基于CFD综采面多尘源风流—粉尘分布规律分析

尹文婧,苏 珊,张旭春

(潍坊工程职业学院,山东 青州 262500)

0 引言

煤尘是在煤矿生产过程中,破碎煤炭和岩石所产生的微小煤岩颗粒。煤尘浓度过高,不仅会引发爆炸事故,影响煤矿的安全生产,还会诱发尘肺病,威胁作业人员的身体健康。因此,对于工作环境中煤尘的防治一直是煤矿企业和科研院所重点研究的课题。近年来,采煤作业机械化水平不断提高,综采工作面成为了煤矿井下作业环境的主要产尘区域。其中,采煤机截割工序和液压支架的移架工序产生的煤尘量占到80%以上。以往,为了有针对性的对各个工序产生的粉尘进行防治,往往对单一尘源进行研究,忽视了对综采工作面产尘情况的整体把控。因此,为了给综采工作面的现场煤尘防治措施提供全面科学的理论依据,本文利用数值模拟对井下作业环境中多尘源的产尘情况进行分析。

1 风流—粉尘分布理论基础

1.1 气固两相流理论

一个系统内如果同时存在2个或以上的物质状态,如气体—固体、气体—液体,则被视作多相系统。在研究的过程中,由于多相系统分子间作用力的复杂性,一般从两相系统作为出发点进行研究。在两相流的研究中一般将含有多种尺寸组的颗粒群归属为一个“相”,而气体或液体被归属为另一个“相”。所以根据物态不同,一般两相流研究被分为气—液两相流,气—固两相流,液—固两相流。在研究过程中,通常将流体(气体或液体)作为连续介质,颗粒群(固态)作为离散体系处理。在建立数学模型时,为了方便描述引入即拉格朗日坐标系和欧拉坐标系。对于煤矿井下作业环境中风流—粉尘分布规律的研究属于两相流中气体—固体的研究范畴。由于流体力学中,只针对宏观层面上流体的运动,而不考虑微观层面上,由于分子间间隙而产生的分子运动,所以将风流相视作连续介质,使用欧拉法进行描述。而粉尘颗粒作为固体相,则其必须遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒定律。

1.2 数学模型

基于气固两相流理论,风流采用标准k-ε进行描述,粉尘颗粒选用DPM模型进行描述。首先,选用SIMPLE算法,对井下作业空间中的风流进行解算,观察收敛曲线,待风流稳定后,引入粉尘颗粒双项耦合解算。其中,标准k-ε方程表达式如下：

(1)

(2)

(3)

其中,t为时间,s;ρ为气体密度,kg/m2;k为湍流动能,m2/s2;xi为横轴坐标,m;xj为纵轴坐标,m;μ为层流涡粘系数,Pa·s;Gk是由于层流速度梯度而产生的湍流项,kg/( m·s3);Gb是由于浮力而产生的湍流项,kg/( m·s3);ui为速度矢量,m/s;σk、σε分别为ε方程和k方程的湍流Prandtl数,σk取1.0,σε取1.3;YM可压速湍流中过渡的扩散产生的波动;ε为耗散率,m2/s3;经验常数：C1ε取1.44,C2ε取1.92,C3ε取1(若主流方向平行于重力方向),C3ε取0(若主流方向垂直于重力方向),Cμ取0.99。

1.3 几何模型

根据平煤十矿24130综采工作面的现场情况,利用Solidworks三维建模软件等比例构建巷道几何模型,如图1所示。巷道主体部分取90m倾向长度的采煤区,由液压支架、采煤机、电缆槽等主要机械化设备构成。为了方面后续解算,对模型进行相应简化,采煤机主体为4.8m×1.1m×1.15m的长方体,前滚筒D为1.8m,高为0.8m的圆柱体,后滚筒D为2.0m,高为0.8m的圆柱体。两侧进风巷道和回风巷道为27m×4m×3.8m的长方体。液压支架底板厚度0.6m。液压支架与液压支架之间紧密相贴,无缝隙。

1.4 网格划分及边界条件设置

将Solidworks构建的三维模型,导入ANSYS-Meshing中进行网格划分,并进行网格独立性检验。在保证数值模拟计算精度的基础上,优选出网格数目适中的网格,用于后续解算。将优选出的网格文件导入ANSYS-FLUENT数值模拟软件中,根据煤矿的实际状况,对井下作业环境中的风流、粉尘颗粒进行参数设置,见表1。

图1 几何模型

表1 数值模拟边界条件及主要参数设置

2 风流场分布规律分析

井下作业环境中风流是导致粉尘大面积扩散的主要原因,对粉尘的运移规律有着重要影响。近年来,随着井下采煤作业机械化程度的越来越高,井下作业空间也越来越复杂,增加了粉尘运移规律研究的难度。因此,在进行粉尘场分析之前,先对巷道内风流场的流动规律进行解算。

利用ANSYS-FLUENT软件对风流场进行了数值模拟,模拟结果如图2所示。除了风流流线图,为了更加直观观察井下作业空间中风流场的流动,沿风流的流动方向,截取了转载点、移架作业点、采煤机等关键区域及其附近空间的切片云图。

图2 风流分布图

(1) 风流流线图显示,巷道内风流在移架完成区和未移架区分布有一段“高风速带”,最大风流速度在2.5m/s左右。其中,移架完成区中的“高风速带”产生的原因是由于风流从进风巷进入到移架完成区时,井下作业空间由于液压支架等设备变得狭小,风速迅速增高。然后由于移架工序,作业空间再次增大,风流速度开始减缓至1.9m/s左右。未移架区中的“高风速带”出现在采煤机作业区域附近,由于采煤机的作业使得液压支架—煤壁之间的作业空间变小,风速增高。同时,采煤机的截割作业,使得采煤机滚筒处出现了风流的绕流,可能会携带截割作业产生的粉尘,进入到人行道区域,对作业人员造成不良影响。

(2) 风流切片云图显示,高风速区域集中在液压支架立柱-煤壁以及液压支架的立柱后方区域,而两立柱之间的风速相对较小。通过对模拟数据的解算,巷道内平均风速约为1.9m/s,最高风速不超过3.61m/s,符合煤矿安全规程的要求。

3 粉尘场分布规律分析

移架工序以及采煤机截割工序为井下作业空间内粉尘的主要来源,因此利用ANSYS-FLIUENT软件对两个作业工序分布进行了数值模拟,模拟结果如图3～图5所示。

3.1 移架尘源粉尘分布规律

液压支架移架工序主要在移架点产生煤尘,沿着风流方向扩散至下风侧,因此在移架工序粉尘颗粒轨迹图的基础上,截取了产尘面以及采煤机附近的粉尘质量浓度分布云图,如图3所示。

图3 移架工序粉尘分布图

(1) 粉尘颗粒轨迹图显示,煤尘从移架作业点产生开始,由于风流的稀释以及粉尘颗粒自身的重力作用,质量浓度不断下降。在下风侧距离产尘点40m的位置处,移架工序产生的粉尘颗粒基本全部沉降完毕,后续由于反弹以及风流的影响产生的二次扬尘质量浓度较小,产生的不良影响也较小。因此,移架工序产生的粉尘主要会对产尘点下风侧0～40m的区域内进行污染。

(2) 从粉尘质量浓度的切面云图来看,粉尘颗粒在下风侧距离产尘面7.5m处沉降至作业空间的呼吸带高度,且粉尘质量浓度较高,大约在1.9×10-3kg/m3左右。在该区域内,由于采煤机的阻挡,作业空间变小,风流发生从煤壁—液压支架的横向位移,将粉尘带入人行道作业区域,成为了粉尘防治的重点区域。

(3) 从液压支架顶板到底板的纵向切面来看,粉尘的质量浓度分布呈现从上至下的递减规律。从呼吸带高度的横向切面来看,液压支架立柱间区域内的粉尘浓度高于立柱—煤壁间区域内的粉尘浓度。

3.2 截割尘源粉尘分布规律

采煤机截割工序产生的粉尘主要来源于采煤机的两个滚筒,因此在采煤机的上风侧和下风侧均有污染区域,在截割工序粉尘颗粒轨迹图的基础上,截取了采煤机附近直至回风巷转载点的粉尘质量浓度分布云图,如图4所示。

(1) 截割工序粉尘颗粒轨迹图显示,采煤机两滚筒处粉尘质量浓度较高,约为3×10-3kg/m3。由于采煤机附近风流较大,一方面这部分风流会稀释粉尘的质量浓度,另一方面,该段风流会夹裹着粉尘颗粒向人行道作业空间以及下风侧运移。相比较移架工序的粉尘,该段粉尘污染面积更大,大颗粒粉尘会逐渐沉降至液压支架底板处,小颗粒粉尘会随着风流直至回风巷。

图4 截割工序粉尘分布图

(2) 粉尘质量浓度分布云图显示,大部分粉尘颗粒集中在煤壁至液压支架之间的区域,平均质量浓度约为1.09×10-3kg/m3。

(3) 截割工序产生的粉尘主要污染立柱—煤壁之间以及部分人行道区域。由于粉尘的沉降作用,液压支架底板处的粉尘质量浓度远高于呼吸带以及顶板区域。

3.3 双尘源粉尘分布规律

为了进行粉尘综合治理,综合两大产尘工序的粉尘颗粒的运移规律以及覆盖范围,模拟结果如图5所示。从粉尘颗粒轨迹图来看,在移架工序和采煤机截割工序的双重作用下,井下作业环境中的粉尘质量浓度显著增加,尤其是采煤机下风侧区域。在移架产尘面,由于移架粉尘刚刚产生,粉尘颗粒大部分集中在液压支架的顶板处,以及采煤机前滚筒产生的粉尘颗粒大部分集中在液压支架底板处,呼吸带区域粉尘质量浓度较小。在采煤机区域,随着粉尘颗粒开始沉降,以及风流将一部分高浓度粉尘带入人行道区域,呼吸带高度开始受到粉尘污染,质量浓度约为7.5×10-4kg/m3。从呼吸带高度的粉尘质量分布云图来看,在采煤机区域至下风侧15m左右的区域内都是粉尘重污染区,污染范围包括煤壁—液压支架,人行道区域在内的整个作业空间。

图5 双工序粉尘分布图

4 现场实测及对比分析

为了对数值模拟的结果进行验证,采取了对比分析法,在呼吸带高度选取了5个具有代表性的测点,测定其粉尘颗粒的质量浓度,与导出的模拟数据进行比照。

对照结果表明,受到煤岩破碎程度以及其他工序的影响,导出的模拟数据相对现场测定的粉尘质量浓度值偏小,总体误差在5.1%～12.02%之间,平均误差为10.02%,不超过13%,由此认为数值模拟的结果是较为科学以及准确的。

表2 粉尘浓度测定结果对比

5 结论

(1) 巷道内风流在移架完成区和未移架区分布有一段“高风速带”,最大风流速度在2.5m/s左右。采煤机的截割作业,使得采煤机滚筒处出现了风流的绕流,可能会携带截割作业产生的粉尘,进入到人行道区域,对作业人员造成不良影响。高风速区域集中在液压支架立柱-煤壁以及液压支架的立柱后方区域。通过对模拟数据的解算,巷道内平均风速约为1.9m/s,最高风速不超过3.61m/s,符合煤矿安全规程的要求。

(2) 在移架工序和采煤机截割工序的双重作用下,井下作业环境中的粉尘质量浓度显著增加。在采煤机区域,随着粉尘颗粒开始沉降,以及风流将一部分高浓度粉尘带入人行道区域,呼吸带高度开始受到粉尘污染,质量浓度约为7.5×10-4kg/m3。在采煤机区域至下风侧15m左右的区域内都是粉尘重污染区,污染范围包括煤壁—液压支架,人行道区域在内的整个作业空间。

(3) 受到煤岩破碎程度以及其他工序的影响,导出的模拟数据相对现场测定的粉尘质量浓度值偏小,总体误差在5.1%～12.02%之间,平均误差为10.02%,不超过13%,由此认为数值模拟的结果是较为科学以及准确的。

(4) 为了最大限度的实现对不同作业区域粉尘质量浓度的控制,保证安全、清洁的作业环境,根据以上多尘源粉尘分布规律,进行分区治理。针对移架工序产尘,在液压支架的前探梁安装自动喷雾系统,利用高压喷雾使粉尘颗粒沉降,达到降低浓度的作用。针对采煤机截割区域产尘,采用内外喷雾结合的方式,在采煤机滚筒靠近人行道的区域形成雾区,阻挡粉尘进入人行道区域。同时安装小型湿式除尘器进行辅助降尘。