高瓦斯矿井综掘工作面粉尘运移规律及富集特征研究*

冯恒原,李治刚,朱芷涵,栗海滔,张 洋,郭红光,陈 曦,李雨成,葛少成

(1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院,山西 太原 030000;2.晋能控股装备制造集团长平公司,山西 晋城 048000)

0 引言

自21世纪以来,中国煤炭产量和消费量均居世界第一,煤炭能源在中国经济快速发展中发挥着至关重要的作用[1],而煤炭资源中约90%来源于井工开采。随着机械化开采的迅速发展和生产强度的提高,井工采掘作业产生的粉尘使得作业环境趋于恶劣化发展,其中掘进工作面是井下重要的生产系统之一,其产尘量约占矿井总产尘量的30%～40%[2]。高浓度的粉尘作业环境既危害人员身体健康和生命安全,又会引起煤尘爆炸灾害事故[3]。因此,掘进工作面粉尘防治工作已经迫在眉睫。

学者们为了给出掘进工作面粉尘治理有效措施而做了大量研究[4-6]。陈景序等[7]研制1种可以阻隔工作区域高浓度粉尘迁移扩散的新型掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置,并给出风流场迁移规律和液滴粒子运动规律,以寻求有效的控尘方案。王成凤等[8]给出磁化水降尘性能最佳时的喷雾压力和磁化条件。王建国等[9]分析附壁风筒条缝位置、宽度和压抽比对综掘面风幕控尘效率的影响。

当前的粉尘防治无论在理论技术上还是在装备应用上已经进入1个新的发展阶段,即不断革新的技术及装备渐渐趋于效率强化、功能复合等领域的研发,然而忽略了粉尘理化特性及现场作业环境差异带来的影响,这往往制约着技术及装备的适用性与可靠性。例如,在高瓦斯矿井综掘工作面中,为了防止瓦斯积聚造成安全隐患,一般采用压入式通风并依靠增大局部风量来稀释和排出瓦斯与粉尘,风量的增大使得巷道粉尘运移紊乱、分布特征难以明晰,非常不利于常规化粉尘防治技术实施[10]。

基于此,学者们对高瓦斯矿井综掘面粉尘运移规律及分布特征做了相关的研究。蒋仲安等[11]通过实验室相似模拟分析压入式通风方式下全尘和呼吸性粉尘在掘进巷道长度方向上的分布特征,发现全尘与呼尘浓度随着远离掘进面的方向逐渐降低,并在一定距离之后全尘要先于呼尘趋于稳定值。胡胜勇等[12]通过编程计算在压入式通风方式下高瓦斯矿井综掘工作面气载粉尘运移过程得出,当风速小于17 m/s时,掘进机上方会形成1个面积随风速增大而减小的高浓度粉尘团;当风速大于17 m/s时,粉尘会在掘进机前方聚集,且平均浓度随风量增大而增大。Xie等[13]通过数值模拟与现场实验对比分析不同压入式风筒安装位置对掘进巷道中气流-粉尘迁移行为的影响,并以4个人员呼吸区的平均粉尘质量浓度为依据,确定最佳风筒安装位置。

相比较低瓦斯矿井综掘面的局部通风条件,高瓦斯矿井的综掘面增大了局部通风量,往往会导致风流场发生紊乱等现象,粉尘运移富集特征也发生明显的变化,原有的风流场理论与粉尘运移规律可能与现场实际不再匹配。这样看来,研究高瓦斯矿井综掘面的风流场与粉尘运移规律以及不同粒径粉尘的富集和分布特征,对于粉尘防治措施的适用性与可靠性显得尤为重要[14-15],这样不仅能够提高除尘效率,还能够降低生产成本,避免有限资源的浪费。因此,本文以长平矿高瓦斯矿井综掘工作面为工程背景,探讨在增大局部通风量来治理瓦斯时综掘工作面粉尘质量浓度分布规律及不同粒径粉尘的运移和富集分布特征,拟为高瓦斯矿井综掘工作面的粉尘治理提供有效的数据依据。

1 模型构建

1.1 物理模型

以长平矿综掘工作面为研究对象,经现场实测,在压入式通风条件下,掘进面粉尘质量浓度最高超过500 mg/m3。巷道走向长为2 103.2 m,断面为矩形,宽5.8 m,高4.3 m。取掘进工作面前80.0 m巷道为研究区域,根据巷道及内部设备的实际尺寸参数,使用ANSYS自带的DesignModeler软件建立模型。如图1所示,该模型主要由3个部分组成,包括掘进机、压风筒和运输皮带。掘进机总长7.5 m,端头距掘进面0.5 m,掘进司机位于距掘进面6 m、底板2 m的回风侧。压入式风筒布置在巷道的左上方,直径为1 m,管道中心距顶板和左侧帮都为1 m,距地面3.3 m,风筒出风口到掘进面的距离为5 m,风筒风量为550 m3/min。

图1 掘进巷道物理模型Fig.1 Physical model of excavation roadway

模型建立后,对模型进行网格划分,网格划分整体和局部如图2所示,划分后的网格数为642 332,平均网格质量为0.843 7,能够满足模拟要求。划分网格后,将模型导入Fluent进行设置并计算。

图2 整体网格和局部网格Fig.2 Global and local meshes

1.2 数学模型

1)计算方法

基于气固两相流理论,将气流视为连续相,将粉尘视作离散相,选择欧拉-拉格朗日模型进行数值模拟。通过在欧拉坐标系下求解连续相(空气)模型,在拉格朗日坐标系下求解离散相模型(DPM),对掘进巷道中风流及粉尘的流动进行模拟计算[16]。

本文选择Realizablek-ε湍流模型[17]来模拟气流运动,基本控制方程如式(1)～(2)所示。

连续性方程:

(1)

动量方程:

(2)

式中:ρ为流体密度,kg/m3;t为时间,s;u为流体速度,m/s;x为位移距离,m;i,j分别为自由坐标系下的方向;p为流体静压,Pa;μ为流体动力黏度,Pa·s;g为重力加速度,m/s2;δij为单位张量;F为由于与离散相的相互作用而产生的的外力,N。

湍流动能方程和湍流耗散率方程如式(3)～(4)所示:

(3)

(4)

式中:k为湍流动能,m2/s2;Gk为平均速度梯度引起的湍流动能的产生项;ε为湍流耗散率,m2/s3;C1ε,C2ε为模型常数;∂k和∂ε分别为k和ε的湍流普朗特数。

离散相粒子的轨迹是通过在拉格朗日坐标系中积分粒子上的力平衡[18]来预测的,如式(5)～(7)所示:

(5)

(6)

(7)

Re如式(8)所示:

(8)

2)风流和粉尘的基本参数设置

通过测量结果设定粉尘颗粒相和风流相参数,如表1所示。

表1 模拟参数设定Table 1 Simulation parameters setting

1.3 模拟有效性验证

为了验证所建立的数学模型和相关参数设置的准确性,对现场呼吸带高度的粉尘质量浓度进行测定,并与模拟结果同位置处粉尘质量浓度进行对比。现场粉尘质量浓度测定位置如图3所示。粉尘质量浓度模拟结果与现场测试结果的对比如图4所示。

图3 测点布置Fig.3 Layout of measuring points

图4 模拟与实测数据对比Fig.4 Comparison of simulated and measured data

由图4可知,实测粉尘质量浓度和数值模拟结果的粉尘质量浓度变化趋势一致,吻合度较好,不同测点粉尘质量浓度的模拟值与实测值的相对误差在5%以内。考虑到现场因素,如掘进机位置变化、人员的迁移等对粉尘质量浓度的影响,相对误差在可接受范围内,数值模拟结果较为准确[19]。

2 粉尘分布特征模拟结果及分析

2.1 风流-粉尘场分析

粉尘的迁移和扩散行为受到多种因素的影响,其中以风流场的影响最为显著。因此,通过分析风流场的分布规律来解释粉尘的迁移和扩散特征是可行的[20]。本文从模拟结果中提取综掘工作面风流场和粉尘质量浓度分布图,如图5～6所示。

图5 综掘工作面风流场Fig.5 Air flow field of fully-mechanized heading face

由图5可知,压入式风筒端口风流速度为11.7 m/s,在到达综掘工作面时速度减至5 m/s。由于风筒位于巷道左侧,大部分气流向右下运移,局部气流向巷道左侧运移并沿左侧壁面向后流动。受压入式风筒高速射流的卷吸影响,沿回风侧运移的风流和沿巷道左帮向后运移的风流在到达风筒出口附近时又被吸入射流场并随高速射流一起向掘进面流动,分别在掘进机上方及巷道进风侧形成涡流Ⅰ和涡流Ⅱ;当回风侧的风流到达掘进机后方时,由于断面的扩大使得风流速度减小,一部分气流被进风侧风流卷吸,在掘进机后方形成涡流Ⅲ。另一部分继续向巷道后侧运移,并由于增大局部风量的影响,直到在到达巷道30 m之后风流场才趋于稳定,风速基本保持在约0.4 m/s[21]。

由图6可知,在压入式通风方式下,掘进面产生的粉尘大都被风流携带由回风侧向后运移,回风侧整体粉尘质量浓度要略大于进风侧,特别是在靠近掘进工作面15 m范围内。在风流影响下掘进巷道内会形成3处粉尘富集区域:1)掘进面产生的粉尘受涡流Ⅰ的驱动作用与掘进面右上角三角区壁面发生碰撞,在掘进面右上三角区形成粉尘富集区;2)回风侧粉尘在风流携带向后运移的过程中,受涡流Ⅰ卷吸作用的影响,在掘进机上方形成粉尘富集区;3)受断面扩大的影响和涡流Ⅲ的卷吸作用,粉尘向后运移过程中在掘进机后方4 m处形成富集区域。在此过程中,粉尘质量浓度最大值出现在富集区Ⅰ区,达到868 mg/m3。相比较而言[22],局部风量的增大引起风流场出现3处涡流区,形成3个粉尘富集区域,粉尘整体向后运移的能力明显加强,进一步延长了粉尘运移路径,距掘进面20 m处粉尘质量浓度仍达到300 mg/m3,直至60 m后粉尘质量浓度才趋于稳定,保持在150 mg/m3以下。可见,综掘面加大局部通风量对粉尘的运移规律影响较大。

图6 粉尘质量浓度分布Fig.6 Dust mass concentration distribution

2.2 不同粒径粉尘富集特征分析

为了分析不同粒径粉尘的富集特征,在风流场计算稳定后,开启离散相,通过Fluent自带的采样功能[23],得到距掘进面不同距离处的粉尘分布情况,结果如图7～8所示。

图7 距掘进面不同距离巷道粉尘粒径分布情况Fig.7 Dust particle size distribution in tunnels at different distances from the excavation face

由图7可知,粉尘颗粒尺寸随着距掘进面距离的增大而减小,以断面颗粒累积粒径分布D50为例,随着距掘进面距离的增加,筛下累计为50%时的粒径由27 μm降低到8 μm,表明在风流携带作用下大粒径粉尘率先发生沉降,仅剩小颗粒粉尘悬浮在气流中。若将粉尘按粒径大小划分为细颗粒粉尘(1≤dp≤10 μm)、中颗粒粉尘(10

2.3 涡流处粉尘富集特征分析

巷道粉尘的运动轨迹如图9所示。大颗粒粉尘主要富集在回风侧,并很快沉降,而大部分小颗粒粉尘会在3处涡流的作用下做往复运动,难以沉降。由图5可知,涡流Ⅰ和涡流Ⅱ位于距掘进面4 m处,涡流Ⅲ距掘进面15 m。为了分析3个涡流处不同粒径粉尘富集特征,设定掘进面在1 s内产生4 000 mg粉尘,定义不同粒径粉尘质量为M产,通过计算得出4 000 mg粉尘在541 s内均由底板捕获或流出巷道,统计得到底板捕获不同粒径粉尘质量M底,计算得到空中悬浮粉尘质量M浮如式(9)所示:

M浮=M产-M底

(9)

统计在541 s内通过涡流截面的不同粒径粉尘质量m,令Φ=m/M浮。计算结果如表2～3所示。

表2 涡流Ⅰ和涡流Ⅱ粉尘富集特征分析Table 2 Analysis of dust enrichment characteristics in vortex Ⅰ and vortex Ⅱ

由表2可知,到达4 m前气流中1≤dp≤5 μm的粉尘质量M浮1-5 μm仅有175.5 mg,即若无涡流存在,则通过x=4截面的1≤dp≤5 μm的粉尘质量最多为175.5 mg,而实际在541 s内通过截面x=4的1≤dp≤5 μm的粉尘质量m1-5 μm达到了3 428.1 mg,是气流中1≤dp≤5 μm悬浮粉尘粒子质量的19倍多,表明大量1≤dp≤5 μm的粉尘在涡流Ⅰ和涡流Ⅱ的携带作用下在掘进机上方和左侧做往复运动,导致该部分粉尘被重复采集,因此质量之比Φ值达到了1 953.33%。而对于粒径130

由表3可知,粉尘在向后运移过程中,130 μm以上的粉尘在掘进面前15 m已全部沉降,90

表3 涡流Ⅲ粉尘富集特征分析Table 3 Analysis of dust enrichment characteristics in vortex Ⅲ

3 结论

1)综掘工作面增大局部通风量后,在掘进机附近共形成3处涡流区。受涡流区的影响,掘进巷道内共形成3个粉尘富集区域,其中,粉尘质量浓度最大值出现在富集区Ⅰ区,达到868 mg/m3。

2)局部风量的增大对粉尘的运移规律和分布特征影响较大。粉尘整体向后运移的能力明显加强,距掘进面20 m处粉尘质量浓度仍达到300 mg/m3,直至60 m后粉尘质量浓度才趋于稳定,保持在150 mg/m3以下,且距掘进面15 m后巷道呼吸性粉尘不断富集。

3)涡流Ⅰ和涡流Ⅱ区的粉尘富集特征分析结果表明,该区域的粉尘团聚沉降的喷雾应以超细水雾的形式来降低涡流区对细颗粒粉尘运移的影响。

4)涡流Ⅲ区的粉尘富集特征分析结果表明,该区域的粉尘团聚沉降的喷雾应以接近中颗粒粉尘粒径的细水雾来降低涡流区对中颗粒粉尘运移的影响。