全断面快速掘进煤巷粉尘的分布规律

刘永立， 刘 迪， 沈 斌

(黑龙江科技大学 黑龙江省普通高校采矿工程重点实验室， 哈尔滨 150022)



全断面快速掘进煤巷粉尘的分布规律

刘永立， 刘 迪， 沈 斌

(黑龙江科技大学 黑龙江省普通高校采矿工程重点实验室， 哈尔滨 150022)

大柳塔煤矿全断面快速掘进系统使用过程中，出现了巷道内煤尘质量浓度超标和锚杆机前方风量不足问题。根据全断面快速掘进设备的布置特点，设计了长压短抽通风方式降尘增风。为预测长压短抽通风方式的效果，利用Gambit前处理软件建立了掘进工作面物理模型。基于气固两相流和射流理论，采用离散相模型，利用Fluent软件模拟工作面煤尘在不同抽压风量、不同抽压风口位置和不同抽吸比条件下粉尘质量浓度分布规律。该研究可以为长压短抽通风方式风机设备的选型和布局提供科学依据。

掘进工作面； 煤尘运移； 气固两相流； Fluent； 离散相模型

0 引 言

煤巷掘进工作面是煤矿井下产生煤尘的主要场所，研究掘进工作面中的粉尘浓度在风流场中的分布规律，对掘进工作面粉尘治理、减少粉尘危害、改善工作面作业环境具有重要意义[1]。我国煤矿巷道掘进通常使用压入式通风，这种通风方式具有风道密闭工程量少、维护费用低的优点；回风沿巷道流出，可带走巷道内大量粉尘及瓦斯气体。随着掘进机械化水平的提高，工作面的产尘量增大，导致巷道空间粉尘浓度进一步增大，单一的压入式通风不足以使粉尘从巷道中有效排出，造成大量粉尘由工作面扩散至整个巷道，对工人的健康造成严重影响[2]。为此，国内外科技工作人员对于掘进工作面粉尘浓度分布规律做了大量分析研究，总结了掘进工作面总风量、压抽风筒距离、抽吸比对掘进过程中粉尘浓度的影响，对我国掘进工作面除尘工作作出了贡献。

神华神东公司大柳塔煤矿使用了全断面快速掘进系统，由于巷道掘进距离长、巷道断面大和单一巷道掘进方式，巷道内煤尘浓度超标，锚杆机前方视线不清；锚杆机至工作面空顶区风量严重不足；风筒重叠段风速小于《煤矿安全规程》规定的0.25 m/s要求[3-4]。针对大柳塔煤矿单巷全断面快速掘进系统使用过程中出现的上述问题，需要对全断面快速掘进系统的通风除尘技术进行深入研究。根据全断面快速掘进设备的布置特点，笔者设计了长压短抽通风方式降尘增风。为了预测长压短抽通风方式的效果，利用Gambit前处理软件建立掘进工作面物理模型；基于气固两相流和射流理论，采用离散相模型(DPM)；利用Fluent软件模拟工作面煤尘在不同抽压风量、不同抽压风口位置和不同抽吸比条件下粉尘浓度分布规律。

1 工程概况

神华神东公司大柳塔煤矿52501回顺设计掘进长度为4 849 m，为矩形锚网煤巷，断面6.0 m×4.2 m，断面积25.2 m2。采用全断面高效掘进系统设备施工。全断面煤巷高效掘进机QMJ4260完成破煤和装煤工序；CMM10-30跨骑式十臂锚杆机和锚索钻机完成巷道顶帮锚杆、锚索支护工序；DZY100/160/135可弯曲皮带转载机完成煤的转载工序；由胶带输送机完成转载后煤的连续运输工序，从而形成掘进工作面割煤、装煤、运煤、支护等工序全部机械化作业的施工方法。

通过对巷道内环境和通风除尘技术等因素的综合分析，掘进工作面选用了长压短抽通风方式，并通过一台对旋压入式局部通风机保证工作面正常通风，另外安装一台抽出式湿式除尘风机降低工作面粉尘浓度并配合压入式风机通风，掘进工作面通风方式如图1所示。

图1 掘进工作面通风方式

2 数学模型的建立

2.1 模型的假设条件

将现场的实际条件与数值模拟相结合，在不影响运算规律的前提下，作如下假设[5-6]:

(1)将通风气流视为不可压缩流体。

(2)等温通风、避免绝热，可忽略由流体黏性力做功所引起的耗散热。

(3)流动为稳态湍流，流场中各变量均认为不随时间变化。

2.2 数学模型

2.2.1 气固两相流

巷道中的空气与粉尘颗粒的分布规律属于气固两相流，故研究粉尘在流体中的运输过程采用气固两相流数学模型。目前，研究气固两相流动的方法主要有两种[7]，即欧拉-欧拉法和欧拉-拉格朗日法，后者也称为颗粒轨道法，对应的Fluent模型为离散相模型(Discrete phase model)。文中模拟研究的对象是掘进工作面中粉尘颗粒，模拟中选择离散相模型，在该模型中粉尘颗粒为离散相，空气为连续相。模拟时考虑连续相对离散相的影响，由于离散相所占的体积分数较小，所以结合研究对象的实际情况忽略离散相对连续相的影响。颗粒运动轨迹采用单向耦合的拉格朗日方法进行追踪，先计算流场，再计算流场对颗粒的影响[8]。

2.2.2 粉尘在风流中的运移

选择用随机轨道模型来研究湍流对流场中粉尘颗粒运移轨迹的影响。

该模型引入Reynolds平均法，对任意变量φ的时间平均值可定义为

(1)

t——时间变量

物理量的瞬时值可表示为

(2)

式中：φ′——φ的脉动值。

综上，可以将流场中气流的瞬时速度写成时均速度和脉冲速度之和的形式：

(3)

式中：v——气体的瞬时速度，m/s；

v′(t)——气体的脉冲速度，m/s。

将颗粒与湍流之间的相互作用看作是颗粒与湍流中很多小尺度漩涡相互作用的过程，而且所有小尺度漩涡的脉动速度都符合高斯分布，则脉动速度分布

(4)

式中：ξ——取自[-1,+1]区间内的随机数字；

κ——基于气体平动动能的气体热导率。

在此条件下，对瞬时速度积分运算得到湍流对颗粒扩散随机性的作用。对每个离散时间步长一直积分求解下去，得到颗粒在运动过程中的轨迹，把大量颗粒积分得到轨迹放在一起，得出整体的颗粒分布状况。沿着坐标系中x、y和z三个方向进行积分，获得颗粒在三维立体空间的运动轨迹。

3 几何模型与边界条件

3.1 几何模型的建立

针对神东大柳塔煤矿单巷长距离大断面快速掘进工作面的设备布置情况，掘进巷道断面为矩形，宽6.0 m,高4.2 m，自掘进头起取60 m 长的巷道作为计算区域。模型中包括掘进机、锚杆机、胶带机、巷道、压入式风筒和抽出式风筒共六部分。

在分析CFD时，采用的处理器为Gambit，该处理器质量优越，功能有网络生成以及几何建模。根据掘进巷道通风除尘系统设计布置的实际情况(见图1)，合理地简化其几何条件。利用Gambit构建掘进巷道的几何模型，并划分计算网格，如图2所示。

a 计算模型

b 网格划分

Fig. 2 Calculation model and meshing on excavation road way

3.2 边界条件和模拟参数的设定

根据大柳塔煤矿52501回风顺槽掘进工作面具体情况及相关实测数据，确定数值模拟的边界条件及模拟参数[5,7]。具体设定如下。

(1)模型中的流场入口边界选择速度入口边界(Velocity-Inlet)。

(2)模型中的出口边界选择自由出口边界(Outflow)。

(3)所有壁面均为固定无滑移边界，壁面绝热，垂直于壁面的压力梯度为0。

(4)抽出式风机出风口面设定为粉尘捕获面，以模拟除尘风机的作用。

数值模拟中粉尘颗粒的来源有两个方面：一是设定掘进头工作面为面尘源，来模拟掘进机工作时产生的粉尘；二是在锚杆机正上方的巷道壁面设置点尘源，来模拟锚杆机正常作业打锚杆时产生的粉尘。

粉尘颗粒的性质设定为粒径分布服从Rosin-Rammler分布，最小粒径1×10-6m、最大粒径1×10-4m、中位径1×10-5m,分散系数1.93。离散相收敛精度设置为0.001。

4 模拟结果与分析

通过对不同风量大小、不同抽压风筒位置、不同抽吸比下掘进工作面中的粉尘分布进行模拟计算，研究掘进工作面中的粉尘分布规律。在各条件设置完毕后，模型开始迭代计算，数值模拟结果以Display图像形式表现。

4.1 风量对粉尘分布的影响

研究压入风量对粉尘分布的影响时，将抽吸比设定为0.5，抽、压风筒距离掘进面分别为1和40 m,压入风量分别取400、600和800 m3/min。图3分别为不同压入风量时掘进面粉尘分布情况。

图3 不同风量条件下粉尘质量浓度分布情况

Fig. 3 Coal dust concentration distribution under different wind conditions

由图3可以看出，在以长压短抽为通风方式下，当压入风量较抽出风量多时，巷道中的粉尘会由压入风流一侧流向抽出风流一侧，则巷粉尘浓度在巷道中抽出式风筒一侧较高。压入式风筒出风口一侧粉尘质量浓度小于5×10-5kg/m3。由于抽吸比小于1.0，除去被抽出式风筒吸走的部分风流外，剩余的风流未经除尘风筒直接进入掘进工作面，同时风流中所含的大量粉尘也伴随着大大小小的涡流在巷道中扩散开来。锚杆机处产生的粉尘由于压入式风流的作用被吹到抽出式风筒一侧，随着巷道风流的作用向外流出。压入式风筒距离迎头面40 m，加之巷道断面较大，射流作用不能影响到迎头处产生的粉尘。该模型中巷道断面较大，压入式风筒出风口距离迎头较远，造成不同风量下粉尘从迎头向外的沿程传播距离相差并不明显，但风量过小时，巷道中的风度较低，容易造成风筒重叠段处粉尘浓度偏高；风量较大时，粉尘在巷道中的降尘速度变慢，会造成锚杆机后风筒重叠段处粉尘浓度偏高。

4.2 抽压风筒位置对粉尘分布的影响

设定压入式风量为600 m3/min，抽吸比为0.5固定不变。为了研究抽压风筒位置对粉尘分布的影响，设置两组实验。第一组，设定压入式风筒位置固定，即出风口距离迎头40 m，抽出式风筒吸风口距离迎头的距离(d1)分别为1、15、和25 m；第二组，设定抽出式风筒位置固定，即吸风口距离迎头1 m,压入式风筒出风口距离迎头的距离(d2)分别为20、30和40 m。不同抽压风筒位置对粉尘分布的影响见图4、5。

图4 第一组模拟条件下粉尘分布情况

图5 第二组模拟条件下粉尘分布情况

分析模拟结果可知，压入式风筒位置固定时，抽出式风筒距离迎头面越近，粉尘越容易聚集在抽出式风筒一侧的巷道。当抽出式风筒位置固定时，压入式风筒出风口前段区域由于射流作用，造成该区域粉尘浓度较低。当压入式风筒靠近迎头面时，如图5c所示，到达迎头的风流速度增大，造成迎头处粉尘扩散严重，部分位置形成涡流，工作区域高浓度粉尘的影响范围变大，大量粉尘随着风流沿抽出式风筒一侧巷道，顺着工作面向外排出，不利于除尘风机的排尘效果。

4.3 抽吸比对粉尘分布的影响

设定压入式风量为600 m3/min，分别模拟在0.3、0.5、1.0和1.2不同抽吸比下粉尘分布情况，以研究不同抽吸比对粉尘分布的影响。模拟计算结果如图6所示。

图6 不同抽吸比条件下粉尘分布情况

对比分析模拟结果可知：在压入式风量一定的条件下，随着抽吸比的增大，风尘浓度逐渐减小。当抽吸比小于1.0时，由于部分风流未被抽出式风筒抽走，所以这部分还有粉尘的风流在巷道迎头处向外扩散。随着抽吸比的减小，高浓度粉尘范围增大。抽吸比大于1时，吸风量较压入风量大，造成巷道中的风流是由工作面外部向工作面流动，大量粉尘随风流进入除尘风机，使得巷道中的粉尘浓度降低。

5 结 论

(1)在长压短抽的通风方式中，巷道中的粉尘会由压入风流一侧流向抽出风流一侧，巷道中抽出式风筒一侧粉尘质量浓度较高。

(2)该模型中巷道断面较大，压入式风筒出风口距离迎头较远，造成不同风量下粉尘从迎头向外沿程传播的距离相差不明显。

(3)压入式风筒出风口距离迎头距离应该进行合理的调整。距离过远，射流作用影响不到工作区域粉尘；距离过近，又容易造成粉尘严重扩散，使工作区域高浓度粉尘的影响范围变大，同时不利于除尘风机的工作。

(4)在压入式风量一定的条件下，随着抽吸比的增大，巷道中粉尘的浓度逐渐减小。当抽吸比小于1.0时，巷道中的风流由外部向工作面迎头方向流动。抽吸比大于1.0时，巷道中的风流流向工作面，大量粉尘随风流进入除尘风机，使得巷道中的粉尘浓度降低。

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(编辑 晁晓筠 校对 荀海鑫)

Law behind coal dust distribution in full section tunnel boring machine excavation

LiuYongli,LiuDi,ShenBin

(Key Laboratory of Mining Engineering of Heilongjiang Province College,Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper seeks to address the problems, such as the excessive coal dust concentration in tunnels and a lack of new air between the bolting machine and working face—which arise from the working process due to the use of a new kind of full section tunnel boring machines in Daliuta coal mine. These issues are eliminated by designing a sort of ventilation method defined as long-pressure and short-pumping ventilation mode according to the layout characteristics of the excavation system. The study aimed at the elimination consists of using Gambit pretreatment software to establish the physics model for the excavation system for the purpose of predicting the effectiveness of long-short ventilation; applying discrete phase models of the theory of gas-solid two-phase flow and jet and using Fluent to simulate the law underlying the distribution of coal dust occurring in the conditions of different quantity and ratio of pressing air volume to absorption air volume; and different outlet locations of the pressing air and absorption air volume. The result may provide a scientific reference for the selection and arrangement of fan equipment tailored for long-pressure and short-pumping ventilation mode.

excavating face; coal dust migration; gas-solid two-phase flow; fluent; discrete phase model

2016-08-01

国家自然科学基金项目(51474099)

刘永立(1968-)，男，黑龙江省宾县人，教授，博士，博士生导师，研究方向：矿山安全与应急救援，E-mail:yongliliu1968@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.002

TD714.3

2095-7262(2016)05-0475-05

A