综掘工作面长压短抽通风下粉尘分布的数值模拟

孟 晗 鲁忠良

(河南理工大学安全科学与工程学院，河南省焦作市，454000)

随着煤矿采掘机械化、自动化程度的不断提高，煤矿井下粉尘的产生量也不断加大，特别是综掘工作面，产尘量大，粉尘的治理比较困难。综掘工作面的粉尘浓度过高会降低工作面的能见度、影响井下工人的身心健康，甚至发生煤尘爆炸，综掘工作面的粉尘治理已经成为煤矿安全生产重点治理工作之一。

山西省潞安集团漳村煤矿2506掘进工作面的粉尘浓度高达0.0001～0.0002 kg/m3,粉尘浓度远远超出了《煤矿安全规程》的规定。本文以该掘进工作面为研究背景,分别对工作面在长压短抽的通风方式和压入式通风下进行了数值模拟研究，得出了这两种通风方式下掘进工作面的粉尘分布规律，通过对粉尘分布规律的分析，可以更好地指导该综掘工作面的通风除尘工作。压入式通风和长压短抽通风的区别在于,压入式通风只有压入式风筒,不存在抽出式风筒和除尘风机,其他设置与长压短抽设置相同，故对于压入式通风不再详细叙述。

1 长压短抽布置方式

根据局部通风机和风筒的布置位置和2506综掘工作面的特点，煤矿决定采用长压短抽的局部通风方式，即压入式的长风筒将新鲜的风流送入工作面，工作面产生的污风经抽出式风筒进行除尘净化，被净化后的风流沿巷道排出。

2506综掘工作面采用的长压短抽通风方式由压入式风筒、抽出式风筒、除尘器三部分构成。该通风方式在巷道内的布置如图1所示。压入式风筒出口距离工作面7 m,抽出式风筒入口距离工作面3 m，压入式风筒和抽出式风筒的直径都是0.6 m，压入式风筒出口风速为15 m/s，抽出式风筒压力为-300 Pa。

1-压入式风机；2-压入式风筒；3-抽出式风筒；4-抽风机；5-除尘风机图1 2506综掘工作面长压短抽装置布置图

2 数值模拟的计算方法以及边界条件的设定

2.1 数学模型的建立

综掘工作面风流为三维定常不可压缩的湍流流动，数值模拟时所需要的数学模型主要用于研究风流速度场的变化情况，对模拟结果的要求并不是非常精确，所以数值模拟采用工程中适用范围最广、最常用的标准k-ε两方程模型，该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略，只考虑动量的传输，不考虑热量的传输。

连续性方程即是质量守恒方程，根据这一定律可以得到流体的连续性方程为：

(1)

式中：ρ——流体密度，kg/m3；

t——时间，s；

u,v,w——三维空间的流体速度在x,y,z坐标方向上的速度分量，m/s。

运动方程又称动量守恒方程，根据牛顿第二定律，各坐标方向上的动量守恒方程为：

式中：ν——运动粘性系数，m2/s；

f——单位质量力分布函数；

p——单位面积上表面力分布函数。

在标准k-ε模型中，湍动能k和湍流耗散率ε的输运方程可以用式(3)、(4)表示：

式中：μt——湍流动力粘度系数；

Cu——经验常数，取0.09；

Gk——平均速度梯度引起的湍流能量生成率；

Gb——浮力引起的湍流能量生成率；

YM——可压湍流中脉动扩张引起的湍动能的产生项；

Sk,Sε——用户定义的源项；

C1ε,C2ε,C3ε,σk,σε——试验常数，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.9，σk=1.0，σε=1.3。

2.2 几何模型的建立

选取2506综掘工作面长度为15 m、宽度为3.6 m、高度为4 m的巷道，利用GAMBIT建立巷道的几何模型，并且对巷道模型进行网格划分，压入式风筒出口距离工作面7 m,抽出式风筒距离工作面的距离是3 m,压入式风筒和抽出式风筒的直径是0.6 m,距离地面高2.5 m,压入式风筒出口风速为15 m/s，抽出式风筒压力为-300 Pa，巷道出口风速为0.35 m/s，入口边界条件类型为Velocity-inlet，出口边界条件类型为Outflow。

2.3 边界条件的设定

将GAMBIT划分好的网格导入到FLUENT中，设定求解需要的各种参数。本文选用离散相模型非稳态求解，采用k-ε湍流模型，根据2506综掘工作面的产尘情况,喷射源为面源喷射，颗粒粒径分布符合Rosin-rammler分布。其中离散相参数设定为：颗粒迭代步数为50000，相间耦合频率为10，时间步长为0.01，阻力特征为球形颗粒；粉尘喷射源参数设置：颗粒材质为高挥发性煤，组喷射源类型，质量流率为0.02 kg/s，颗粒速度为-0.5 m/s，最小粒径为2×10-6m，最大粒径为1×10-4m，中粒径为5×10-5m，分布指数为2.55。

3 数值模拟的结果分析

按照上述条件进行参数的设置，再进行迭代计算，并且保持风筒直径和巷道风速不变，把长压短抽的结果与压入式通风条件下的综掘工作面的产尘情况进行比较分析。

3.1 粉尘扩散的模拟结果分析

压入式通风条件下粉尘的运移结果如图2(a)所示，图中从左到右依次是X=13 m，14 m，15 m(以综掘巷道的出口为0点,正方向指向巷道的掘进端头)的截面。从图2(a)可以看出，在综掘工作面前端由于掘进机的原因，粉尘浓度比较高，严重影响了掘进司机的视线，并且使得掘进司机长时间处于高浓度的粉尘浓度下；同时，工作面的风流还会在掘进机前端产生涡流，带动粉尘运动，使得掘进工作面的粉尘逐渐弥散到整个巷道中。

长压短抽的粉尘运移扩散结果如图2(b)所示，图中从左到右依次是X=13 m，14 m，15 m(以综掘巷道的出口为0点,正方向指向巷道的掘进端头)的截面。从图2(b)可以看出，掘进工作面前端产生的粉尘在抽出式风筒负压作用下，会进入到抽出式风筒，然后通过与抽出式风筒相连的除尘风机除去，没有进入到抽出式风筒的部分粉尘会在抽出式风筒的外围运动，就是通常所说的附壁运动。

图2 不同通风方式粉尘扩散模拟结果

3.2 粉尘质量浓度分布结果分析

压入式通风方式的粉尘质量浓度结果如图3(a)所示。

图3 不同通风方式的粉尘质量浓度

可以看出压入式风筒进风口的粉尘浓度相对比较低，在综掘机机头处的粉尘浓度最高，粉尘随风流不断扩散，粉尘沿巷道扩散浓度逐渐变小，但是当粉尘沿巷道扩散到一定距离后，粉尘浓度保持稳定的状态，基本不发生变化，粉尘浓度总体比较高。

长压短抽式通风粉尘的质量浓度模拟结果如图3(b)所示，可以看出综掘巷道中的粉尘浓度比较低，由于抽出式风筒的作用，粉尘在抽出式风筒的出口粉尘浓度偏高，大部分的粉尘被抽出式风筒抽出经过除尘器的作用而被除去，但是小部分粉尘在巷道中随着风流的运动会发生沉降作用，进而沉积在巷道中。

4 结论

(1)采用压入式通风时，综掘工作面的粉尘浓度比较高，并且，掘进司机处长期处于高浓度粉尘的影响，严重危害作业人员的健康；采用长压短抽式通风后，综掘工作面的粉尘浓度相对较低，除尘器的除尘可以起到很好的作用，粉尘稳定后的浓度可以满足《煤矿安全规程》规定的标准。

(2)长压短抽通风的抽出式风筒会扰乱粉尘在综掘机机头附近形成的涡流，将工作面的粉尘抽出，从而净化了掘进工作面的环境，保障了综掘工作面作业人员的健康。

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