综采工作面呼吸性粉尘浓度分布规律及其与湍流强度关系的研究

向晓刚，孙少伟，赵美成，邓小良，李 鹏，徐 锐，5，安世岗，江丙友，祝文军，5，余国锋，任 波，梁羽翔

（1.中国工程物理研究院流体物理研究所 冲击波物理与爆轰物理重点实验室，四川 绵阳621900；2.四川大学 物理学院，四川 成都610065；3.西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安710049；4.神华神东煤炭集团技术研究院，陕西 神木719315；5.江西安源通风设备有限公司，江西 萍乡337000；6.安徽理工大学，安徽 淮南232001；7.煤炭开采国家工程技术研究院，安徽 淮南232001；8.广东贺尔环境技术有限公司，广东 佛山528000）

随着采煤设备的机械化程度越来越高以及开采强度越来越大，导致综采工作面粉尘产量和粉尘浓度均在增加，煤矿井下粉尘污染问题日益严重，致使患尘肺病的矿工人数也在逐年增加。而这其中的罪魁祸首为10 μm 以下的呼吸性粉尘（后面均简称为呼尘）。因此，深入开展煤矿呼尘治理的工程与科学研究就显得尤为重要和急迫。近年来，许多学者开展了综采面粉尘相关的实验和数值模拟研究工作，包括主要尘源点分布[1-2]、粉尘的沿程分布规律[2-11]、逆风割煤与顺风割煤对粉尘浓度分布的影响[9]、风速对降尘率的影响[12]、煤尘含水率对粉尘扩散影响[13]、煤机在不同位置割煤时粉尘分布差别[14]、PM10 粉尘、PM2.5 粉尘在工作面比例波动性[15]、粉尘分散度与粉尘浓度之间的关系[16]等。然而，之前对综采面粉尘浓度分布相关的研究主要集中在巷道沿程方向的分布规律方面，对综采面横截面的宽度和高度方向的浓度分布规律研究甚少。此外，巷道中放置的各种机械设备会使流场产生湍流。而湍流作为一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，它的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间和空间发生变化，无疑会对粉尘的演化规律和浓度分布产生极其重要的影响。然而，湍流强度和呼尘浓度分布之间的关系还未见报道。为了全方位探索综采面呼尘浓度的三维分布规律以及湍流强度与呼尘浓度分布之间的关系，利用流体动力学软件Fluent，通过气固双向耦合的方法，系统地研究了割煤机和破碎机产生的呼尘在综采面巷道的沿程、宽度、高度3 个方向的浓度分布情况，进行了详细的统计分析，并对呼尘浓度与湍流强度之间的关系进行了深入探究，以期为喷雾除尘相关工程的装置设计和安装给出可靠性的指导和实际性的帮助。

1 模型及方法

1.1 几何模型

以神东哈拉沟煤矿22410 巷道综采面为原型建立了仿真模型，模型里面包括割煤机、破碎机、综采面巷道、液压支柱、线槽，神东哈拉沟煤22410 工作面整体布局平面图和通风方式以及内部结构如图1。

图1 神东哈拉沟煤22410 工作面整体布局平面图和通风方式以及内部结构Fig.1 Planar graph, ventilation method and internal structure of 22410 fully mechanized mining face in Shendong Halagou Coal Mine

巷道长300 m，宽4 m，高2.8 m。巷道中间有高1.4 m 厚0.2 m 的线槽。以线槽为界将综采面空间划分为2 个平行区域，有割煤机一侧宽2.25 m 称为割煤机侧，有液压支柱一侧宽1.75 m 称为液压支柱侧（可供人行走）。综采面有液压支柱164 根，每根液压支柱上下2 段钢柱的直径分别为0.5、0.6 m，下面1 段高1.1 m；液压支柱中心间隔1.8 m，每根液压支柱底部都有1 个高0.4 m 的长宽分别为1.6、1.5 m的长方体底座。进风巷和回风巷的长宽高分别是10、3.5、2.8 m。在进风巷里面，距离进风巷与综采面转弯处1 m 是破碎机。割煤机总长26.24 m、宽2 m，滚筒半径1.12 m，放在巷道的中间位置。根据所建立的几何模型生成四面体网格，共划分4 822 196个节点、25 967 168 个单元。

1.2 颗粒运动的数值模拟方法及参数设定

粉尘在空气中的运动可以用计算流体力学的拉格朗日离散相模型进行描述。拉格朗日离散相模型遵循欧拉-拉格朗日方程，将流体处理成连续相，直接求解时均纳维-斯托克斯方程获得流场的速度、湍流动能等信息；离散相则采用拉格朗日方法描述，在考虑颗粒受到流场对颗粒的力以及湍流扩散等物理过程后，通过对大量颗粒的运动方程进行积分运算就可得到它们的运动轨迹。离散相和连续相之间可以交换动量、质量和能量。将空气定义为连续相，粉尘定义为离散相。

使用Fluent 18.0 作为求解器，将割煤机的2 个滚筒看作粉尘喷射点。另外，由于本工作面的煤炭破碎机放在了进风巷，由破碎机运行时产生的大量粉尘会随风在巷道飘散，所以把破碎点也作为1 个尘源点。求解器模式选择压力基和瞬态并考虑重力，黏性模型。湍流流动采用可实现的双方程模型并采用SIMPLE 算法进行模拟。时间步长是0.000 1 s，模拟粉尘扩散时间为350 s。颗粒源参数和边界条件设定见表1。

表1 颗粒源参数和边界条件设定Table 1 The parameters of particle source and boundary conditions

2 数值模拟结果

2.1 呼尘在巷道沿程方向的浓度分布规律

割煤机侧的沿程呼吸性粉尘浓度分布如图2，割煤机侧的沿程呼吸性粉尘数目分布如图3，液压支柱侧的沿程呼吸性粉尘数目分布如图4。

图2 割煤机侧的沿程呼吸性粉尘浓度分布Fig.2 Respirable dust concentration distribution along the fully mechanized coal faces tunnel at the coal cutter side

图3 割煤机侧的沿程呼吸性粉尘数目分布Fig.3 Respirable dust number distribution along the fully mechanized face tunnel at the coal cutter side

图4 液压支柱侧的沿程呼吸性粉尘数目分布Fig.4 Respirable dust number distribution along the fully mechanized face tunnel at the hydraulic prop side

由图2～图4 可以看出，单位体积的粉尘数目的相对大小与粉尘浓度的相对大小是对应的。把现场测试点映射到数值模拟结果后发现，它们吻合得非常好，说明模拟参数设置合理。在割煤机的上风侧呼尘浓度相对最低；在割煤机下风侧附近呼尘浓度最高；在割煤机下风侧远离煤机的地方，呼尘浓度下降。

从图3 与图4 对比发现，割煤机侧的呼尘远远高于液压支柱侧。在割煤机侧，3 个尘源点（煤块破碎点、割煤机的2 个滚筒）对应粉尘浓度的3 个峰值。割煤机在割煤过程中会不断产生大量的粉尘，它是产尘最多的地方，所以在割煤机下风侧附近的呼尘浓度是最大的。煤块被割落后，被下面的运输带运送到进风巷处的破碎机进行破碎，在煤块破碎过程中，也会产生大量呼尘。破碎点产生的呼尘会随风沿着巷道向回风巷方向扩散，在扩散过程中呼尘会逐渐沉降使浓度降低，在与割煤机相遇后，会与割煤机产生的呼尘一起随风扩散。呼尘主要沿着割煤机侧的通道扩散，但在扩散过程中受到湍流的影响，部分呼尘扩散到了液压支柱侧。在液压支柱侧，由破碎点产生的呼尘在沿割煤机侧巷道扩散过程中受湍流的影响，在距进风巷转角50 m 左右浓度开始逐渐增大，然后又逐渐减小。割煤机下风侧25 m左右，呼尘受湍流的影响扩散到液压支柱侧，使液压支柱侧的粉尘浓度逐渐增大。

2.2 呼尘在巷道横截面宽度方向的浓度分布规律

对综采面巷道宽度方向上的呼尘浓度分布进行了研究，巷道横截面宽度方向呼吸性粉尘分布如图5，综采巷横截面呼吸性粉尘分布如图6。

图5 巷道横截面宽度方向呼吸性粉尘分布Fig.5 Respirable dust distribution along the width of roadway cross section

由图5、图6 可以看出，液压支柱侧的呼尘浓度远小于割煤机侧。由于割煤机采煤产生大量粉尘导致割煤机下风侧的呼尘浓度远远高于上风侧；在割煤机侧，随着呼尘随风飘散，单位体积呼尘数目峰值逐渐由靠近煤层侧向液压支柱侧偏移，同时液压支柱侧的单位体积呼尘数目增加。这也从侧面说明为什么在巷道后端的液压支柱侧呼尘浓度要高于前端。

图6 综采巷横截面呼吸性粉尘分布Fig.6 Respirable dust distribution on the cross section of fully mechanized face tunnel

2.3 呼尘在巷道横截面高度方向的浓度分布规律

对综采面巷道不同位置横截面在高度方向上的呼尘浓度分布进行了研究。巷道横截面割煤机侧在高度方向呼吸性粉尘分布如图7，巷道横截面在液压支柱侧高度方向呼吸性粉尘分布如图8。

在巷道高度方向，液压支柱侧的单位体积的呼尘数目远小于割煤机侧。不管在割煤机侧还是在液压支柱侧，割煤机下风侧呼尘浓度都要大于上风侧；在割煤机侧的下风侧，巷道的下面空间比上面空间的呼尘浓度高，然而在液压支柱侧则刚好相反，巷道上面空间的呼尘浓度要比下面空间的高。这主要是由于液压支柱侧与割煤机侧之间有个1.4 m 高的线槽，呼尘从割煤机侧扩散到液压支柱侧的位置比较高。割煤机侧与液压支柱侧的呼吸性粉尘的粒径如图9，对2 个子通道的呼尘粒径对比发现，液压支柱侧的呼尘粒径要比割煤机侧的呼尘粒径小，说明割煤机侧的呼尘粒径越小越容易扩散到液压支柱侧。

图7 巷道横截面割煤机侧在高度方向呼吸性粉尘分布Fig.7 Respirable dust distribution on the cross section of fully mechanized face tunnel in the height direction of the coal cutter side

图8 巷道横截面在液压支柱侧高度方向呼吸性粉尘分布Fig.8 Respirable dust distribution on the cross section of fully mechanized face tunnel in the height direction of the hydraulic prop side

2.4 呼尘浓度与流场湍流强度的关系

湍流是流体的一种运动状态。在湍流情况下，流场的流速与方向都是不稳定的。巷道在1.5 m 高截面的湍流强度如图10。

图9 割煤机侧与液压支柱侧的呼吸性粉尘的粒径Fig.9 Particle size of the respirable dust on the side of the coal cutter and the side of the hydraulic prop

图10 巷道在1.5 m 高截面的湍流强度Fig.10 Turbulence intensity of fully mechanized face tunnel at 1.5 m height cross section

在综采工作面巷道中，进风巷和回风巷的转角处风流方向会发生很大变化，导致湍流比较强。所以进风巷破碎点产生的粉尘会有部分在转角之后被风吹到液压支柱侧。在割煤机处，由于割煤机的阻挡使得风流不得不改变方向，致使割煤机处的湍流强度很大。割煤机处是呼尘最主要的产生源，由于割煤机处湍流强度较大，部分呼尘会随风扩散到液压支柱侧使液压支柱侧的呼尘浓度增大。

巷道在1.5 m 高截面的呼尘浓度和湍流强度及风流速度分布如图11。在综采面巷道中，流场的湍流强度呈准周期性变化，强弱交替变化。割煤机侧的湍流强度与液压支柱侧湍流强度刚好互补，当割煤机侧的湍流强度大时液压支柱侧湍流强度则相对较小。在割煤机侧，呼尘浓度越大，湍流强度相对越小，风速相对较大。在液压支柱侧，流场湍流强度在液压支柱周围较大，并且湍流强度越大，呼尘浓度越大，与割煤机侧相反。割煤机侧的风速要大于液压支柱侧。

图11 巷道在1.5 m 高截面的呼尘浓度和湍流强度及风流速度分布Fig.11 Respirable dust concentration, turbulence intensity and airflow velocity distribution of fully mechanized face tunnel at 1.5 m height cross section

3 结 论

1）综采面的割煤机侧的呼尘远远高于液压支柱侧；割煤机附近的呼尘浓度是最大的；呼尘主要沿着割煤机侧的通道扩散，但在扩散过程中受到湍流的影响，部分呼尘扩散到了液压支柱侧。

2）割煤机侧的呼尘在随风飘散过程中，呼尘浓度峰值逐渐由靠近煤层侧向液压支柱侧偏移，同时液压支柱侧的呼尘浓度增加。

3）在割煤机侧的下风侧，巷道的下面空间比上面空间的呼尘浓度高，但在液压支柱侧则刚好相反，巷道上面空间的呼尘浓度要比下面空间的高。液压支柱侧的呼尘粒径越小越容易扩散到割煤机侧。

4）在综采面巷道中，流场的湍流强度呈准周期性变化，强弱交替变化。割煤机侧的湍流强度与液压支柱侧湍流强度刚好互补，当割煤机侧的湍流强度大时液压支柱侧湍流强度则相对较小。在割煤机侧，呼尘浓度越大，湍流强度相对越小，风速相对较大。在液压支柱侧，流场湍流强度在液压支柱周围较大，并且湍流强度越大，呼尘浓度越大，与割煤机侧相反。