劉會(huì)景
(烏魯木齊職業(yè)大學(xué),新疆烏魯木齊 830023)
近年來(lái),為滿足能源需求量[1-2],自動(dòng)化采掘設(shè)備被廣泛應(yīng)用于煤炭行業(yè)[3]。然而,采掘設(shè)備的更新在推動(dòng)企業(yè)發(fā)展的同時(shí),也帶來(lái)了較大的粉塵污染問(wèn)題[4-6]。掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)導(dǎo)致大量粉塵污染掘進(jìn)工作面工作區(qū),并且現(xiàn)有通風(fēng)方式使粉塵在氣流作用下由掘進(jìn)巷道進(jìn)入已開(kāi)挖區(qū)域,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員身體健康造成嚴(yán)重威脅,增加作業(yè)人員患職業(yè)病的概率。針對(duì)掘進(jìn)工作面粉塵污染問(wèn)題,學(xué)者做出了大量研究,但現(xiàn)有的研究方式大多不考慮掘進(jìn)機(jī)對(duì)氣流及粉塵的影響,同時(shí)也忽略了掘進(jìn)機(jī)操作臺(tái)位置的粉塵控制。由近年來(lái)國(guó)家衛(wèi)生委對(duì)職業(yè)病患病人數(shù)的統(tǒng)計(jì)可以得出,塵肺病患病人數(shù)仍然較多[7-9],現(xiàn)有的粉塵控制措施仍繼續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)。因此,采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段,對(duì)提出的氣幕阻塵聯(lián)合長(zhǎng)壓短抽除塵方案參數(shù)進(jìn)行研究分析,以期降低掘進(jìn)工作面粉塵污染危害。
為保證模擬邊界條件的合理性,按照實(shí)際情況建立數(shù)學(xué)模型。但現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜,模型建立時(shí)應(yīng)滿足以下假設(shè):①掘進(jìn)工作面巷道內(nèi)空氣被理想化為不可壓縮連續(xù)流體,內(nèi)部工作人員移動(dòng)不影響氣流分布;②空氣中溫度變化不大,因而不考慮溫度影響;③粉塵顆粒體積較小,忽略顆粒間相互作用力,僅考慮粉塵重力;④掘進(jìn)工作面有大型掘進(jìn)機(jī),考慮掘進(jìn)機(jī)對(duì)風(fēng)流及粉塵運(yùn)移規(guī)律的影響[10-11]。粉塵粒子在空氣中運(yùn)動(dòng)滿足守恒定律。根據(jù)固有的平衡方程對(duì)粉塵運(yùn)動(dòng)及氣流在復(fù)雜環(huán)境中的流動(dòng)建立模型。采用Fluent 軟件中DPM 模型對(duì)氣固兩相流分析,連續(xù)的氣相介質(zhì)采用Euler 計(jì)算方法。連續(xù)相的運(yùn)動(dòng)方程采用三維不可壓縮Navier-Stokes 方程[12-14]。
1)連續(xù)方程。
式中:ρ 為隧道內(nèi)環(huán)境氣體密度,kg/m3;t 為時(shí)間,s;xi為x 方向上的坐標(biāo),m;ui為流體在x 方向上的速度,m/s。
2)動(dòng)量守恒方程。
式中:uj為流體在y 方向上的速度,m/s;p 為壓力,pa;xj為y 方向上的坐標(biāo),m;τij為應(yīng)力張量;g 為重力加速度,m/s2;Fi為控制體平均的顆粒流體阻力,N。
3)k-ε 湍流動(dòng)能方程[15]。
為實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的效果,根據(jù)某煤礦掘進(jìn)工作面的實(shí)際情況,使用Solidworks軟件按照1∶1 尺寸進(jìn)行仿真建模。建立的掘進(jìn)工作面掘進(jìn)模型,主要包括以下3 部分:掘進(jìn)機(jī)、抽出式除塵風(fēng)機(jī)和壓入式風(fēng)機(jī)。掘進(jìn)巷道簡(jiǎn)化為長(zhǎng)、寬、高為35 m×4.2 m×4.0 m ;掘進(jìn)機(jī)尺寸為長(zhǎng)、寬、高為6.3 m×2.8 m×2.2 m,壓入式及抽出式風(fēng)機(jī)直徑為0.8 m,中心軸與地面距離為3.7 m,距離巷道壁0.3 m。
模型使用Solidworks 軟件建好后,另存為.x_t 格式文,然后采用ICEM 軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于模型中掘進(jìn)機(jī)部分較為復(fù)雜,使用結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格劃分較為困難,因此在不影響計(jì)算精度的情況下對(duì)模型采用非結(jié)構(gòu)化劃分,風(fēng)機(jī)壓風(fēng)口設(shè)置為速度入口;巷道進(jìn)口邊界為壓力出口,巷道及風(fēng)筒壁均設(shè)置為wall。模型建立及網(wǎng)格劃分情況如圖1。巷道斷面設(shè)置為塵源點(diǎn)邊界塵源。計(jì)算參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。
圖1 模型建立及網(wǎng)格劃分情況Fig.1 Model establishment and grid division
表1 計(jì)算參數(shù)設(shè)置Table 1 Calculation parameters settings
選用掘進(jìn)機(jī)截割頭處作為集中產(chǎn)塵源進(jìn)行分析,為了確定出掘進(jìn)過(guò)程中準(zhǔn)確的產(chǎn)塵量,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用公式計(jì)算出產(chǎn)塵流量Qdust:
式中:C 為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的巷道斷面的平均粉塵濃度值,mg/m3;v 為粉塵運(yùn)動(dòng)速度,m/s;s 為巷道斷面大小,m2。
在進(jìn)行數(shù)值模擬的過(guò)程中,模型劃分的網(wǎng)格質(zhì)量很大程度上影響了模擬的準(zhǔn)確性,評(píng)定網(wǎng)格質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)較多,主要包含以下方面:網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)壓扁程度、三角形和四面體節(jié)點(diǎn)的歪斜程度、多面體網(wǎng)格的面壓扁程度以及網(wǎng)格橫縱比。由于模型復(fù)雜,劃分結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格難度大,因此采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。并應(yīng)用雅可比行列式值分析網(wǎng)格質(zhì)量,一般來(lái)說(shuō)值越大網(wǎng)格質(zhì)量越好,模型網(wǎng)格質(zhì)量分析如圖2。
圖2 模型網(wǎng)格質(zhì)量分析Fig.2 Model grid quality analysis
由圖2 可以看出:比值在0.75~0.95 范圍內(nèi)的網(wǎng)格占比較大,網(wǎng)格質(zhì)量比值整體在0.35 以上,網(wǎng)格可以滿足模擬的基本需求。
通過(guò)對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的分析,初步確定了能夠采用劃分的網(wǎng)格進(jìn)行分析,為了進(jìn)一步確定模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的吻合長(zhǎng)度,按照現(xiàn)場(chǎng)單一壓入式通風(fēng)降塵情況設(shè)置邊界條件,并沿隧道中軸線距離地面1.5 m 高度設(shè)置粉塵濃度及風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距4 m,監(jiān)測(cè)距離掌子面20 m 范圍。采用激光粉塵濃度儀及多參數(shù)風(fēng)速儀進(jìn)行監(jiān)測(cè),讀取流場(chǎng)穩(wěn)定狀態(tài)下數(shù)值,模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖3。
圖3 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison between simulation results and measured results
由圖3 可以看出:粉塵濃度隨著與測(cè)點(diǎn)與掘進(jìn)工作面距離的增加逐漸降低,在距離掘進(jìn)工作面15 m 時(shí)維持在180 mg/m3;由于遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面后距離風(fēng)筒出風(fēng)口距離減小,風(fēng)速呈現(xiàn)先增加趨勢(shì),當(dāng)通過(guò)風(fēng)筒口后隨著距離的增加風(fēng)速降低,巷道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度較高,可以達(dá)到90 %以上,模擬結(jié)果基本反映了現(xiàn)場(chǎng)粉塵的產(chǎn)生及擴(kuò)散規(guī)律,可以采用相應(yīng)模型進(jìn)行模擬分析。
對(duì)掘進(jìn)工作面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),大多數(shù)工作面以壓入通風(fēng)居多。壓入式通風(fēng)為工作面提供了新鮮風(fēng)流,但是粉塵由工作面隨風(fēng)流經(jīng)過(guò)掘進(jìn)機(jī)操作區(qū)進(jìn)入后續(xù)巷道,工作面粉塵擴(kuò)散面積較大。為改善這一現(xiàn)象,引入長(zhǎng)壓短抽并聯(lián)合氣幕屏蔽控塵技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定初始通風(fēng)條件為:掘進(jìn)面壓風(fēng)量270 m3/min、壓入式風(fēng)機(jī)距離工作面10 m、除塵風(fēng)機(jī)口距離巷道斷面5 m。
以現(xiàn)有風(fēng)機(jī)安裝狀態(tài)為參考,采用FLUENT 軟件計(jì)算出壓風(fēng)量為270 m3/min 掘進(jìn)工作面處風(fēng)流及粉塵運(yùn)移狀態(tài)。選取掘進(jìn)機(jī)操作臺(tái)高度為粉塵檢測(cè)面高度,繪制出粉塵濃度云圖,不同流量下巷道內(nèi)粉塵云圖如圖4。
由圖4(a)可知:風(fēng)量為270 m3/min 時(shí),大量粉塵在風(fēng)流作用下,由斷面涌出;掘進(jìn)機(jī)操作區(qū)位于壓入式筒側(cè),但仍有大量粉塵積聚,粉塵濃度可以達(dá)到50 mg/m3以上。并且區(qū)域內(nèi)粉塵一直通過(guò)人員操作區(qū),對(duì)人體傷害極大。
圖4 不同流量下巷道內(nèi)粉塵云圖Fig.4 Dust diagrams in roadway under different flow rates
以270 m3/min 為基礎(chǔ),分別選取210、270、330、390 m3/min,并通過(guò)改變壓風(fēng)量,確定出受掘進(jìn)機(jī)影響下壓風(fēng)機(jī)的最佳壓風(fēng)量。由圖4(b)~圖4(d)可知:隨著壓入式風(fēng)機(jī)壓風(fēng)量的增加,巷道內(nèi)粉塵濃度擴(kuò)散范圍增大;當(dāng)風(fēng)量小于等于270 m3/min 時(shí),距離工作面5 m 范圍內(nèi)90 %以上的區(qū)域粉塵濃度高于50 mg/m3。由于風(fēng)量不足及掘進(jìn)機(jī)存在導(dǎo)致工作面粉塵積聚,沒(méi)有形成排塵氣流;但是壓風(fēng)量過(guò)大又導(dǎo)致粉塵快速擴(kuò)散,不利于抽出式風(fēng)機(jī)除塵,因此為滿足排塵要求,最佳壓風(fēng)量設(shè)置為330 m3/min。
為了充分反映出巷道不同位置的粉塵濃度值的變化,在距離地面高度1.5 m 的呼吸帶水平面,由掘進(jìn)工作面沿巷道軸線方向設(shè)置長(zhǎng)度為15 m 的粉塵濃度監(jiān)測(cè)線a、b、c,其中b 為巷道軸線位置,a 為靠近風(fēng)筒的位置,c 為靠近抽出式風(fēng)筒的位置,監(jiān)測(cè)線水平間距1 m,不同風(fēng)量下巷道內(nèi)粉塵濃度分布規(guī)律如圖5。
圖5 不同風(fēng)量下巷道內(nèi)粉塵濃度分布規(guī)律Fig.5 Distribution law of dust concentration in roadway under different air volume
由圖5 可以看出:相同風(fēng)量下靠近壓風(fēng)筒越近粉塵濃度越低,距離地面1.5 m 高度的水平面內(nèi),粉塵濃度分布排序?yàn)闇y(cè)線a<測(cè)線b<測(cè)線c,掘進(jìn)工作面處粉塵濃度約為400~500 mg/m3;隨壓風(fēng)量的增加,掘進(jìn)工作面處粉塵積聚量減小,逐漸向外擴(kuò)散,當(dāng)壓風(fēng)量為330 m3/min 時(shí),產(chǎn)生的粉塵主要集中在距離掘進(jìn)工作面1~4 m 的范圍內(nèi)。
通過(guò)對(duì)單一壓入式通風(fēng)不同風(fēng)量下,巷道內(nèi)粉塵云圖分析可知為防止粉塵濃度擴(kuò)散過(guò)快,影響區(qū)域增加,選取最佳壓入風(fēng)量為330 m3/min。長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)除塵方案中對(duì)于壓抽比的研究較多,根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)確定壓抽比為0.75。掘進(jìn)機(jī)對(duì)工作面粉塵運(yùn)移及風(fēng)流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的影響,在壓抽比確定時(shí),改變抽出式風(fēng)機(jī)距工作面的距離,確定最佳除塵點(diǎn)。以抽出式除塵機(jī)進(jìn)風(fēng)口距工作面5 m 為基礎(chǔ),設(shè)置2、3、4、5、6 m 共5 個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行通風(fēng)控塵效果分析,分別提取出呼吸帶高度粉塵云圖,不同控塵距離下粉塵濃度變化如圖6。
圖6 不同控塵距離下粉塵濃度變化Fig.6 Variation of dust concentration under different dust control distances
由圖6 可以看出:在抽出式除塵風(fēng)機(jī)距離掘進(jìn)工作面2~6 m 的范圍內(nèi),隨著吸風(fēng)口距掘進(jìn)工作面長(zhǎng)度增加,粉塵擴(kuò)散距離呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì),在距離為3~4 m 時(shí)粉塵控制效果最好,掘進(jìn)機(jī)操作區(qū)粉塵濃度最低達(dá)到15 mg/m3以下。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是抽出式除塵風(fēng)機(jī)距掘進(jìn)工作面距離太小時(shí)(<3 m),粉塵在壓入式風(fēng)流的作用下直接吹出掘進(jìn)工作面附近范圍,抽出式風(fēng)機(jī)來(lái)不及對(duì)粉塵控制。但是,當(dāng)抽出式除塵風(fēng)機(jī)距離掘進(jìn)工作面過(guò)遠(yuǎn)時(shí)(>4 m),粉塵擴(kuò)散范圍過(guò)大,不容易被捕捉,降低了除塵風(fēng)機(jī)的效率。
分析吸風(fēng)口距離掘進(jìn)工作面不同距離下對(duì)巷道內(nèi)粉塵部分的影響,沿巷道軸線布置粉塵濃度監(jiān)測(cè)線,不同除塵風(fēng)機(jī)位置下的降塵效果如圖7。
圖7 不同除塵風(fēng)機(jī)位置下的降塵效果Fig.7 Dust reduction effect under different dust removal fan positions
由圖7 可以看出:在壓入式風(fēng)機(jī)及抽出式除塵風(fēng)機(jī)的作用下,掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的粉塵濃度迅速降低,從300~400 mg/m3降低至150 mg/m3;抽出式風(fēng)機(jī)口距離掘進(jìn)工作面的距離大于4 m 時(shí),大量粉塵未能進(jìn)入除塵式風(fēng)機(jī)內(nèi),導(dǎo)致巷道一定距離內(nèi)粉塵濃度維持在100~150 mg/m3,與模擬云圖得出的結(jié)果一致。
長(zhǎng)壓短抽除塵方案已經(jīng)對(duì)工作面粉塵擴(kuò)散起到了較好的控制,但是在掘進(jìn)機(jī)操作區(qū)域距離掘進(jìn)工作面較近,仍有粉塵通過(guò)操作區(qū)。為更好提高操作區(qū)域環(huán)境,提出在操作區(qū)前加設(shè)風(fēng)幕的控塵方案。根據(jù)操作區(qū)域的大小,設(shè)置風(fēng)幕發(fā)生器長(zhǎng)1.5 m,距離操作臺(tái)前方0.5 m。風(fēng)幕發(fā)生器方向指向工作面,水平夾角30°。調(diào)節(jié)出風(fēng)口風(fēng)流大小阻止粉塵擴(kuò)散至操作臺(tái)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置風(fēng)幕出口風(fēng)速為5、10、15、20、25 m/s,根據(jù)5 個(gè)風(fēng)速值分析最佳風(fēng)幕參數(shù)??諝饽徊煌貕m風(fēng)速下流場(chǎng)云圖如圖8。
圖8 空氣幕不同控塵風(fēng)速下流場(chǎng)云圖Fig.8 Cloud diagrams of flow field under different dust control wind speeds of air curtain
由圖8 可以看出: 在10 m/s 風(fēng)速下氣幕已經(jīng)形成,但通過(guò)對(duì)粉塵濃度變化的檢測(cè)看出,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15 m/s 后控塵效果穩(wěn)定,不隨風(fēng)速增加而提高??諝饽话l(fā)生器在鄰近掘進(jìn)工作面處形成了1 道氣流屏障,壓入式風(fēng)機(jī)提供的氣流到達(dá)掘進(jìn)工作面后反向運(yùn)動(dòng)與空氣幕形成的氣流屏障相抵消,有效阻止了壓入式通風(fēng)攜帶的含塵氣流向遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面的方向運(yùn)動(dòng),為抽出式風(fēng)機(jī)凈化巷道內(nèi)氣流提供了有效時(shí)間。同時(shí)空氣幕發(fā)生器產(chǎn)生的氣流具有向靠近掘進(jìn)工作面一側(cè)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),提供的新鮮氣流可以源源不斷進(jìn)入掘進(jìn)工作面處,改善了掘進(jìn)工作面及掘進(jìn)機(jī)操作臺(tái)處的空氣質(zhì)量,確保了作業(yè)人員具有良好的工作環(huán)境。
為了分析不同空氣幕風(fēng)速下巷道內(nèi)的粉塵濃度變化,布置多個(gè)測(cè)點(diǎn),粉塵濃度檢測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖9。按照?qǐng)D9 中測(cè)點(diǎn)的布置情況,監(jiān)測(cè)內(nèi)粉塵濃度變化,沿巷道軸向粉塵濃度變化曲線如圖10。同時(shí)提取出最佳風(fēng)速為15 m/s 時(shí),呼吸性粉塵及全塵濃度變化情況,最佳幕參數(shù)粉塵濃度檢測(cè)曲線如圖11。
圖9 粉塵濃度檢測(cè)測(cè)點(diǎn)布置Fig.9 Layout of dust concentration detection points
由圖10 和圖11 可以看出:掘進(jìn)機(jī)操作臺(tái)前方設(shè)置風(fēng)速15 m/s 的氣幕時(shí),人員操作臺(tái)位置全塵濃度可以控制到100 mg/m3以下,呼吸性粉塵的濃度可以控制到75 mg/m3以下。相比單一壓入式通風(fēng)方式全塵及呼吸性粉塵濃度控制率分別為78%、63%。
圖10 沿巷道軸向粉塵濃度變化曲線Fig.10 Variation curves of dust concentration along the axial direction of roadway
圖11 最佳幕參數(shù)粉塵濃度檢測(cè)曲線Fig.11 Dust concentration detection curves of optimal curtain parameters
按照數(shù)值模擬確定出的最佳壓抽除塵參數(shù),布置煤礦掘進(jìn)巷道;并在掘進(jìn)機(jī)操作臺(tái)前方0.5 m 處設(shè)置氣幕裝置。掘進(jìn)機(jī)工作前,首先啟動(dòng)氣幕發(fā)生器,調(diào)整至最佳參數(shù)值。按照3 種不同的現(xiàn)場(chǎng)除塵設(shè)備的布置,持續(xù)工作一段時(shí)間后,按照?qǐng)D9 測(cè)點(diǎn)的布置情況,采用直讀粉塵采用儀進(jìn)行粉塵濃度情況檢測(cè),掘進(jìn)工作面粉塵濃度變化見(jiàn)表2。
表2 掘進(jìn)工作面粉塵濃度變化Table 2 Variation of dust concentration in excavation working face
由表2 可以看出,相比單一壓入式通風(fēng)方式,長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)可以將粉塵控制在距離掘進(jìn)工作面15 m 的范圍內(nèi),明顯降低了粉塵的擴(kuò)散半徑,同時(shí)削減了對(duì)巷道的二次污染。在掘進(jìn)機(jī)操作臺(tái)前方布置氣幕后,通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),氣幕的存在可以有效阻隔粉塵繼續(xù)運(yùn)動(dòng),同比其他2 種控塵方式,加入氣幕后測(cè)點(diǎn)2 處全塵及呼吸性粉塵濃度迅速降至50 mg/m3以下,降塵率可以到達(dá)90%以上。
1)掘進(jìn)工作面采用長(zhǎng)壓短抽式控塵較單純壓入式通風(fēng)控塵效果好,長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)可以在獨(dú)頭掘進(jìn)的巷道內(nèi)形成通風(fēng)回路,避免大量粉塵受渦流影響在掘進(jìn)工作面附近積聚,同時(shí)防治粉塵被氣流帶出污染已開(kāi)挖巷道。
2)單一壓入式風(fēng)機(jī)將作業(yè)面粉塵帶入后續(xù)巷道會(huì)污染環(huán)境,加入抽出式除塵風(fēng)機(jī)后粉塵擴(kuò)散問(wèn)題得到解決。壓入式風(fēng)機(jī)風(fēng)量為330 m3/min、壓抽比為0.75 時(shí),抽出式除塵風(fēng)機(jī)距離工作面距離為3~4 m時(shí)控塵效果較好。
3)為進(jìn)一步控制粉塵流過(guò)掘進(jìn)機(jī)操作區(qū)總量,在操作區(qū)前方0.5 m 處設(shè)置空氣幕發(fā)生器;當(dāng)空氣幕發(fā)生器出口風(fēng)速達(dá)到15 m/s 時(shí),可以明顯降低操作區(qū)粉塵濃度,降塵率可以達(dá)到90 %以上。
4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相對(duì)比,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬在分析掘進(jìn)工作面強(qiáng)制通風(fēng)控塵中有較好的應(yīng)用;數(shù)值模擬相比建立相似實(shí)驗(yàn)?zāi)P头治觯哂械统杀?、高效率且參?shù)可變性強(qiáng)的特點(diǎn)。