综放工作面转载破碎粉尘扩散运移规律分析

郭玉峰，郝永江，李云龙，郭伟强

(1.山西西山晋兴能源有限责任公司，山西 吕梁 030000；2.太原科技大学 环境与安全学院，山西 太原 030024)

近年来，随着国家对职业健康工作逐步重视，以及《中华人民共和国劳动保护法》《中华人民共和国职业病防治法》《煤矿作业场所职业危害防治规定(试行)》等法律文件的颁布实施，国内粉尘防治工作正逐步与国际接轨[1，2]，然而目前粉尘治理大都集中于采掘工作面的割煤过程，对于煤矿生产的其他环节还未引起足够重视，使得整体的降尘效果不理想。

治理工作面粉尘的前提是掌握粉尘的扩散运移规律，目前主要采用数值模拟和现场实验两种方法进行研究。在数值模拟方面，赵卫强等研究了截割粉尘在呼吸带高度的扩散运移规律和浓度分布规律[3]，杜善周等分别研究了普通综采工作面及大采高综采工作面的粉尘运移分布规律[4-6]，牟国礼等通过研究综掘工作面的粉尘分布规律提出了优化通风参数及多级防尘的技术措施[7-9]。在现场实验方面，苏士龙等测定了分析了顺风、逆风条件下采煤机正常运行时综采工作面PM2.5、PM5和PM10的粉尘运移规律并对喷雾降尘技术展开研究[10-12]，王凯等通过掘进工作面粉尘浓度实测得出了粉尘的分布运移规律，并提出优化风筒直径及位置参数和风幕控尘的技术措施[13，14]，而贾凯通过数值模拟和现场实测相对比的方法对粉尘的运移规律进行研究[15]。以上研究均主要针对采掘工作面的割煤产尘，实际上，在煤的转载和破碎过程中，产生的粉尘量之大、影响范围之广也不容轻视，关系到整个工作面的整体降尘效果，必须对其进行研究和治理。因此，本文以斜沟煤矿23114综放工作面转载破碎点为对象，利用数值模拟的方法对其粉尘扩散运移规律进行分析，从而为提出有效的防尘技术措施提供依据。

1 工作面概况

斜沟煤矿23114综放工作面走向长度2346.79m，倾斜长度244.27m，总面积573250m2，主要为气煤和焦煤，煤层总厚14.00～15.60m，一般为14.56m，煤层倾角5.7°～8.7°，一般为8.1°。工作面采用上行“U”型通风系统，即运输巷为进风巷，材料巷为回风巷。运输巷(进风巷)巷道掘进断面为矩形，宽5.5m，高3.8m，采用锚杆、锚索、钢带、金属网联合支护，其主要用途是进风、运煤。巷道内布置机头端头支架、转载机、破碎机、带式输送机，选用山西煤矿机械制造有限责任公司生产的SZZ1350/700型转载机及PLM4000型破碎机。进风巷内实际供风量为1608m3/min，破碎机处安装有防尘罩和喷雾装置。

2 转载破碎粉尘数值模拟

2.1 几何模型及网格划分

根据进风巷现场实际情况，简化区域形状复杂的状况，形成一个39m×5.5m×3.8m的计算区域，对现场实际情况简化后使用GAMBIT建立进风巷转载破碎点的三维几何模型。根据计算区域的物理量场变化情况进行网格的划分，以使网格形状比较规则，质量都保持在较高水平，进风巷网格划分情况图1所示。

图1 进风巷转载破碎点三维网格

2.2 模拟参数及边界条件的设定

粉尘颗粒总体上均匀分布于连续相中，符合离散相模型对离散颗粒局部体积浓度的要求，故选择离散相模型模拟粉尘在气体中的流动。模拟粉尘在气场中的流动，离散型模型属于欧拉-拉格朗日模型，结合现场测量数据对离散相模型设置见表1。

表1 离散相(DPM)参数设置

在FLUENT计算中边界条件的设置是非常重要的，本模拟中巷道壁面设为壁面(wall)，进风巷进口为速度入口边界(velocity-inlet)，出口设为出流(outflow)，具体设置值见表2。

表2 边界条件参数设置值

3 模拟结果及分析

3.1 进风巷内粉尘变化规律

转载点及破碎点产生粉尘后，会随风流扩散开来，进风巷内煤壁侧为工人的主要工作空间，因此选取进风巷内煤壁侧呼吸带高度(1.5m处)粉尘变化图进行分析，如图2所示。

图2 进风巷内煤壁侧呼吸带粉尘变化

从图2中可以看出：①主要产尘点为转载机机头1m处，t=60s时，粉尘开始向工作面方向运移，且影响范围较大，煤壁侧工作空间内中间浓度较高，对工人工作造成较大影响；②t=120s时，高浓度范围逐步向工作面方向扩散，转载机机头附近，粉尘向防护罩方向扩散，在防护罩周围产生高浓度区域，造成粉尘积聚；③t=180s时，粉尘高浓度区域逐步形成条带状，弥漫到整个工作空间内。

在进风巷内，工人的主要活动空间为煤壁侧，且主要在离防护罩0.5m左右沿巷道活动，因此需要研究此区域的粉尘变化规律，进风巷内煤壁侧距防护罩0.5m粉尘变化图如图3所示。

图3 进风巷内煤壁侧距防护罩0.5m粉尘变化

从图3中可以看出：①高浓度粉尘主要集中于离地面1m左右，这正是工人弯腰工作时的高度，尤其工作时呼吸频率加快，会吸入大量粉尘，造成尘肺病；②在转载机附近粉尘浓度较高且范围较大，此处也是工人主要停歇的场所，因此也会增加发病的概率；③另外高浓度粉尘一直蔓延到整个进风巷，从而随风流飘入工作面，与工作面粉尘汇聚，对整个工作空间造成污染，因此需对转载破碎点粉尘进行治理，而且不容忽视。

3.2 转载破碎点粉尘变化规律

通过以上分析可知，转载点及破碎点是进风巷内主要的产尘点，尤其是转载点产尘量大面广，是造成工作空间污染的主要根源，因此对两个主要产尘点进行分析。

3.2.1 转载点粉尘变化规律

分别选取转载点处不同时间段的粉尘浓度分布图进行分析，转载点粉尘变化如图4所示。

图4 转载点粉尘变化

从图4可以看出：①转载点处煤块落到带式输送机后2s时粉尘开始呈“月牙形”扩散，中心尘源处粉尘浓度较高，60s时转载点周围粉尘浓度及扩散范围达到最大，此时高浓度粉尘扩散到带式输送机周围及整个地面，布满整个工作空间；②120s时由于风流稀释作用及小颗粒粉尘随风流前进，转载点处粉尘浓度略有下降。180s时地面处粉尘开始减少，但尘源附件及带式输送机周围粉尘浓度仍然较高；③综合整个过程发现，转载点处起尘高度约为0.5m左右，喷雾降尘时雾滴须有针对性，既要降低粉尘颗粒速度，又要对粉尘进行完全覆盖。

3.2.2 破碎点粉尘变化规律

分别选取破碎点处不同时间段的粉尘浓度分布图进行分析，破碎点粉尘变化如图5所示。

图5 为破碎点粉尘变化

从图5可以看出：①起初2s时粉尘浓度在防护罩周围呈层状分布，从地面向上粉尘浓度逐渐降低，60s后粉尘不断积累到达最大值，此时粉尘高浓度区域逐渐扩大，分布在防护罩下部区域，这是由于破碎机处防护罩对接缝隙处逸出的粉尘与巷道内飘散的粉尘叠加在一起的结果；②120s后粉尘浓度逐渐降低，但下部区域粉尘浓度依然较大，180s后在风流的作用下，防护罩周围粉尘浓度逐渐趋于稳定，但防护罩对接缝隙处浓度却有所升高，说明缝隙处逸出的粉尘远小于转载点产生的粉尘，待高浓度粉尘稀释后才显现出来，但此处粉尘也对工作空间造成较大污染，需要加以治理。

3.3 进风巷沿程各点粉尘扩散运移规律

为了全面了解进风巷内粉尘的扩散运移情况，截取进风巷内沿程各点粉尘变化图进行分析，如图6所示。

图6 进风巷沿程各点粉尘变化

从图6可以看出：①在转载机机头1m处，起尘点为胶带输送机上方乃至0.5m左右，然后在胶带周围及整个断面形成粉尘“蘑菇云”，到转载机机头出口处，粉尘逐渐扩散开来并遍及整个地面，到破碎机与机头中部，在防护罩下方形成高浓度粉尘区域，并且粉尘逐渐包围在防护罩周围；②破碎机前方1m处，防护罩下方粉尘浓度有所降低，但粉尘扩散区域仍有升高趋势，逐渐弥散到整个巷道断面，到破碎机处粉尘呈条状分布，并受破碎机逸出粉尘影响，防护罩上方粉尘较大达到极大值，到转载机机尾处粉尘扩散基本趋于稳定，由低到高粉尘浓度逐渐降低，并呈条状分布，这是风流及粉尘颗粒逐步沉积的结果。

4 结 论

1)综放工作面进风巷内的主要产尘点分布于转载机机头1m处和破碎机防护罩周围，且高浓度粉尘主要集中于离地面1m左右，尤其是转载点产尘量大面广，是造成工作空间污染的主要根源。

2)转载点处粉尘中心尘源的粉尘浓度较高，起尘高度约为0.5m左右，喷雾降尘时雾滴须有针对性，既要降低粉尘颗粒速度，又要对粉尘进行完全覆盖；破碎机防护罩周围粉尘呈层状分布，从地面向上粉尘浓度逐渐降低，缝隙处逸出的粉尘远小于转载点产生的粉尘，但也对工作空间造成较大污染，需要加以治理。

3)进风巷内从转载机机头1m处开始起尘，到破碎机与机头中部，在防护罩下方形成高浓度粉尘区域，于破碎机处粉尘浓度又达到极大值，最后在转载机机尾处粉尘扩散基本趋于稳定，因此粉尘治理时需根据不同位置调整喷雾系统的喷雾参数。