凉水井矿综采工作面粉尘运移规律数值仿真

王建国 周侗柱 戚斐文 张亚平

摘 要：為研究凉水井矿42112综采工作面粉尘运移规律，基于Fluent数值仿真软件，选用标准k-epsilon湍流模型以及DPM计算模型建立了气-固两相流的粉尘运移数学和物理模型。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，以及在移架和割煤时粉尘的运移规律和悬浮时间。研究表明：风流沿工作面在速度上表现出“小-大-小”的规律，速率和湍流强度在采煤机附近达到最大，在人行道空间有一定的低值区域。移架产生的粉尘一部分随风流运动，另一部分因粒径不同沉降到巷道底板不同位置。采煤机割煤产生的大粒径粉尘在重力作用下逐渐沉降，小粒径粉尘随气流继续运动，粉尘浓度最大处为前后滚筒附近及后滚筒下风向10 m左右靠近煤壁一侧区域，但扩散性不大，随着粉尘团向后移动，影响范围不断扩大，直至向整个工作面弥散。综采工作面粉尘在距底板1 m处粉尘浓度最高且分布范围最广，在巷道上部空间，直径大于100 μm的粉尘粒子迅速沉降，而随着粒径减小，粉尘悬浮时间也逐渐延长。本研究可为综采工作面除尘、抑尘提供参考。

关键词：安全科学与工程;粉尘运移规律;数值仿真;粉尘防治

中图分类号：TD 724

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）02-0195-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0202开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Numerical simulation ofdust movement rules atfully-

mechanized mining faces in Liangshuijing coal mine

WANG Jian-guo1，2，ZHOU Tong-zhu1，2，QI Fei-wen1，2，ZHANG Ya-ping2，3

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.College of EnergyEngineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：In order to explore the movement pattern of dust generated by support advancing and shearer cutting at 42112 fully-mechanized mining face in Liangshuijing Coal Mine，based on Fluent numerical simulation software，the standard k-epsilon turbulence model and DPM on model were used to establish the mathernatical and physical models ofthe gas-solid two-phase flow dust transportation.The numerical simulation and on-site measurement method were used to study the air movement of the working faces，the dust migration law in moving and cutting the coal，and the suspension time at different heights and with different particle sizes.The results reveal that the airflow velocity shows the “small-large-small” pattern when the airflow enters the mining face，and the flow rate and turbulence intensity reach the maximum in the vicinity of the shearer and a low value area in the sidewalk space.Part of the dust generated by the moving frame is moving with the wind flow，and the other part is sliding to different positions of the roadway bottom plate due to different particle sizes.Among the dust generated by the coal cutting machine，the large-size dust gradually settles under the action of gravity，and the small-sizedcontinues to move with the airflow.The maximum concentration is near the front and the rear drums and the wind direction of the rear drum is about 10 m near the coal wall side，wherethe diffusivity is not large.As the dust group moves backwards，the scope of influence continues to expand until it spreads to the entire working surface.In the fully mechanized mining working face，the dust has the highest concentration and the widest distribution range at 1 m from the bottom plate.In the upper space of the roadway，the dust particles with a diameter larger than 100 μm settle rapidly，and as the particle size decreases，the dust suspension time also gradually increases.The conclusion here is helpful for dust removal and suppression in the fully mechanized mining face.

Key words：safety science and engineering;dust movement rules;numerical simulation;dust control

0 引 言

综合机械化采煤已成为厚煤层开采的重要手段，然而，大型机械的应用也使得采煤工作面的产尘量不断增加[1]。据测量，在无除尘措施的情况下，移架和割煤时粉尘浓度可达8 000 mg/m3，严重污染了井下作业环境[2-3]，远远超过国家相关卫生标准，严重威胁着井下工作人员的身心健康，恶化了工作条件，加大了井下设备的磨损，甚至还有煤尘爆炸的危险[4]。此外，机械化开采厚煤层使得工作面空间更大也更复杂，进一步加剧了含尘气流扩散和运动的复杂性[5]，增加了现场防尘、控尘的工作难度。

目前，研究工作面粉尘运移及扩散规律主要通过实验与数值仿真。在数值仿真方面，Patankar和Joseph使用大涡模拟法来模拟气流，用拉格朗日方法描述尘粒运动，分析了不同Stokes数下煤尘与空气流场的空间分布[6]。王晔通过分析采煤机在顺风、逆风割煤时粉尘运移规律以及不同风速下呼吸性粉尘分布规律，得出了控制人行道呼吸带最低粉尘浓度的最优风速[7]。白若男等对工作面不同风速条件下粉尘分布进行了数值模拟分析，提出了“综采面高浓度粉尘连续带”的概念[8]。雷猛通过数值模拟的方法分析了割煤20，40，80 s后工作面不同空间粉尘分布及运移规律，得出了在不同时间人行道粉尘浓度分布规律[9]。蒋仲安等通过建立气-固两相流模型，研究了硐室、采煤工作面和掘进工作面等地点的产尘机理和扩散规律，对比分析了移架和割煤等工序在不同条件不同地点下的粉尘分布规律、最优除尘风速等[10-12]。张广等通过气-固两相流理论，结合数值模拟分析，得出煤尘质量浓度在作业面处浓度最大，其运移速度也最大[13]。吴立荣等通过分析工作面流场粉尘颗粒在尘源高度和尘源浓度不同时粉尘浓度变化规律，得出了尘源高度及浓度与巷道内粉尘浓度及运移规律[14]。左前明通过模拟得到了大采高综采工作面与一般综采工作面风流-粉尘运移规律的区别[15]。谭聪等通过模拟研究了风速、采煤机割煤时滚筒转速以及溜子速度与工作面粉尘质量浓度的关系[16]。周刚等利用数值模拟的方法研究了综采工作面移架、割煤等工序产生的呼吸性粉尘运移规律并设计了综采工作面呼吸性粉尘防治方法[17]。

综上可见，目前对综采工作面粉尘运移规律的仿真研究主要集中在整个工作面粉尘浓度分布及运移规律上，而对不同高度不同粒径粉尘在空气中的分布规律及悬浮时间研究较少，而对不同粒径粉尘在不同高度的悬浮时间的研究能有效指导现场防尘、控尘工作。鉴于此，采用数值仿真及现场实测的方法研究了凉水井矿42112综采工作面风流运动情况，以及在移架和割煤时粉尘的运移规律和悬浮时间，以期为综采工作面防尘提供理论指导。

1 综采工作面粉尘运移数学模型

1.1 连续相数学模型

目前，对颗粒-气体两相流的模拟方法有欧拉-欧拉法（Euler-Euler）和欧拉-拉格朗日法（Euler-Lagrange）2种[18-19]，本研究以Euler-Lagrange法理论为基础[20]，视空气为连续相，通过求解时均Navier-Stokes方程得到速度等参量。把粉尘颗粒看作分散相，采用拉格朗日方法描述，建立离散相模型（Discrete Phase Model，DPM）[21-22]，通过对大量质点的运动方程进行积分运算得到其运动轨迹。分散相与连续相可以交换动量、质量和能量，即实现双向耦合求解。

综采工作面空气流动满足质量守恒定律、牛顿第2定律和能量守恒定律等，将工作面风流视为不可压缩流体，有流体流动控制方程守恒形式

式中 ρ为流体密度，kg/m3;t为时间，s;V为流体速度矢量，m/s;p为流体压力梯度，Pa/m;f为单位质量流体的体积力，N;e为单位质量流体的内能，J;E为总能，J;Γ为表面应力，N;为单位质量体积加热率，W·m3/kg.双方程湍流模型通过求解2个单独的运输方程来确定湍流长度和时间尺度。标准的k-epsilon模型是基于湍动能k及其湍流耗散ε模型的输运方程模型[23]，分别为

式中 k为湍动能，m2/s2;

ε为湍流耗散率，m2/s3;ui为i方向上平均速度分量，m/s;μt为空气动力学粘度，kg/（m·s）;Gk为由平均速度梯度产生的湍动能，kg/（m·s3）;μ为流体的粘度，Pa·s;Gb为由浮力产生的湍动能，kg/（m·s3）;YM为可压缩流动中波的膨胀对整体扩散率的影响，kg/（m·s3）;

C1ε，

C2ε，

和

C3ε为常数;

σk和σε分别是k和ε的无量纲湍流普朗特数，其中Sk为源项，kg/（m·s3）;Sε为源项，m2/s4.

1.2 离散相数学模型

ANSYS Fluent软件通过分析微粒在拉格朗日参考系中的受力平衡来预测离散相粒子的运动轨迹，这种力的平衡将粒子的惯性等同于作用在粒子上的力[24-25]，可以表示為

dup

dt=FD（u-up）

+g（ρp-ρ）

ρp

+F

（6）

式中 F为其它力的作用，N;

FD（u-up）为单位质量颗粒的曳力。

FD=18μρpd2p

·

CDRe24

（7）

u为连续相速度，m/s;up为粒子速度，m/s;ρ为连续相密度，kg/m3;

ρp为微粒密度，kg/m3;μ为流体的粘度，Pa·s;

dp为颗粒直径，mm;Re为无量纲相对雷诺数;CD为无量纲阻力系数，分别定义为

式中 a1，a2和a3为常数，适用于由Morsi和Alexander根据光滑球试验给出的Re的范围。颗粒在运动过程中受到许多种力的作用，除了重力和浮力的合力及阻力外还包括压力梯度力、“虚拟质量”力、Saffman升力、布朗力等。本研究中作为分散相的粉尘颗粒的体积比率低，且由于尘粒粒径小，颗粒间相互作用力弱，空气与粉尘在等温条件下运动，因此，在计算过程中只考虑流体对其曳力，其次为重力与浮力。

2 几何模型及边界条件

2.1 几何模型及网格

凉水井矿42112综采工作面采用U型通风方式，布置在4-2煤层中，采用一次采全高开采方式。工作面长度约为300 m，采高约3 m，煤层倾角为0°～3°，煤层厚约2.8～3.6 m，采煤机前后滚筒割煤。图1为凉水井矿42112采煤工作面简化几何模型。如图1所示，将整个工作面简化为长方体，长、宽、高分别为65，5，3 m，采煤机长、宽、高分别为6，1.5，1.2 m，将采煤机滚筒简化为一个圆柱，直径为1.2 m，摇臂简化为长方体，长1.8 m.液压支架底部及电缆槽简化为长方体，支架上部简化为倾斜的圆柱体。采煤机置于巷道中部，前滚筒距入口27 m.图2显示了几何模型的网格划分结果，经网格检查，满足求解要求。

2.2 边界条件及求解设置

综采工作面采煤时主要由采煤机割煤和液压支架移架产生粉尘，将采煤机前后滾筒割煤时的尘源设定为面尘源。移架产尘点布置在顶板处，为面尘源。工作面粉尘颗粒粒度分布符合罗辛-拉姆勒（R-R）分布[25]。表1为离散相主要设置，表2为边界条件及求解器设置。其中工作面入口风速由现场测量得到，水力直径由公式（10）计算得出，湍流强度由公式（11）计算得出，煤粉密度由经验数据所得[20]。水力直径DH定义为

式中 A为过流断面面积，m2;S为流体与固体的基础周长，m.

湍流强度I定义为

式中 ReH为由水力直径计算得出的Re数。

3 结果及讨论

3.1 风流分布规律

采煤工作面粉尘的运移扩散受多种因素影响，其中空气的运移对其影响最为明显，气流场的分布规律有助于了解粉尘的运移扩散规律。图3为沿底板方向的空气速度云图。

空气从左端进入工作面，入口风速为1.5 m/s，受液压支架及电缆槽等设备的影响，其流速在巷道内发生变化，增加到1.75 m/s左右，而靠近支架的区域风速减小。在远离采煤机区域时巷道内风速变化程度相对较小，从水平方向风速云图（a）、（b）、（c）不难看出，距底板1 m处风速受支架影响最大，距底板1.5 m处受影响程度减小，距底板2 m处又增大。空气经过采煤机位置时，由于巷道断面减小，导致风速增大到2 m/s以上，此时工作面空气存在横向流动并涌向行人道方向，这是由“文丘里效应”所导致。经过采煤机后由于巷道内没有大型设备，风流逐渐平稳，但仍在靠近煤壁一侧空间形成高速区域，且从液压支架往煤壁呈现逐渐增大的趋势。就整体而言，风速沿风流方向表现出“小-大-小”的规律。

图4为沿重力方向空气速度云图，（a）、（b）、（c）分别为垂直于底板方向距煤壁2，1，0.5 m处空气速度云图。由图4可看出，风速沿风流方向依旧表现出“小-大-小”的规律。图4（a）为行人道处空气速度云图，在风速以1.5 m/s进入工作面后，采煤机顺风前部处和背风后部处出现风流紊乱的情况。由图4（b）可看出，在采煤机位置，风速最高出现在采煤机上部，风速在采煤机上部有明显的梯度分布，空气在过流断面变化的影响以及滚筒的扰动下风流速度增加而且产生了纵向的、涌向顶底板方向的气流，在靠近顶板的位置产生高速流动区域，风速高达2.5 m/s.在采煤机下风向由于流动空间又突然增大，空气的速度整体开始减小，且在采煤机后方10～20 m的区域内下降到2 m/s左右，但由于高速流过的空气在采煤机后滚筒下方产生了低压涡流区域，导致风流开始向煤壁靠近，而流速则沿着流动方向逐渐减小。由图4（c）可见，在距煤壁0.5 m处的采煤机滚筒部位，风速受采煤机的影响，在采煤机上部速度增大，由于前方的煤炭尚未被剥落，巷道断面较小，风速较大。

图5给出了沿风流方向空气速度的实测值和解算值。在42112综采工作面中部竖直方向高为1，1.5，2 m处分别每5 m布置测点，测得沿风流方向风速分布，如图5（a）所示。数值仿真计算解得上述同样位置风速变化，如图5（b）所示。

由图5不难看出，实测风速与解算风速虽然在数值上存在一定差异，但在整个工作面风速分布呈现出大致相同的趋势。不同之处在于，解算风速值在工作面40 m后产生震荡，可能的原因在于风流经采煤机主体和滚筒的扰动后在其后方产生了复杂的尾流和涡流，风流向采煤空间四周逸散，导致采煤机前臂处风速产生较大的横向偏移，空气流动的方向和大小变得复杂，进而导致了工作面40 m后的解算风速值产生震荡。

3.2 粉尘分布运移规律

工作面移架及割煤时产生的粉尘在气流场作用下的运移扩散规律主要表现为以下几个方面。

移架时，如图6（a）所示，设置粉尘从模型上表面一处释放，此时不同粒径粉尘呈现出完全不同的运移规律：受重力及气流场的影响，粒径较小的粒子随空气流向采煤机方向，在经过采煤机位置后开始向液压支架方向扩散，粉尘浓度逐渐减小，悬浮时间较长，而粒径较大的粉尘由于受到重力的影响更明显，在从尘源释放后很快沉降，悬浮时间很短且水平方向的沉降距离与粉尘粒径大小大致呈现反比规律。

割煤時，如图6（b）所示，粉尘从采煤机滚筒释放，较大粒径的粉尘粒子迅速沉降，但由于气流场速度增大，大部分粉尘粒子绕过采煤机向后方运动，沉降现象和扩散现象不明显，采煤机后滚筒下方的低压区域使空气裹挟着粉尘粒子向靠近煤壁一侧流动，在滚筒后方由于巷道断面增大，风速逐渐减小，粒径大的粉尘逐渐沉降，而粒径小的随空气继续运动，在采煤机下风向约10 m的位置粉尘开始向液压支架方向扩散。

移架跟割煤同时作业时，从图6（c）和6（d）中可看出，移架产生的粉尘中，大粒径的迅速沉降，小粒径的粉尘向后运动到达采煤机前滚筒位置时部分粉尘随空气涌向液压支架方向，其余大部分

粉尘跟割煤产生的粉尘混合在一起，向采煤机后方运动，粉尘在采煤机后方10 m左右处浓度大幅减小，并开始向液压支架方向运移。

采煤工作面粉尘的运移规律可由其浓度和分布情况来表征。图7为距底板1，1.5，2 m处平面上粉尘浓度分布云图。由图7可见，在距底板1 m处粉尘浓度最高且分布范围最广，这是由于大量粉尘随风流运动后逐渐沿重力方向沉降，使得较低的平面显现出更高的粉尘浓度。距底板2 m处除移架产生的粉尘外，割煤产生的粉尘对上部空间的影响很小，在采煤机位置由于产生纵向的气流，使部分粉尘向上移动，但很快向下部空间运动。因此，实际工作中应注意下部沉降粉尘的处理，以免其受风流卷扬，造成二次污染。

图8为不同粒径粉尘平均悬浮时间曲线，图中分别为距底板1，1.5，2 m平面上不同粒径粉尘粒子悬浮时间的曲线。由图8可见，在巷道上部空间，直径大于100 μm的粉尘粒子很快沉降，而随着粒径减小，其悬浮时间也逐渐延长。

图9给出了井下综采工作面不同测点的粉尘浓度实测值与解算数据对比，其中1#测点为落煤处，2#测点为采煤机司机处，3#测点为移架处，4#测点为多工序作业时采煤机后方10 m处。

由图9可见，解算数据与现场实测数据存在差异，解算值一般大于现场实测值，一方面原因可能是解算数据是在工作面未采取降尘措施情况下模拟出的各点粉尘浓度，与现场实际情况存在差别。

4 结 论

1）采煤工作面空气经过采煤机位置时空气流速增大，总体风速表现为中间大两头小的规律。

2）移架作业产生的粉尘沿风流方向运动时，粒径较大的逐渐沉降，粒径越大，粉尘沉降速度越快，相应的沉降距离越小，粒径较小的粉尘粒子难以沉降，随风流运动，绕过采煤机后向巷道中扩散。

3）割煤作业产生的粉尘在采煤机滚筒位置浓度最大，沿风流方向逐渐降低，且主要沿煤壁一侧运动，在采煤机后方约10 m处开始向巷道中弥散。

4）粉尘沉降率主要由重力和空气的曳力决定，这导致工作面下部粉尘浓度明显高于上部。

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