虞啟輝,杜旭東,高勝昱,韓世杰,譚 心

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

隨著現(xiàn)代采煤技術(shù)向著機(jī)械化、自動化的趨勢發(fā)展,煤炭開采效率得到提高,采煤工作面的產(chǎn)塵量也會相應(yīng)增大,而部分礦井對粉塵防治工作重視不夠,防塵技術(shù)薄弱,人員主要作業(yè)區(qū)域的總塵濃度可達(dá)500～850 mg/m3,呼塵濃度可達(dá)300 mg/m3,甚至更高。其中,綜采工作面的產(chǎn)塵量占45%～80%,而巷道中的風(fēng)流在實(shí)現(xiàn)除塵的同時(shí),使浮游粉塵向工作面大范圍空間擴(kuò)散,是引起粉塵擴(kuò)散的主要因素[1]。據(jù)調(diào)查,1～10 μm粒級粉塵易使工人患上塵肺病,此粒級粉塵又因粒徑小,具有懸浮性及擴(kuò)散性,在高溫環(huán)境下,當(dāng)懸浮煤塵達(dá)到爆炸的下限濃度45 mg/m3時(shí)還可能引起爆炸[2-4]。因此,采取有效粉塵治理手段,控制1～10 μm粒級的粉塵濃度在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全范圍內(nèi),對保障工人職業(yè)健康具有重大意義。

綜采面高濃度粉塵分布一方面會引起塵肺病,威脅工人身體健康;另一方面,還可能造成不可估量的爆炸事故、磨損設(shè)備、降低工作現(xiàn)場能見度等安全隱患問題。許多學(xué)者對此進(jìn)行了研究,并提出了相應(yīng)的抑塵措施。周剛等[5]針對大采高綜采面風(fēng)流場,利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究,得到采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10 m附近有一段高風(fēng)速帶,易導(dǎo)致呼塵涌入人行道;宋淑鄭等[6]針對綜采面風(fēng)流分布進(jìn)行了模擬分析,也得出在采煤機(jī)與移架完成區(qū)下風(fēng)側(cè)形成了高風(fēng)速區(qū);孔陽等[7]針對綜采面粉塵彌散規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬,得到工作面風(fēng)流呈“兩區(qū)一帶”的規(guī)律。這些研究僅得到因?yàn)楣ぷ髅鏀嗝娴淖兓?在采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)形成了一段高風(fēng)速帶,但未深入探討通風(fēng)排塵時(shí)的最佳風(fēng)速。任志峰等[8]采用數(shù)值模擬方法得到工作面的重點(diǎn)防塵區(qū)域,通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)附近粒級5 μm以下粉塵擴(kuò)散現(xiàn)象更嚴(yán)重,大幅度增加作業(yè)人員的患病率,但僅分析了采煤機(jī)附近,沒有考慮整個采煤巷道;王洪勝等[9]采用Fluent軟件模擬了綜放面不同工序單獨(dú)或共同作業(yè)時(shí)的粉塵濃度分布情況,得出割煤工序產(chǎn)塵量最大,不同工序共同作業(yè)使得粉塵濃度疊加效應(yīng)較明顯,但只是較為簡單地分析了工作面粉塵分布,沒有對粉塵運(yùn)移跡線展開研究;程衛(wèi)民等[1]提出綜采面塵源局部霧化密閉控除塵技術(shù),有效隔斷煤塵向人行道逸散,并將滯留于呼吸帶附近的移架煤塵凈化。

針對現(xiàn)有研究的不足,為了獲得綜采面的通風(fēng)排塵風(fēng)速,得到巷道粉塵分布情況,本文以某煤礦為研究對象,對其進(jìn)行數(shù)值模擬分析,并利用相關(guān)文獻(xiàn)對粉塵濃度分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;同時(shí),基于數(shù)值模擬分析得到工作面最佳排塵風(fēng)速,以及在此風(fēng)速下粉塵顆粒的運(yùn)移軌跡線,獲得整個巷道不同粒徑顆粒的占比,進(jìn)而為治理粉塵污染提供有效的控塵方法。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

在采煤工作面中,風(fēng)流攜帶著微細(xì)塵粒四處逸散,而這種固體顆粒具有一定的體積和形狀,不能與氣體溶合為單相流動。為了方便對流場內(nèi)流體分布及特征進(jìn)行模擬仿真,將其看作為氣固兩相流動。依據(jù)文獻(xiàn)[10],利用歐拉方法描述氣相連續(xù)介質(zhì),利用拉格朗日方法描述固相離散顆粒。

將采煤工作面中的連續(xù)相流動假設(shè)為不可壓的絕熱流動,用Navier-Stokes運(yùn)動微分方程表示氣相流動控制方程組,用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩模型方程計(jì)算湍流流動。固體離散相由拉格朗日坐標(biāo)下顆粒作用力的微分方程求解得到顆粒軌跡,具體方程表示如下[10-12]:

連續(xù)性方程:

(1)

式中,αf為連續(xù)相孔隙率;ρg為氣體的密度;xi為軸的坐標(biāo),i和j為張量的指標(biāo)符號;u為速度矢量。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型方程:

(2)

(3)

顆粒軌跡控制方程:

(4)

式中,mp為顆粒的質(zhì)量;vp為顆粒的速度;Ffp為連續(xù)相作用于顆粒的一系列流體力。

2 三維模型的建立

2.1 三維模型

某煤礦綜采工作面煤層平均厚度7.23 m,可采高度4.1 m,傾斜長243 m,走向長624 m,采用MG300/700-WD系列交流變頻電牽引采煤機(jī)雙向割煤,前滾筒割頂煤,后滾筒割底煤。為確保所建立的三維模型能充分反映真實(shí)礦井工作環(huán)境,綜合考慮后采用SolidWorks建模(圖1),并做出以下基本假設(shè):①將采煤巷道視為長60 m、寬4 m、高4 m的長方體計(jì)算區(qū)域;②采煤機(jī)視為規(guī)則長方體,滾筒視為圓柱體,截深0.7 m,直徑2 m;③液壓支架簡化為細(xì)長圓柱體,支架中心距為1 m,支架間距為1.5 m,支架頂梁和邊界看作平面邊界。

圖1 綜采面三維模型Fig.1 3D model of fully-mechanized mining face

2.2 邊界條件及主要參數(shù)的設(shè)定

將三維模型導(dǎo)入Fluent軟件后,根據(jù)礦井實(shí)際情況并結(jié)合所確定的數(shù)學(xué)模型,對邊界條件和主要參數(shù)做以下基本假設(shè)[13]:①入口風(fēng)流。將流入風(fēng)流視為新鮮風(fēng)流,不攜帶揚(yáng)塵。②粉塵源。將滾筒渦流的旋轉(zhuǎn)線速度和軸向速度看作塵源的初始速度,塵源類型為面塵源、球形顆粒狀。③巷道墻壁?？紤]到煤塵與墻壁之間存在碰撞、附著、摩擦等情況,將巷道墻壁(wall)設(shè)為trap狀態(tài)。

煤礦采煤工作面固體顆粒的粒徑分布規(guī)律一般服從羅辛—拉姆勒(Rosin-Rammler)分布函數(shù)[14-15]。當(dāng)注入一種顆粒源時(shí),因粒徑設(shè)置單一,數(shù)值模擬后得到的顆粒粒徑數(shù)據(jù)不完整,不能較好地反映實(shí)際巷道的顆粒分布情況。因此,本文選擇注入2種不同粒徑的顆粒噴射源進(jìn)行模擬研究,具體參數(shù)設(shè)定見表1。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 三維模型的求解與數(shù)據(jù)后處理步驟

首先,將三維模型導(dǎo)入Fluent中,在DesignModeler中生成流體計(jì)算區(qū)域;其次,在Mesh劃分網(wǎng)格,并檢查網(wǎng)格質(zhì)量;然后,根據(jù)實(shí)際情況在Setup設(shè)置邊界條件及主要參數(shù)采用相間耦合的SIMPLEC算法,首先,對連續(xù)相風(fēng)流場迭代計(jì)算,收斂后對離散相顆粒求解,導(dǎo)出顆粒數(shù)據(jù)文件;然后,在CFD-Post后處理分析。

表1 邊界條件及顆粒噴射源參數(shù)Tab.1 Boundary conditions and particle injection source parameters

3.2 作業(yè)區(qū)橫斷面風(fēng)流場分析

風(fēng)速和風(fēng)量直接影響粉塵濃度,適宜的排塵風(fēng)速既能有效排除工作空間的浮游粉塵,防止呼塵過量積聚,又能避免落塵的二次揚(yáng)起[16-19]。鑒于我國粉塵污染防治思路偏向于低耗水、高降塵,在通過煤層注水使煤層濕度達(dá)到3%左右后,認(rèn)為1.4～2.3 m/s是允許風(fēng)速。在允許風(fēng)速的范圍內(nèi),選取多個風(fēng)速仿真模擬后,截取綜采面采煤機(jī)前滾筒附近風(fēng)流場特點(diǎn)明顯的速度云圖進(jìn)行分析,入口風(fēng)速分別為1.50、1.75、2.00 m/s(圖2)。

圖2 不同風(fēng)速下前滾筒附近橫斷面速度云圖 Fig.2 Cross section velocity cloud map near the front drum under different wind speeds

從圖2可知,隨著巷道通風(fēng)速度的增加,由于采煤機(jī)、液壓支架等障礙物改變風(fēng)流方向,導(dǎo)致機(jī)道空間風(fēng)速增大,且滾筒上螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生渦旋風(fēng)流,極易造成粉塵向更大范圍工作面擴(kuò)散[20]。從圖2(a)和圖2(b)可以發(fā)現(xiàn),入口風(fēng)速為1.50、1.75 m/s時(shí),工作面整體風(fēng)流場情況分布穩(wěn)定,風(fēng)流相對集中。在風(fēng)速為1.50 m/s時(shí),巷道整體氣流速度不高,中部風(fēng)速僅有2.00 m/s,這就可能導(dǎo)致一些細(xì)微顆粒不均衡地隨風(fēng)流作布朗運(yùn)動,沉降速度極慢。另外,由于采煤前的預(yù)先潤濕使得煤層的水分增加,濕度大的礦塵有一定的附著力,若想將其及時(shí)排除,則需要較大的風(fēng)速克服力。從圖2(c)可以看出,當(dāng)風(fēng)速為2.00 m/s時(shí),巷道中部靠近液壓支架附近的風(fēng)速為3.80 m/s,最高風(fēng)速已達(dá)4.50 m/s,風(fēng)流有逐漸橫向擴(kuò)散的趨勢,這使得割煤產(chǎn)生的礦塵在紊流效應(yīng)下極易被吹散到司機(jī)處,或使落塵揚(yáng)起,污染治理難度增大。

3.3 風(fēng)流場流動規(guī)律分析

為了直觀分析v=1.75 m/s時(shí)的巷道風(fēng)流場,分別截取巷道高度Y=0.3 m、Y=1.6 m、Y=3.5 m的水平剖面,分析不同高度的風(fēng)流場,如圖3所示。

圖3 不同高度水平剖面風(fēng)流場云圖Fig.3 Cloud map of wind flow field at different altitude horizontal profiles

由圖3可知,進(jìn)風(fēng)巷口到采煤機(jī)附近空間的風(fēng)流場較穩(wěn)定。在采煤作業(yè)區(qū)附近局部風(fēng)流出現(xiàn)擾動,導(dǎo)致風(fēng)向不穩(wěn)定,風(fēng)速也有明顯變化。對比靠近煤壁不同距離的風(fēng)速可以看出,靠近煤壁一側(cè)工作面的風(fēng)速明顯高于液壓支架空間的風(fēng)速,并在采煤機(jī)下風(fēng)向到回風(fēng)巷口形成一條穩(wěn)定在3.2 m/s的高速風(fēng)流帶。從圖3得出,沿煤壁到放煤空間方向風(fēng)速呈現(xiàn)出由大變小再變大的規(guī)律,原因是液壓支架對空氣流動有一定的減緩作用。

由于巷道進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口附近風(fēng)流變化不大,在采煤機(jī)和下風(fēng)向20 m左右每隔5 m截取一個橫斷面,分析采煤路徑上的風(fēng)流場,如圖4所示。

通過對圖4分析可知,巷道中部風(fēng)速較高,最高可達(dá)3.8 m/s,頂部和底部風(fēng)速相對緩慢。原因是風(fēng)流主要從巷道中間通過,巷道中部機(jī)械設(shè)備復(fù)雜,空間斷面變化不穩(wěn)定,局部空間狹小,導(dǎo)致流速加快[21];而頂部和底部的空氣在流動過程中與煤壁存在一定面摩擦,煤壁抑制了空氣與周圍氣體的相互卷吸,從而避免了空氣擴(kuò)散。

實(shí)際作業(yè)時(shí),除考慮通風(fēng)除塵外,還要考慮瓦斯涌出量[4]。因此,實(shí)際風(fēng)速需要超過理論風(fēng)速。

圖4 巷道各空間斷面風(fēng)流場云圖Fig.4 Cloud map of wind flow field in various spatial cross sections of the roadway

綜上所述,在保證滿足最低排塵風(fēng)速和極限排塵風(fēng)速的前提下,當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)速為1.75 m/s 時(shí),采煤作業(yè)區(qū)下風(fēng)側(cè)風(fēng)速提高到3.2 m/s。此時(shí),一方面,風(fēng)流能使大部分粉塵在巷道中部隨氣流一起流出,有助于稀釋粉塵濃度,又能保證因煤層注水而濕度大的煤塵排除,也能避免因風(fēng)速過高而導(dǎo)致落塵二次揚(yáng)起的問題;另一方面,工作面整體風(fēng)流場分布穩(wěn)定,采煤機(jī)前滾筒附近空間渦流相對集中,風(fēng)流沒有明顯的橫向擴(kuò)散趨勢,減小了粉塵逸散至活動區(qū)對作業(yè)人員的威脅。此外,在采空區(qū)和人行道安裝簡易風(fēng)簾,可有效減少從進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入工作面的風(fēng)流向采空區(qū)的泄漏量,使風(fēng)流主要靠工作面煤壁一側(cè)通過,增加工作面有效通風(fēng)量,以降低司機(jī)處的粉塵濃度。

3.4 氣體—顆粒耦合的數(shù)值模擬

在最佳通風(fēng)速度下,對巷道中顆粒運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬,得到顆粒運(yùn)動軌跡如圖5所示。

圖5 順風(fēng)割煤下顆粒運(yùn)動軌跡Fig.5 Particle motion track under downwind coal cutting

從圖5可以看出,采煤機(jī)機(jī)身附近和下風(fēng)向15 m以內(nèi)空間的塵粒運(yùn)移跡線密集且復(fù)雜,呈不規(guī)則曲線;隨著距離回風(fēng)巷越近,跡線變得越稀疏,橫向運(yùn)動也更為明顯,到回風(fēng)巷口,跡線數(shù)量清晰可見。這說明采煤機(jī)割煤產(chǎn)生的煤塵在空氣流動的影響下,大部分在接觸到煤壁、機(jī)械設(shè)備等物體時(shí),會附著在其表面上終止運(yùn)動軌跡,或者沿煤壁一側(cè)運(yùn)動流出,只有小部分煤塵在風(fēng)流的推力下發(fā)生橫向位移,不斷向人行道、液壓支架逸散、運(yùn)動、懸浮?？傮w來看,作業(yè)區(qū)和未采區(qū)的塵粒跡線數(shù)量有較大差異,原因是大粒級礦塵能在風(fēng)流作用下快速沉降或黏附在煤壁上,只剩下細(xì)小礦塵(<7 μm)繼續(xù)發(fā)散,作無規(guī)則擴(kuò)散運(yùn)動,從塵源至回風(fēng)巷的跡線數(shù)量呈逐漸減少的趨勢。即跡線越密集,粉塵濃度就越高。

采煤機(jī)附近粉塵濃度高是由各種因素引起的,分析如下:①滾筒割煤時(shí),螺旋葉片以一定的速度旋轉(zhuǎn),將附近的空氣卷入,在過道形成渦旋流場,使粉塵有橫向隨機(jī)擴(kuò)散的趨勢;②采煤機(jī)械設(shè)備和液壓支柱之間空間斷面的突變,致使工作面風(fēng)速提高,使粉塵隨風(fēng)流在巷道蔓延;③巷道頂部的煤塊在下落時(shí)會在尾部形成一股氣流,使一部分煤塵被吹散開。當(dāng)煤塊落到地面時(shí),沉積的煤塵被重新?lián)P起。

3.5 不同粒徑顆粒的分布情況

在Fluent中迭代平衡后,統(tǒng)計(jì)顆粒信息,得到作業(yè)區(qū)、巷道、回風(fēng)巷附近空間不同粒級顆粒數(shù)量,多次計(jì)算求取平均值,得到各區(qū)域不同粒徑顆粒數(shù)量的分布情況,如圖6所示。

圖6 巷道各區(qū)域不同粒徑顆粒數(shù)量分布Fig.6 Distribution of particles with different particle sizes in different areas of the roadway

從圖6可以看出,距離工作面越遠(yuǎn),1～10 μm粒級顆粒數(shù)量有逐漸減少的趨勢。采煤作業(yè)區(qū)處1～10 μm粒級的顆粒數(shù)量占比最大,約36%。從礦塵的懸浮性、擴(kuò)散性分析,此粒級顆粒(又稱為呼吸性粉塵)因粒徑小,幾乎不受重力作用的影響,在相對靜止的空氣中彌漫在工作面很難沉降,且在風(fēng)流作用下任意向四周逸散,導(dǎo)致粉塵污染面積大大增加。此外,粒徑越小,分散度越高,在空氣中的穩(wěn)定程度也越高,導(dǎo)致工人吸入的可能性就越大,一旦呼塵深入、沉積于氣管,發(fā)病概率也會越大。回風(fēng)巷附近多為20～30 μm粒級的顆粒,占比達(dá)29%,原因是粒徑較大的顆粒在沿途受重力作用的影響及時(shí)沉降了,而小粒徑顆粒因質(zhì)量小,不能很好地隨風(fēng)流流出,而是在巷道中無規(guī)則地飄浮。多次采樣求取平均值后發(fā)現(xiàn),巷道內(nèi)10～30 μm粒級的顆粒占比最大。

基于上述分析,根據(jù)空氣動力學(xué)理論,霧滴與塵粒徑越相近,越容易降塵。采用聲波霧化除塵技術(shù)集中捕集1～10 μm粒級的呼塵,霧滴在聲波作用下形成微細(xì)水霧,因霧滴粒徑小、霧化密度大,能更好地?cái)r截、凝聚呼塵,且耗水量小[22];在采煤機(jī)兩端頭布置負(fù)壓二次降塵器,主要用于捕集10～30 μm粒級的顆粒,一方面利用高壓氣霧流阻止粉塵橫向擴(kuò)散,另一方面產(chǎn)生負(fù)壓將治理盲區(qū)的煤塵吸入裝置并凈化[23];在機(jī)身上安裝卷吸水幕,緩沖含塵氣流,將其引向煤壁側(cè),防止污染物大面積橫向外逸;在液壓支架間安設(shè)全斷面噴霧裝置,利用高壓噴霧后方形成的負(fù)壓將支架附近的含塵氣流二次引射,防止粉塵隨空氣向下運(yùn)動彌漫整個巷道。將多種治塵技術(shù)共同作用于綜采面,配合采煤機(jī)自帶的內(nèi)外噴霧裝置共同使用,在塵源附近形成局部密閉的除塵區(qū),以實(shí)現(xiàn)高效控塵。

3.6 粉塵濃度分析

選取綜采工作面靠近開采面煤壁一側(cè)和人行道處的垂直截面,即Z=0.8 m、Z=3.0 m,分析粉塵濃度分布情況,如圖7所示。

圖7 不同垂直截面粉塵濃度分析Fig.7 Analysis of dust mass concentration in different vertical sections

由圖7可知,采煤機(jī)順風(fēng)割煤作業(yè)時(shí),煤體在滾筒切割、擠壓作用下產(chǎn)生大量的細(xì)微粉塵,并以一定初始速度開始擴(kuò)散,大部分集中在采煤作業(yè)區(qū)及下風(fēng)向15 m附近靠近煤壁一側(cè),此處粉塵濃度相對較大,約為762 mg/m3。原因是巷道內(nèi)采煤設(shè)備較為復(fù)雜,中部空間狹小,使得風(fēng)速較大,小部分粉塵因?yàn)榱叫?在空氣中擴(kuò)散具有不穩(wěn)定性,在橫向紊流作用下,向司機(jī)處逸散,危害工人身體健康,且分散度大,沉降速度極慢。因此,大大增加了粉塵污染治理難度。隨著與塵源的距離不斷增大,粉塵濃度逐漸降低,但幾乎遍布于整個截面。

3.7 仿真結(jié)果驗(yàn)證

依據(jù)GBZ/T 192—2007《工作場所空氣中粉塵測定》測定現(xiàn)場粉塵濃度,在巷道每隔5 m布置粉塵采樣器、測塵儀,且全工班個體佩戴采樣器檢測,采用濾膜重量法測定質(zhì)量濃度,多次采樣后求取平均值。通過實(shí)測并查閱資料[1,7-9],得到某煤礦綜采面實(shí)測粉塵濃度,與數(shù)值模擬結(jié)果對比如圖8所示。

從圖8可以看出,兩者粉塵濃度分布規(guī)律基本保持一致,誤差在可允許范圍內(nèi),這說明數(shù)值模擬結(jié)果具有可靠性。存在誤差的原因:①在實(shí)際采煤作業(yè)中,割煤、移架、放煤等多種工序同時(shí)進(jìn)行;②工作環(huán)境更復(fù)雜,部分區(qū)域空間狹小,使得實(shí)際巷道空氣流動速度較高;③由于開采深度增加、地溫升高,大型機(jī)械設(shè)備高強(qiáng)度運(yùn)行,可能引起不同區(qū)域空氣溫度存在一定梯度,致使呼塵擴(kuò)散。

圖8 模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)對比情況Fig.8 Comparison between simulated and measured data

4 結(jié)論

(1)當(dāng)工作面風(fēng)速達(dá)到1.75 m/s時(shí),既能在保障采煤生產(chǎn)效率的前提下有效排除粉塵,又能減小風(fēng)流橫向運(yùn)動的趨勢,避免司機(jī)區(qū)域粉塵濃度過高。

(2)割煤時(shí)產(chǎn)生的煤塵在紊流作用下,除隨風(fēng)流流動以及受滾筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦旋風(fēng)流影響外,還受在空間斷面減小產(chǎn)生的高速風(fēng)流影響,在風(fēng)流的推力下發(fā)生橫向位移,向司機(jī)處逸散、蔓延,且由于液壓支架空間風(fēng)速偏低,呼塵將會長時(shí)間滯留在空氣中,不能及時(shí)隨新鮮風(fēng)流排除或沉降。

(3)巷道內(nèi)1～10 μm粒級的粉塵顆粒占比約為36%,主要集中在作業(yè)區(qū),因其粒徑小、質(zhì)量小,懸浮在空氣中的能力也越強(qiáng),更有可能給工作人員帶來安全隱患。

(4)采煤作業(yè)區(qū)和下風(fēng)向15 m以內(nèi)空間的塵粒運(yùn)移跡線密集且復(fù)雜,多為呼吸性粉塵,粉塵濃度也較高,因液壓支架的阻礙主要集中于煤壁側(cè),應(yīng)是粉塵治理的重點(diǎn)區(qū)域。