū)域和重中之重.

2) 呼塵彌漫帶.快速擴散帶后為呼塵彌漫帶.在此帶,粒徑較大的粉塵顆粒開始緩慢沉降,粒徑較小的粉塵繼續(xù)向整個工作面空間彌漫,長時間懸浮,難以沉降.此運移帶可達40 m以遠.

3) 穩(wěn)定懸浮帶.在沿工作面方向,呼塵彌漫帶后方形成粉塵穩(wěn)定懸浮帶.此帶,粉塵主要組成是小粒徑呼吸性粉塵,因靜電等多因素長時間穩(wěn)定懸浮在巷道空間,沒有外界降塵措施的情況下,粉塵質(zhì)量濃度基本保持不變.穩(wěn)定懸浮帶存在距離通常可以延至回風巷數(shù)十米遠.

各運移帶在工作面方向的實際存在距離受到風速、斷面面積、生產(chǎn)設(shè)備、粉塵分散度等因素影響.在實際生產(chǎn)過程中,因采煤機割煤作業(yè)不停運動,各粉塵運移帶存在相互疊加的影響.

根據(jù)回采工作面粉塵階段性運動變化特點和粉塵源頭治理需要,綜采工作面應(yīng)該以粉塵快速擴散帶作為粉塵治理的關(guān)鍵區(qū)域.在此運移帶,粉塵質(zhì)量濃度高,空間集中度高,除塵降塵具有空間優(yōu)勢;若粉塵擴散之后,單位空間的粉塵顆粒數(shù)量降低,與水霧顆粒接觸的幾率降低,這導(dǎo)致噴霧等降塵措施的降塵效果降低.

4 結(jié)論

1) 在相同粒徑下的粉塵顆粒,通風風速越大,粉塵顆粒的通風降塵率越低.通風降塵措施對于小顆粒粉塵難以起到顯著作用.

2) 結(jié)合采面粉塵運動分布特點,將采面產(chǎn)塵點后方劃分為3個粉塵運移帶,即粉塵快速擴散帶、呼塵彌漫帶、穩(wěn)定懸浮帶.

3) 根據(jù)回采工作面粉塵階段性運動、變化特點和粉塵有效治理的需要,確定回采工作面控塵應(yīng)該以粉塵快速擴散帶降塵作為關(guān)鍵區(qū)域.

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