煤矿综采面PM2.5浓度分布规律研究分析*

赵建会，段 杰，杨 楠，王 豆

(1.西安科技大学， 陕西 西安 710054； 2.西安科技大学 高新学院, 陕西 西安 710054)

0 引 言

众所周知，煤炭开采行业的作业环境是复杂和艰苦的，大多数井下作业人员会因为吸入固体颗粒而患有呼吸方面的疾病，在可吸入固体颗粒物中，PM2.5的含量占相当大的比例，且PM2.5的质量浓度与人体健康状况显著相关[1-2]。根据国内相关矿务局统计分析，在矿井内作业的工作人员，长期吸入颗粒物后所引发的职业病导致死亡人数已经达到工伤死亡总人数的6倍，而德国煤矿的研究表明，死于尘肺病的人数比工伤事故高出10倍[3]，并且PM2.5对于井下能见度也有重要的影响，所以也会造成矿井下的安全问题[4]。

各国学者对于大气中PM2.5的防治进行了大量实验研究和理论分析，同时提出了许多防治对策及措施。但是目前对煤矿井下作业产生PM2.5的研究相对较少，其主要原因是井下作业环境比较复杂，采煤过程中煤体的破碎或者风流的扬尘等造成粉尘种类过多并且容易对PM2.5的浓度分布造成影响；没有精确的细微颗粒采样仪器；同时PM2.5的形成具有多样性，具体到系统不同区域、不同季节、不同状态参数下PM2.5的形成及来源方向会有很大不同[5]。本论文主要采用实验和模拟分析的方法对综采面PM2.5分布运动规律进行研究分析，对在矿井下采取相应的降尘防尘措施及矿井内安全生产具有重要的指导意义。

1 井下PM2.5 的形成机理

1.1 PM2.5 的产生

在矿井内工作面作业时粉尘颗粒物的来源途径主要有以下几个方面：通风时的风流产生的污染，采煤机在切割工作时发生的周期性移架，运输机载运和转载工作以及工作面顶底板冒落和片帮的产尘等。其中，井下作业时最主要的粉尘来源是采煤机作业(包括清底和割煤)[6]。

1.2 气固两相流理论

本文主要是研究煤矿综采面所产生的PM2.5 浓度分布规律，对于矿井综采面PM2.5研究的主要理论依据是气固两相流运动的相关方程式。可以将煤矿综采面做以下的假设：空间介质视为不可压缩粘性气体，空间场视为等温场，并且之间没有任何的能量传递，方程如下[7-9]：

(1) 对于不可压缩粘性气体，其连续性方程为:

Ug=0

(1)

(2) 对不可压缩粘性气体，其流体运动方程为：

(2)

式中,ρg为气体密度，kg/m3；t为时间，s；F为单位体积上气体的质量力矢量，N/m3；p为气体的压力矢量，Pa；μ为气体的粘性系数，Pa·s。

(3) 由牛顿第二定律可得粉尘颗粒的运动方程为：

(3)

式中，mp为颗粒的质量，kg；Up为颗粒的运动速度，m/s；Fd为颗粒在气流中所受的阻力，N；Ff为颗粒所受的浮力，N；Fg为颗粒所受的重力，N；Fx为颗粒所受的其他作用力，N。

2 煤矿综采面PM2.5运动规律实验研究

2.1 实验构建

2.1.1 实验对象选取

鉴于煤矿综采面PM2.5形成的特殊性和多样性，本次实验主要通过研究某一特定的煤矿综采工作面的情况来分析其浓度分布，实验选取陕西省铜川市崔家沟煤矿三盘区2301工作面作为实验研究对象。

2.1.2 采集器选取

实验的测量仪器选用粉尘采样器(见图1)。粉尘采样器的工作原理是已知该采集器的纤维滤膜质量，采集煤矿综采面指定地点含尘空气，然后称量采样后滤膜的质量，由采样后滤膜的增量计算单位体积空气中的粉尘浓度。

图1 PM2.5采样器装置原理

2.1.3 测点布置

由于现场条件所限，采煤机机道空间无法进行采样，因为本次研究主要是针对PM2.5浓度分布规律的研究，为避免PM2.5被行人过多吸入导致危害身体健康，所以在支架内行人道的呼吸带上沿程布置采样点能够达到实验的研究目的。具体布置点位置如图2所示。

图2 PM2.5 浓度测点布置

PM2.5粉尘采样器在割煤的情况下，采样点在顺风割煤和逆风割煤的情况下均不改变布置点位置。图中采样点1-2， 14-15相距50 m，采样点2-3， 13-14相距5 m，采样点4-12间各相距20 m。

2.1.4 实验数据采集

步骤一：粉尘采样器的气密性检查。

步骤二：粉尘采样器的气密性检查完毕后将粉尘采样器固定在采样点的位置，采样入口迎风向放置，距离地面1.5 m。

步骤三：位置固定后，设定工作流量为16.67 L/min，启动抽气泵，连续运行15 min，并记录数据。

2.2 实验数据分析

本次研究的实验数据见图3、图4、图5。

2.2.1 不割煤时PM2.5沿程浓度分析

从图3可以看出，该煤矿的综采工作面PM2.5的沿程浓度是逐渐增加的，这是由于PM2.5的粒径较小所以大部分是随着风流扩散出工作面。在进风巷道与工作面交界处和回风巷道与工作面的交界处均出现PM2.5浓度骤然升高，这是因为风流在这两处方向发生改变，产生涡流，造成煤壁的PM2.5被吹落，同时使得该处出现部分PM2.5滞留。

2.2.2 割煤时PM2.5沿程浓度分析

从图4可以看出，距离采矿综采工作面越近的位置产生的PM2.5浓度值会越高，一方面原因是割煤时产生的PM2.5扩散到行人道上，另一方面是由于割煤过程中移架和放顶煤导致PM2.5增加；在采样点7处出现PM2.5浓度最大值为265～360 μg/m3不等，这主要是因为前、后滚筒处产生的PM2.5扩散进入人行道空间和移架作业时产生的PM2.5影响所致。

2.3 两种情况下PM2.5沿程浓度对比

从图5可以看出不割煤作业时，PM2.5的浓度含量十分低，且增长速度比较缓慢，表明风流引起的扬尘不是巷道PM2.5浓度含量增加的因素，其主要的因素是综采工作面的煤体在割煤作业时引起的；割煤作业时，PM2.5的浓度越靠近综采工作面其含量值越高。主要原因有：一是综采工作面周围的相关割煤设备仪器较多，占据一部分空间；二是综采面的巷道截面偏小，导致该截面处的风速要比其他地方的大，形成相对较大的风流，造成更多扬尘，最终导致该处PM2.5的浓度值迅速增加。

图3 不割煤时PM2.5 浓度沿程分布

图4 割煤时PM2.5 浓度沿程分布

图5 两种情况下PM2.5浓度对比

3 FLUENT建模模拟分析

3.1 模型建立

对气固两相流的计算原理是比较复杂的，本次研究主要利用Fluent的数值计算方法[7-8]。计算物理模型的建立：工作面物理模型为长×高×宽=150 m×10 m×4 m的长方体、内部设备均按规则的立体结构布置；采煤机的物理模型：长×宽×高=6 m×2 m×2 m；液压支架的物理模型为：长×宽×高=1 m×1 m×4 m，将上述3个物理模型简化后使用Gambit软件建立割煤时的三维集合模型，并进行网格划分。相应的边界条件：入口边界类型为VELOCITY_INLET，入口速度为1.2 m/s，湍流动力能量0.8 m2/s2，湍流扩散比率为0.8 m2/s3，出口边界类型为OUTFLOW。

3.2 模拟结果分析

本次仅分析沿煤壁至采空区方向的粉尘浓度，沿y轴正方向的行人道设置显示粉尘浓度模拟结果的纵断面，其中6，10 m两个位置处纵断面内PM2.5的浓度具体模拟结果如图6、图7所示。

图6 y=6 m处纵断面内的PM2.5浓度模拟分析

图7 y=10 m处纵断面内的PM2.5浓度模拟分析

从图6和图7中可以看出：

(1) 在y=6处，PM2.5的浓度沿着风流方向先逐渐增大，在行人道中央部位达到最大值，然后逐渐减小。同时在上风向的浓度明显小于下风向的浓度。

(2) 在y=10处，即在煤壁处时，可以看出整个工作面区域内各点受割煤机作业的影响均有PM2.5的产生。

通过对比实地矿井综采工作面的实验数据，所得结果与利用FLUENT软件模拟结果进行对比分析，可以得出，数值模拟的结果基本上论证了实验所测数据的准确性。

4 结 论

(1) 工作面不割煤时，进风巷道PM2.5的浓度较小，且工作面PM2.5的沿程浓度逐渐增加。 在进风巷道与工作面交界处和回风巷道与工作面交界处均出现PM2.5浓度的骤然升高，回风巷道的PM2.5整体较高。

(2) 工作面割煤时，越靠近综采工作面，产生的PM2.5浓度值越高。由于回风巷道的进风主要是通过工作面后的风，所以PM2.5的浓度整体上比进风巷道的浓度要高。工作面PM2.5浓度较进、回风巷道要大，沿程浓度最大值为265～360 μg/m3不等，在工作面的下风向PM2.5浓度值开始迅速下降，到采样点10处以后逐渐减小，最终浓度基本上稳定在88 μg/m3左右。

参考文献：

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