抽出式通风风流运动及粉尘运移规律数值模拟研究

姚海飞，邓志刚，李继良，谢华东，吴建宾，付 伟，吴海军

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.兖州煤业股份有限公司 东滩煤矿，山东 邹城 273512)

抽出式通风风流运动及粉尘运移规律数值模拟研究

姚海飞1,2，邓志刚1,2，李继良3，谢华东3，吴建宾3，付 伟3，吴海军1,2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3.兖州煤业股份有限公司 东滩煤矿，山东 邹城 273512)

为直观地了解抽出式通风风流运动规律，建立物理模型，设置边界条件对抽出式通风条件下巷道风流运动及粉尘运移规律进行了数值模拟，分别研究了X，Y，Z方向的速度、压力分布规律和不同粒径粉尘运移轨迹，结果表明：巷道内风速0.54m/s，较为稳定，风筒内风速较大，为23m/s左右，这与实际情况非常吻合，在截面X=5.2m处巷道内的风流方向朝向掘进头，风筒内的风流方向则由风筒入口朝向出口。巷道内的风速在整个模拟区段内几乎保持恒定，没有较大变化，而风筒内的风速则变化较大，在入口处最大，达40m/s，之后逐渐减小，然后稳定在23m/s左右。整个巷道均为正压，风筒内是负压，在这两股压力的共同作用下形成稳定的通风风流，风筒入口处负压最大，而后负压逐渐减小，但很快就维持在比较稳定的状态。抽出式通风时粉尘扩散较少，掘进面产生的粉尘全部都被吸入负压风筒，抽出式通风时更有利于控制巷道中特别是司机位的粉尘含量，保护司机等掘进机周围工人的身体健康。

抽出式通风；风流运动；粉尘运移；速度分布；压力分布；数值模拟

矿井粉尘是我国最大的职业危害之一，在煤矿井下粉尘污染的作业场所工作，工人长期吸入大量的粉尘，往往会患有尘肺病[1-2]。高浓度粉尘还可能爆炸造成人员伤亡和设备损坏。煤矿粉尘严重威胁着作业人员的生命和安全，是煤炭生产的五害之一，一直是各国科研人员研究的重要课题。

掘进工作面一般采用的通风除尘途径是长压短抽的方式，即用压入式风机将新鲜风流送至工作面，然后通过抽出式风机将污风进行净化抽出[3-5]。为了达到较好的除尘效果，根据国内外的研究和生产实践，提出使用掘进机内、外喷雾的方法将掘进机产生的粗粒粉尘迅速沉降，在此基础上通过抽出式风机进一步净化，提高除尘效率。但在长压短抽的通风除尘系统中存在以下问题：污风不能全部封闭在工作面，有一部分扩散在巷道内，降低了抽出式风机的吸尘量；由于抽出式风机的风筒不能紧跟着掘进机司机一同前移，使掘进机司机处在粉尘中；原通风除尘系统易形成循环风，影响除尘风机的除尘效果；由于除尘效果差，使工人和设备仍处在污染的环境中，既危害了工人的健康，也易引起煤尘爆炸。

抽出式通风条件下，掘进巷道内为进风风流，污风从抽出式通风风筒内流出，克服了压入式通风存在的除尘效率不高的难题，能极大地提高除尘效率，改善掘进工作面作业环境。数值模拟有助于研究人员更直观地了解抽出式通风风流运动规律。

1 物理模型的建立

根据现场实际情况和数值模拟的需要，对巷道进行了一定的简化。简化后模型及尺寸如下：

(1)巷道断面视为长方形，巷道高3m，宽4m，长50m。

(2)抽出式风筒视为规则的圆柱体，半径0.3m，抽出式风筒轴线距底板2.1m，距外帮0.1m，风筒吸风口距离掘进头5.1m。

(3)考虑到掘进机对巷道中风流的影响，将其视为规则的长方体和圆柱体的组合体，长方体模型规格为：长×宽×高=4.9m×1.7m×1.2m，圆柱体直径0.6m，长3m，圆柱体一侧位于长方体前段的正中间，一侧紧贴掘进头。

用GAMBIT建立掘进巷道抽出式通风的几何模型见图1，建完模型后，对其进行网格划分。

图1 抽出式通风数值模拟几何模型

2 边界条件的设定

将GAMBIT完成的几何模型导入到Fluent中，设置边界条件：巷道内的风速为0.54m/s，根据公式(1)可计算出水力直径为3.4m，根据式(2)可计算出湍流强度为3.2%。

水力直径计算方法[6-7]：

dH=4A/S

(1)

式中，dH为水力直径，m；A为过流断面积，m2；S为流体与固体基础周长，m。

湍流强度计算方法：

(2)

根据掘进巷道的一般情况，将整个掘进工作面设为一个面粉尘源，即粉尘源是一个宽为4m、高为3m的平面，对粉尘源的参数进行设置，见表1，通常情况下矿井中的呼吸性粉尘占全尘的80%。

表1 颗粒源参数设置

3 风流运动规律数值模拟结果分析

3.1 速度分布规律

3.1.1 X方向速度分布

建立物理模型，设置好边界条件后，用Fluent可求解出抽出式通风条件下掘进工作面风流分布情况。X=0,5.2,10,20,30,40,50m处的速度分布云图如图2(a)所示，为观察得更加清楚，可将其中某个截面放大，将X=5.2m的速度分布云图放大后的效果如图2(b)所示。

由图2可知，巷道内风速较为稳定，比风筒中小，风速为0.54m/s，风筒内风速较大，为23m/s左右，这与实际情况非常吻合，因为在风量一定的条件下，通风断面越大则风速越小，通风断面越小则风速越大，风筒面积为0.2826m2，巷道断面积为12m2，风流运动方向如图3所示。

图2 X方向速度分布

图3 X=5.2m截面处的速度分布矢量

由图3可知，在截面X=5.2m处巷道内的风流方向即图中线段的箭头方向朝向掘进头，并且所有箭头都有朝风筒入口的趋势，风筒内的风流方向则由风筒入口朝向出口。因为抽出式通风时，风筒内是负压，风流在巷道内的运动情况是由外向掘进头涌入。

3.1.2Y方向速度分布

Y=2.1m截面的速度分布如图4(a)所示，该截面处的速度分布矢量图如图4(b)所示。

由图4可知，巷道内的风速在整个模拟区段内几乎保持恒定，没有较大变化，而风筒内的风速则变化较大，在入口处最大，达40m/s，之后逐渐减小，然后稳定在23m/s左右。入口处风速最大，这是因为抽出式通风时通风动力完全来自于吸风风筒，入口处由于横截面积的急剧减小，风速自然急剧增加，这样才能保证足够多的风流能吸入风筒，形成连续不断的通风风流。

3.1.3 Z方向速度分布

Z=0.4m截面的速度分布如图5(a)所示，该截面处的速度分布矢量图如图5(b)所示。Z=0.4m截面处风速分布与Y=2.1m截面的风速分布类似，因为它们实际上是互相垂直的两个平面，都经过负压硬质风筒的中轴线。

图4 Y方向速度分布

图5 Z方向速度分布

3.2 压力分布规律

3.2.1 X方向压力分布

X=0,5.2,10,20,30,40,50m处的压力分布云图如图6(a)所示，将X=5.2m截面处的压力云图放大后如图6(b)所示。

图6 X方向压力分布

由图6可以看出，整个巷道均为正压，风筒内是负压，这与实际情况相符，因为抽出式通风的动力来自硬质风筒内的负压，所以在正常通风条件下，风筒内外形成的状态是风筒外部正压，内部负压，在这两股压力的共同作用下形成稳定的通风风流。

3.2.2 Y方向压力分布

Y=2.1m截面的压力分布经局部放大后如图7所示。

图7 Y=2.1m截面处的压力分布放大

由图7可以看出，巷道、风筒内压力分布较为均匀，因为运算收敛后达到较为稳定的状态，这预示着抽出式通风稳定后，风筒内外压差将维持在比较稳定的状态，这有利于通风的稳定。

3.2.3 Z方向压力分布

Z=0.4m截面局部放大后的压力分布如图8所示。

图8 Z=0.4m截面处的压力分布放大

和速度分布状况类似，Z=0.4m截面处的压力分布与Y=2.1m截面的压力分布类似，风筒入口处负压最大，而后负压逐渐减小，但很快就维持在比较稳定的状态。

4 粉尘运移规律数值模拟结果分析

各种粒径粉尘的运动轨迹如图9所示。

图9 各种粒径粉尘运动轨迹

从图9可以看出，抽出式通风时粉尘扩散较少，掘进面产生的粉尘全部都被吸入负压风筒，有力地保证巷道内的清洁和工人的身体健康。从1μm粉尘运动轨迹与100μm，500μm粉尘运动轨迹的对比可以看出，小粒径的粉尘由于质量较小，更容易被风筒及早吸走，这说明抽出式通风时更有利于控制巷道中特别是司机位的粉尘含量，保护司机等掘进机周围工人的身体健康。

5 结论

建立物理模型对抽出式通风条件下巷道风流运动规律、粉尘运移规律进行了数值模拟，分析了X，Y，Z方向的速度、压力分布规律以及不同粒径粉尘运动轨迹，得出以下结论：

(1)巷道内风速较为稳定，比风筒中小，风速为0.54m/s，风筒内风速较大，为23m/s左右，这与实际情况非常吻合，因为在风量一定的条件下，通风断面越大则风速越小，通风断面越小则风速越大。

(2)巷道内的风速在整个模拟区段内几乎保持恒定，没有较大变化，而风筒内的风速则变化较大，在入口处最大，达40m/s，之后逐渐减小，然后稳定在23m/s左右。

(3)整个巷道均为正压，风筒内是负压，在这两股压力的共同作用下形成稳定的通风风流；风筒入口处负压最大，而后负压逐渐减小，但很快就维持在比较稳定的状态。

(4)抽出式通风时粉尘扩散较少，掘进面产生的粉尘全部都被吸入负压风筒，小粒径的粉尘由于质量较小，更容易被风筒及早吸走。抽出式通风时更有利于控制巷道中特别是司机位的粉尘含量，保护司机等掘进机周围工人的身体健康。

[1]金龙哲，蒋仲安，潘大勇，等.掘进巷道中粉尘分布规律的实验研究[J].煤炭科学技术，2001，29(3)：43-44.

[2]何清海.综掘工作面粉尘防治新技术[J].矿业安全与环保，2008，35(6)：36-38.

[3]刘 建，姚海飞，魏传光，等.掘进面湿式离心除尘器的结构优化及数值模拟[J].煤炭学报，2010，35(3)：424-428.

[4]W.P.Jones，B.C.Launder.The Prediction of Laminarization with a Two-equation Model of Turbulence[J].Int.J.Heat and mass Transfer，1972，115(15)：301-314.

[5]王海桥.掘进工作面射流通风流场研究[J].煤炭学报，1999，24(5)：498-501.

[6]王晓珍，蒋仲安，王善文，等.煤巷掘进过程中粉尘浓度分布规律的数值模拟[J].煤炭学报，2007，32(4)：386-387.

[7]周光炯，严宗毅.流体力学[M].北京：高等教育出版社，1992.

[责任编辑：邹正立]

NumericalSimulationforAirflowMovementandDustTransportationofExhaustVentilation

YAO Hai-fei1,2,DENG Zhi-gang1,2,LI Ji-liang3,XIE Hua-dong3,WU Jian-bin3,FU Wei3,WU Hai-jun1,2

(1.Safety Research Institute,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.State Key Laboratory of Coal Resource High-efficiency Mining and Clean Utilization(China Coal Research Institute),Beijing 100013,China;3.Dongtan Colliery,Yanzhou Coal Co.,Ltd.,Zoucheng 273512,China)

In order to intuitively obtain airflow movement of exhaust ventilation,a physical model was built up and airflow movement and dust transportation rule in roadway was simulated by setting boundary condition.Velocity,pressure distribution and transportation tracks of dust with different sizes fromX,YandZdirection were researched.Results showed that air speed in roadway was 0.54m/s,which was stable and air speed in airduct was 23m/s,which was accordance with practice. At the site of roadway whose section wasx=5.2m,airflow orientation directed to driving face. Air speed in roadway was nearly constant and that in airduct changed largely,it was 40m/s at air inlet then reduced gradually,and kept at 23m/s. Air pressure was positive in whole roadway and negative in airduct,stable ventilation formed under the two pressures. Negative pressure was maximum at air inlet then reduced gradually,and kept stable rapidly. Dust diffusion was less in exhaust ventilation. Dust in driving was wholly drawn into negative-pressure airduct. Therefore,exhaust ventilation was favorable for controlling dust at driver site and protecting workers’ health.

exhaust ventilation; airflow movement; dust transportation; velocity distribution; pressure distribution; numerical simulation

2014-01-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.027

国家“十二五”科技支撑计划课题(2012BAB13B02)；中国煤炭科工集团科技创新基金项目(2012MS001)；煤炭科学研究总院科技发展基金(2012JC11)

姚海飞(1984-)，男，江西吉安人，助理研究员，主要从事综合防尘、防灭火等矿山安全技术方面的研究。

姚海飞，邓志刚，李继良，等.抽出式通风风流运动及粉尘运移规律数值模拟研究[J].煤矿开采，2014，19(5)：96-99,85.

TD724

A

1006-6225(2014)05-0096-04