煤巷掘进过程中粉尘浓度影响因素分析

陆羽　陈浩

[摘 要]井下煤矿粉尘有引发尘肺病、煤尘爆炸、自燃和损坏设备 、降低现场可见度等诸多危害。掘进巷道是井下产生粉尘的主要场所之一 。因此 ， 研究巷道掘进通风过程中粉尘浓度影响因素对治理煤矿粉尘、减少粉尘危害具有重要的意义。

[关键词]掘进工作面 粉尘浓度 分析

中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）37-0003-01

引言：

本文根据煤巷掘进巷道和及其产生粉尘的一般情况，对粉尘浓度分布进行解算，从模拟结果中分析煤巷掘进过程中的粉尘浓度影响因素。

1、离散相模型简介

离散相模型（DPM）属于欧拉一拉格朗日模型，即用欧拉观点描述气相流场，用拉格朗日观点描述颗粒的运动。离散相模型要求球形颗粒（掘进巷道中的粉尘颗粒）构成的第二相分布在连续相（气体）中。离散相问题的设定、求解过程：

（1）求解连续相流场，连续相流场的计算采用SMPLEC算法，三维湍流的数值模拟采用中的标准模型，得到速度场等信息。

（2）创建离散相喷射源（射流源），如确定射流源的位置、尺寸、颗粒粒径的大小和初速度等，喷射源的类型设为颗粒群。

（3）求解藕合流动，在拉格朗日坐标下对颗粒群中的各个颗粒进行轨道积分，随机轨道模型或颗粒群模型可考虑颗粒湍流扩散的影响。在随机轨道模型中，通过应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响。而颗粒群模型则是通过跟踪颗粒群的运动轨迹来模拟出粉尘运动的一个“平均”轨道。颗粒群中的颗粒浓度分布假设服从高斯概率分布函数（PDF）。

最后，用PLOT或DISPLAY图形界面来跟踪离散相，从而得出离散相的流场分布以及浓度分布。

2、全尘浓度分布的三维模拟

用FLUENT进行解算，压入式通风掘进巷道的全尘浓度分布。掘进工作面处全尘浓度最大，全尘在风流作用下沿巷道全断面不断地排出、沉降和被捕集，因此粉尘浓度沿程不断减小；未排出、沉降或被捕集的颗粒在随风流运动的同时随机扩散，弥散到整个巷道。，靠近风筒一侧的粉尘浓度较大，并向远离风筒一侧逐渐减小。距离掘进工作面越远，全尘的浓度越小。在掘进工作面附近区域，距离巷道底板越近，因重力作用将要沉降的大颗粒粉尘越多，因此粉尘浓度越大；而远离掘进工作面的地方，粉尘浓度随高度的变化并不明显。

3、呼吸性粉尘浓度分布的三维模拟

用FLUENT进行解算，压入式通风掘进巷道的呼吸性粉尘浓度，远离风筒一侧的侧壁和工作面相交处的上部呼吸性粉尘浓度最大；呼吸性粉尘在风流作用下沿巷道全断面不断地排出和被捕集，因此呼吸性粉尘沿程浓度不断减小；未被捕集或排出的颗粒在随风流运动的同时随机扩散，因此巷道内的呼吸性粉尘浓度分布趋于稳定。靠近风筒一侧的呼吸性粉尘浓度较小，并向远离风筒一侧逐渐增大。距离掘进工作面越远，呼吸性粉尘的浓度越小，掘进工作面附近区域，顶部呼吸性粉尘浓度较大，距离巷道底板越近呼吸性粉尘浓度越小；而远离掘进工作面的地方，呼吸性粉尘浓度随高度变化并不明显。

4、压入式和抽出式通风掘进巷道粉尘浓度分布规律的比较

在两种通风方式的巷道内，全尘和呼吸性粉尘浓度沿程变化规律相同，即粉尘浓度都是先快速下降，再沿程缓慢下降。但是压入式通风掘进巷道中的全尘和呼吸性粉尘浓度沿程分别高于抽出式通风掘进巷道内的全尘和呼吸性粉尘浓度。

5、风筒的有关参数对粉尘浓度的影响

风筒是掘进工作面内的主要通风除尘装置，除了巷道内风速以外，风筒也会对巷道内粉尘的运动规律和浓度分布产生一定的影响，因此，该研究考察了在掘进巷道的宽为4m、高为3m和压入式通风方式条件下，风筒直径、风筒出风口到掘进工作面的距离以及风筒悬挂高度对呼吸带高度粉尘浓度的影响。

5.1 风筒直径

设巷道风筒出风口到掘进工作面的距离为7m，风筒的悬挂高度为1。8m，将风筒的直径分别定为0。4、0。5、0。6、0。7和0。8m，比较在不同的风筒直径条件下，全尘和呼吸性粉尘呼吸带高度沿程浓度变化趋势。在呼吸带高度处，风筒的直径越大，全尘和呼吸性粉尘的沿程浓度越大；即由模拟结果可知，风筒直径越小，巷道内粉尘的沿程浓度越小。但在根据现场实际情况，在巷道断面允许的条件下，尽可能选择直径较大的风筒，以降低风阻，减少漏风，节约通风电耗，现场允许的最小风筒直径为0。4m。因此，可以认为当风筒直径在0。4-0。6m时，比较利于掘进巷道的通风除尘。

5.2 风筒出风口到掘进工作面的距离

设风筒直径为0。6m，风筒的悬挂高度为1。8m，将风筒出风口到掘进工作面的距离分别设为5、6、7、8、9和10m，考察风筒出风口到掘进工作面的距离对呼吸带高度粉尘浓度的影响。为了更直观地观察风筒出风口到掘进工作面的距离与粉尘浓度的关系，作风筒出风口到掘进工作面的距离与距离掘进工作面1、3、5、7和9m处断面的呼吸带高度粉尘浓度对应图。当风筒出风口到掘进工作面的距离为6-7m时，在巷道内平均分布的几个断面上，全尘和呼吸性粉尘浓度都相对较小，且这个距离范围小于风筒的有效射程，因此，可以认为当风筒出风口到掘进工作面的距离为6-7m时，有利于掘进巷道内的通风除尘。

5.3 风筒的悬挂高度

设风筒出风口到掘进工作面的距离为7m，风筒直径为0。6m，将风筒的悬挂高度（风筒轴线到巷道底板的距离）分别设定为1。6、1。8、2。0、2。2和2。4m，考察风筒的悬挂高度对全尘和呼吸性粉尘浓度分布规律的影响。为了更直观地观察风筒悬挂高度与粉尘浓度的关系，作风筒悬挂高度与距离掘进工作面1、3、5、7和9m处断面的呼吸带高度粉尘浓度对比当风筒悬挂高度为2-2。2m时，在巷道内平均分布的几个断面上，全尘和呼吸性粉尘浓度都相对较小。因此，可以认为当风筒悬挂高度为2-2。2m时，有利于掘进巷道内的通风除尘。

6、巷道风速对粉尘浓度的影响

为了验证不同的通风风速对掘进巷道粉尘浓度产生的影响，取不同巷道风速进行解算。根据《煤矿安全规程》的规定，掘进中的煤巷允许的风速为0。25-4m/s，因此将巷道内的风速分别设为0。25、1、1。75、2。5、3。25和4m/s，通过模拟，考察了风速对呼吸带高度（距离巷道底板1。5m高度处）全尘和呼吸性粉尘浓度分布规律的影响，巷道通风风速在0。25-4m/s时，都不会引起明显的二次扬尘；而且在这个范围内，巷道内的通风风速越大，全尘和呼吸性粉尘的沿程浓度越小，而且呼吸性粉尘浓度达到稳定的距离越短，这是因为较大风速可以防止粉尘随机扩散，而使粉尘尽快排出巷道或者沉降和被煤壁吸附。所以，通风风速在0。25-4m/s时，条件允许的情况下，选择较大的风速更利于通风除尘。

结束语：综上所述，根据数值模拟及对其计算结果的分析，发现煤巷掘进过程中粉尘浓度的影响因素及其规律为在现场实际中，应综合考虑种种因素，选择合适的风筒有关参数，以减少巷道内的粉尘浓度。

参考文献：

[1]梁彤。综采工作面喷雾除尘技术研究[D]。太原：太原理工大学，2003.

[2]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局。煤矿安全规程[M]。北京：煤炭工业出版社，2010.

[3]蒋仲安，金龙哲，袁绪忠等。掘进巷道中粉尘分布规律的实验研究[J]。煤炭科学技术，2001，29（3）：43-45.