出风口距离调控对掘锚一体机工作面粉尘控制与流场特性的影响

时间：2024-07-28

苗继军

（国家能源集团乌海能源有限责任公司，乌海 016099）

煤炭是我国能源安全的“压舱石”，是国家能源战略稳定安全的重要保障。煤矿井下粉尘是煤炭生产过程中的必然产物，严重危害矿井工人的身体健康。在煤矿掘进生产中，掘进工作面粉尘危害尤为严重。降低粉尘危害的关键是探明粉尘的产尘与运移规律，以及粉尘控制的影响因素。为了降低掘进工作面的粉尘，国内外学者开展了一系列有关研究。WANG 等人采用气固两相流理论，研究了粉尘运移规律与气流之间的关系，得出了粉尘运移分布主要受到风流的影响[1]。谢耀社等人介绍了负压二次除尘技术和超声波粉尘抑制系统[2]。周智勇等人研究了风筒空间位置及压抽比对粉尘分布规律的影响，得出了掘进工作面最佳通风布置方案[3]。王凯等人研究了综掘面风筒直径变化时粉尘运移分布规律，得出了在风量一定的情况下最佳的降尘风筒直径[4]。聂文等人通过数值模拟研究了附壁风筒吹出径向涡流控尘的可能性[5]。李晓芳等人对比研究了不同压抽比下的粉尘分布规律，得出了混合式通风降尘的最佳压抽比[6]。贾宝山等人建立了风幕集尘风机内流场的数学模型，并通过试验测试验证了数学模型的有效性，证明风幕射流可以有效抑制粉尘扩散[7]。周福宝等人和王宽等人研究了综掘工作面复合通风条件下粉尘颗粒的扩散、沉降和聚集，以及混合通风系统下粉尘的时空变化分布[8-9]。GENG 等人研发了柔性附壁风筒辅助降尘技术，配合除尘风机使用时可产生螺旋状风流场，应用后取得了良好的辅助降尘效果[10-11]。

采用数值模拟方法对综掘工作面出风口距掘进工作面不同距离下的粉尘扩散规律进行深入研究，确定了高效的掘进工作面通风系统的控尘参数，为综掘工作面井下通风除尘提供了理论基础。

1 计算模型的建立

1.1 数学模型

以N-S 方程为基础，建立基于湍流强度及其耗散率的k-ε自由流动场方程，分析粉尘在流场中的受力状况，建立基于粉尘颗粒在拉格朗日坐标系中受力平衡的离散相方程，确定求解条件。

1.2 几何模型建立与求参设置

为研究压风筒距掘进工作面不同距离下煤矿粉尘分布情况和除尘效果，提出了4 种方案。模型统一采用除尘风机风筒距离掘进工作面3 m 的模型进行研究，如图1所示。图1中，除尘风机风筒距掘进面距离为3 m。

图1 通风系统排风筒的4 个布置方案

利用SolidWorks 软件进行物理模型构建，基于Fluent Meshing 完成网格划分工作。巷道采用压入式通风+除尘风机通风的方式，压风筒布置在巷道右侧，固定高度为3.5 m。

1.3 边界条件和离散相参数

在巷道掘进过程中，粉尘主要来源于掘进设备对煤岩体的破坏。结合实际生成条件，在Fluent 数值模拟软件中设置合适的求解器和边界条件进行计算。求解器采用瞬态和绝对速度进行计算。连续相和离散相求解程序均基于压力求解。计算模型的湍流模型和压力速度耦合模型分别为Realizablek-ε、SIMPLE。压风筒压风口、除尘风筒入口、巷道出口和壁面类型的边界条件分别为压力入口、压力出口、压力出口和无滑移壁面。粒径分布、粉尘释放初速度和粉尘质量流率分布为Rosin-Rammler、0.1 m·s-1和0.002 kg·s-1。粉尘最小直径、最大直径和中间直径为8.50×10-7m、2.69×10-5m 和4.86×10-6m。

1.4 网格独立性验证

为了验证模拟结果的准确性，进行网格独立性检验。网格数量分别为50 万个、127 万个和160 万个。气流是粉尘载体，影响模拟结果，因此选择气流速度作为网格独立性验证的主要参数，并对3 组网格进行比较，结果如图2 所示。127 万网格和160 万网格下气流速度曲线几乎重合且误差较小。综合考虑计算资源与计算可靠性，127 万网格模型能够满足数值模拟要求，因此选择采用网格数为127 万网格模型。

图2 不同质量网格下气流速度变化

2 掘锚一体机工作面粉尘分布规律与流场特性分析

2.1 掘锚一体机通风流场结构

图3为压风筒不同距离下巷道风流场分布图，其中Lf为通风风筒距掘进面距离。由图3 可知，压风筒流出的高速气流与掘进工作面碰撞后沿掘进工作面向下流动。由于压风筒位于巷道右侧，且掘进机机体具有阻挡作用，导致距掘进机2 m 处的风流场紊乱。风流场的紊乱程度随着压风筒距掘进工作面距离的增加而减弱。高速气流撞击掘进工作面后，大部分气流沿掘进工作面向左下方流动。由于巷道左侧煤壁的存在，气流冲击巷道底板后向上流动。在Lf为3 m 时可以明显观察到气流在左侧拐角处存在涡流场。在除尘风筒和掘进机机体的阻挡作用下，在Lf为8 m 时掘进机铲斗上方也出现涡流场，能在很大程度上阻止粉尘向巷道后端扩散。在Lf为13 m 时，随着压风筒距掘进工作面距离增加，掘进机铲斗上方的涡流场逐渐减弱，铲斗上方的粉尘浓度相应降低。在Lf为18 m 时，压风筒流出的气流只有小部分被除尘风筒吸入，大部分气流从掘进机上方流向巷道后端。

图3 压风筒不同距离时的掘进工作面流场流线图

2.2 粉尘的动态扩散过程分析

2.2.1 截割粉尘在巷道内的扩散过程研究

图4为压风筒不同距离下巷道内粉尘浓度分布图，其中Lf为通风风筒距掘进面距离。由图4 可知，从压风筒流出的高速气流冲刷掘进工作面，同时尘源粉尘在风流的携带下沿回风侧煤壁轴向流动。当Lf为3 m和8 m 时，巷道前部气流速度大，除尘风筒除尘能力低，气流携带着大量粉尘从掘进机上方向巷道末端扩散。随着粉尘沿巷道进一步扩散，掘进巷道底板和顶板均存在一定数量的粉尘颗粒。

图4 压风筒不同距离时巷道粉尘分布图

顶板附近气流速度大，因此在巷道顶板处观察到高浓度粉尘区。当Lf为18 m 时，除尘风筒除尘能力略微下降，巷道顶板处的粉尘浓度相比Lf为3 m 和8 m有所下降，但仍有大量高浓度粉尘从巷道左侧煤壁扩散到巷道末端，因此巷道内的总体粉尘浓度较大。当Lf为13 m 时，除尘风筒除尘效果达到最佳，可以明显观察到巷道的总体粉尘浓度降低，大颗粒粉尘主要积聚在工作面附近，少量大颗粒粉尘沿巷道左侧煤壁向后移动，说明该距离下具有更好的除尘效果。

2.2.2 不同高度下的粉尘分布规律研究

在压风筒至掘进工作面距离对粉尘的分布影响研究中，分别设置距离为3 m、8 m、13 m 和18 m 共4 种情况，迭代计算完成后分别截取1.6 m 和3 m 处的巷道整体粉尘分布如图5 所示，其中dx为设置距离。

图5 不同高度下巷道内粉尘分布情况

从粉尘分布情况可以发现，当dx为3 m 和8 m 时，掘进巷道前端高浓度粉尘区域较大，同时巷道内整体粉尘浓度高，大量粉尘明显未被除尘风筒吸入，导致高速气流将粉尘运移至掘进机后方。这表明当压风筒距掘进工作面距离较小时，过快的气流会让粉尘大范围扩散，从而导致巷道内粉尘浓度过高。从1.6 m 高度处的巷道整体粉尘分布图可以看出，高浓度粉尘集中在巷道的左侧拐角处。这是由于气流在拐角处发生转向，导致大颗粒粉尘不能及时改变方向。掘进机后方粉尘分布均匀且浓度低。当dx为18 m 时，部分粉尘在气流的携带下从掘进机左侧扩散到掘进机后方，导致巷道后方的粉尘浓度升高，使得巷道总体粉尘浓度较dx为13 m 有所上升。从3 m 高度处的巷道整体粉尘分布图可以看出，高浓度粉尘带集中在压风筒一侧。这是由于高速气流在冲击掘进工作面后，大部分气流沿巷道左侧煤壁向后流动，导致巷道左侧煤壁附近的气流速度远大于右侧煤壁的气流速度，大量的粉尘被冲击到巷道右侧区域。综上，粉尘控制最优的压风筒距掘进面距离依次为13 m、18 m、8 m、3 m。

2.2.3 掘锚一体机工作面粉尘时空变化规律

图6显示了0 ～60 s 与掘进工作面不同距离处的巷道截面平均粉尘浓度分布。

图6 压风筒不同距离下巷道不同路段的平均粉尘浓度随时间的变化

如图6（a）所示，掘进工作面产生粉尘，导致粉尘浓度不断增加，达到72 mg·m-3。由于粉尘沉降，一些粉尘积聚在巷道底板上，同时一些粉尘被除尘风筒吸收。因此，粉尘浓度沿着巷道显著降低。在0 ～10 s 时，掘进机前部气流紊乱，只有少量粉尘跟随气流扩散到掘进机后方。随着时间的增加，气流携带大量未被吸收的粉尘向巷道后方扩散，使得粉尘浓度增加。

如图6（b）所示，随着压风筒距离的增加，掘进机前部粉尘浓度有所降低，但前部气流相对稳定，不同时间段下巷道不同截面的平均粉尘浓度大体一致。

如图6（c）所示，巷道内整体粉尘浓度降低，掘进工作面处粉尘浓度略微增加，高浓度粉尘团被控制在掘进机前部，巷道后方粉尘浓度低于20 mg·m-3。同时，随着时间的增加，4 m 处被掘进机阻挡的粉尘由于除尘风筒负压的作用被风筒吸收，粉尘浓度降低。

如图6（d）所示，由于压风筒与掘进工作面距离过大，到达掘进机前部的气流速度小，导致掘进工作面的粉尘浓度极高，达到114 mg·m-3。大量的粉尘聚集在掘进机前部，巷道后部的粉尘浓度相比与Lf为3 m 和8 m 略有下降。可见，压风筒距掘进工作面的距离设置为8 ～18 m 时，粉尘控制效果较好。