基于数值模拟的掘进面通风除尘分析

2019-08-20梁新潮

采矿技术 2019年4期

梁新潮

基于数值模拟的掘进面通风除尘分析

梁新潮

(山西离柳焦煤集团有限公司，山西吕梁市 033000)

煤炭资源回采过程中伴随着大量的煤尘产生，容易造成大量的煤尘积聚，严重威胁煤矿工人健康与安全，因此，除尘对于提高煤矿安全保护工人身心健康具有重要意义。以抽、压组合式通风方式为试验对象，采用数值模拟对除尘设备除尘效果进行模拟分析，研究结果表明：掘进工作面吸尘口的煤尘浓度始终处于高位；随着间距的不断增加，煤尘的浓度不断降低，当间距为9～12 m时，煤尘浓度下降的趋势不明显，除尘效果好；加除尘装置的煤尘浓度较低，其效果较好，但距迎头面的距离越大效果越不明显，平均除尘效率为52.5%。

煤矿安全;除尘;掘进工作面;数值模拟

0 引言

煤炭资源回采过程中伴随着大量的煤尘产生。特别是超长工作面，容易造成大量的煤尘积聚。大量的煤尘严重影响工作面生产安全，同时，影响井下施工人员的身体健康。因此，必须采取相应的技术措施，降低煤尘含量，以保证工作面安全生产、保障井下施工人员身心健康[1-3]。

对于通风降尘技术。国内外众多学者进行了大量的研究。马胜利等[4]采用数值模拟技术对玉华煤矿2410综掘工作面通风除尘进行研究，通过现场测试数据分析了抽、压组合的通风方式下综掘工作面煤尘分布特征，研究结果表明，将压风筒布置在距离掘进工作面约12.5 m，可以起到很好的作用，除尘效果非常好；李修镇等[5]采用封闭式除尘系统对掘进工作面煤尘进行消除处理，克服了以外除尘设备的能量消耗高以及设备噪音大的缺点，还减轻了设备重量，降低了除尘设备的安装成本，该设备在不影响煤矿正常生产的情况下，降低了噪音对健康造成的威胁，净化了煤矿井下生产环境；李延河等[6]根据注水降尘的机理，对降尘措施进行了研究，以二1～13110工作面煤层为试验煤层，分析了粉尘颗粒间的作用力，提出了基于注水降尘机理的新措施，研究结果表明，当煤层含水量增加到6%时，工作面的煤尘含量下降了50%以上，该降尘措施效果明显，为治理三软煤层提供了参考。

以上作者主要通过相关降尘措施对工作面煤尘进行处理，而针对掘进工作面的研究较少。本文以掘进工作面为实验对象，采用数值模拟方法对通风除尘技术进行研究。

1 通风除尘模型

1.1 本构关系

依据掘进工作面通风除尘的实际情况，可以将掘进工作面的通风作为连续流。而粉尘属于不连续颗粒，可以作为分散相。因此，数值模拟过程中采用连续−分散模型，采用欧拉法则建立掘进工作面通风降尘模型，得出掘进工作面的动能等相关技术参数。并根据掘进工作面中的粉尘得出其在掘进工作面的分布规律[7]，其计算本构关系为：

式中，m为粉尘质量，kg；为粉尘密度，g/cm3；d为粉尘直径，m；为掘进工作面空气密度，g/cm3；u为粉尘速度，m/s；F为通风过程中风阻，kN；F为粉尘在空气中的浮力，kN；F为粉尘自身重力，kN；F为其它相关阻力，kN。

1.2 模型建立

模拟的工作面长为1500 m，模拟的高度为3.7 m，模拟的宽度为4.5 m，断面面积为16.6 m2。采用三维绘图软件建立巷道模型，由于巷道内存在相关设备以及地质条件复杂，为了降低绘图难度，将相关设备进行简化处理。计算相关区域的巷道长度为75 m，抽出式通风机风筒的直径为1.2 m，煤尘消除风筒直径为1.0 m，风筒的位置在巷道上方1.7 m处，距离顶板2.0 m。相关模型如图1所示。

图1 除尘模拟模型

1.3 边界条件和参数

根据该煤矿的地质条件以及掘进过程中工作面的实际特征，按照绝对速度进行求解，抽出式风量为601.02 m3/min，风筒的直径为1.2 m，根据换算公式得出掘进工作面的风速为11.4 m/s，而在实际掘进工作面通风过程中其风速是不稳定的，模拟采用迭代进行计算。相关参数为掘进工作面入口的风速为11.4 m/s，风筒直径为1.2 m，粉尘的最小直径为0.421 μm，粉尘的最大直径为0.128 mm。

2 模拟结果与分析

2.1 粉尘分布规律

首先对掘进工作面巷道粉尘浓度进行分析，得出其水平和垂直方向上的动态云图如图2所示。

图2 水平、垂直方向上煤尘分布特征

由图2可知，掘进工作面吸尘口的煤尘浓度始终处于高位，经分析，该处处于负压状态下，掘进工作面产生的煤尘绝大数在压力的作用下移动到该位置，在吸口的作用下不断被吸入并且被排出掘进工作面巷道，而另一部分煤尘会随着风流进入到回风顺槽中，但其浓度相对煤尘吸口较低。这与实际情况相同，模拟结果表明，较小部分煤尘的排出主要是由于风流的流动作用。