综采工作面割煤时粉尘运移变化规律的数值研究

姬玉成, 楼建国, 张留祥, 黄建功

(1. 西南科技大学 环境与资源学院, 四川 绵阳 621010; 2. 四川师范大学 工学院, 四川 成都 610101)

随着煤炭生产机械化的推进,煤矿井下生产效率大幅提高,同时井下粉尘产生量也越来越大.局部聚集的高浓度粉尘不仅存在粉尘爆炸危险[1-2],而且严重影响井下一线作业人员的职业健康,增大员工患尘肺病[3-4]的几率.此外,高浓度的粉尘还加快井下机械设备的磨损[5],降低员工可视范围[6],降低作业效率等.综采工作面是煤矿粉尘的重要产尘点之一,采取内外喷雾措施后,粉尘质量浓度一般为400～800 mg/m3,局部甚至超过1 000 mg/m3,产尘量占矿井粉尘总量60%左右[7-8],是煤矿井下粉尘治理的重点区域,迫切需要有效措施控制粉尘.掌握综采面粉尘运动变化对采取有效措施降低粉尘过高浓度十分关键.目前,国内综采工作面现场实际主要防尘措施是工作面通风[9]、采煤机内外喷雾[10]、架间喷雾[11]与煤层注水[12-13]等.国外矿山因采场空间较大和技术条件等原因,较多采用除尘器[14]除尘,同时也较多的应用了化学降尘材料[15].部分科研人员也采用实测、相似模拟与数值分析等方法对矿井粉尘在工作面空间的分布、沿工作面方向的运动规律及风速、湿度等影响因素进行了研究.本文采用数值分析方法通过FLUENT软件对综采工作面粉尘运动变化进行模拟研究[16-18].

1 建立几何模型

模型以四川煤矿井下实际工作面为对象,选择采用U型通风方式和综合机械化开采的走向长壁式回采工作面为原型.根据综采面具体情况,工作面断面尺寸长方形部分为4 m×3.5 m,倒梯形部分上下底及高分别为1.5 m×3.5 m×1.8 m.综采工作面上有综合机械化采煤机、刮板输送机、液压支架等各种设备,风流多属湍流运动,流场复杂多变.根据模拟研究目的的需要,本文在使用GAMBIT软件建立几何模型并划分计算网格过程中,工作面倾斜长度设置为100 m.同时,对工作面粉尘扩散计算区间和部分参数进行适当的简化和设定.

1) 采用离散相(DPM)随机轨道模型[19-20]对颗粒运动进行分析;

2) 粉体颗粒为球形颗粒;

3) 颗粒只受到重力、浮力以及气流阻力的作用,其余力忽略不计;

4) 工作面断面形状视为长方形与倒梯形的组合;

5) 假设颗粒碰到煤壁后不再反弹,即颗粒被捕捉.

在上述基础上用GAMBIT建立综采工作面的几何模型,并划分计算网格,如图1所示.

2 设定边界条件与模型参数

根据综采工作面实际情况,滚筒割煤作业产尘量是综采工作面粉尘产生的主体,此处粉尘产生强度最大.模拟主要考察滚筒割煤作业产生的粉尘在后部空间的运动、沉降状态,在模型中设定滚筒位置为粉尘源.模型中,采煤机位置设置在距机巷端头20 m处.为分析风速对粉尘分布、运移及沉降的影响,本次数值模型计算中设计1、1.5、2 m/s 3种工况模拟3组气流速度.确定边界条件及数值模拟的其他各主要参数如表1所示.

表 1 数值计算模型边界条件及主要参数设定

3 数据分析

几何模型和网格划分完成后,通过计算流体力学FLUNT软件进行解算.

3.1风速对小颗粒粉尘沉降的影响在风速相同的情况下,对于粒径1～10 μm小颗粒粉尘,粉尘颗粒粒径越大通风降尘率越高;在粉尘粒径相同的情况下,随通风风速越大,粉尘颗粒的通风降尘率越低,如图2所示.显然,对于颗粒较小的呼吸性粉尘,通风断面风速越高反而越不利于粉尘的自由沉降;受工作面通风需要的限制,通过调节通风手段来控制粉尘难以起到显著效果.

3.2粉尘在工作面空间运动的宏观定性分析根据粉尘在建立的三维模拟回采空间中质量浓度变化状态,可以分析得出:

1) 粉尘距离煤壁0.5 m,平行于煤壁面的回采工作面剖面的质量浓度分布,受尘源直接影响,从尘源高质量浓度逐渐降低,在剖面上粉尘覆盖面积向风流方向延伸扩大.这表明粉尘自尘源开始,在风流的扬散作用下,粉尘分布完成了从一点到一定空间的扩散.从粉尘治理角度分析,降低高度集中微团状存在的粉尘远远比降低扩散在大空间的分散状粉尘的难度小.因此,从模拟结果和粉尘源头治理的观念考虑,治理粉尘应充分认识到粉尘扩散前的时间和空间优势对于治理粉尘效果的重要性.

2) 粉尘距离煤壁1 m,平行于煤壁面的回采工作面剖面的粉尘质量浓度分布,距煤壁面距离增加,其粉尘峰值浓度区域位于距离煤壁面近的剖面粉尘直接产生源的后方,且其剖面上粉尘质量浓度具有从低浓度向峰值浓度上升的过程.这表明在粉尘产生后具有扩散的初始阶段,粉尘在工作面方向和与之垂直的煤壁到采空区方向2个方向上存在同步扩散,在粉尘源后方10～20 m内形成粉尘质量浓度峰值区域,之后粉尘质量浓度逐渐降低.

3.3沿工作面方向各高程位置处粉尘质量浓度变化分析图3～5为回采工作面距煤壁面分别为0.5、1、1.5 m处,空间高度上距底板分别为0.5 、1 、1.5 和2 m位置处的粉尘质量浓度曲线图.

分析图3～5,可以看出:

1) 距底板0.5 m、距煤壁0.5 m高度处,在沿工作面方向上粉尘质量浓度从割煤处峰值浓度逐渐下降,原因主要是此位置割煤作业点靠近煤壁,为粉尘集中的区域.在后方区域粉尘质量浓度变化受到粉尘粒径不同,沉降方式不同的影响.在粉尘源即采煤机滚筒后方20～50 m范围内,尘源后方不同高程处的粉尘质量浓度逐渐下降,并趋于一致特点.在粉尘源后方工作面方向的这段距离上,较大颗粒的粉尘主要依靠重力沉降,难以长时间自由悬浮在空气中,绝大部分较大颗粒粉尘在沿工作面方向的运移中沉降下来;同时,以呼吸性粉尘为主的小颗粒粉尘受静电作用等因素影响显著,呈现布朗运动状态,完成向空间的均匀化扩散,并长时间悬浮在空气中,这2个过程在此段距离内同时存在.

2) 距底板1和1.5 m高度,沿工作面方向上,各高程位置处的粉尘质量浓度呈现出在尘源后方的较短距离内快速上升,粉尘质量浓度峰值主要出现在滚筒后方10～20 m的范围内.距离煤壁1、1.5 m不同高程处粉尘质量浓度曲线出现峰值是粉尘源产生的粉尘向空间扩散移动的结果.其中,粉尘峰值浓度呈现随距离煤壁距离的增加而减小.达到粉尘质量浓度峰值之后,在后方较长距离上缓慢变化并同样呈现出逐渐趋于一致的特点.

3.4工作面断面上粉尘质量浓度变化分析图6反映了在同一工作面断面距煤壁不同距离处粉尘扩散规律.同一断面上,距煤壁0.2、0.5 m处粉尘质量浓度由峰值浓度开始下降;距煤壁1、1.5 m处,粉尘质量浓度逐步上升至峰值浓度.这说明粉尘产生后,粉尘在工作面断面上,也存在由尘源区域向非尘源区域的扩散过程.在非尘源区域,粉尘质量浓度具有一个上升过程.

3.5工作面粉尘运动的综合分析综合以上分析,结合多个矿井综采工作面粉尘状况,综采工作面产尘点后方形成3个粉尘运移带.

1) 粉尘快速扩散带.此带位于粉尘源(即采煤机滚筒)后20 m范围内,大颗粒粉尘和呼吸性粉尘同时向全断面快速扩散,粉尘质量浓度达到峰值.此运移带也正是取得工作面降尘效果的关键区域和重中之重.

2) 呼尘弥漫带.快速扩散带后为呼尘弥漫带.在此带,粒径较大的粉尘颗粒开始缓慢沉降,粒径较小的粉尘继续向整个工作面空间弥漫,长时间悬浮,难以沉降.此运移带可达40 m以远.

3) 稳定悬浮带.在沿工作面方向,呼尘弥漫带后方形成粉尘稳定悬浮带.此带,粉尘主要组成是小粒径呼吸性粉尘,因静电等多因素长时间稳定悬浮在巷道空间,没有外界降尘措施的情况下,粉尘质量浓度基本保持不变.稳定悬浮带存在距离通常可以延至回风巷数十米远.

各运移带在工作面方向的实际存在距离受到风速、断面面积、生产设备、粉尘分散度等因素影响.在实际生产过程中,因采煤机割煤作业不停运动,各粉尘运移带存在相互叠加的影响.

根据回采工作面粉尘阶段性运动变化特点和粉尘源头治理需要,综采工作面应该以粉尘快速扩散带作为粉尘治理的关键区域.在此运移带,粉尘质量浓度高,空间集中度高,除尘降尘具有空间优势;若粉尘扩散之后,单位空间的粉尘颗粒数量降低,与水雾颗粒接触的几率降低,这导致喷雾等降尘措施的降尘效果降低.

4 结论

1) 在相同粒径下的粉尘颗粒,通风风速越大,粉尘颗粒的通风降尘率越低.通风降尘措施对于小颗粒粉尘难以起到显著作用.

2) 结合采面粉尘运动分布特点,将采面产尘点后方划分为3个粉尘运移带,即粉尘快速扩散带、呼尘弥漫带、稳定悬浮带.

3) 根据回采工作面粉尘阶段性运动、变化特点和粉尘有效治理的需要,确定回采工作面控尘应该以粉尘快速扩散带降尘作为关键区域.

[1] Zheng Y P, Fang C G, Jing G X, et al．A statistical analysis of coal mine accidents caused by coal dust explosions in China[J]．J Loss Prevention Process Industries,2009,4:528-532．

[2] 刘丹,李润之,司荣军,等. 瓦斯爆炸诱导沉积煤尘参与爆炸作用模式[J]. 煤炭学报,2011,36(11):1879-1884.

[3] 葛玲军,贾发元,郝清亮,等. 尘肺病及矿尘综合防治技术[J]. 科技创新导报,2011(22):48～49.

[4] 李华炜. 煤矿呼吸性粉尘及其综合控制[J]. 中国安全科学学报,2005,15(7):67-69.

[5] 张德成,刘明杰. 煤矿灾害的分析与防治[J]. 陕西煤炭,2011,4:111-112.

[6] 周贵全. 浅谈煤矿矿尘防治工作的现状及对策[J]. 陕西煤炭,2011,5:26-27.

[7] 孙艳玲,刘烟台,王德江. 煤矿采掘引起粉尘污染与防治[J]. 辽宁科技大学学报,2002,21(4):520-522.

[8] 刘毅,蒋仲安,蔡卫,等. 综采工作面粉尘运动规律的数值模拟[J]. 北京科技大学学报,2007,29(4):351-353.

[9] 王德明. 矿井通风与安全[M]. 徐州:中国矿业大学出版社,2007.

[10] 周刚. 综放工作面喷雾降尘理论及工艺技术研究[D]. 青岛:山东科技大学,2009.

[11] 周刚,程卫民,王刚. 综放工作面粉尘场与雾滴场耦合关系的实验研究[J]. 煤炭学报,2010,35(10):1660-1664.

[12] 王维虎. 煤层注水防尘技术的应用现状及展望[J]. 煤炭科学技术,2011,39(1):57-60.

[13] Campmoli A A, McCall F E, Finfinger G L. Longwall dust control potentially enhanced by surface borehole water infusion[J]. Mining Engineering,1996,48(7):56-60.

[14] 刘社育,蒋仲安,金龙哲. 湿式除尘器除尘机理的理论分析[J]. 中国矿业大学学报,1998,27(1):47-50.

[15] 任万兴. 煤矿井下泡沫除尘理论与技术研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2009.

[16] 韩占忠,王敬,兰小平. Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M]. 北京:北京理工大学出版社,2004.

[17] 刘艾. 矿井粉尘分布规律及防治措施[J]. 煤矿安全,2003,34(7):45-47.

[18] 施春红,欧盛南,金龙哲. 矿井粉尘运移规律性的试验研究[J]. 北京科技大学学报,2007,29(2):1-5.

[19] Van Wachem B G M, Almstedt A E. Methods for multiphase computational fluid dynamics[J]. Chem Engineering J,2003,96(1):81-98.

[20] Baxter L L, Smith P J. Turbulent dispersion of particles: the STP model[J]. Energy Fuels,1993,7:852.

[21] 吴百剑. 综采工作面粉尘分布规律研究[D]. 北京:煤炭科学研究总院,2008.

[22] 杨敏. 湿度较大综采工作面粉尘扩散规律的研究[D]. 包头:内蒙古科技大学,2009.

[23] Zhou Q C, Steve N. Research on numerical emulator of mine methane and coal dust explosion[J]. J Coal Science and Engineering(China),2008(3),143-146.

[24] 牛伟,蒋仲安,王晓珍,等. 综放工作面粉尘浓度分布规律的数值模拟[J]. 中国矿业,2008(12):77-80.

[25] 赵继云,张德生,张子荣,等. 综采工作面粉尘综合防治技术研究[J]. 煤矿机械,2008(2):151-153.

[26] 魏宗苏,魏传光,金龙哲. 全工班呼吸性粉尘测定及防尘措施研究[J]. 中国安全科学学报,2008(9):106-110.

[27] 杨胜来. 综采工作面粉尘运移和粉尘浓度三维分布的数值模拟研究[J]. 中国安全科学学报,2001(4):64-67.

[28] 王涛,张小涛,程子华,等. 高瓦斯松软煤层综采工作面粉尘综合防治[J]. 矿业安全与环保,2009(4):63-64.

[29] 王威,丁可可. 综掘综采工作面粉尘控制技术现状与发展[J]. 能源技术与管理,2011(2):103-105.

[30] 时训先,蒋仲安,周姝嫣,等. 综采工作面粉尘分布规律的实验研究[J]. 煤炭学报,2008,33(10):1117-1121.

[31] 贾进彪. 综掘工作面高压气幕隔尘技术的研究[D]. 青岛:山东科技大学,2011.

[32] 李艳强. 综掘工作面分风降尘理论及应用研究[D]. 北京:中国矿业大学,2013.

[33] 秦立伦,高敏峰. 煤矿粉尘在线实时监测与监控技术的研究[J]. 煤矿机电,2013(2):37-39.

[34] 张振雷. 浅析综采工作面粉尘分布规律及防治措施[J]. 科技资讯,2011(20):123.

[35] 张妍玮,张记龙. 巷道内粉尘对特高频电磁波传播特性的影响[J]. 煤炭学报,2009,34(11):1554-1557.