综掘面长压短抽通风合理压抽比仿真及研究*

李泳俊，王鹏飞1, 2, ，舒 威，谭烜昊



综掘面长压短抽通风合理压抽比仿真及研究*

李泳俊3，王鹏飞1, 2, 3，舒 威3，谭烜昊3

(1.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害治理安全生产实验室，湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大学 煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭市 411201；3.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院, 湖南 湘潭市 411201)

为了确定合理压抽流量比，采用长压短抽式通风对综掘面进行有效控尘，利用Fluent计算流体力学(CFD)软件，对不同压抽流量比下综掘面风流流场及粉尘扩散分布进行讨论研究。结果表明：随着增大与掘进面之间的距离，粉尘浓度逐渐下降，到距离掘进面18，20 m时，粉尘平均浓度只有20 mg/m3。由此可见，长压短抽式通风能够有效对巷道进行降尘。当压抽流量比小于0.8时，能够较好地将粉尘控制在产尘面前端5 m范围内，阻止粉尘向司机工作区域及其后方扩散；当压抽流量比控制在1.0~1.2之间时，控尘效果最佳。

综掘面；长压短抽通风；压抽流量比；数值模拟

0 引 言

在煤矿井下开采时，尤其是综掘工作面产尘量大，矿尘布漫于空气中，对井下工人安全生产作业产生极大危害，矿尘浓度过高使得尘肺病、矽肺病发生概率升高，还会降低工人作业的能见度，严重时还可能引起矿井粉尘爆炸等安全事故[1−4]。此时，控尘降尘尤为重要。综掘工作面一般采用通风的方式进行控尘降尘，不同通风方式对于矿井通风降尘有不一样的效果。因此，开展综掘工作面通风控尘降尘研究具有理论与实践意义。

为了提升综掘工作面通风控尘降尘效果，王海桥研究了掘进工作面射流通风流场规律，在压入式通风下贴附射流会形成射流区和回流区[5]。刘荣华等对压入式通风掘进工作面粉尘分布规律进行了研究，得出了射流区中粉尘浓度低于回流区、涡流区的结论[6]。近些年来，对于风流流场与粉尘浓度分布规律，国内外学者进行了多方面研究，涉及不同的通风方式及通风风筒不同位置对通风控尘降尘效果的研究。蒋仲安等对长压短抽通风系统进行了研究，得出了该通风方式比单一压入式通风除尘效果更好，风流流场较为平稳，能更好将粉尘进行控制并排出[7]。波兰柯玛格采矿机械化中心在附壁风筒改进中取得了重大突破，改进的附壁风筒可以改变风筒中的风流方向，实现了提高附壁风筒缝隙出口风速的目的[8−10]。影响通风控尘降尘的通风方式已在相关文献中讨论，但在不同压抽比下长压短抽式通风控尘的研究较少。因此，本文作者通过Fluent计算流体力学(CFD)软件对不同压抽比下长压短抽通风对风流流场及粉尘浓度分布进行了仿真模拟研究，得出了最佳压抽流量比，为矿井通风控尘降尘应用提供理论参考。

1 物理模型构建及边界条件设定

1.1 物理模型构建

本文着重研究长压短抽通风方式的综掘工作面风流流场及粉尘浓度分布情况。根据综掘工作面的实际情况，为了简化计算，选取一长为20 m，宽为3.2 m，高为3.42 m的矩形巷道进行研究[4]。本次模拟将风筒直径设置为0.8 m；压风筒布置在水平高度为2.5 m处，压风筒中心轴线平行于巷道左侧壁面，中心轴线距离壁面0.5 m，风筒出风口距离掘进面7 m，符合压入式通风射程经验公式；抽风筒布置在水平高度为1.5 m处，为掘进机司机呼吸高度，抽风筒中心轴线平行于巷道右侧壁面，中心轴线距离右侧壁面0.5 m，风筒出风口距离掘进面3 m，长压短抽时抽风筒吸风口应尽量靠近工作面产尘点且不大于5 m[5]，并符合抽出式通风吸程经验公式。参考相关文献，送风量设置为300 m3/min[7]。图1为掘进巷道断面与巷道三维模型。

1.2 网格划分

利用CFD软件前处理模块mesh进行网格划分。网格划分采用非结构化网格，网格元素主要由四面体构成，并对模型需要着重研究部位进行了网格加密。在网格划分过程中进行了“网格无关性”调试，使用该模型在局部加密的情况下对比了10万、20万、30万、40万、50万网格的计算结果，发现10万、20万、30万网格的计算结果差别较大，而40万、50万网格计算结果的误差在5%内，最后根据对计算机分配计算资源的规则选取了40万网格，这一范围网格计算结果可靠度高，且验证了在该网格数量下计算结果是与网格无关。

图1 掘进巷道断面与巷道三维模型/m

1.3 边界条件

根据矿井中一般通风的实际相关参数及实测数据，并对区域网格进行自适应等调试[11]，数值模拟参数设定见表1。

表1 计算模型相关参数

2 数学模型的建立

2.1 数学模型理论基础

(1) 矿井巷道内空气流动为三维稳态流动，流体的紊流黏性具有各项同性[12]。

(2) 矿井下的气体视为不可压缩气体，符合Boussinesq假设[12]。

(3) 不考虑井下围岩的热辐射影响。

2.2 控制方程

风流流场及粉尘颗粒流场在综掘工作面的运移均为湍流流动，基于气固两相流理论及流动特性，建立了阐述机掘工作面风流流场与粉尘颗粒流场运移的时均方程组[13−16]。

连续性方程：

颗粒相连续方程：

气相动量方程：

颗粒相动量方程：

上述方程组利用Realizable模型进行封闭，方程如下：

方程−湍流动能方程：

方程−湍流能量耗散率方程：

3 长压短抽式通风风流流场特性及粉尘分布

3.1 风流扩散特性分析

对巷道整体与巷道前端局部设置显示风流流场矢量的三维立体图，如图2所示。巷道工作面风速大小总体趋势分布云图如下：沿轴正方向为10，13，16，19 m，如图3所示。

从图2可以看出，从=2.5 m处的附壁压风筒喷出高速空气气流，射流在到达综掘面前的一段距离因空气阻力而产生非正方向上的速度。到达产尘面时高速空气气流冲刷产尘面，一部分风流产生反转，另一部分风流沿着产尘面向四周扩散，风流流速急剧减小[17]，小部分风流开始产生涡流，且因=1.5 m处的抽风筒中形成较大负压，把抽风筒进口前方空气吸入抽风筒内，小于=13 m断面的风速逐渐减小。在长压短抽式通风时，压风筒内高速射流自由射出后因碰撞掘进面及吸风风筒吸风口前负压产生的卷吸效果，使风流与射流方向的反向进行流动。所以，在风速不大的掘进面内会产生射流区与回流区。

(a) x=10 m剖面图；(b) x=13 m剖面图；(c) x=16 m剖面图；(d) x=19 m剖面图

比较图3中=19，16，13，10 m等4处有代表性的风流速度，在距离产尘面较近位置的风流流速较大，大风速区主要集中在压风筒喷出位置附近；在压风筒和抽风筒重叠部分的断面，风速较大区域在压风筒附近和抽风筒下方区域，压风筒出口与产尘面之间出现了一定区域的反转回旋，=16 m处是掘进机司机所处位置，在=1.5 m高处风速不大，对司机呼吸有利；越远离产尘面巷道断面的风速越小，风速在0~1.5 m/s之间。

3.2 粉尘扩散特性分析

粉尘扩散特性分析所得出的模拟结果剖面图在截面位置上和风流扩散特性的剖面图一致，图4为巷道截面粉尘浓度分布云图，在图4中，彩轴上方定义的PMC为Particle Mass Concentration(颗粒质量浓度)，表示为粉尘质量浓度，单位为mg/m3；文中凡出现PMC都表示粉尘质量浓度。

从图4可以看出，粉尘主要集中在产尘面到距离产尘面7 m之间，距离产尘面1 m处(=19 m)的粉尘因压风筒喷出的高速射流冲刷产尘面使得大量粉尘集中在巷道左侧下方，其中也有重力因素的影响，断面中部粉尘浓度在100~300 mg/m3之间，断面下部的粉尘浓度低于100 mg/m3；距产尘面4 m处(=16 m)高浓度粉尘不仅集中在左侧壁面下方位置，一部分高浓度粉尘因高速风流的带动聚集在顶板处，靠近抽风筒口附近的粉尘浓度在200 mg/m3左右，在掘进司机位置高度的粉尘浓度经过长压短抽通风方式降到100 mg/m3以下；通过观察距离产尘面7 m处(=13 m)，能够得到因风流形成的涡流和回转作用，使得粉尘主要集中在左侧壁面和顶板下较近位置，右侧上部分的粉尘浓度从前面的300 mg/m3降至100 mg/m3以下；到距离产尘面10 m处(=10 m)位置，断面大部分粉尘已通过上述通风方式达到很好的降尘效果，高浓度粉尘只在左侧下方小范围集聚，抽风筒中也因负压抽走了大量粉尘，提高了综掘面通风降尘的效率。

如图5所示，在掘进面处粉尘平均浓度高达973 mg/m3，到2 m处时粉尘浓度急剧下降，主要因为压风筒中喷射出的高速射流对掘进面进行冲刷，使汇集在一起的高浓度矿尘被吹散，所以粉尘平均浓度下降到137 mg/m3；长压短抽通风方式会产生涡流，在抽风筒进风口前端会出现部分涡流与回转的现象，使本被吹散的粉尘又聚集了一部分，在4 m处粉尘浓度再次达到峰值，但相比掘进面处粉尘平均浓度只有206 mg/m3；随着增大与掘进面所处的距离，粉尘浓度逐渐下降，到18 m、20 m处时，粉尘平均浓度只有20 mg/m3,可见，长压短抽式通风能够有效对巷道进行 降尘。

(a) x=19 m剖面；(b) x=16 m剖面；(c) x=13 m剖面；(d) x=10 m剖面

图5 断面粉尘浓度与掘进面所处距离关系

4 不同压抽比风流流场特性及粉尘扩散规律研究

根据矿山实际情况，将压风筒供风量设置为300 m3/min[18]，按直径为0.8 m的风筒转换，压风筒供风风速为10 m/s，为方便讨论研究，使用希腊字母代表压抽流量比，进行讨论的压抽流量比为6组，分别为0.7，0.8，0.9，1.0，1.2，1.4。下面分别对不同压抽流量比下风流流场特性和粉尘扩散规律进行 研究。

4.1 风流流场特性研究

选取具有代表性且对掘进机司机工作有影响的截面进行分析，掘进机司机所处的呼吸带高度一般为1.4~1.6 m，这里取其平均为1.5 m，图6为=1.5 m截面处不同压抽流量比下的速度矢量分布。

比较图6中的6张图，从整体上随着压抽比增大，风流流场中的涡流数量增多，因为抽风筒中负压减小，抽风筒进口处没有足够负压将全部含尘空气吸入至抽风筒中，所以相对压风筒喷出的高速射流更大，容易产生较多涡流数量；压抽流量比越小，此时抽风筒中的吸风风流占主导，掘进机司机前的含尘气流能够得到有效的控制，但气流流动过大对于掘进机司机呼吸也具有一定的影响，综合比较下得出压抽比在1.0~1.2之间较合适。

4.2 粉尘扩散规律研究

沿巷道轴正方向每隔一段距离取一粉尘浓度分布结果截面，沿轴正向取0.3，1.0，1.7，2.4，3.1 m 5处截面进行讨论研究，图7为沿巷道轴方向粉尘浓度总体变化趋势。

从图7可以看出，当压抽比较小时，大部分粉尘能够被控制在产尘面前端附近，因为，抽风筒的抽风量较大时，在抽风筒前端形成较大负压，能够较好地把粉尘控制在抽风筒前端并能吸入部分粉尘，起到控尘除尘的作用[19]，经过模拟得出的计算结果，当压抽流量比小于0.8时，控尘范围是产尘面前端5 m范围内，阻止粉尘向司机工作区域及其后方扩散，但巷道内粉尘浓度依然较高；随着压抽流量比增大，巷道中的含尘量逐渐减少，掘进机司机附近的粉尘浓度显著下降，压抽流量比在1.0~1.2尤其明显，但也出现了粉尘扩散距离增大的结果，当压抽流量比达到1.4时，由于抽风筒吸风量相对较小，压风筒喷出的高速射流将产尘面上的粉尘冲刷且扩散至整个巷道，抽风筒来不及抽走含尘空气，导致了司机处粉尘浓度的升高。

(a) β=0.7；(b) β=0.8；(c) β=0.9；(d) β=1.0；(e) β=1.2；(f) β=1.4

(a) β=0.7；(b) β=0.8；(c) β=0.9；(d) β=1.0；(e) β=1.2；(f) β=1.4

分别按6种压抽流量比截取掘进机司机呼吸带高度=1.5 m的水平面进行研究，讨论司机呼吸带高度的水平面粉尘浓度分布情况，分析出合理压抽流 量比。

如图8所示，图8中定义为模型的长度坐标位置，=0 m为距离掘进面迎头最远处，=20 m为掘进面迎头处；定义为模型宽度坐标位置，抽风筒靠近=0 m侧壁面，压风筒靠近=3 m侧壁面。根据巷道风筒布置及司机所处位置，可确定掘进机司机位置坐标为(16,1)，即=16 m ，=1 m[20]。可以看出随着压抽流量比增大，司机呼吸带高度的粉尘浓度在稳步下降，司机处的粉尘浓度也大大减少；压抽流量比稳定在1.0~1.2之间时，具有较好的稀释粉尘的能力；当压抽流量比超过1.2后，粉尘浓度再次上升，不利于掘进机司机的生产作业。

上述模拟的结果和一般矿山实地测定的粉尘浓度的分布规律一致，说明程序运算的结果是可靠的[21]。综合上述模拟结果进行分析，压抽流量比是影响综掘工作面长压短抽通风控尘效果的重要因素，压抽比过大或过小，都不利于工作面降尘、抽风筒吸尘。分析结果表明，当压抽流量比在1.0~1.2之间时，控尘效果最佳。

5 结 论

(1) 在长压短抽式通风时，压风筒内高速射流自由射出后因碰撞掘进面及吸风风筒吸风口前负压产生的卷吸效果，使风流与射流方向的反向进行流动。所以，在风速不大的掘进面内会产生射流区与回流区。

(2) 随着增大与掘进面所处的距离，粉尘浓度逐渐下降，到距离掘进面18，20 m处时，粉尘平均浓度只有20 mg/m3。可见，长压短抽式通风能够有效对巷道进行降尘。

(3) 当压抽流量比小于0.8时，能够较好地将粉尘控制在产尘面前端5 m范围内，阻止粉尘向司机工作区域及其后方扩散；当压抽流量比控制在1.0~1.2之间时，控尘效果最佳。

(a) β=0.7；(b) β=0.8；(c) β=0.9；(d) β=1.0；(e) β=1.2；(f) β=1.4

[1] 许满贵,刘欣凯,文新强.煤矿综掘工作面高效喷雾降尘系统[J]. 湖南科技大学(自然科学版),2015,30(2):1−7.

[2] 王鹏飞,刘荣华,王海桥,等.煤矿井下气水喷雾雾化特性实验研究[J].煤炭学报,2017,42(5):1213−1220.

[3] 聂 文,程卫民,周 刚.综掘工作面压风气幕形成机理与阻隔效果分析[J].煤炭学报,2015,40(3):609−615.

[4] 王鹏飞,刘荣华,桂 哲,等.煤矿井下气水喷雾雾化特性及降尘效率理论研究[J].煤炭学报,2016,41(9):2256−2262.

[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] 刘荣华,王海桥,施式亮,等.压入式通风掘进工作面粉尘分布规律研究[J].煤炭学报,2002,27(3):233−236.

[7] 蒋仲安,闫 鹏,陈举师,等.岩巷掘进巷道长压短抽通风系统参数优化[J].煤炭科学技术,2015,43(1):54−58.

[8] KESSELL F. Dust control methods in tunnels and underground mines[J]. Mine Ventilation Society of South Africa, December, 2002, 56(4):129−137.

[9] FRED N. KISSELL. Handbook for dust control in mining[M]. U.S.A: Department of Health and Human Services, 2003: 100−110.

[10] HARGREAVES D M, LOWNDES I S. The computational modeling of the ventilation flows within a rapid development drivage[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2007, 22(2):150−160.

[11] 蒋仲安,陈举师,王晶晶,等.胶带输送巷道粉尘运动规律的数值模拟[J].煤炭学报,2012,37(4):659−663.

[12] 关 龙.矿井巷道内的通风数值模拟[J].武汉工业学院学报, 2012,31(4):82−85.

[13] 程卫民,王 昊,聂 文,等.压抽比及风幕发生器位置对机掘工作面阻尘效果的影响[J].煤炭学报,2016,41(8):1976−1983.

[14] MAJID E G, ATAALLAH S G, ALIREZA A S. Simulation of a semi-industrial polit plant thickener using CFD approach[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2013, 23(1):63−68.

[15] NAZIF H R, BASIRAT T. Development of boundary transfer method in simulation of gas-solid turbulent flow of a riser [J]. Applied Mathematical Modeling, 2013,37(4):2445−2459.

[16] KURNIA J C, SASMITO A P, MUJUMDAR A S. Dust dispersion and management in underground mining faces[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2014, 24(1):39−44.

[17] 谭 聪,蒋仲安,王 明,等.综放工作面多尘源粉尘扩散规律的相似实验[J].煤炭学报,2015,40(1):122−127.

[18] 刘荣华,王鹏飞,张登春,等.机掘工作面旋转射流屏蔽通风吹吸流量比研究[J].中国安全科学学报,2012,22(9):133−139.

[19] 王海桥,施式亮,刘荣华,等.独头巷道附壁射流通风流场数值模拟研究[J].煤炭学报,2004,29(4):425−428.

[20] 王鹏飞,黄俊歆,朱卓惠,等.普采工作面呼吸性粉尘浓度分布的数学模型[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2010,25(4): 21−24.

[21] 秦跃平,张苗苗,崔丽洁,等.综掘工作面粉尘运移的数值模拟及压风分流降尘方式研究[J].北京科技大学学报,2011,33(7): 790−794.

[22] KESSELL F. Dust control methods in tunnels and underground mines[J]. Mine Ventilation Society of South Africa, December, 2002, 56(4): 129−137.

[23] FRED N. KISSELL. Handbook for dust control in mining[M]. U.S.A: Department of Health and Human Services, 2003: 100−110.

[24] HARGREAVES D M, LOWNDES I S. The computational modeling of the ventilation flows within a rapid development drivage[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2007, 22(2):150−160.

国家自然科学基金资助项目(51574123)；湖南省自然科学基金青年基金项目(2017JJ3076).

(2018−07−17)

李泳俊(1994—)，男，江西宜春人，硕士生，研究方向为通风工程，Email：15273285186@163.com。