王 昊,辛創(chuàng)業(yè),劉 建,陶金旭,盧守青,劉 杰

(1.青島理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程系,山東 青島 266520;2.青島理工大學(xué) 山東省重點行業(yè)領(lǐng)域事故防范技術(shù)研究中心,山東 青島 266520;3.山東能源兗州煤業(yè) 趙樓煤礦,山東 菏澤 274700)

0 引言

地下礦山開采的煤炭產(chǎn)量占全國煤炭總產(chǎn)量的90%以上,綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)在巷道開掘中發(fā)揮了不可替代的作用。但是,綜掘作業(yè)會產(chǎn)生極為嚴(yán)重的粉塵污染。據(jù)實測,未采取任何防塵措施時,綜掘機(jī)截割煤巖壁面瞬時產(chǎn)塵量高達(dá)10-3kg/m3以上,對作業(yè)人員職業(yè)健康與煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-3]。

局部通風(fēng)與噴霧降塵是目前綜掘工作面廣泛采用的控除塵技術(shù)。為了提高控除塵效率,國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量研究。廖奇[4]采用數(shù)值模擬分析綜掘巷道風(fēng)流場分布特征、粉塵運移軌跡與時空分布特征,揭示粉塵回流機(jī)制;Shi等[5]、Cai等[6]、Hou等[7]、張宏等[8]利用數(shù)值仿真揭示長壓短抽式通風(fēng)系統(tǒng)中除塵風(fēng)機(jī)位置、葉片參數(shù)、進(jìn)風(fēng)量、風(fēng)筒懸掛高度參數(shù)等對粉塵逸散的影響規(guī)律;Hu等[9]通過數(shù)值模擬研究連續(xù)釋放粉塵和停止釋放粉塵期間的粉塵分散特性,確定有效的巷道防塵措施;龔曉燕等[10]結(jié)合仿真模擬與相似實驗,分析風(fēng)幕和出風(fēng)口參數(shù)對粉塵分布規(guī)律的影響,以此得到合理的出風(fēng)口風(fēng)流與風(fēng)幕綜合調(diào)控方案;Nie等[11]、Zhou等[12]、Wang等[13]、Guo等[14]對綜掘巷道霧滴顆粒分布、粉塵污染規(guī)律及噴霧降塵效果開展數(shù)值模擬研究,得到最優(yōu)噴嘴類型、噴嘴布局、噴霧壓力、噴霧角度、噴霧流量及降塵-霧滴粒徑;Yu等[15]通過數(shù)值模擬研究綜掘巷道應(yīng)用不同類型霧化噴嘴時噴霧壓力與降塵效率間的對應(yīng)關(guān)系;王成鳳等[16]通過數(shù)值模擬掌握磁化水降塵性能最佳時的噴霧壓力和磁化條件。

綜上可知,現(xiàn)有成果重點研究不同通風(fēng)條件下綜掘工作面風(fēng)流-粉塵運移規(guī)律以及噴霧參數(shù)、噴嘴類型等對霧化降塵效果的影響,對煤礦安全生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。然而,綜掘機(jī)截割煤巖壁面是動態(tài)過程,塵源及霧場作用區(qū)域不斷變化,現(xiàn)有成果鮮少考慮不同截割區(qū)域時的流場狀態(tài)及其對塵-霧顆粒群逸散的影響規(guī)律,使得綜掘作業(yè)時未能有的放矢地采取粉塵污染防控措施。因此,本文以山東能源兗州煤業(yè)趙樓煤礦7301運輸巷為研究對象,開展綜掘截割區(qū)域?qū)m-霧顆粒群逸散的影響規(guī)律研究,以期為綜掘巷道粉塵污染精準(zhǔn)控制提供理論參考。

1 模型構(gòu)建及邊界條件設(shè)置

1.1 物理模型構(gòu)建

運用SolidWorks軟件構(gòu)建7301運輸巷全尺寸物理模型,如圖1所示。巷道長40 m,斷面為下底5.8 m、上底4.8 m、高4.0 m的梯形;綜掘機(jī)總長11.5 m;壓、抽風(fēng)筒直徑均為0.8 m,風(fēng)筒中軸線距底板3 m,距最近側(cè)壁0.78 m;壓風(fēng)口距工作面10 m,抽風(fēng)口距工作面3 m。為模擬綜掘機(jī)內(nèi)噴霧,繞截割頭在截齒底部螺旋均勻設(shè)置30個噴嘴,霧滴沿截割頭錐面外法線方向噴出。

圖1 綜掘巷道全尺寸物理模型Fig.1 Full-size physical model of fully mechanized roadway

1.2 邊界條件及模擬參數(shù)設(shè)置

將風(fēng)流視為連續(xù)相,塵粒與霧滴視為離散相,采用Euler-Lagrange法進(jìn)行求解。運用Realizablek-ε模型計算風(fēng)流場,運用DPM模型計算粉塵場與霧滴場[17-20]。將壓風(fēng)口、抽風(fēng)口、工作面定義為velocity_inlet,噴嘴出口、巷道末端斷面定義為pressure_outlet,其他實體表面均定義為standard_wall[21-22]?，F(xiàn)場實測通風(fēng)系統(tǒng)壓、抽風(fēng)量分別為150,210 m3/min,則壓、抽風(fēng)口風(fēng)速分別設(shè)置為5,7 m/s。為模擬截割頭轉(zhuǎn)動對塵-霧顆粒逸散的影響,設(shè)置部分風(fēng)流由截割頭以2 m/s射出。粉塵與霧滴顆粒參數(shù)設(shè)置分別如表1和表2所示。

表1 粉塵顆粒參數(shù)Table 1 Dust particle parameters

表2 霧滴顆粒參數(shù)Table 2 Spray particle parameters

2 網(wǎng)格劃分及獨立性驗證

運用ANSYS Meshing軟件對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為避免網(wǎng)格尺寸大于流動特征尺度,同時保證存在足夠數(shù)量的網(wǎng)格,選取最大0.2,0.3,0.4 m 3種尺寸網(wǎng)格,并開展獨立性驗證。驗證結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格獨立性驗證結(jié)果Fig.2 Results of mesh independence validation

由圖2可知,以風(fēng)筒中軸水平截面的中心風(fēng)速作為驗證指標(biāo),3種最大尺寸網(wǎng)格所得風(fēng)速均呈先增大后減小的趨勢,說明網(wǎng)格具備獨立性,增加網(wǎng)格數(shù)量不會顯著提高計算精度。其中,最大網(wǎng)格尺寸為0.2,0.3 m條件下的風(fēng)速曲線更為接近,考慮數(shù)值計算工作量,選擇最大尺寸為0.3 m的網(wǎng)格開展網(wǎng)格劃分,如圖3所示。模型共獲得1 617 441個網(wǎng)格,平均正交質(zhì)量為0.83,平均偏度為0.23,網(wǎng)格質(zhì)量較高,能夠滿足數(shù)值模擬需求。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.3 Mesh division results

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 綜掘截割區(qū)域?qū)︼L(fēng)流運移的影響

綜掘機(jī)截割路線呈“S”型,由工作面下部推進(jìn)至頂部。選取1#～9#代表性區(qū)域開展分析,如圖4所示。

圖5和圖6分別展示了不同截割區(qū)域時,距工作面1 m斷面的風(fēng)速矢量和巷道空間流線。

圖5 不同截割區(qū)域時距工作面1 m斷面風(fēng)速矢量分布Fig.5 Distribution of wind speed vector at 1 m section from working face in different cutting zones

圖6 不同截割區(qū)域空間流線Fig.6 Spatial streamline diagram of different cutting zones

如圖5所示,截割1#區(qū)域時,壓風(fēng)射流撞擊工作面形成向抽風(fēng)口匯集的轉(zhuǎn)向流場。隨著截割區(qū)域由1#移動至3#,流場先轉(zhuǎn)化為紊動流場再形成轉(zhuǎn)向流場,截割頭周圍風(fēng)速明顯增大。截割3#區(qū)域時,在截割頭上方形成了局部渦流。隨著截割區(qū)域由4#移至6#以及由7#移至9#,流場均由紊動流場演變?yōu)檗D(zhuǎn)向流場。截割5#區(qū)域時,風(fēng)流繞過截割頭運移,受壓差阻力作用在抽風(fēng)側(cè)形成局部渦流。截割7#～9#區(qū)域時,截割頭受壓風(fēng)射流沖擊,且抽風(fēng)負(fù)壓作用增強(qiáng),導(dǎo)致截割頭周圍風(fēng)速明顯增大。當(dāng)截割7#、8#區(qū)域時,分別在頂板抽風(fēng)側(cè)及截割頭下部形成局部渦流。

如圖6所示,截割區(qū)域由1#移動至9#,流場紊動程度呈先增強(qiáng)、后減弱、再增強(qiáng)的趨勢。截割1#、2#、5#、6#、7#區(qū)域時,轉(zhuǎn)向流場中部分未被抽出的風(fēng)流受壓風(fēng)射流卷吸再次匯入射流場,在掘進(jìn)機(jī)上部形成軸向跨度約3 m的回流,在距工作面16～40 m區(qū)域形成了向巷道后部運移的穩(wěn)定風(fēng)流場。當(dāng)截割3#、4#、8#、9#區(qū)域時,距工作面30 m以內(nèi)區(qū)域流場呈不規(guī)則紊動狀態(tài),且截割4#、8#、9#區(qū)域時,巷道后部風(fēng)速明顯增大,平均風(fēng)速約1.5 m/s。究其原因是:截割3#、4#區(qū)域時,截割頭轉(zhuǎn)動擾流聚集于抽風(fēng)側(cè),導(dǎo)致風(fēng)流無法有效匯集于抽風(fēng)口,加之高速射流卷吸,使紊亂風(fēng)流繼續(xù)向巷道后部運移;截割8#、9#區(qū)域時,截割頭始終位于頂部,阻礙了流場轉(zhuǎn)向路徑,加劇風(fēng)流紊動程度,在抽風(fēng)負(fù)壓作用下加速向巷道后部運移。

3.2 綜掘截割區(qū)域?qū)m-霧顆粒群逸散的影響

圖7和圖8分別展示了不同截割區(qū)域時,不同粒徑塵-霧顆粒群分布和人員呼吸高度(Y=1.55 m)下塵-霧質(zhì)量濃度分布。

圖7 不同截割區(qū)域塵-霧顆粒群空間分布Fig.7 Spatial distribution of dust-spray particles group in different cutting zones

圖8 不同截割區(qū)域Y=1.55m粉塵-霧滴濃度分布Fig.8 Distribution of dust-spray concentrations in different cutting zones with Y=1.55 m

由圖7可知:

1)截割1#、6#區(qū)域時,在轉(zhuǎn)向流場作用下,塵-霧顆粒向巷道抽風(fēng)側(cè)逸散,其中未被抽出的塵-霧顆粒受回流影響,再次匯入射流場,最終導(dǎo)致塵-霧顆粒聚集于巷道壓風(fēng)側(cè)。該條件下,塵-霧顆粒逸散區(qū)域基本重疊;逸散塵粒粒徑約為6×10-6～9×10-6m,逸散霧滴粒徑約為40×10-6～60×10-6m。

2)截割2#、5#、7#區(qū)域時,未被抽出的塵-霧顆粒在回流作用下匯集于綜掘機(jī)上部空間。其中,截割2#、7#區(qū)域時,由于截割區(qū)域風(fēng)速較高,霧滴在風(fēng)流沖擊下進(jìn)一步破碎,導(dǎo)致霧滴粒徑明顯減小,分別為10×10-6～40×10-6m和10×10-6～20×10-6m。

3)截割3#、9#區(qū)域時,受轉(zhuǎn)向流場影響,塵-霧顆粒主要集中于巷道抽風(fēng)側(cè),霧滴粒徑均約20×10-6～40×10-6m。

4)截割4#、8#區(qū)域時,由于未形成有效轉(zhuǎn)向流場及回流,塵-霧顆粒主要集中于截割頭附近,部分塵-霧顆粒在巷道紊動流場作用下逸散。霧滴粒徑分別約10×10-6～30×10-6m和30×10-6～50×10-6m。

由圖8可知:

1)截割3#、4#區(qū)域時,塵-霧云團(tuán)集中于截割頭周圍以及巷道抽風(fēng)側(cè),對掘進(jìn)司機(jī)的影響較小。該條件下,霧場能夠覆蓋粉塵場,且截割3#區(qū)域時的霧滴粒徑更利于沉降粉塵。

2)截割7#、8#區(qū)域時,部分粉塵沿巷道邊壁逸散,霧場主要位于距工作面15 m以內(nèi)的區(qū)域,掘進(jìn)司機(jī)能夠受到塵-霧影響。該條件下,霧場能夠覆蓋粉塵較為集中的區(qū)域,且截割8#區(qū)域時的霧滴粒徑更利于沉降粉塵。

3)截割2#、5#、9#區(qū)域時,掘進(jìn)司機(jī)明顯受到較高濃度的粉塵污染影響,霧場則主要位于巷道抽風(fēng)側(cè)。該條件下,霧場能夠有效覆蓋粉塵污染區(qū)域。

4)截割1#、6#區(qū)域時,高濃度塵-霧云團(tuán)集中于截割頭周圍及巷道壓風(fēng)側(cè),雖然霧場能夠覆蓋粉塵場,且霧滴粒徑利于沉降粉塵,但高濃度塵-霧云團(tuán)已對掘進(jìn)司機(jī)造成嚴(yán)重影響。

為了進(jìn)一步掌握不同截割區(qū)域塵-霧云團(tuán)對掘進(jìn)司機(jī)的影響,對掘進(jìn)司機(jī)位置的塵-霧質(zhì)量濃度進(jìn)行定量分析,如圖9～11所示。

由圖9可知,截割1#～9#區(qū)域,司機(jī)位置塵-霧質(zhì)量濃度呈先降低、后增大、再降低、最終趨于穩(wěn)定的規(guī)律。截割1#區(qū)域時,司機(jī)位置塵-霧質(zhì)量濃度處于峰值,分別為6.3×10-4,5.5×10-3kg/m3;截割頭移至2#區(qū)域時,塵-霧質(zhì)量濃度分別迅速降至1.9×10-4,0.69×10-3kg/m3。截割3#區(qū)域時,粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到谷值,為0.65×10-4kg/m3;截割3#～5#區(qū)域時,塵-霧質(zhì)量濃度分別穩(wěn)定在1×10-4,0.8×10-3kg/m3以內(nèi)。當(dāng)截割頭移至6#區(qū)域時,塵-霧質(zhì)量濃度分別迅速增至4.3×10-4,5×10-3kg/m3,達(dá)到次峰值;而截割7#區(qū)域時,塵-霧質(zhì)量濃度又分別迅速降至0.71×10-4,0.16×10-3kg/m3,此時霧滴質(zhì)量濃度達(dá)到谷值。截割8#、9#區(qū)域時,塵-霧質(zhì)量濃度分別穩(wěn)定在1×10-4,0.5×10-3kg/m3左右。

由圖10和圖11可知,司機(jī)位置粉塵質(zhì)量濃度(Cd)、霧滴質(zhì)量濃度(Cp)與截割頭距壓風(fēng)側(cè)壁面距離(Lp)、距巷道底板距離(Lf)間定量關(guān)系分別滿足式(1)和式(2):

圖10 掘進(jìn)司機(jī)位置粉塵質(zhì)量濃度Cd與截割頭位置關(guān)系Fig.10 Relationship between dust mass concentration Cd at excavation driver’s position and position of cutter head

圖11 掘進(jìn)司機(jī)位置霧滴質(zhì)量濃度Cp與截割頭位置關(guān)系Fig.11 Relationship between spray mass concentration Cp at excavation driver’s position and position of cutter head

(1)

(2)

4 結(jié)論

1)截割工作面壓風(fēng)側(cè)下部(1#)及壓風(fēng)側(cè)中部(6#)時,塵-霧顆粒同時受轉(zhuǎn)向流場及回流作用,主要聚集于巷道壓風(fēng)側(cè);截割工作面中下部(2#)、中部(5#)以及壓風(fēng)側(cè)上部(7#)時,塵-霧顆粒受回流影響,主要聚集于綜掘機(jī)上部;截割工作面抽風(fēng)側(cè)下部(3#)、抽風(fēng)側(cè)上部(9#)時,塵-霧顆粒受轉(zhuǎn)向流場影響,主要聚集于巷道抽風(fēng)側(cè);截割其他區(qū)域(4#、8#)時,塵-霧顆粒受紊動流場影響,主要聚集于截割頭附近。

2)隨截割區(qū)域變化,司機(jī)位置塵-霧質(zhì)量濃度先降低、后增大、再降低、最終趨于穩(wěn)定。截割初始位置(1#)時,司機(jī)位置塵-霧質(zhì)量濃度均處于峰值;截割工作面抽風(fēng)側(cè)下部(3#)時,司機(jī)位置粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到谷值;截割壓風(fēng)側(cè)上部(7#)時,司機(jī)位置霧滴質(zhì)量濃度達(dá)到谷值。

3)各截割區(qū)域?qū)λ緳C(jī)位置塵-霧質(zhì)量濃度的影響滿足:壓風(fēng)側(cè)下部(1#)>壓風(fēng)側(cè)中部(6#)>中下部(2#)>中部(5#)>抽風(fēng)側(cè)上部(9#)>中上部(8#)>壓風(fēng)側(cè)上部(7#)>抽風(fēng)側(cè)中部(4#)>抽風(fēng)側(cè)下部(3#)。

4)掘進(jìn)機(jī)截割工作面下部及壓風(fēng)側(cè)區(qū)域是對司機(jī)產(chǎn)生影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？稍跐M足供風(fēng)需求的前提下,適當(dāng)降低系統(tǒng)壓風(fēng)量,以提高抽塵凈化效率。掘進(jìn)司機(jī)應(yīng)在截割作業(yè)全程佩戴個體防護(hù)裝置,用來降低塵-霧逸散對其身體健康的損害。