综掘工作面粉尘扩散与不同粒径粉尘的沉降规律研究

魏 伟

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤矿综掘工作面产尘量约占矿井总产尘量的30%～40%。煤矿粉尘是矿工尘肺病的罪魁祸首[1-4]，尘肺病每年造成的经济损失达1 800多亿元[5]，煤矿患者中有85%以上是长期工作于掘进工作面。目前，学者们对综掘工作面粉尘分布规律的研究大多是采用数值模拟的方法[6-7]，或者基于现场测试来揭示粉尘分布规律[8-10]，鲜有学者研究不同粒径粉尘的运移和沉降规律。笔者以芦岭煤矿为工程背景，利用理论分析、数值模拟和现场测试等手段研究了综掘工作面粉尘分布规律，并揭示了不同粒径粉尘的沉降和运移规律，旨在为综掘工作面的粉尘治理提供理论支撑。

1 气体—粉尘颗粒两相流动及控制方程

气体—粉尘颗粒两相流动普遍存在于煤矿井下的生产过程。在矿井粉尘的数值模拟研究中，描述气体—粉尘颗粒两相流动的数值模型主要有3种，即单流体模型、双流体模型和欧拉—拉格朗日模型，其中，欧拉—拉格朗日模型应用最多，该模型将气体看作主体相，将粉尘颗粒看作为离散分布于流体中的粒子，用欧拉方法研究流体运动，用拉格朗日方法追踪粉尘粒子的运动[11-14]。

1.1 连续相流动控制方程

气固两相流中气相连续性方程为：

(1)

动量守恒方程为：

(2)

气固两相流模式下标准k-ε模型的湍动能k和耗散率ε的输运方程分别为：

Gk+Gb-ρε-Ym+Sk

(3)

(4)

式中：ui、uj分别为在x、y方向上的分速度，m/s;ρ为气体的密度，kg/m3;μ、μt分别为在层流及湍流中的黏性系数，Pa·s；Gk为因为剪切力变化而引起的湍流动能的变化，kg/(s3·m)；Gb为由于浮力引起的湍动能k的产生项；Ym为可压湍流中脉动扩张的贡献值；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数；σk和σε分别为与湍动能k和耗散率ε对应的普朗特数；Sk、Sε为源项。

1.2 离散相控制方程

离散相模型通过计算离散相—粉尘颗粒在拉格朗日坐标下的受力微分方程而得到粉尘的运动轨迹，颗粒相的受力方程为：

(5)

式中：mp为颗粒质量，kg；up为颗粒运动速度，m/s；Fd为颗粒运动所受的阻力，N；Fg为粉尘颗粒所受重力，N；Ff为颗粒所受浮力，N；Fx为颗粒所受其他作用力，主要包括流体曳力、马格努斯旋转提升力、萨夫曼升力、倍瑟特力、虚拟质量力和压力梯度力等，N。

在实际情况下，粉尘颗粒主要受到阻力、重力和浮力的作用[14-16]，受力方程为：

(6)

(7)

(8)

式中：Cd为阻力系数；Cp为动力形状系数；Ap为颗粒迎风面面积，m2；ug为气流运动速度，m/s；up为粉尘颗粒运动速度，m/s；ρ为空气密度，kg/m3；ρp为粉尘颗粒密度，kg/m3；dp为粉尘粒径，m。

2 物理建模与求解

2.1 物理模型

以芦岭煤矿Ⅱ1084机巷综掘工作面为研究对象，巷道断面为直墙斜梯形，净宽4.6 m，(中)净高度为3 m，采用压入式通风，风量为800 m3/min，风筒出风口距掘进端头5 m。根据巷道及内部设备的实际尺寸参数，建立三维物理模型，该模型由掘进机、压入式风筒、二运胶带和巷道壁面4部分组成，设计计算域为50 m。物理模型如图1所示。

图1 掘进巷道物理模型

2.2 边界条件

在计算域内，粉尘总体上均匀分布于巷道中，其在气流中的体积分数介于10-6～10-3，粉尘将对湍流产生影响，此时应考虑粉尘与气流之间的双向耦合[17-20]。开启离散相模型，粉尘入射模型设置为Solid-cone，粒径分布符合Rosin-Rarnmler分布，最小粒径为1 μm，最大粒径为150 μm，平均粒径为55 μm，破碎性指标为1.54，风筒入射风速为26.5 m/s，湍流强度3.07%，水力直径0.8 m，出口边界类型为Outflow。

3 数值模拟结果分析

数值计算结束后，沿y轴正方向设置平行于巷道底板平面的剖面图，分别为y=0.5 m、y=1.0 m、y=1.5 m(矿工呼吸带高度)和y=2.0 m，得到的粉尘浓度分布情况如图2所示；在矿工呼吸带高度上列出了距压风侧不同距离时粉尘浓度的沿程变化曲线，如图3所示；巷道内粉尘颗粒追踪轨迹如图4 所示。

图2 不同巷道高度断面粉尘浓度分布

图3 距压风侧不同距离呼吸带高度的粉尘浓度沿程分布

图4 巷道内粉尘颗粒追踪轨迹

从图2～4可以看出：

1)受压入式风流的输运和巷道壁面、掘进机身的阻挡作用，粉尘主要集中在距工作面端头5 m的范围内，该范围存在涡流区，二次扬尘现象严重，粉尘不易沉降，最大粉尘质量浓度达到1 060 mg/m3。

2)在矿工呼吸带高度上(y=1.5 m)，z=0～5.5 m时，回风侧的粉尘浓度明显大于压风侧，粉尘浓度沿z轴正方向逐渐减小，压入侧反之，这是由于风流将大部分粉尘吹向回风一侧，回风侧粉尘被卷入涡流区或发生重力沉降，而压风侧受到风流卷吸作用，越靠近出风口该作用越明显，卷吸的粉尘量越大；z=5.5～17.0 m时，由于大粒径粉尘发生重力沉降，粉尘浓度均呈现大幅度的下降趋势；z=17.0～39.0 m时，粉尘质量浓度降至100 mg/m3以下;z=39.0～50.0 m时，粉尘质量浓度则降至50 mg/m3以下。

3)粉尘主要从两条逸散路径向掘进机后侧运移，其一是回风侧煤壁和掘进机机身之间，其二是掘进机机身与巷道顶板之间，其中，粒径大于100 μm的粉尘主要在惯性作用下沿路径一向掘进司机处运移，绝大部分在重力作用的主导下沉降于司机前部，而粒径小于100 μm的粉尘则从上述两条路径向掘进工作面后方运移，且粒径越小越不易沉降。

4 现场测试分析

4.1 测试方法

现场测试中，综掘巷道的粉尘测点布置如图5所示。在编号为A～G的7个断面中，断面A位于掘进机司机所在的平面，断面B～G与断面A的距离分别为3、5、9、15、20、30 m。每个断面中并排布置6个测点，其中，测点1、3、5距离回风侧煤壁0.5 m，测点2、4、6距回风侧1.5 m；测点1、2距底板0.8 m，测点3、4距底板1.5 m，处于工人呼吸带高度上，测点5、6距底板2.0 m。基于滤膜称重法，利用粉尘采样器测定掘进机割煤时的粉尘浓度，测试结束后，将每个断面测得的6个粉尘浓度值求平均值，作为该断面处粉尘浓度测定值。为进一步揭示不同粒径粉尘的沉降规律，采用粒度分析仪对巷道断面A、C、D、E、G中测点3(矿工呼吸带高度)的滤膜粉尘进行粒度分析。

图5 粉尘浓度测点布置

4.2 粉尘浓度分布规律

通过计算，得到的粉尘浓度沿程分布曲线如图6所示。

图6 掘进巷道内粉尘浓度沿程分布曲线

由图6可见：①掘进机司机位置(A处)粉尘质量浓度为780.6 mg/m3，污染最严重，由A至B时，粉尘由掘进机机身与巷道壁面之间的狭小空间向工作面后侧逸散，此过程粉尘浓度的下降主要体现为大粒径粉尘的重力沉降；②C处粉尘浓度下降至约B处的1/2，两点之间粉尘浓度降幅最大，原因为 B处位于掘进机机尾前部，粉尘集中在相对狭小的空间内，C处位于机尾后2 m，粉尘浓度通过空间的变大而瞬间得到稀释；③从D处开始，粉尘浓度降幅逐渐减小，粉尘下降趋势逐渐趋于平缓；④可将粉尘的沿程沉降划分为3个分区，即粉尘的急速沉降区(A～C)、中速沉降区(C～E)及慢速沉降区(E～G)。

4.3 粒度分布规律

通过分析得到的粉尘粒度分布曲线如图7和图8所示。

图7 不同断面处呼吸带高度粉尘粒度分布曲线

图8 不同粒径范围下粉尘粒度分布曲线

从图7和图8可以看出，在距司机位置0～30 m内：①巷道矿工呼吸带高度的粉尘粒径主要集中在50 μm以下，其质量分数为93.9%～95.8%，粒径 50～100 μm的粉尘质量分数为3.4%～5.2%，粒径大于100 μm的粉尘质量分数为0～1.9%，说明粒径大于50 μm的粉尘主要在司机前方沉降；②当粉尘粒径小于40 μm时，筛上累计质量百分数R皆随着与司机距离的增大而减小，粒径大于40 μm时无类似特定规律，笔者将d=40 μm称之为粉尘的“拐点粒径”；③在断面G处，粒径小于10 μm的粉尘质量百分数增至A处的2.1倍，粒径小于20 μm、小于30 μm、小于40 μm的粉尘质量百分数则分别增至A处的 1.5倍、1.3倍和1.1倍，说明粉尘越细越不易在空气中沉降。

5 结语

1)通过数值模拟，得到了综掘工作面粉尘主要集中在距工作面端头5 m的范围内，在矿工呼吸带高度上回风侧的粉尘浓度明显大于压风侧，工作面粉尘主要沿回风侧煤壁和掘进机机身之间、掘进机机身与巷道顶板之间向端头后方运移。

2)通过现场测试分析，可将综掘工作面粉尘的沿程沉降划分为急速沉降区、中速沉降区及慢速沉降区。

3)通过分析滤膜粉尘的粒度分布，得出粒径大于50 μm的粉尘易在掘进机司机前方沉降，小于“拐点粒径”(40 μm)的粉尘在空气中不易沉降，其在浮游粉尘中的占比随着与掘进机司机距离的增大而逐渐增大。

4)综掘工作面在采取降尘措施时应遵循3个原则：一是可采取煤层注水措施预湿煤体，降低作业时粉尘的飞扬；二是就地消灭尘源处的粉尘；三是在粉尘逸散路径上布置降、除尘设备，切断掘进工作面粉尘的逃逸路径。