长距离W型综采工作面风流-粉尘耦合运移规律

曹旭生

(潞安环能股份有限公司 王庄煤矿,山西 长治 046031)

我国是当今世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭行业为社会提供了大量的就业岗位,在我国经济发展中起到基础和支柱作用。我国能源资源“富煤、缺油、少气”的基本特点决定了煤炭在我国能源结构中的主体地位长期不会改变,而煤矿井下的采煤、掘进、运输、提升等生产过程中都会产生大量粉尘,根据资料显示,综采工作面主要尘源产生的粉尘中,10 μm以下的微细粉尘占很大比例,粉尘质量浓度的严重超标,对井下职工的身心健康以及矿井的安全生产极为不利。本文运用Fluent软件建立模型,结合气固两相流理论和传质理论,对王庄煤矿7105工作面风流和呼吸带粉尘运移以及分布规律进行研究分析,为该煤矿进一步的粉尘防治提供理论指导。

1 工作面概况

王庄煤矿7105工作面所采3号煤,赋存于二叠系山西组地层中下部,为陆相湖泊型沉积,煤层下部夹矸最厚的一层为0.05 m,工作面是一个褶曲构造,局部有起伏,煤层倾角在2°～16°之间,煤层厚度稳定,总煤厚为7.2 m,属不易自燃煤层,地压和地温正常。该工作面采取“W”型通风方式,如图1所示。工作面进风巷、回风巷、运输巷长1 700 m,工作面切眼长252 m,容重为1.35 t/m3,采用走向长壁、后退式综合机械化低位放顶煤一次采全高全部垮落采煤法,总工业储量为367万吨,总可采储量为341.3万吨。

图1 王庄煤矿7105综采面巷道布置图

2 几何模型的建立以及边界条件的确定

2.1 几何模型的建立

以王庄煤矿7105工作面为研究背景,运用Designmodeler软件建立等比例模型,如图2所示。

图2 综采工作面几何模型

由于综采工作面内存在多个其他的工艺流程,且部分生产设备的零件结构、布置情况复杂多变,模型完全复制现场实际情况相对困难,所以需要在满足运算精度的基础上进行简化处理。具体处理结果如下:

1) 将7105综采工作面、进风巷、回风巷和运巷分别简化为长方体,综采面长252 m,宽4.51 m;进风巷宽4.2 m,高3.3 m;回风巷宽5 m,高3.3 m;运巷宽5.1 m,高3.3 m.本文主要对综采面附近的风流分布和粉尘分布进行研究,因此,进风巷、回风巷及运巷选取长度160 m.

2) 综采工作面液压支架的移架步距0.8 m,中心距1.5 m,共设置170架。不可忽略液压支架对风流的扰流作用和对粉尘的捕集作用,因此将液压支柱简化为一排圆柱体,排列在采煤机后侧,沿工作面方向一字排列,液压支架后边的空间对实际的研究意义不大,因此忽略其后的设备放置情况。

3) 采煤机在工作面中占的空间大,且是由多部分组成。将采煤机的机身简化为一个长方体,长6.26 m,宽1.5 m,高1.35 m.将采煤机的两个摇臂简化为厚度0.8 m的两个组合体以连接前后滚筒和采煤机机身。将采煤机前后滚筒简化为两个圆饼,半径0.9 m,厚度0.8 m.采煤机的其他部件对风流的扰流作用不明显,为了模拟方便将他们简化掉。

4) 电缆槽对风流的阻碍作用也相当明显,将电缆槽简化为一长方体,排列于液压支架前部,采煤机后部。长252 m,宽0.3 m,高0.8 m,沿工作面方向排布,电缆槽上的相关设备简化掉。

5) 转载机位于运巷与工作面交接处,距运巷壁面宽1 m,将转载机简化为一个小长方体,长为34.51 m,宽为1.8 m,高为2.2 m;将运巷采用的可伸缩巷道式带式输送机简化为长130 m,宽1.6 m,高1 m的长方体与转载机相邻;乳化泵及其相关设备,位于输送机对面,将其简化为一个长60 m,宽2.2 m,高1.55 m的长方体。

2.2 边界条件及颗粒源参数的确定

根据王庄煤矿7105综采工作面具体情况及相关实测数据,结合Fluent的计算方法和数学模型确定数值模拟的主要边界条件如表1、表2所示。

表1 主要边界条件设置

表2 采煤机截割产尘尘源参数设定

3 风流-粉尘场分布特征规律分析

首先求解单相风流场,收敛后再对粉尘的离散粒子进行求解,计算时选择稳态求解器和标准k-ε湍流模型,采用 SIMPLE 算法。在迭代平衡后,对结果进行分析。

3.1 风流场数值模拟结果及分析

为了更直观地分析风速在巷道的分布情况,现截取z=1.5 m(距地面高1.5 m)的截面,如图3所示。

图3 呼吸带巷道风速分布

由图3呼吸带高度巷道风速分布云图可以看出,风速大小关系大体是:人行道空间的风速小于风巷(进风巷、回风巷、运巷)风速小于采煤机机道空间的风速。在进风巷道中,风速分布均匀,基本等于进风口风速1.3 m/s,当风流流经进风巷与工作面的交界处时,风速明显增加并向靠近煤壁侧的采煤机机道空间运移,同时以液压支架为界发生分流,液压支架后的人行道空间风速较小,局部出现大的扰动,而液压支架前的机道空间,风速沿工作面方向逐渐增大,并在液压支架与煤壁之间形成一条狭长的高风速带。运巷风流由于受到运输机、乳化泵等相关设备阻碍作用的影响,风速先增大后减小再增大,当运巷风流流经运巷与工作面的交界处时,发生明显扰流,最大风速达2.5 m/s,也以液压支架为界发生分流。在回风巷与综采工作面的交接处,风速发生极大变化,两向风流对流使风速迅速增加,形成面积较大的高风速区,最高风速达到3.2 m/s之后,风速逐渐减少并最终稳定在2.2 m/s沿回风巷流出。

以综采工作面与回风巷交界处为原点,回风巷至运巷方向为x轴正方向,沿x=8 m、12 m、16 m、20 m、26 m、28 m,建立纵向切面,得到风速分布云图如图4所示。

结合图4采煤机前后风速分布云图可知,风速分布大致呈现顶底板、电缆槽、采煤机及液压支架附近风速偏低,巷道呼吸带高度风速较高且分布均匀的特点。在采煤机的上风侧移架完成区,风流主要受电缆槽以及液压支架的阻碍作用,风流流场也以电缆槽、液压支架为分界线,在电缆槽与煤壁之间的风速稳定在1.2 m/s左右,电缆槽与液压支架立柱之间的风速稳定在0.8 m/s左右,液压支架后的风速稳定在1 m/s以下;当风流经过采煤机时,由于工作面断面减小,采煤机附近的流场出现较大扰动,风流产生绕流,在采煤机上方及右侧风流速度增加明显,部分位置风速达到1.6 m/s,且在液压支架后的人行道空间内,风流有较为明显的“煤壁-立柱”方向的偏移,说明由于采煤机的阻碍,有一部分风流流向了人行道空间,这段风流会把工作面尘源产生的粉尘带至人行道空间,因此,必须在采煤机前滚筒处采取措施,在粉尘还未扩散前进行降尘;在采煤机下风侧未移架区,由于巷道断面增大,在机道空间风流有较为明显的“立柱-煤壁”方向的偏移,说明部分风流从人行道空间流入机道空间,并在巷道未移架区沿煤壁处形成一段高速风流带,风速趋于稳定。

3.2 粉尘质量浓度分布特征

按照实际生产的情况,将采煤机前后滚筒设置为面尘源,在采煤机前方15 m位置的工作面顶部设置1个长1.8 m、宽1.5 m的长方形,作为液压支架移架产尘的面尘源,通过数值模拟得到综采面尘源产尘时,巷道空间内高度0.5 m、1.5 m、2.5 m的粉尘质量浓度云图如图5所示。

结合图5分析可知,综采工作面前后滚筒割煤产生的粉尘,大部分随风流沿煤壁在机道空间运移,最终进入回风巷排出工作面,少数粉尘沿液压支架向人行道空间扩散。这是由于靠近煤壁侧风速较大,且风流比较稳定,而在采煤机附近,断面的大面积减少致使风流发生横向偏移,部分呼吸性粉尘随风流横向绕流扩散至人行道空间并逐渐向下风测运移、扩散、沉降;移架产生的粉尘在不同高度沉降位置不同,并以液压支架为界在人行道空间与机道空间各形成一条粉尘质量浓度带;在这三处尘源的共同作用下,粉尘质量浓度在采煤机中心、回风巷与综采工作面交界处等位置的叠加效应最为明显;在回风巷内,随着风速逐渐减少以及粉尘的沉降作用,粉尘质量浓度持续减少,大部分粉尘被煤壁捕获,少部分粉尘沿着回风巷流出。

在液压支架底板的附近位置(距地面高0.5 m),较高质量浓度的粉尘出现在距离移架工序下风测约3～4 m的位置,说明移架工序产生的粉尘开始发生沉降,在距离移架尘源20 m左右的采煤机中心位置,粉尘质量浓度增大,质量浓度最高的位置已经超过0.001 kg/m3,证明粉尘发生大面积沉降,沉降粉尘的位置主要集中在电缆槽及液压支架之间。在液压支架后的人行道处,出现一条长度为25 m的带状低质量浓度粉尘带。

巷道的呼吸带高度截面(距地面高1.5 m)的上风侧,移架产生的粉尘在机道空间与人行道空间各形成一条粉尘带,在距离移架尘源2～10 m的机道空间内,出现质量浓度达0.001 kg/m3的粉尘带,此粉尘带由于风流在采煤机附近的横向绕流,出现明显的向人行道空间偏移的趋势,部分呼吸性粉尘随横向分流运移至人行道空间并与该空间内的粉尘混合,导致液压支架后的粉尘带在此区域内质量浓度升高且有逐渐变宽的趋势,在采煤机下风侧,断面增加又使部分风流从人行道空间运移至机道空间,此部分风流裹挟了大量呼吸性粉尘,导致人行道空间粉尘质量浓度降低,并在采煤机下风侧的机道空间形成几个点状的高质量浓度粉尘区。在回风巷与综采工作面交界处的高风速区,两向对流致使粉尘发生飞扬,粉尘质量浓度又略有升高。

巷道顶板附近的截面上(距地面高2.5 m),也以液压支架为界,在人行道空间及机道空间各有一条狭长的带状高质量浓度粉尘区,一直持续到采煤机中部位置,而后被风流吹往下风侧,随着综采工作面风速逐渐减小以及自身的重力发生沉降,粉尘质量浓度逐渐减小。

4 结 语

1) 由于液压支架,电缆槽和采煤机对风流流场的阻碍作用,工作面空间区域近巷道端风流较大,回风巷两向风流对流使风速迅速增加,最大风速达3.2 m/s,沿程机道空间风速基本大于人行道空间。采煤机对风流的流场影响较大,风流流经采煤机时,机道及人行道上各形成了区域不等的高风速区,风速增大,风流的分布规律模拟有助于粉尘分布规律的研究。

2) 割煤过程中产生的粉尘,大部分随风流沿煤壁在机道空间运移,少部分被风流的横向分流裹挟至人行道空间,由于粉尘自身的沉降作用,在不同高度下粉尘质量浓度带的位置不同。