陳舉師，蔣仲安，譚 聰

(教育部金屬礦山高效開采與安全重點實驗室(北京科技大學)，100083北京)

巷道掘進是煤礦開采的重要環(huán)節(jié)之一.近年來，由于掘進設備機械化程度不斷提高，且日常生產任務逐步加劇，粉塵污染的問題日益突出.煤礦粉塵的主要危害之一體現在塵肺病方面，巖巷綜掘工作面較之煤巷掘進，其粉塵源一般含有較多的二氧化硅，會對井下工人身體健康造成更大的危害.目前多數煤礦的平巷掘進均采用壓入式通風方式，從壓風風筒導出的風流直接吹入掘進工作面，將采落物中的粉塵揚起，使這些粉塵隨風流沿巷道移動，部分浮游粉塵進入新鮮風流中，造成了嚴重的粉塵污染［1-3］.

對此國內外專家學者進行了大量研究，一般通過使用長壓短抽混合式通風方式予以解決.長壓短抽混合式通風方式就是在巷道中鋪一趟較短的抽出式風筒，使之與除塵器配合.再沿掘進工作面鋪一趟較長的壓入式風筒，并在風筒前端使用附壁風筒技術，使壓風經附壁風筒的縫隙與工作面前壁構成一定的夾角進入工作面.根據國內外實踐，采用附壁風筒后，其附壁效應使壓入風流在工作面附近形成一道氣幕，能阻止工作面含塵氣流向外擴散，取得了較好的除塵效果.目前國內外專家學者對綜掘工作面長壓短抽混合式通風除塵系統(tǒng)的現場布置方式的研究比較多，主要采用了理論分析、相似實驗及現場試驗等研究手段，而對于綜掘工作面混合式通風除塵系統(tǒng)條件下粉塵質量濃度分布規(guī)律的研究較少，主要采用現場試驗的手段對綜掘工作面的粉塵質量濃度分布進行粗略的測定，對使用混合式通風除塵系統(tǒng)時綜掘工作面的風流流場分布及粉塵質量濃度分布規(guī)律缺少比較全面的認識，導致對混合式通風除塵系統(tǒng)的應用效果也缺少較為直觀的判斷［4-6］.本文通過對巖巷掘進過程中采用壓入式通風、安裝附壁風筒、安裝除塵風機及同時安裝附壁風筒及除塵風機4種粉塵控制方案時的風流流場分布及粉塵質量濃度分布進行數值模擬研究，對比分析各種粉塵控制方案條件下的降塵效果，最終確定出降塵效果最優(yōu)的粉塵控制方案，以指導現場實施.

1 數學模型的選定

物質具有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三相，自然界和工程應用中通常會遇到多相流動問題，但是多相流系統(tǒng)中相的概念具有更為廣泛的意義.在多相流動中，“相”可定義為具有相同類別的物質，該類物質在所處的流動中具有特定的慣性響應并與流場相互作用.多相流動模式一般可以分為4類:氣液兩相流或液液兩相流、氣固兩相流、液固兩相流以及三相流.目前應用較多的離散相模型，本質上屬于氣固兩相流.處理多相流有兩種數值計算的方法:歐拉-拉格朗日法和歐拉-歐拉法.在 Fluent中的拉格朗日離散相模型遵循歐拉-拉格朗日法.在離散相模型中，流體相被處理為連續(xù)相，直接求解Navier-Stokes方程，而離散相是通過計算流場中大量的粒子、氣泡或液滴的運動得到的.離散相和流體相之間可以有動量、質量和能量的交換.該模型的一個基本假設:作為離散的第二相的體積比率應很低，對于體積率小于10%的氣泡、液滴和粒子負載流動，可以采用離散相模型.

2 幾何模型的建立及參數設定

2.1 現場概況

南翼皮帶運輸巷位于薛村礦井田南部，其施工目的是為了解決南翼地區(qū)正常生產時的煤巖運輸問題，服務年限為9 a.巷道直接頂板為黑灰色粉砂巖，平均厚度為7 m.老頂為石灰?guī)r，灰色，平均厚0.3 m左右.直接底板為灰褐色粉砂巖，平均厚度2.8 m.巷道斷面呈半圓拱形，采用U36鋼支護，規(guī)格為4 450 mm×3 200 mm.掘進過程中采用EBZ-315型綜掘機截割并自行裝煤(巖)，后跟溜子、皮帶接力運輸的施工方式.

南翼皮帶運輸巷在掘進過程中采取壓入式通風，目前配置FBDNo.6型局部通風機，功率為2×15 kW，供風距離約為400 m，局扇出風口處供風量為367 m3/min.風筒采用阻燃抗靜電的風筒布制作，直徑為600 mm，懸掛在巷道右?guī)?，懸掛高?.9 m，風筒出口距工作面迎頭4 m.

為了解決目前南翼皮帶運輸巷在掘進過程中粉塵質量濃度嚴重超標的問題，根據防塵專家的建議，初步制定了4種降塵方案:壓入式通風(目前使用)、安裝附壁風筒、安裝除塵器以及同時安裝附壁風筒及除塵器.根據設計要求，除塵器處理風量需達到269 m3/min，附壁風筒狹縫噴口處風速達到23 m/s，出風量約為275 m3/min，風筒前端錐形出風口風速達到 21 m/s，出風量約為92 m3/min.

2.2 幾何模型的建立

本文主要對薛村礦南翼皮帶運輸巷掘進工作面通風除塵系統(tǒng)進行模擬分析.由于工作面上有掘進機、皮帶、風筒等各種設備，且隨著防塵工作的開展，工作面內還會增加附壁風筒、除塵器等設備，粉塵內部擴散空間形狀較為復雜，無法作出準確的幾何模型.因此，文中對工作面粉塵擴散計算域進行以下適當的簡化:1)將工作面巷道斷面視為標準半圓拱.2)掘進機機身視為規(guī)則的長方體，掘進機搖臂、掘進頭、左右鏟板等部件均按照標準幾何體進行表示.3)壓入式風筒、抽風風筒及除塵器等視為規(guī)則的圓柱體;吸風口按照標準楔形體近似處理;不考慮巷道左幫風管、水管等對風流的影響.4)皮帶、支架等設備均按照平面邊界處理.

基于上述簡化過程，將掘進巷道的橫斷面模擬成底為4.4 m，高為3.2 m的標準半圓拱形，考慮要模擬加入附壁風筒及除塵器后對巷道風流及粉塵運動規(guī)律的影響，取巷道長為100 m，其中壓入式風筒出風口距迎頭4 m，附壁風筒前端距迎頭8 m，除塵器出風口距迎頭15 m.

運用Gambit建立掘進工作面的幾何模型，并進行計算網格劃分.網格劃分過程中，以網格數為自變量，以不同網格數下模擬結果中司機所在處呼吸帶高度粉塵質量濃度作為因變量，對比分析司機所在處粉塵質量濃度隨網格數的變化規(guī)律，以驗證網格獨立性.采用三維的Tet/Hybrid網格單元、TGrid網格類型分塊對模型進行網格劃分，網格基本尺寸為0.3 m，網格總數為473 004個，巖巷綜掘工作面三維幾何模型及網格劃分見圖1.

圖1 巖巷綜掘工作面三維幾何模型

2.3 參數設定及求解

根據薛村礦南翼皮帶運輸巷的具體情況及相關實測數據，結合數學模型和FLUENT的數值模擬方法，對邊界條件及相關參數進行設置，采用離散相模型(DPM)對巖巷綜掘工作面通風除塵系統(tǒng)的除塵效果進行模擬.首先通過計算連續(xù)相獲得風流流場的速度、湍流動能等基本信息，再在拉格朗日坐標下采用隨機軌道模型對單個粉塵顆粒進行軌道積分，得到單個顆粒的運動軌跡.通過大批量地跟蹤粉塵顆粒軌道就可以統(tǒng)計出粉塵質量濃度分布情況，最終求解出巖巷綜掘工作面通風除塵系統(tǒng)的除塵效果［7-15］.

3 數值模擬結果及分析

3.1 風流流動規(guī)律及分析

為了研究巖巷綜掘工作面在壓入式通風條件下，以及安裝附壁風筒、抽風除塵系統(tǒng)后風流流動情況的變化，針對不同現場條件，通過查看矢量圖，得出掘進工作面風流速度矢量v分布如圖2所示.圖中4種狀態(tài)依次分別為壓入式通風、安裝附壁風筒、安裝除塵器以及二者同時安裝情況下掘進工作面風流速度矢量分布.

從圖2可以看出:1)壓入式通風條件下，風流自巷道右?guī)惋L筒出風口高速噴射而出，在前方迎頭的阻礙下轉向巷道左幫，并以較大的速度向巷道后方區(qū)域擴散，風流主要集中在左側人行道區(qū)域，風流速度場分布極為不均.2)加入附壁風筒后，其前端的錐形出風口流出的少量風流，與壓入式風筒前端射流作用相似，能在迎頭附近區(qū)域形成逆時針旋轉的渦流;附壁風筒狹縫流出的大量風流在巷道斷面的影響下，在掘進機司機前方區(qū)域內形成一道逆時針旋轉的風墻，風流速度場分布比較均勻.3)安裝除塵器后，系統(tǒng)前端3個吸風口在除塵器負壓的作用下，將迎頭附近高速旋轉的風流匯集，并通過除塵器排出，在除塵器后方形成二次高速射流，巷道內風流速度場分布較為紊亂.4)同時安裝附壁風筒及除塵器，巷道內風流流場兼有二者獨立作用時的優(yōu)缺點，掘進機司機前方區(qū)域流場分布比較均勻，后方區(qū)域由于除塵器出風口的二次高速射流作用，流場分布較為紊亂.

圖2 巖巷綜掘工作面風流速度矢量分布

3.2 粉塵運動規(guī)律及分析

為了能直觀地了解粉塵顆粒在巖巷綜掘工作面的運動軌跡，在滿足人體肉眼觀察及計算機計算能力的前提下，在掘進機截割頭，左右鏟板位置處設置塵源，分別隨機產生150、50及50個粉塵顆粒，并跟蹤其運動軌跡，分別得出4種條件下巖巷綜掘工作面粉塵顆粒停留時間t的規(guī)律見圖3.

從圖3可以看出:1)粉塵顆粒自各塵源位置產生后，縱向隨風流方向運動，橫向隨機擴散，擴散過程中受到巷道壁面及設備表面的阻擋及捕捉作用，終止其運動軌跡.2)壓入式通風條件下，粉塵顆粒在巷道左幫夾角處大量聚集，軌跡線路比較單一;安裝附壁風筒條件下，粉塵顆粒最大限度地均勻分布在司機前方區(qū)域內，軌跡路線較為分散;安裝除塵器條件下，粉塵顆粒在吸風口位置處大量匯聚，司機后方區(qū)域粉塵顆粒較少;二者同時安裝時，司機前方區(qū)域粉塵顆粒分布比較均勻，且司機后方顆粒極少.3)壓入式通風、安裝附壁風筒、安裝除塵器及二者同時安裝條件下，塵源處產生的250個粉塵顆粒中，被捕捉數目分別為176、238、202、250個，其對應的最長停留時間分別為179、44、161、27 s.

圖3 巖巷綜掘工作面粉塵顆粒停留時間分布

3.3 粉塵質量濃度分布及分析

根據現場掘進工作面各塵源產塵量及產塵強度的結果，為掘進機3個主要塵源賦予相應的質量流率及初始速度等參數，得出巖巷綜掘工作面在4種條件下粉塵質量濃度ρ分布如圖4所示.

從圖4可以看出:1)從粉塵分布情況來看，壓入式通風時粉塵分布范圍最廣，幾乎遍布整個巷道空間，且數值較大;同時安裝附壁風筒及除塵器時粉塵分布范圍最小，距迎頭15 m之外范圍內，幾乎沒有粉塵存在;單獨安裝附壁風筒或除塵器時粉塵分布范圍介于兩者之間，且安裝附壁風筒時分布范圍較小.2)在附壁風筒逆時針旋轉風墻的作用下，大量粉塵顆粒被阻隔在司機前方區(qū)域內無法逸出，司機位置及其后方區(qū)域粉塵顆粒較少，粉塵質量濃度較低;安裝除塵器后，司機前方區(qū)域含塵氣流在吸風口前匯聚，并經除塵器凈化后排至巷道后方，其降塵效果取決于吸風口的吸風覆蓋范圍.3)司機位置處(距迎頭約為8 m)及其后方區(qū)域粉塵質量濃度值的大小，是判斷降塵效果優(yōu)劣的重要指標，由圖4可知，距迎頭8 m外巷道區(qū)域內，各條件下粉塵質量濃度值分別保持在 400、100、300、20 mg/m3以內，可見同時安裝附壁風筒及除塵風機時降塵效果最好.

圖4 巖巷綜掘工作面粉塵質量濃度分布

3.4 粉塵質量濃度沿程變化及分析

為研究掘進工作面粉塵質量濃度沿程變化情況，以壓入式通風條件為代表，沿巷道走向分別截取不同的線段進行對比分析.圖5為掘進巷道內不同斷面呼吸帶高度(H=1.5 m)粉塵質量濃度沿程變化圖，其中y=-1.7、0、1.4 m 分別表示掘進巷道左側人行道、皮帶機道及右側人行道.圖6為掘進巷道內左側人行道在不同高度下粉塵質量濃度沿程變化.圖7為壓入式通風、安裝附壁風筒、安裝除塵器及二者同時安裝條件下左側人行道呼吸帶高度粉塵質量濃度的沿程變化.

從圖5～7可以看出:1)在呼吸帶高度上，粉塵質量濃度均按照先急劇上升至最大值，后逐步緩慢下降的趨勢變化;在巷道前50 m內，左側人行道粉塵質量濃度較高，右側人行道較低;在后50 m內，隨著粉塵顆粒的擴散趨于穩(wěn)定，且人行道內粉塵顆粒被巷道壁面大量捕捉，人行道粉塵質量濃度均低于皮帶機道.2)在不同高度上，粉塵質量濃度變化規(guī)律與不同斷面變化規(guī)律相似，均為先急劇上升至一個最大值，后緩慢下降.整體來看，z=1.5 m高度粉塵質量濃度最大，以此高度為中心，沿上下兩側逐步降低，因此呼吸帶高度粉塵的控制是防塵工作的重中之重.3)不同現場條件下，粉塵質量濃度沿程變化趨勢均與壓入式通風條件保持一致.整體來看，降塵效果按優(yōu)劣進行排序為二者同時安裝、安裝附壁風筒、安裝除塵器、壓入式通風，在除塵器出口后方區(qū)域內，粉塵質量濃度分別保持在5、45、75、175 mg/m3以內.

圖5 不同斷面粉塵質量濃度沿程變化

圖6 不同高度粉塵質量濃度沿程變化

圖7 不同現場條件下粉塵質量濃度沿程變化

4 現場實測數據及分析

4.1 現場測量條件

本次現場測定是在薛村礦南翼皮帶運輸巷掘進工作面進行的.為了對比不同現場條件下巖巷掘進工作面的粉塵質量濃度分布情況，分別對壓入式通風、安裝附壁風筒、安裝除塵器及二者同時安裝條件下粉塵質量濃度進行測定.粉塵質量濃度測定期間，壓入式風筒出口實測風量為367 m3/min;使用附壁風筒后，其前端錐形出風口實測風量為88 m3/min，側面狹縫噴口處實測風量為279 m3/min;使用除塵風機時，其脫水器后方出口處實測風量為264 m3/min.

4.2 粉塵質量濃度測量方法

采用濾膜質量濃度法對薛村礦南翼皮帶運輸巷掘進工作面的粉塵質量濃度進行測定.測量儀器采用薛村礦提供的AKFC-92A防爆型粉塵采樣器，其原理是含有粉塵的空氣經氣泵吸入，通過濾膜，空氣中的粉塵被已知質量的濾膜采集，從而由濾膜的增量和采氣量計算出空氣中總粉塵的質量濃度，即

式中:ρ為空氣中的粉塵質量濃度，mg/m3;m1，m2分別為采樣前后的濾膜質量，mg;Q為采樣流量，L/min;t為采樣時間，min.

4.3 粉塵質量濃度測點布置

根據文獻［16］，在南翼皮帶運輸巷左側人行道 (y=-1.7 m)呼吸帶高度(H=1.5 m)平面沿程布置14個測點，各測點距離迎頭的長度分別為0、2、4、6、8、11、15、20、30、40、50、60、80、100 m.現場粉塵質量濃度測點布置見圖8.

4.4 現場測量結果及分析

根據確定的采樣方法，結合相應的測點布置，分別對壓入式通風、安裝附壁風筒、安裝除塵器及二者同時安裝條件下南翼皮帶運輸巷內粉塵質量濃度進行現場測定，每種條件下每個測點均進行至少3次的數據測定，并取平均值，整理后得不同現場條件下粉塵質量濃度分布如圖9所示.

從圖9可以看出:1)4種現場條件下掘進工作面內粉塵質量濃度沿程分布規(guī)律基本保持一致，沿程均呈現出先急劇上升至最大值，后逐步緩慢下降的變化趨勢.2)在距迎頭20 m外區(qū)域，壓入式通風、安裝附壁風筒、安裝除塵器及二者同時安裝條件下粉塵質量濃度分別為52～220、20～100、16.5～65.5、7～10.5 mg/m3.3)與壓入式通風條件下粉塵質量濃度相比，其他3種現場條件下粉塵質量濃度均有一定程度的降低，安裝附壁風筒、安裝除塵器及二者同時安裝條件下平均除塵率分別為 49.4%、67.1%及 86.2%.4)將現場實測數據與數值模擬結果進行對比分析發(fā)現，模擬結果與實測數據基本吻合，粉塵質量濃度變化規(guī)律基本保持一致.但整體比較之下，模擬結果與實測數據仍然存在一定偏差，這是由于在現場實測、模型建立及參數設定過程中均出現一定誤差所引起的.通過對比分析，驗證了模擬結果的準確性，說明運用離散相模型對巖巷綜掘工作面通風除塵系統(tǒng)進行模擬是合適的，模擬結果可信.

圖8 粉塵質量濃度測點布置

圖9 不同現場條件下粉塵質量濃度

5 結 論

1)通過對南翼皮帶運輸巷掘進工作面通風除塵系統(tǒng)的數值模擬以及現場應用研究可知，運用離散相模型對巖巷綜掘工作面通風除塵系統(tǒng)進行模擬是可行的，模擬結果與實測數據具有較好的一致性.

2)粉塵顆粒自塵源產生后，縱向隨風流方向運動，橫向隨機擴散.擴散過程中受到巷道壁面及設備表面的阻擋及捕捉作用，終止其運動軌跡.

3)粉塵質量濃度在掘進巷道內沿程先急劇上升至最大值，后逐步緩慢下降.在不同斷面內，前50 m左側人行道粉塵質量濃度最高，后50 m皮帶機道最高.在不同高度上，粉塵質量濃度以呼吸帶為中心沿上下兩側逐步降低.

4)根據現場實測數據可知，以壓入式通風條件為基準，安裝附壁風筒、安裝除塵器及二者同時安裝條件下平均除塵率分別為 49.4%、67.1%及 86.2%.針對4種降塵方案，降塵效果按優(yōu)劣排序:二者同時安裝、安裝附壁風筒、安裝除塵器、壓入式通風.

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