综采工作面粉尘与风流分布数值模拟研究

程根银，侯佳音，司俊鸿，杨联恒，邓鹏飞，李 林

(1. 华北科技学院 机电工程学院，北京 东燕郊 065201；2. 华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201；3. 陕西陕煤铜川矿业有限公司玉华煤矿，陕西 铜川 727200))

0 引言

综合机械化采煤技术的普及应用提高了煤矿的生产效率，也带来了煤矿井下工作面粉尘浓度超标，工作环境恶化等问题。巷道有限空间内粉尘浓度超标不仅会引发粉尘爆炸事故，还会降低工作场所能见度、加速机械设备磨损和缩短精密仪器的使用寿命，在职业健康方面，增加井下作业人员患尘肺病的风险。工人一旦患上尘肺病将逐渐失去劳动能力，甚至危及生命。人民健康是国家优先发展战略，以煤矿工人尘肺病为主的职业安全健康问题严重制约“健康中国”发展[1-3]。

综采工作面是煤矿井下主要的尘源产生地，在不采取防尘措施时，其总粉尘质量浓度可达4000 mg/m3，呼吸性粉尘质量浓度达1100 mg/m3，严重超出安全生产的规定标准。综采工作面产尘量占矿井粉尘产出总量60%左右，是煤矿粉尘防治的重点区域[4-5]。由于煤矿井下生产环境复杂，实测实验手段难以对粉尘运移与分布状况进行准确分析，要获得并分析综采工作面的粉尘分布及弥散规律，采用数值模拟仿真的方法较好。国内学者在这方面研究已经取得了一定的成果，如：周刚等[6]基于计算流体力学(CFD)理论，应用FLUENT数值模拟软件分析了多工序、多尘源下的大采高综采面风流—呼尘耦合运移规律，并根据模拟结果提出了呼尘防治措施与体系。王建国等[7-8]运用数值仿真及现场实测的方法研究了凉水井矿综采工作面风流运动情况，移架和割煤时粉尘的运移规律及悬浮时间。许满贵等[9-10]分析了不同工序及不同地点粉尘浓度的分布及运移规律，结果表明采煤机割煤是工作面最主要的尘源，移架居第二，采煤机割煤时下风向10～50 m空间的粉尘浓度最大，需要重点防治。蒋仲安等[11-13]在建立综采工作面数学模型的基础上，开展气体—粉尘颗粒两相流数值仿真模拟，得出在相同粒径下的粉尘颗粒，通风风速越大，粉尘颗粒的通风降尘率越低，而且会对工作的环境和条件造成负面影响。尹文婧等[14-15]通过对综采工作面粉尘弥散规律进行模拟分析，得出粉尘随风流的逸散规律，模拟结果表明，综采工作面风流总体呈现出中间大、两头小的规律。但是目前还没有关于采煤机分别位于上风侧和工作面中心位置的两种特定工况下，对于井下工作面，进风巷和回风巷整体粉尘分布特点对比研究，因此分析采煤机的工作位置对于巷道内通风风流运动和矿井整体作业环境的粉尘污染影响，有助于企业在生产过程中针对性地建立防尘降尘技术措施，优化井下作业环境。

研究煤矿综采工作面粉尘溢散分布及运移规律是有效开展与应用粉尘防治技术的基础，对于有针对性地实施降尘方案，采取降尘措施，提高降尘效率具有指导作用。本文以柴家沟煤矿42222工作面为例，采用Gambit软件构建巷道三维几何模型，Fluent软件进行数值模拟，分析综采工作面在通风除尘的条件下，粉尘分布状况及随风流运移的规律，得出粉尘污染较严重的区域，为矿井有针对性地安置除尘设备、实施防尘技术措施和建立综合有效的防尘体系提供参考、理论支撑与建议。

1 数学模型

目前，对于气固耦合两相流数值模拟的理论依据有欧拉法(Euler method)和欧拉—拉格朗日法(Euler-Lagrange)两种。本文采用欧拉—拉格朗日理论，将气体运动的过程匹配欧拉模型，粉尘颗粒运移的过程匹配拉格朗日模型，通过欧拉—拉格朗日离散相模型分析固体颗粒随风流运移过程的规律。将综采工作面通风风流运动视为在绝热条件下，不可压缩流体的定常流动，选用标准的k-epsilon模型，具体方程表示如下。

1.1 连续性方程

由于将综采面的风流运动状态视为不可压缩流体的运动过程，则可运用连续性方程：

(1)

式中，ρ为气体密度，kg/m3；ui为速度矢量，m/s；t为时间，s；xi为沿x轴方向的坐标；i为张量指标符号。

1.2 标准k-ε方程

标准k-ε方程是基于湍流脉动动能k及其湍流脉动动能耗散率ε模型的输运方程。湍流脉动动能方程(k方程)为：

(2)

湍动能耗散率方程(ε方程)为：

(3)

(4)

式中，Gk为湍动能变化率受剪切力改变的影响系数，kg/(s3·m)；C1ε、C2ε、σε、σk为常数项，对应取值为1.44、1.92、1.00、1.30。

另外，综采工作面内的粉尘运移还与其自身受力相关。巷道中的粉尘可视为稀相气固两相流，暂不考虑粉尘之间相互碰撞的影响，根据牛顿第二定律及气固两相流理论，粉尘颗粒在巷道中的受力主要有重力、浮力、空气阻力、萨夫曼升力和附加质量力等。粉尘颗粒受力状态表达式为：

∑F=Fd+Fg+Ff+Fx

(5)

式中，∑F为粉尘颗粒所受合力，N；Fd为粉尘颗粒所受阻力，N；Fg为粉尘颗粒所受重力，N；Ff为粉尘颗粒所受浮力，N；Fx为粉尘颗粒所受其他附加作用力，N。

2 三维模型及参数设定

2.1 几何模型及网格

根据焦坪矿区柴家沟井42222综采工作面的实际情况，采用gambit软件构建数值模拟的几何模型并进行网格划分，采用Tgrid方式进行体网格划分，体网格划分单元为143075个。如图1所示。几何模型包括综采工作面空间、采煤机和液压支架等三部分。工作面采用U形通风方式，将工作面作业空间简化为一个长方体，尺寸为160 m×7 m×3 m；两侧的进风巷和回风巷尺寸都为50 m×5 m×3 m；采煤机采高3 m，矿井在实际生产过程中采用的是MG300/730-WD1双滚筒采煤机割煤，为简化区域形状复杂的状况，将采煤机视为规则的长方体，并忽略采煤机的运动，建立的采煤机模型尺寸为7.8 m×2 m×1.56 m；在建立的模型中，液压支架直径为40 cm，放置间隔为2 m。

图1 网格划分几何模型

2.2 边界条件及求解器

在图1中，左侧蓝色截面为进风巷通风风流入口，右侧红色截面为回风巷通风风流出口，采煤机位于进风巷与回风巷之间。由于综采工作面中采煤机割煤的过程为主要产尘源，所以将采煤机与煤壁交接的界面设置为Surface喷尘源，粉尘颗粒的粒度分布符合Rosin-Rammler分布。根据综采工作面的具体情况设置的数值模拟主要数据参数见表1。

3 数值模拟与结果分析

3.1 粉尘分布规律

根据柴家沟矿井42222综采面需风量要求，工作面通风量不应低于1000 m3/min，取进风巷入口风速为1.2 m/s，分别模拟采煤机位于工作面上风侧和工作面中心位置的两种状态下粉尘浓度分布状况，得出巷道粉尘分布状况云图，如图2和图3所示。云图通过不同颜色的渲染效果来表示所模拟工况的等级差别，红色代表粉尘污染程度最严重，蓝色代表粉尘污染程度最轻微。由图中可知，采煤机位于工作面上风侧和工作面中心位置时对于巷道内粉尘分布状况的影响差别较大。在这两种情况中，采煤机位于上风侧时，巷道内整体粉尘污染程度较高，作业环境比较恶劣；采煤机位于工作面中心位置时，巷道内粉尘污染程度较低。以正常通风量采取通风措施时，采煤机在工作面上风侧顺风割煤，使粉尘在采煤机后方整个巷道区域中飞扬弥散，产生的粉尘对整个巷道及工作面区域的污染程度较高。

表1 数值模拟参数设置

图2 采煤机位于上风侧时粉尘浓度分布状况

为分析采煤机位于工作面不同位置采煤时巷道内粉尘浓度的变化规律，分别对采煤机位于综采面上风侧和中心位置的两种工况进行数值模拟，并截取巷道内三个不同高度的截面，分析巷道内沿程粉尘颗粒的分布状况。模拟通风风速为1.2 m/s，水平截面的高度分别为0.3 m(底板附近)、1.5 m(呼吸带高度)和2.7 m(顶板附近)。

采煤机位于工作面上风侧时，巷道内不同高度水平上粉尘颗粒的分布如图4所示。图中不同粒径、不同类型的颗粒分布密度可以定性代表粉尘的浓度。在通风系统正常工作的条件下，大颗粒粉尘受自身重力影响而自然沉降，底板附近粉尘浓度较高；采煤机采煤的过程使煤体发生破裂粉碎，滚筒附近扬尘较多，随风流在顶板附近弥漫分散，所以顶板附近粉尘浓度仍然较高，尤其采煤机上方空间的污染程度较严重；剩余受自身重力影响较小，不易发生沉降的小颗粒粉尘，即呼吸性粉尘在呼吸带高度上漂浮扩散。由图中可观察得出，巷道内液压支架一侧粉尘浓度较高，这可能是因为液压支架对于通风风流的运动存在一定阻碍作用，甚至在架间区域形成扰流，导致粉尘在空中缓慢弥散或飞扬，沉降进程减缓。

相同的通风条件下，采煤机位于工作面中心位置时，巷道内不同高度水平上粉尘颗粒的分布如图5所示。采煤机位于工作面中心位置时，不同高度平面上粉尘颗粒的分布规律与采煤机位于工作面上风侧的规律类似，即采煤机在工作面中的位置对于不同高度水平上粉尘浓度分布的影响不大。

所以，顶板和底板附近粉尘浓度较高，尤其底板附近沉积粉尘较多，应定时清理、消除沉积粉尘，由此可以避免煤尘爆炸事故或沉积粉尘再次扬起恶化作业环境。虽然呼吸带高度上粉尘浓度较低，但漂浮的微小粉尘颗粒不易沉降而且对煤矿工人生命健康的威胁与危害更大，也应给予足够重视，有针对性地加强对于呼吸性粉尘的防治与处理。

3.2 风流与粉尘运移规律

粉尘的运移分布与通风风流速度大小相关，采煤机位于工作面上风侧和工作面中心位置的两种工况下巷道内整体速度矢量图如图6所示。图6中数轴描述物理量为速度，单位是m/s。

图5 采煤机位于工作面中心巷道内不同高度的粉尘分布

图6 采煤机位于不同位置时巷道内的速度矢量图

由图6可知，通风风流在经过进、回风巷时在U型弯道处存在速度突变，人行道一侧的风速低于采煤机工作区域与煤壁一侧的风速，液压支架一侧风流速度最低。采煤机机身对于风流运动存在阻碍作用，使采煤机附近出现轻微扰流，因此，采煤机割煤时滚筒附近扬尘较多。采煤机位于工作面上风侧和位于工作面中心位置时，回风巷的风流速度都高于进风巷的风流速度，这可能使得回风巷的粉尘污染更为严重。采煤机位于上风侧时回风巷的整体风速略低于采煤机位于工作面中心位置时回风巷的风流速度。

4 结论

(1) 顺风割煤时，将采煤机位于工作面上风侧和位于工作面中心位置的两种工况进行对比分析，采煤机位于工作面上风侧采煤时，煤岩体破碎产生的粉尘随风流运动并在巷道内扩散，粉尘弥漫至工作面下风侧未被开采的区域，巷道内整体粉尘浓度较高，此工况下粉尘的飞扬、弥散与污染较严重；采煤机位于工作面中心位置采煤时，巷道内粉尘的飞扬与污染程度较低。

(2) 按照规定通风量对综采工作面进行通风时，顶、底板附近(距底板高度分别为2.7 m和0.3 m)粉尘浓度较高，呼吸带高度(距底板高度为1.5 m)上粉尘浓度较低，但是呼吸带高度漂浮的粉尘多为颗粒细小且不易受自身重力而沉降的呼吸性粉尘，存在于呼吸带高度对于井下工作人员的生命健康构成极大威胁，应在治理产尘源、降低呼尘浓度和加强员工个体防护等多方面完善防治措施。另外，采煤机位于工作面中不同的位置时，巷道内不同高度水平上粉尘微粒的分布规律类似。

(3) 综采工作面采用U型通风方式时，截面积的突然改变使通风风流的行进受到干扰，导致风流速度瞬时增加，甚至产生扰流。采煤机位于工作面上风侧和中心位置的两种工况下，整个巷道中回风巷的风流速度明显过高，易导致回风巷内粉尘飞扬，污染程度加剧，可在回风巷内设置捕尘网、全断面喷雾等除尘设施，优化作业环境。由于液压支架对通风风流的运动具有阻碍作用，使得液压支架一侧风流速度过低，导致粉尘难以沉降，液压支架附近区域及人行道一侧粉尘浓度较高，矿井可采用增设架间喷雾等方式加速粉尘沉降，降低此区域的粉尘浓度，保障员工健康。