薄煤层炮采工作面粉尘运动规律的数值模拟

陈学习，张 亮，张 凯，胡华磊

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601；2.河北省矿井灾害防治重点实验室，北京 东燕郊 101601)

0 引言

粉尘是煤矿五大灾害之一，不仅会使矿工患上尘肺病，危及身体健康，更严重的是会发生煤尘爆炸事故，给煤矿安全生产带来重大威胁。临沂矿区田庄煤矿N2601炮采工作面，煤层较薄(1 m左右)，开采空间小，风流速度慢，致使工作面粉尘污染严重。工作面主要产尘源有人工攉煤、打眼和放炮落煤等。其中放炮落煤时工作面粉尘平均浓度达200 mg/m3。该工作面煤尘爆炸性指数为44.06%～47.89%，具有强爆炸性。如不采取有效防降尘措施，将造成重大的安全隐患。

本文根据N2601工作面实际情况，结合气固两相流相关理论，采用Fluent软件对炮采工作面各产尘工序的粉尘运移规律进行模拟分析，获得各产尘工序粉尘运移特点，从而为粉尘防治技术的选取提供可靠的理论依据。

1 炮采工作面粉尘气固两相流模拟的数学方法

粉尘在空气中的运动属于气固两相流，且连续相的作用可以忽略不计，因此采用欧拉—拉格朗日方法中的离散相模型，作为粉尘模拟的基本模型[1-2]，并应用随机轨道方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒运动的影响，计算粉尘颗粒的运动规律以及浓度分布。工作面上的气体流动控制方程组采用三维稳态不可压Navier-Stokes方程，湍流流动采用工程上应用最广的k-ε双方程模型[3-6]。

离散相运动的数学模型(DPM)通过积分拉格朗日坐标下颗粒作用力的微分方程来求解颗粒的轨道，随机轨道模型假定颗粒与湍流之间的相互干扰过程等价于颗粒与一系列小旋涡的干扰过程，同时假定在每个小旋涡上速度的脉动分量满足高斯分布，而计算颗粒轨迹所用的u′(t)在每个小旋涡上为一个常数，即u′(t)为小旋涡脉动速度的一个样本，假定其满足高斯概率分布，对于k-ε模型，假设当地湍流各项同向性，则有式(1)：

(1)

沿不同坐标积分就可以得到沿x方向上颗粒的运动轨迹

(2)

其中u′，v′，w′，是流体在x、y、z方向上的速度，m/s；k是湍动能，m2/s2；up是颗粒运动速度，m/s。

2 数值模拟几何模型的建立及网格划分

根据N2601工作面实际尺寸和实际放炮落工序，对工作面粉尘扩散计算区间进行适当的简化，计算中建立一个长136 m、宽4 m、高1.22 m的长方体三维几何模型(图1)，使用Gambit对建立的几何模型进行Hex(六面体)网格划分。如图2所示。

图1 炮采工作面三维模型示意图

图2 网格划分示意图

3 数值模拟主要参数及边界条件的设定

根据N2601炮采工作面具体情况及相关实测数据，结合数学模型和Fluent的模拟方法[7-9]，确定数值模拟的主要参数及边界条件如表1、表2所示[10]。

表1 粉尘源参数设置表

表2 边界条件设定表[4]

4 薄煤层炮采工作面粉尘运动规律数值模拟结果与分析

4.1 人工攉煤时粉尘运动规律

根据建立的工作面物理模型和网格，模拟计算了靠近工作面进风侧人工攉煤时粉尘的运动轨迹和浓度分布情况，如图3、图4所示。从图中可以看出：人工攉煤产生的粉尘，随着风流逐渐向人行道及其后方扩散，瞬间模拟产尘浓度在190 mg/m3左右,距离攉煤工沿回风侧粉尘浓度急剧下降。实测粉尘浓度是从攉煤工处，在人行道上沿回风测是浓度逐渐上升，距离4～5m后上升到最大值，然后逐渐下降。这是因为数值模拟产尘沿程分布是与人行道平行的，靠近煤壁，其粉尘浓度逐渐下降，而人行道上粉尘浓度在一定范围内逐渐上升。

图3 人工攉煤时粉尘运动轨迹

图4 人工攉煤时粉尘沿x方向浓度分布

4.2 打眼时粉尘运动规律

对建立的工作面物理模型，重新划分网格，在靠近工作面进风侧切眼煤壁设置单个打眼炮孔(该打眼炮眼距顶板0.3 m，距离入口0.55 m，喷射源类型按面源考虑，入口速度5 m/s,流量0.012 kg/s)，模拟计算粉尘的运动情况，如图5、图6所示。

图5 打眼时粉尘运动轨迹

图6 打眼时粉尘沿x方向浓度分布

从图5可以看出：打眼产生的粉尘基本上顺煤壁沿风流扩散，很少扩散到人行道后方支柱间。图6显示按面元考虑模拟打眼产尘，其打眼处粉尘瞬间浓度达300 mg/m3，距离打眼处5 m后，粉尘浓度急剧降低。

实测打眼工序粉尘浓度最大在110 mg/m3左右，而且在距离打眼工处回风侧人行道4～5 m处。从数值模拟和实测数据对比来看，距离打眼处5m与人行道平行处粉尘浓度急剧降低，而回风侧粉尘浓度增到最大，说明粉尘大部分向人行道扩散，与粉尘运动规迹模拟结果一致。

4.3 放炮时粉尘的运动规律

数值模拟计算得到放炮后工作面粉尘运动轨迹、浓度分布情况，如图7、图8所示。从图中可以看出：

图7 放炮时粉尘运动轨迹

图8 放炮时粉尘沿X方向浓度分布

1) 粉尘从放炮处产生，一方面顺着风流运动，一方面横向随机扩散，少部分粉尘扩散到人行道一侧。

2) 由于工作面的风速影响，粉尘不能全部扩散到人行道一侧，更多的粉尘仍然沿着煤壁附近的运动，随着粉尘在湍流中不断运动、扩散、沉降，落到煤壁、地面或者撞击到支柱表面，从而被捕获。

3) 放炮落煤时产生的大部分粉尘从煤壁与靠近煤壁的支柱间空隙通过，只有少部分能进入支柱后方风流中。

4) 数值模拟时，放炮落煤在炮眼处瞬间产尘强度在600～700 mg/m3，而实际测定时放炮工序最高产尘强度在200～250 mg/m3。两者之所以存在差距，是因为与放炮处距离不同，从图8也可以看出，距离炮眼处5～10 m后，放炮产尘浓度已降为150～300 mg/m3，与实际相差不多。

5 结论

1) 人工攉煤与打眼产生的粉尘，顺煤壁沿回风侧急剧下降，在人行道沿回风侧浓度逐渐上升，粉尘大部分向人行道扩散。人工攉煤应使煤炭尽量靠近煤壁侧，打眼应采用湿式作业，以有效减少粉尘的扩散。

2) 放炮产生的煤尘，大部分沿煤壁运动，少部分扩散到人行道一侧。应在放炮落煤前，充分湿润煤壁，以捕获沿煤壁扩散的粉尘。

3) 薄煤层炮采工作面的粉尘防治是一项系统工程，应从各产尘环节的特点入手，寻求综合性的防尘措施，有效降低粉尘浓度，为安全生产和职业健康提供保障。

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