劉永立， 劉 迪， 沈 斌

(黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高校采礦工程重點實驗室， 哈爾濱 150022)

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全斷面快速掘進煤巷粉塵的分布規(guī)律

劉永立， 劉 迪， 沈 斌

(黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高校采礦工程重點實驗室， 哈爾濱 150022)

大柳塔煤礦全斷面快速掘進系統(tǒng)使用過程中，出現(xiàn)了巷道內(nèi)煤塵質(zhì)量濃度超標和錨桿機前方風(fēng)量不足問題。根據(jù)全斷面快速掘進設(shè)備的布置特點，設(shè)計了長壓短抽通風(fēng)方式降塵增風(fēng)。為預(yù)測長壓短抽通風(fēng)方式的效果，利用Gambit前處理軟件建立了掘進工作面物理模型。基于氣固兩相流和射流理論，采用離散相模型，利用Fluent軟件模擬工作面煤塵在不同抽壓風(fēng)量、不同抽壓風(fēng)口位置和不同抽吸比條件下粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律。該研究可以為長壓短抽通風(fēng)方式風(fēng)機設(shè)備的選型和布局提供科學(xué)依據(jù)。

掘進工作面； 煤塵運移； 氣固兩相流； Fluent； 離散相模型

0 引 言

煤巷掘進工作面是煤礦井下產(chǎn)生煤塵的主要場所，研究掘進工作面中的粉塵濃度在風(fēng)流場中的分布規(guī)律，對掘進工作面粉塵治理、減少粉塵危害、改善工作面作業(yè)環(huán)境具有重要意義[1]。我國煤礦巷道掘進通常使用壓入式通風(fēng)，這種通風(fēng)方式具有風(fēng)道密閉工程量少、維護費用低的優(yōu)點；回風(fēng)沿巷道流出，可帶走巷道內(nèi)大量粉塵及瓦斯氣體。隨著掘進機械化水平的提高，工作面的產(chǎn)塵量增大，導(dǎo)致巷道空間粉塵濃度進一步增大，單一的壓入式通風(fēng)不足以使粉塵從巷道中有效排出，造成大量粉塵由工作面擴散至整個巷道，對工人的健康造成嚴重影響[2]。為此，國內(nèi)外科技工作人員對于掘進工作面粉塵濃度分布規(guī)律做了大量分析研究，總結(jié)了掘進工作面總風(fēng)量、壓抽風(fēng)筒距離、抽吸比對掘進過程中粉塵濃度的影響，對我國掘進工作面除塵工作作出了貢獻。

神華神東公司大柳塔煤礦使用了全斷面快速掘進系統(tǒng)，由于巷道掘進距離長、巷道斷面大和單一巷道掘進方式，巷道內(nèi)煤塵濃度超標，錨桿機前方視線不清；錨桿機至工作面空頂區(qū)風(fēng)量嚴重不足；風(fēng)筒重疊段風(fēng)速小于《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的0.25 m/s要求[3-4]。針對大柳塔煤礦單巷全斷面快速掘進系統(tǒng)使用過程中出現(xiàn)的上述問題，需要對全斷面快速掘進系統(tǒng)的通風(fēng)除塵技術(shù)進行深入研究。根據(jù)全斷面快速掘進設(shè)備的布置特點，筆者設(shè)計了長壓短抽通風(fēng)方式降塵增風(fēng)。為了預(yù)測長壓短抽通風(fēng)方式的效果，利用Gambit前處理軟件建立掘進工作面物理模型；基于氣固兩相流和射流理論，采用離散相模型(DPM)；利用Fluent軟件模擬工作面煤塵在不同抽壓風(fēng)量、不同抽壓風(fēng)口位置和不同抽吸比條件下粉塵濃度分布規(guī)律。

1 工程概況

神華神東公司大柳塔煤礦52501回順設(shè)計掘進長度為4 849 m，為矩形錨網(wǎng)煤巷，斷面6.0 m×4.2 m，斷面積25.2 m2。采用全斷面高效掘進系統(tǒng)設(shè)備施工。全斷面煤巷高效掘進機QMJ4260完成破煤和裝煤工序；CMM10-30跨騎式十臂錨桿機和錨索鉆機完成巷道頂幫錨桿、錨索支護工序；DZY100/160/135可彎曲皮帶轉(zhuǎn)載機完成煤的轉(zhuǎn)載工序；由膠帶輸送機完成轉(zhuǎn)載后煤的連續(xù)運輸工序，從而形成掘進工作面割煤、裝煤、運煤、支護等工序全部機械化作業(yè)的施工方法。

通過對巷道內(nèi)環(huán)境和通風(fēng)除塵技術(shù)等因素的綜合分析，掘進工作面選用了長壓短抽通風(fēng)方式，并通過一臺對旋壓入式局部通風(fēng)機保證工作面正常通風(fēng)，另外安裝一臺抽出式濕式除塵風(fēng)機降低工作面粉塵濃度并配合壓入式風(fēng)機通風(fēng)，掘進工作面通風(fēng)方式如圖1所示。

圖1 掘進工作面通風(fēng)方式

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 模型的假設(shè)條件

將現(xiàn)場的實際條件與數(shù)值模擬相結(jié)合，在不影響運算規(guī)律的前提下，作如下假設(shè)[5-6]:

(1)將通風(fēng)氣流視為不可壓縮流體。

(2)等溫通風(fēng)、避免絕熱，可忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱。

(3)流動為穩(wěn)態(tài)湍流，流場中各變量均認為不隨時間變化。

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 氣固兩相流

巷道中的空氣與粉塵顆粒的分布規(guī)律屬于氣固兩相流，故研究粉塵在流體中的運輸過程采用氣固兩相流數(shù)學(xué)模型。目前，研究氣固兩相流動的方法主要有兩種[7]，即歐拉-歐拉法和歐拉-拉格朗日法，后者也稱為顆粒軌道法，對應(yīng)的Fluent模型為離散相模型(Discrete phase model)。文中模擬研究的對象是掘進工作面中粉塵顆粒，模擬中選擇離散相模型，在該模型中粉塵顆粒為離散相，空氣為連續(xù)相。模擬時考慮連續(xù)相對離散相的影響，由于離散相所占的體積分數(shù)較小，所以結(jié)合研究對象的實際情況忽略離散相對連續(xù)相的影響。顆粒運動軌跡采用單向耦合的拉格朗日方法進行追蹤，先計算流場，再計算流場對顆粒的影響[8]。

2.2.2 粉塵在風(fēng)流中的運移

選擇用隨機軌道模型來研究湍流對流場中粉塵顆粒運移軌跡的影響。

該模型引入Reynolds平均法，對任意變量φ的時間平均值可定義為

(1)

t——時間變量

物理量的瞬時值可表示為

(2)

式中：φ′——φ的脈動值。

綜上，可以將流場中氣流的瞬時速度寫成時均速度和脈沖速度之和的形式：

(3)

式中：v——氣體的瞬時速度，m/s；

v′(t)——氣體的脈沖速度，m/s。

將顆粒與湍流之間的相互作用看作是顆粒與湍流中很多小尺度漩渦相互作用的過程，而且所有小尺度漩渦的脈動速度都符合高斯分布，則脈動速度分布

(4)

式中：ξ——取自[-1,+1]區(qū)間內(nèi)的隨機數(shù)字；

κ——基于氣體平動動能的氣體熱導(dǎo)率。

在此條件下，對瞬時速度積分運算得到湍流對顆粒擴散隨機性的作用。對每個離散時間步長一直積分求解下去，得到顆粒在運動過程中的軌跡，把大量顆粒積分得到軌跡放在一起，得出整體的顆粒分布狀況。沿著坐標系中x、y和z三個方向進行積分，獲得顆粒在三維立體空間的運動軌跡。

3 幾何模型與邊界條件

3.1 幾何模型的建立

針對神東大柳塔煤礦單巷長距離大斷面快速掘進工作面的設(shè)備布置情況，掘進巷道斷面為矩形，寬6.0 m,高4.2 m，自掘進頭起取60 m 長的巷道作為計算區(qū)域。模型中包括掘進機、錨桿機、膠帶機、巷道、壓入式風(fēng)筒和抽出式風(fēng)筒共六部分。

在分析CFD時，采用的處理器為Gambit，該處理器質(zhì)量優(yōu)越，功能有網(wǎng)絡(luò)生成以及幾何建模。根據(jù)掘進巷道通風(fēng)除塵系統(tǒng)設(shè)計布置的實際情況(見圖1)，合理地簡化其幾何條件。利用Gambit構(gòu)建掘進巷道的幾何模型，并劃分計算網(wǎng)格，如圖2所示。

a 計算模型

b 網(wǎng)格劃分

Fig. 2 Calculation model and meshing on excavation road way

3.2 邊界條件和模擬參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)大柳塔煤礦52501回風(fēng)順槽掘進工作面具體情況及相關(guān)實測數(shù)據(jù)，確定數(shù)值模擬的邊界條件及模擬參數(shù)[5,7]。具體設(shè)定如下。

(1)模型中的流場入口邊界選擇速度入口邊界(Velocity-Inlet)。

(2)模型中的出口邊界選擇自由出口邊界(Outflow)。

(3)所有壁面均為固定無滑移邊界，壁面絕熱，垂直于壁面的壓力梯度為0。

(4)抽出式風(fēng)機出風(fēng)口面設(shè)定為粉塵捕獲面，以模擬除塵風(fēng)機的作用。

數(shù)值模擬中粉塵顆粒的來源有兩個方面：一是設(shè)定掘進頭工作面為面塵源，來模擬掘進機工作時產(chǎn)生的粉塵；二是在錨桿機正上方的巷道壁面設(shè)置點塵源，來模擬錨桿機正常作業(yè)打錨桿時產(chǎn)生的粉塵。

粉塵顆粒的性質(zhì)設(shè)定為粒徑分布服從Rosin-Rammler分布，最小粒徑1×10-6m、最大粒徑1×10-4m、中位徑1×10-5m,分散系數(shù)1.93。離散相收斂精度設(shè)置為0.001。

4 模擬結(jié)果與分析

通過對不同風(fēng)量大小、不同抽壓風(fēng)筒位置、不同抽吸比下掘進工作面中的粉塵分布進行模擬計算，研究掘進工作面中的粉塵分布規(guī)律。在各條件設(shè)置完畢后，模型開始迭代計算，數(shù)值模擬結(jié)果以Display圖像形式表現(xiàn)。

4.1 風(fēng)量對粉塵分布的影響

研究壓入風(fēng)量對粉塵分布的影響時，將抽吸比設(shè)定為0.5，抽、壓風(fēng)筒距離掘進面分別為1和40 m,壓入風(fēng)量分別取400、600和800 m3/min。圖3分別為不同壓入風(fēng)量時掘進面粉塵分布情況。

圖3 不同風(fēng)量條件下粉塵質(zhì)量濃度分布情況

Fig. 3 Coal dust concentration distribution under different wind conditions

由圖3可以看出，在以長壓短抽為通風(fēng)方式下，當(dāng)壓入風(fēng)量較抽出風(fēng)量多時，巷道中的粉塵會由壓入風(fēng)流一側(cè)流向抽出風(fēng)流一側(cè)，則巷粉塵濃度在巷道中抽出式風(fēng)筒一側(cè)較高。壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口一側(cè)粉塵質(zhì)量濃度小于5×10-5kg/m3。由于抽吸比小于1.0，除去被抽出式風(fēng)筒吸走的部分風(fēng)流外，剩余的風(fēng)流未經(jīng)除塵風(fēng)筒直接進入掘進工作面，同時風(fēng)流中所含的大量粉塵也伴隨著大大小小的渦流在巷道中擴散開來。錨桿機處產(chǎn)生的粉塵由于壓入式風(fēng)流的作用被吹到抽出式風(fēng)筒一側(cè)，隨著巷道風(fēng)流的作用向外流出。壓入式風(fēng)筒距離迎頭面40 m，加之巷道斷面較大，射流作用不能影響到迎頭處產(chǎn)生的粉塵。該模型中巷道斷面較大，壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口距離迎頭較遠，造成不同風(fēng)量下粉塵從迎頭向外的沿程傳播距離相差并不明顯，但風(fēng)量過小時，巷道中的風(fēng)度較低，容易造成風(fēng)筒重疊段處粉塵濃度偏高；風(fēng)量較大時，粉塵在巷道中的降塵速度變慢，會造成錨桿機后風(fēng)筒重疊段處粉塵濃度偏高。

4.2 抽壓風(fēng)筒位置對粉塵分布的影響

設(shè)定壓入式風(fēng)量為600 m3/min，抽吸比為0.5固定不變。為了研究抽壓風(fēng)筒位置對粉塵分布的影響，設(shè)置兩組實驗。第一組，設(shè)定壓入式風(fēng)筒位置固定，即出風(fēng)口距離迎頭40 m，抽出式風(fēng)筒吸風(fēng)口距離迎頭的距離(d1)分別為1、15、和25 m；第二組，設(shè)定抽出式風(fēng)筒位置固定，即吸風(fēng)口距離迎頭1 m,壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口距離迎頭的距離(d2)分別為20、30和40 m。不同抽壓風(fēng)筒位置對粉塵分布的影響見圖4、5。

圖4 第一組模擬條件下粉塵分布情況

圖5 第二組模擬條件下粉塵分布情況

分析模擬結(jié)果可知，壓入式風(fēng)筒位置固定時，抽出式風(fēng)筒距離迎頭面越近，粉塵越容易聚集在抽出式風(fēng)筒一側(cè)的巷道。當(dāng)抽出式風(fēng)筒位置固定時，壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口前段區(qū)域由于射流作用，造成該區(qū)域粉塵濃度較低。當(dāng)壓入式風(fēng)筒靠近迎頭面時，如圖5c所示，到達迎頭的風(fēng)流速度增大，造成迎頭處粉塵擴散嚴重，部分位置形成渦流，工作區(qū)域高濃度粉塵的影響范圍變大，大量粉塵隨著風(fēng)流沿抽出式風(fēng)筒一側(cè)巷道，順著工作面向外排出，不利于除塵風(fēng)機的排塵效果。

4.3 抽吸比對粉塵分布的影響

設(shè)定壓入式風(fēng)量為600 m3/min，分別模擬在0.3、0.5、1.0和1.2不同抽吸比下粉塵分布情況，以研究不同抽吸比對粉塵分布的影響。模擬計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同抽吸比條件下粉塵分布情況

對比分析模擬結(jié)果可知：在壓入式風(fēng)量一定的條件下，隨著抽吸比的增大，風(fēng)塵濃度逐漸減小。當(dāng)抽吸比小于1.0時，由于部分風(fēng)流未被抽出式風(fēng)筒抽走，所以這部分還有粉塵的風(fēng)流在巷道迎頭處向外擴散。隨著抽吸比的減小，高濃度粉塵范圍增大。抽吸比大于1時，吸風(fēng)量較壓入風(fēng)量大，造成巷道中的風(fēng)流是由工作面外部向工作面流動，大量粉塵隨風(fēng)流進入除塵風(fēng)機，使得巷道中的粉塵濃度降低。

5 結(jié) 論

(1)在長壓短抽的通風(fēng)方式中，巷道中的粉塵會由壓入風(fēng)流一側(cè)流向抽出風(fēng)流一側(cè)，巷道中抽出式風(fēng)筒一側(cè)粉塵質(zhì)量濃度較高。

(2)該模型中巷道斷面較大，壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口距離迎頭較遠，造成不同風(fēng)量下粉塵從迎頭向外沿程傳播的距離相差不明顯。

(3)壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口距離迎頭距離應(yīng)該進行合理的調(diào)整。距離過遠，射流作用影響不到工作區(qū)域粉塵；距離過近，又容易造成粉塵嚴重擴散，使工作區(qū)域高濃度粉塵的影響范圍變大，同時不利于除塵風(fēng)機的工作。

(4)在壓入式風(fēng)量一定的條件下，隨著抽吸比的增大，巷道中粉塵的濃度逐漸減小。當(dāng)抽吸比小于1.0時，巷道中的風(fēng)流由外部向工作面迎頭方向流動。抽吸比大于1.0時，巷道中的風(fēng)流流向工作面，大量粉塵隨風(fēng)流進入除塵風(fēng)機，使得巷道中的粉塵濃度降低。

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(編輯 晁曉筠 校對 荀海鑫)

Law behind coal dust distribution in full section tunnel boring machine excavation

LiuYongli,LiuDi,ShenBin

(Key Laboratory of Mining Engineering of Heilongjiang Province College,Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper seeks to address the problems, such as the excessive coal dust concentration in tunnels and a lack of new air between the bolting machine and working face—which arise from the working process due to the use of a new kind of full section tunnel boring machines in Daliuta coal mine. These issues are eliminated by designing a sort of ventilation method defined as long-pressure and short-pumping ventilation mode according to the layout characteristics of the excavation system. The study aimed at the elimination consists of using Gambit pretreatment software to establish the physics model for the excavation system for the purpose of predicting the effectiveness of long-short ventilation; applying discrete phase models of the theory of gas-solid two-phase flow and jet and using Fluent to simulate the law underlying the distribution of coal dust occurring in the conditions of different quantity and ratio of pressing air volume to absorption air volume; and different outlet locations of the pressing air and absorption air volume. The result may provide a scientific reference for the selection and arrangement of fan equipment tailored for long-pressure and short-pumping ventilation mode.

excavating face; coal dust migration; gas-solid two-phase flow; fluent; discrete phase model

2016-08-01

國家自然科學(xué)基金項目(51474099)

劉永立(1968-)，男，黑龍江省賓縣人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：礦山安全與應(yīng)急救援，E-mail:yongliliu1968@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.002

TD714.3

2095-7262(2016)05-0475-05

A