基于DPM模型的掘进工作面粉尘运移规律研究*

王崇平,杨喜君,闫涛,刘元强,王亮

(1.国能亿利能源有限责任公司黄玉川煤矿, 内蒙古 鄂尔多斯市 017000;2.青岛创飞科智能科技有限公司, 山东 青岛市 266590;3.山东科技大学, 山东 青岛市 266590)

综掘工作面是煤矿井下主要的尘源之一[1-3],粉尘最高浓度超过1500 mg/m3,粉尘环境下工作的工人容易患上职业病,对工人的身体健康造成严重威胁[4]。为了避免综掘工作面出现粉尘积聚,发生煤矿安全事故,大多采用压入式通风降尘[5-8],压入式通风的优点是安装方便,有效射程大、冲淡作用强,对于工作面有瓦斯存在的情况下采用这种通风方式更安全[9-11]。本文应用Fluent软件对不同的供风距离以及风量下的综掘面模型进行仿真分析,研究综掘工作面风流场分布以及粉尘的运移规律,并在此模型基础上加入附壁风筒进行改进,以提高降尘效率。

1 模型构建

1.1 几何模型

根据综采面的现场调研情况,忽略巷道内较小的设备,对掘进机和风筒进行简化,利用Solidworks建立综掘工作面的几何模型,如图1所示。其中巷道长、宽、高分别为50 m、4 m、4 m;掘进机距离掘进面迎头2 m;风筒直径为0.8 m,距离地面3 m,距离掘进面8 m。利用Mesh对几何模型进行四面体网格划分,网格尺寸选取为0.3 m,并对掘进机、风筒等局部区域进行网格加密,网格尺寸为0.1 m,共划分295 826个节点和1 526 924个单元。

图1 综掘工作面模型

1.2 边界条件设置

将划分好网格的几何模型导入Fluent中,对连续相以及离散相模型的边界条件进行参数设置,见表1。

表1 边界条件以及参数设置

2 风流场分布规律

连续相边界条件设置完成后,对风流场进行求解,采用风流速度云图以及矢量图来展现综掘工作面的风流场分布情况,图2、图3分别为综掘面不同高度的速度云图和矢量图,从上到下依次是顶板附近y=3 m、呼吸带高度附近y=1.6 m以及底板附近y=0.7 m。

图2 综掘工作面不同高度速度云图

图3 综掘工作面不同高度速度矢量图

从图2、图3可知,高速风流从压风筒出口流向掘进面,在到达综掘面之前流场稳定,风流到达综掘面后因受到综掘面的阻挡,风流向巷道两侧分流,由于风筒靠近巷道左侧导致大部分风流向巷道右侧分流,风流在撞击综掘面后因动能损耗而导致风速减小,遵循高速贴壁射流规律。风筒左侧由于空间狭小,不受掘进机影响,在分流后沿巷道出口方向继续流动;风筒右侧风流由于受到掘进机的阻滞,导致流场紊乱,并且在掘进机上方形成众多小涡流区,涡流区流场复杂,远离涡流区后流场趋于稳定。

3 粉尘分布规律

连续相模型计算完成后,开启离散相模型,并在工作面位置加入粉尘源,得到了综掘面不同高度的粉尘浓度分布,如图4所示,从上到下依次为y=3 m、y=2 m、y=1 m,图5为y=3 m、y=2 m时巷道截面粉尘浓度与工作面距离关系。

图4 综掘工作面不同高度粉尘质量浓度分布

图5 粉尘质量浓度与工作面所处距离关系

从图4可以看出,越靠近底板(y越小),粉尘平均质量浓度越高。风流携带尘源处的粉尘向巷道出口扩散过程中,由于受到掘进机的阻滞,导致大量粉尘积聚在掘进机附近以及巷道角落。从图5可以看出,在距离产尘面5 m范围内(0＜x＜5 m),虽然粉尘质量浓度急剧下降,但是平均浓度超过了800 mg/m3,此区域属于粉尘防治的重点区域;在距产尘面5 m后(x＞5 m),由于风流场趋于稳定,粉尘得以缓慢流出巷道,粉尘平均质量浓度小于150 mg/m3。

3.1 供风距离对粉尘运移的影响

风筒出口到掘进面的距离L称为供风距离,保持其他参数不变,对不同供风距离下的粉尘运移规律进行研究,分别取L=5 m、L=8 m、L=10 m进行数值模拟分析,得到了沿x轴方向粉尘质量浓度的变化情况,如图6所示。

从图6可以看出,随着距工作面距离的增大,巷道内粉尘浓度先急剧下降然后缓慢下降最后趋于稳定。在距工作面距离2 m内(x＜2 m),由于距尘源处较近,三种不同供风距离情况下的粉尘浓度相差不大,平均浓度均超过了1000 mg/m3;在x＞2 m,供风距离为5 m时,由于风筒距综掘面迎头过近,风流在发生转向时风速较大,携带的粉尘容易撞击顶板壁面以及掘进机造成动能损失,从而积聚在掘进机附近;当供风距离为11 m时,由于风筒距综掘面迎头过远,风流在负压作用下向风筒出口流动时形成的涡流区面积较大,大量粉尘受涡流影响弥漫在巷道中,从而导致巷道中粉尘平均浓度高;当供风距离为8 m时,粉尘平均浓度最低,为最优供风距离。

图6 粉尘质量浓度分布

3.2 通风风速对粉尘运移的影响

为了研究不同风速对粉尘运移的影响,在供风距离L=8 m的情况下,分别取风筒出口风速V为5 m/s、7 m/s、10 m/s、12 m/s进行数值模拟,得到了距综掘面迎头0.5 m和0.8 m处横截面的粉尘质量浓度分布云图,如图7所示。

图7 综掘工作面粉尘质量浓度分布

从图7可以看出,随着通风风速的增加,综掘面粉尘平均质量浓度先减小后增大。当风速V为5 m/s时,巷道前方积聚着大量粉尘,当风速增加到10 m/s时,巷道前方粉尘平均质量浓度明显降低,这是由于风速越大,风流携带粉尘的能力越强,粉尘越容易排出巷道,当风速增加到12 m/s时,巷道内粉尘平均质量浓度出现增加的趋势,这时由于风速过大,导致粉尘难以沉降,并且已经沉降的粉尘出现二次扬尘现象,所以风速V为10 m/s时,既有利于排尘又不易扬尘,为最优通风风速。

3.3 附壁风筒对粉尘运移的影响

为了提高排尘效果,对压入式通风进行改进,将附壁风筒安装在压风筒出口附近进行数值模拟,保持其他参数不变,将附壁风筒出口设置为速度入口,图8为距综掘面迎头10 m、13 m、16 m处巷道截面的风流矢量图,图9为y=1.6 m处巷道截面粉尘质量浓度分布云图,从上到下分别为改进后和改进前。

图8 巷道截面风流矢量图

图9 巷道截面浓度分布云图

从图8可以看出,附壁风筒喷射的高速径向风流由于附壁效应,形成螺旋气流,粉尘受到螺旋气流的卷吸作用被限制在螺旋气流中,进而有效地阻挡了粉尘向巷道四周扩散。从图9可以看出,安装附壁风筒后,高浓度粉尘区域主要集中在巷道角落处,巷道内粉尘平均质量浓度明显降低,排尘效果得到明显改善。

4 结论

(1)从风筒喷射的高速风流在分流后,会在掘进机上方形成涡流区,导致流场紊乱,在远离涡流区后,流场趋于稳定;在安装附壁风筒后,由于附壁效应,形成不断前进的螺旋气流,从而阻碍粉尘向巷道四周扩散。

(2)综掘工作面粉尘质量浓度随供风距离以及风速的增加,出现先减小后增大的趋势,综合分析距综掘工作面不同距离下粉尘的具体浓度情况以及分布云图,在供风距离L为8 m、风筒出口风速V为10 m/s时,巷道内粉尘平均质量浓度最低。

(3)采用压入式通风方式进行排尘,巷道角落以及掘进机附近属于粉尘重点防治区域,同时可以在压风筒上安装附壁风筒以提高排尘效果。