陳景序，荊德吉，葛少成，馬 恒

(遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

皮帶輸煤暗道內部運輸作業(yè)基本方式主要依賴皮帶輸煤系統(tǒng)，而隨著煤礦選煤或洗煤等生產環(huán)節(jié)產量的不斷增大，造成輸煤作業(yè)時暗道內部粉塵污染嚴重[1-3]。暗道內部粉塵濃度超過國家標準的主要原因是輸送過程中密閉導料槽內煤料受運輸過程中的碰撞和振動沖擊，及紊亂氣流所形成復雜卷吸混合作用下，內部高速含塵氣流在出口或覆膜濾袋除塵器破口處發(fā)生逃逸現象。逃逸的微細粉塵長時間懸浮于密閉工作空間內，極易誘發(fā)安全生產隱患和嚴重肺部疾病(CWP)[4-5]。

懸浮的粉塵由于其自身物理特性可長時間懸浮在暗道內部空間，研究顯示懸浮粉塵的主要運動特征，受風流變化影響較為明顯，國內外專家學者對此種類粉塵運動規(guī)律展開了大量研究[6-10]。陳舉師，蔣仲安等[11]通過采用相似實驗和數值模擬的方法，分析了多影響因子條件下煤塵在巷道內部的分布規(guī)律。Camelli等[12]使用CFD模擬方法開發(fā)出更實際的計算流體動力學方法來驗證地下粉塵污染物擴散及其氣流動力學。Widiatmojo等[13]通過采用示蹤氣體結合數值仿真的方法描述了通風系統(tǒng)擴散特性，有利于檢測礦井通風網的泄漏問題。因此，依托計算流體力學理論進行數值模擬分析，探索皮帶輸煤暗道內粉塵運移規(guī)律及其濃度分布特點，給出合理通風參數，為優(yōu)化輸煤暗道通風除塵方案設計提供理論基礎。

1 現場工程概況

平朔公司木瓜界選煤廠給料機下料處264暗道輸煤，現有通風方案采用一壓兩抽的通風除塵方式。在機尾安全出口設置一臺zk25水暖型空調機組供風制熱，機頭設置2臺T35/1.1 kW局扇進行抽風，來承擔輸煤暗道內懸浮粉塵的清除工作。全負荷輸煤工作允許4臺給料機同時工作，現場產塵量較大，而人員出入安全門造成短路風流，暗道內部不能形成有效的排塵風速，嚴重限制了懸浮粉塵的排除和稀釋，暗道內部粉塵濃度嚴重超過國家標準?，F有通風除塵方案如圖1所示，圖1中箭頭方向代表該方案內部風速風流場的運移方向。表1為輸煤暗道工作面主要參數。

表1 輸煤暗道工作面參數

圖1 264輸煤暗道通風除塵方案現狀Fig.1 264coal conveyer handling conduit ventilation dedusting program status quo

根據GBZ/T 192.1-2007《工作場所空氣中粉塵測定》分別在內部呼吸帶高度1.6 m位置處共布置5個測點，在輸煤工作進行時分別對暗道粉塵濃度、分散度進行測量，暗道內部測點布置如圖2布置。未采用改造方案密閉現場時懸浮粉塵分散度測定結果如表2所示。

圖2 暗道測點布置方案Fig.2 Underground track layout plan

結合表2實測數據顯示暗道未密閉時，現場粉塵污染嚴重，各測點數據顯示粒徑小于5%的粉塵分散度占比較大。測點1處小于5%的粉塵分散度比其他位置略低，是由于風流卷吸作用下小粒徑粉塵隨風流方向遷移，導致大粒徑粉塵占比增大；同理測點4處受尾部局扇影響，粒徑小于5%粉塵分散度有所降低，但不明顯；測點2,3處風流場趨于靜止，粉塵大量集聚；測點5粒徑小于5%以下粉塵分散度反而上升，是由于機尾的粉塵集聚，風流場短路而形成的。

表2 懸浮粉塵分散度測定Table.2 Determination of suspended dust dispersion

2 數值分析

2.1 數學模型的選定

為了準確描述皮帶輸煤暗道中較小粒徑的粉塵受流場中拖拽力、壓力梯度、重力等影響而發(fā)生運動軌跡的偏差。忽略粉塵運動或碰撞而產生的邊緣流場變化對暗道內氣相湍流場運動狀態(tài)改變，故而只考慮流場的運動狀態(tài)。用于描述運動流體中不可壓縮流體的動量，熱和質量傳遞過程的穩(wěn)態(tài)方程組被稱為Navier-Stokes方程。使用N-S偏微分方程通過離散化和數字化可用于分析解決氣固兩相流中顆粒相運動。

連續(xù)性方程:

(1)

動量守恒方程:

(2)

相間曳力模型：

(3)

(4)

式中:ε=i時代表顆粒相，ε=j時代表氣相；α為質量濃度，mg/m3；t為時間，s；τ為應力張量；SM為動量源；ρ為密度，kg/m3；u為速度，m/s；dp為顆粒粒徑，um；μ為動力粘度，Pas；β為相間動力傳遞系數；Cd為曳力系數。

2.2 幾何模型的建立

本文主要對皮帶輸煤暗道內通風系統(tǒng)進行模擬分析。為簡化風流流場計算，對暗道內設備模型簡化構建，設橫截斷面底為4.2 m，壁高5.8 m，長度設為140 m的長方體，工作面上有振動給料機、皮帶、覆膜濾袋脈沖除塵器、密封帶等各種除塵設備均以標準幾何體進行表示。采用solidworks繪圖軟件繪制皮帶輸煤暗道的三維幾何模型，并采用CFD軟件網格劃分程序進行劃分，獲得的幾何圖形如圖3所示。

圖3 物理模型網格劃分Fig.3 Physical model meshing

2.3 邊界條件設定與模型假設

根據皮帶輸煤暗道內現場情況及實測數據，給出數值模擬主要設置參數，設置參數如表3所示。

表3 顆粒元邊界條件參數設定Table.3 Particle element and boundary condition set

根據粉塵在氣相流場中的逸散規(guī)律，將氣體相流動視為不可壓縮的連續(xù)介質流動或連續(xù)流體相穩(wěn)定流動，忽略重力影響；將逃逸的粉塵視為分布在暗道流域內部球型粉塵顆粒無凝并、分裂或破碎，并考慮重力影響；計算過程中忽略煤塵顆粒與顆粒之間的作用力，以及粉塵對氣相流場的影響，只考慮氣相湍流夜里作用對粉塵運動尺度的影響[14-15]；將機尾設為風速入口，皮帶、支架等設備按照平面邊界處理，假定暗道內部實現了全封閉，無漏風問題。

2.4 數值模擬結果及分析

在實際模擬過程中根據《煤礦安全規(guī)程》及國家對運輸機巷內風速相關標準規(guī)范規(guī)定，沿x軸正方向施加壓入式通風速度矢量v，逐步增加風速v由0.25 m/s至0.40 m/s，得出4種類通風風速條件下暗道空間內粉塵濃度的沿程分布效果，如圖4所示。

圖4 輸煤暗道粉塵濃度分布Fig.4 Distribution of dust concentration in coal conveyer handling conduit

由圖4中可以看出，在暗道內施加x正方向壓入式通風風速為0.25，0.30，0.35 ，0.40 m/s時，皮帶輸煤暗道內部粉塵濃度分布規(guī)律。粉塵自各塵源位置發(fā)出后，受正壓風速流場推動作用下沿x軸正方向運移，粉塵運移規(guī)律較為單一。當排塵風速較小時，粉塵受到的曳引作用及紊流脈動作用小于阻力等作用力，在內部翻滾不易排出巷道，機尾漂浮的粉塵集聚在通道中部，中部粉塵濃度為最大值。由于出口條件設置為凍結，不發(fā)生反彈，在連續(xù)通風的條件下，中后段粉塵濃度呈現出緩慢下降的趨勢。不同風速條件下的粉塵濃度沿程變化均呈現一致的規(guī)律。從除塵效果來看當風速達到0.35 m/s時，最大粉塵濃度為3.2 mg/m3，降至國家標準的最大粉塵濃度4 mg/m3以下，然而隨著風速的增加，粉塵濃度并未發(fā)生明顯下降，故選擇0.35 m/s為最優(yōu)化風速。

3 通風除塵方案優(yōu)化設計

為獲得較準確的設備選型指導參數，依次對需風量、通風阻力分布、需熱量進行計算?？紤]系統(tǒng)內部設施的復雜性，本著便于實施、維護與使用經濟性原則，設計過程中選擇可變頻風機組對通風性能進行動態(tài)調節(jié)。

3.1 皮帶輸煤暗道通風計算

3.1.1 現場風機需風量計算

依據模擬結果計算現場通風需風量，依據GB21455-2008《通風除塵風機參數計算標準》，264暗道優(yōu)化排塵風速為0.35 m/s，獲得暗道最優(yōu)需風量。

依據最優(yōu)排塵風速對暗道需風量計算：

Q=V×S

(5)

式中：Q為風量，m3/s；S為掘進巷道的斷面積，m2；V為巷道斷面風速，m/s。

通過以上計算，求得輸煤暗道所需風量為30 693.6 m3/h。

3.1.2 暗道通風阻力分布

本文中輸煤暗道通風阻力實地測量較為復雜，為了解礦井通風系統(tǒng)的阻力分布情況通過假定暗道內部完全密閉條件下獲得暗道通風阻力圖，獲得的優(yōu)化排塵風速下的264暗道阻力分布如圖5所示，可以看出264暗道最大通風阻力為245.94 Pa。

圖5 優(yōu)化排塵風速下的264輸煤暗道阻力分布Fig.5 The optimizes resistance distribution of ventilation dedusting on 264 coal conveyer handling conduit

3.1.3 換熱量計算

當地氣象局氣象統(tǒng)計數據顯示冬季最低氣溫為-26℃，為防止冬季輸煤過程中煤塊發(fā)生結凍，送風機需要采用空調風機實現冬季供暖。根據供暖設計可知風機出風口溫度需達40℃，計算該巷道的換熱量：

P=QρcΔt/3 600=747.68 kW

(6)

式中：Q為巷道通風量，Q=30 693.6m3/h；ρ為空氣的密度，1.29 kg/m3；c為空氣的比熱，1.03 kJ/kg×℃；Δt為空氣的溫差，℃。

通過以上計算，根據輸煤暗道所換熱量747.68 kW，為現場選得最佳熱風機型號。

3.2 通風除塵風機組現場布置方案設計

依托現場情況通過設立密閉風門、降低通風阻力來使風機高效運行。依托現場漏塵特點初步制定3種通風除塵方案。

方案①：采用抽出式通風。將存在內部漏風的相鄰廢棄通道封閉，將機頭房人員通道和設備通道用雙扇風門封閉以杜絕漏風，依據暗道需風量和阻力選擇FBN05/7.5 kW抽出式局扇，風機工況點采用變頻調節(jié)，適時調整工況。布置方案如圖6所示。

圖6 方案①Fig.6 Scheme①

方案②：采用壓入式通風?？紤]暗道需要保暖，機尾采用zk60變頻空調機組送風，機尾暗道設置風門，風筒穿過風門供風，機頭房風門處于常開狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 方案②Fig.7 Scheme②

方案③：聯(lián)合式通風?；诜桨涪谕L動力不足的缺點，根據“風機串聯(lián)，風量不變風壓增加”的原則，對機頭房進行封閉，增設1臺抽出式局扇，型號為FBNO5/7.5 kW，如圖8所示。

圖8 方案③Fig.8 Scheme③

由于木瓜界輸煤暗道沒有供暖系統(tǒng)，暗道距地表較近，暗道溫度受地表溫度影響較大，冬季溫度較低情況下給料機易發(fā)生結凍。暗道主要需要依靠空調機組為作業(yè)設備提供熱量來避免設備結凍，所以該方案①排除；但由于空調機組內部有過濾裝置和換熱裝置，隨著機器設備增大，過濾裝置和換熱裝置阻力也隨之增加，現有設備不足以克服暗道245.94 Pa的阻力，排除方案②?？紤]單獨使用空調機組動力不足，采用一壓一抽方式布置FBN05/7.5 kW局扇進行補償除塵，布置的空調送風機組和抽出式局扇均采用變頻調節(jié)，既能保證聯(lián)合風機工況點處于合理區(qū)域，又起到節(jié)約能耗的作用?；谏鲜?，方案③為優(yōu)選通風除塵方案。

3.3 實測數據與模擬結果對比分析

采用上述通風除塵方案③一壓一抽聯(lián)合式通風系統(tǒng)進行改造，對漏風處實施封閉處理，可使暗道內部形成有效除塵風流場。采用粉塵濃度測試儀在標定測點進行測量，每個測點的測量次數均不少于3次，通過調節(jié)變頻風機風速，獲得不同風速條件下測量結果，并結合模擬結果進行對比分析。實測粉塵濃度數據見表4。

表4 不同風速條件下各測點實測粉塵濃度Table.4 Dust concentration under different wind speedconditions at each measuring point

通過表4現場實測各測點位置數據顯示，輸煤暗道內部機尾處風門測點1處，由壓入式風機提供穩(wěn)定的正壓風速，卷吸機尾處逃逸或懸浮空氣中粉塵向機頭處吸塵風機運移；然而粉塵在測點2，3處形成集聚，造成粉塵濃度隨風速移動方向形成逐步上升趨勢，導致測點3處粉塵濃度上升為最大；上述方案③中機頭處設置2臺變頻抽出式局扇，在吸塵口處形成穩(wěn)定負壓場，懸浮在暗道內部的小粒徑粉塵受風流場曳力作用下再次發(fā)生明顯增速移動，跟隨風流由局扇排出暗道，使暗道內部測點4，5處粉塵濃度降低。

粉塵在流場中的運移狀態(tài)呈現出很強的“跟隨性”，易被氣流輸運而不易實現重力分離或沉降，在機頭機尾處形成的穩(wěn)定流場，可有效降低粉塵濃度，而在暗道中段風速有所衰減，粉塵集聚，濃度最高。

4 結論

1)基于氣固兩相流理論模型研究暗道內部風速流場干涉懸浮粉塵運動，獲得不同排塵風速條件下粉塵濃度分布。模擬結果顯示雖然較大風速有利于粉塵的稀釋及排出，然而隨著風速的增大，降塵效果改善不明顯，為避免引發(fā)粉塵二次飛揚，依據模擬結果選擇0.35 m/s時為最優(yōu)排塵風速，為優(yōu)化暗道通風改造方案提供了理論依據。

2)通過計算分析了暗道冬季最低需熱量，暗道內部通風阻力，依據計算結果對除塵方案提供設備選型基礎，對比分析各除塵方案，優(yōu)選設計方案③一壓一抽聯(lián)合式通風除塵方案進行工程改造。

3)采用一壓一抽聯(lián)合式通風進行通風改造后，獲得了良好的降塵效果，滿足除塵技術要求，該設計即保證除塵性能，又能起到節(jié)約能耗的作用，對治理連續(xù)輸煤作業(yè)過程中的粉塵污染具有重要實踐指導意義。然而單純使用通風除塵并不能從根本解決粉塵污染問題，還應該深入現場粉塵污染源頭，分析粉塵污染特征，為治理粉塵污染提出更合理的改進意見。

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