付村煤矿综掘通风除尘参数优化及风流-粉尘运移规律研究

牟国礼 郭英俊 李 强 芮 君

(1.枣庄矿业(集团)付村煤业有限公司，山东省济宁市，277605；2.山东省煤矿机电装备安全检测中心，山东省枣庄市，277100；3.山东科技大学安全与环境工程学院，山东省青岛市，266590)

煤炭在我国能源结构中一直占据主导地位，2019年煤炭消费量为占能源消费总量的57.7%。然而随着机械化水平的提高，矿井的开采强度和生产集中度大幅度增加，煤矿粉尘产生量也随之愈来愈多，粉尘问题变得日益严重。大量煤尘的存在不仅降低工作场所的能见度，还会引发爆炸，缩短井下生产装备和仪器设备的使用寿命，危害人的身体健康，增加工伤事故的发生率[1]。据统计，2018年全国各类职业病新病例中职业性尘肺病及其他呼吸系统疾病新增19524例(其中职业性尘肺病19468例)，而尘肺病患病人数中，煤炭行业占50%以上。由此可见，矿井粉尘对煤矿职工的身体健康及财产损失造成了极大的威胁。为了更好地控制综掘工作面的粉尘浓度，国内外学者对通风除尘[2-4]、喷雾降尘[5]、化学抑尘[6,7]、静电除尘[8]等粉尘控制的技术措施进行了许多研究。其中，喷雾降尘技术耗水量高，形成的喷雾容易阻挡工人视线，增大了作业环境的湿度，影响工人作业；化学抑尘技术所使用的化学试剂成本高、难以保证完全绿色环保；静电除尘技术目前尚未成熟，还未在我国煤矿得到真正意义上的现场推广。通风除尘技术是一种较为传统的矿井除尘技术，由于其技术发展较为成熟、运行成本低、控尘效果显著等优点，已成为我国煤矿矿井中广泛应用的控尘技术。然而在现场调控风筒及风机的最优除尘效果时，需要消耗大量的人力、物力及时间，因此，笔者利用可视性强的数值模拟研究方法，结合付村煤矿综掘工作面的实际情况，对长压短抽式通风中风流场及粉尘运动规律进行仿真分析，确定最优的矿井通风参数，为矿井通风技术提供理论及技术支持，对治理煤矿粉尘和减少粉尘危害均具有重要的意义。

1 长压短抽式通风方式原理

长压短抽式通风方式在实际应用中需要合理确定抽出式通风机和压入式通风机的选型，控制压入式通风机的供风距离及抽风口距掘进头的距离，确定合理的抽压比，这样才能保证供应到掘进工作面的风量满足要求。长压短抽式通风方式的风流状态如图1所示。

长压短抽通风方式[9]必须在确定合理抽、压风筒口位置时保证抽风口吸尘量最大，这是关键问题。压入风筒口位置距工作面太近，高速射流的冲击作用力使粉尘向外流动，污染范围大，不利于粉尘的排除。合理的抽、压风筒口位置能降低工作区的粉尘浓度，这是因为在抽、压两风筒口之间的巷道中，形成一个压、吸风流共同作用的风流屏障[10]。该屏障内的风流属稳定流动且具有一定速度，既能排出工作面产生的粉尘，又不至于使大量粉尘向抽出风筒口后的巷道扩散流动，提高了抽风系统吸捕粉尘的能力。

图1 长压短抽式通风方式的风流状态

2 付村煤矿综掘工作面物理模型的建立

2.1 煤巷物理简化模型的建立及网格划分

笔者以付村煤矿的掘进巷道3上603运巷中的5-5断面为研究对象，对该综掘工作面进行通风模拟研究。3上603运巷巷道全长701.21 m，其中5-5断面施工45.5 m，净高3.78 m，工作面宽5.1 m左右。

为了准确地模拟出综掘工作面采用长压短抽通风方式时的风流状况以及粉尘的分布、运移规律，应用FLUENT自带的建模板块Geometry建立了煤巷工作面的简化物理模型，构建的物理模型由巷道、掘进机、压风筒、抽风筒4大部分构成。采用网格划分板块对所建的物理模型进行了网格划分。煤巷综掘工作面物理模型参数见表1，煤巷模型情况如图1所示。

图2 煤巷模型

表1 综掘工作面物理几何模型参数

2.2 边界条件的设定

进行综掘工作面气体-粉尘颗粒两相流场运移规律的数值模拟前，需要对其模拟的边界条件进行设定。首先为单相风流场的设定，相关参数：入口边界类型VELOCITY_INLET，出口边界类型OUTFLOW，湍流动力能量0.8 m2/s2，湍流扩散比率0.8 m2/s3。在计算其收敛后，再进行离散相粉尘源的求解，粉尘源相关参数：粒径R-R分布，最小粒径8.58×10-7m，最大粒径2.218×10-5m，中位径4.701×10-6m，初始速度0.05 m/s，质量流率0.02 kg/s。计算时选择瞬态求解器和标准k-ε模型。

3 风流场仿真模拟最优方案的确定

为了确定最优的长压短抽式通风方案，结合付村煤矿综掘工作面的实际情况，通过数值模拟仿真来确定压风口与掘进头距离、抽风口距掘进头的距离以及压抽风量比3个参数，最终确定最优的风流场模拟方案。

3.1 压风口与掘进头距离对风流场的影响分析

根据煤巷综掘工作面的实际情况，设定基础压风量为500 m3/min，基础压抽比为1.15∶1，抽风口与掘进头的基础距离为3 m。

在研究压风口与掘进头距离对风流场运移的影响时，首先设定煤巷断面积为19.8 m2，模拟压风口距掘进头分别为5 m、10 m、15 m、20 m及25 m。煤巷压风口与掘进头不同距离风流场运移模拟结果如图3所示。

由图3可知，随着压风口与掘进头距离的增大，在风流漩涡与抽风口之间形成了均沿压入风流负方向流动的风流场，在压风口与掘进头距离由5 m逐渐增大至25 m的过程中，当压风口距掘进头20 m时形成了沿压入风流负方向流动的控尘风流场，风流的流动逐渐趋向均匀；同时，压风口与掘进头距离越大，压风在巷道内的扩散就更为充分、均匀，但在25 m时，形成的风流场较稀疏，无整体性。因此，选定压风口距掘进头20 m为煤巷综掘工作面其他风流场及气载粉尘两相流场运移的数值模拟基本条件。

图3 煤巷压风口与掘进头不同距离风流场运移模拟结果整体图

3.2 抽风口与掘进头距离对风流场的影响分析

根据已确定的压风口距掘进头的距离并结合煤巷综掘工作面的实际情况，基础条件不变：压风量为500 m3/min，基础压抽比为1.15∶1，压风口与掘进头的基础距离为20 m。设定抽风口距掘进头分别为2 m、3 m、4 m及5 m。煤巷抽风口与掘进头不同距离风流场运移模拟结果如图4所示。

图4 煤巷抽风口与掘进头不同距离风流场运移模拟结果整体图

由图4可知，在抽风口与掘进头距离由2 m增大至5 m的过程中，形成的均压入风流负方向流动的风流场距掘进头越近，其变化幅度越小；由图4(b)可以看出，在抽风口与掘进头距离3 m时，沿压入风流方向流动的风流距抽风口最近，说明抽风口在距离掘进头3 m时，能够将形成的风流很好地控制在抽风口的前部。当抽风口距掘进头3 m时，风流场在掘进机后部形成了涡流风流场，有利于风流在掘进机周围的循环；同时在抽风口距掘进头3 m时，风流场扩散较充分且聚集在压风口之前，利于风流再循环。

因此，选定抽风口距掘进头3 m为煤巷综掘工作面其他风流场及气载粉尘两相流场运移的数值模拟基本条件。

3.3 不同压抽风流参数条件下的流场分析

根据前文确定的压风口及抽风口距掘进头的距离分别为20 m、3 m，设定压风量为500 m3/min，压抽比分别为1.10、1.15、1.20、1.25及1.30，对应的参数见表2。不同压抽比条件下风流场运移模拟结果见图5，不同压抽比下抽风口水平截面风流图见图6。

表2 不同压抽比风流参数设定

随着压抽比的增大，压风量不变，抽风量逐渐减小，形成的沿压入风流方向流动的风流场与掘进头距离也逐渐由压抽比1.10、抽风量约454.5 m3/min时的7.22 m增至压抽比1.30、抽风量384.6 m3/min时的8.68 m，这说明压抽比的增大即抽风量的减小有利于形成沿压入风流方向流动的控尘风流场；在距掘进头5 m处，不同压抽比均可形成均沿压入风流方向流动的控尘风流场，且在压抽比为1.15∶1时风流场已扩散分布较均匀，且风流均分布在压风口至掘进头的范围内，因此，选定压抽比为1.15∶1煤巷综掘工作面其他风流场及气载粉尘两相流场运移的数值模拟基本条件。

图5 不同压抽比条件下风流场运移模拟结果整体图

图6 不同压抽比下抽风口水平截面风流图

4 综掘工作面气体—粉尘颗粒两相流运移规律的数值模拟分析

在煤巷综掘工作面的风流场模拟基本边界条件确定的基础上设置粉尘源主要参数：粉尘粒径呈Rosin-Rammler分布，颗粒轨道跟踪次数为3200，积分时间尺度常数为0.23，收敛精度为0.001，对所确定的风流参数条件下气载粉尘流场的运移规律进行数值模拟。煤巷气载粉尘流场运移模拟结果如图7所示，粉尘浓度曲面如图8所示。由图7可知以下结果。

(1)靠近掘进工作面处粉尘质量浓度较高，最高达359 m/m3，在X=0～5 m巷道断面中部位置大部分区域，粉尘质量浓度较高，维持在200 mg/m3左右，在X=5～8 m巷道断面中部位置大部分区域粉尘浓度较小，从X=8 m起粉尘开始向巷道全断面扩散，粉尘质量浓度逐渐增大，这是由于压入式风筒引起的旋流风所致，从X=18 m开始沿程逐渐减小。

(2)在靠近掘进头处平均粉尘质量浓度明显高于掘进机司机处平均粉尘质量浓度；由于受空气流动影响和较大粒子自身的重力影响，从掘进面至抽出式风筒吸风口3.5 m左右的作业空间内，巷道底板处的粉尘质量浓度高于巷道其他处的粉尘质量浓度，底板处粉尘质量浓度为340 mg/m3。

图7 煤巷气载粉尘流场运移粉尘浓度分布图

图8 粉尘浓度曲面图

由图8可知：粉尘为300 mg/m3以上浓度的均集中在掘进头部分，综掘工作面中100 mg/m3以上高浓度粉尘的扩散距离主要集中在压风口与掘进头之间，巷道内粉尘浓度较低，此时的控尘效果明显。

5 结论

(1)基于FLUENT数值模拟，建立了简化的付村煤矿综掘工作面通风模型，通过对其长压短抽风筒距掘进头的距离以及不同风量分配进行了对比，最终确定了最优的通风方案：压风口距掘进头20 m，抽风口距掘进头3 m，压抽比为1.15∶1(压风量为500 m3/min、抽风量为436 m3/min)，此时形成的风流场的控尘效果最佳。

(2)从综掘工作面气体—粉尘颗粒两相流运移规律的数值模拟结果表明：粉尘浓度300 mg/m3以上的主要集中在掘进头部分，然后沿程逐渐降低，粉尘浓度为100 mg/m3以上范围的粉尘集中在压风口前部，通过涡流风流场，由抽风口可以将绝大多数的粉尘排出，有效控制和减少了工作面粉尘。

(3)采用数值模拟的方法进行通风系统最优化方案的确定，可以最大程度地减少人力、物力以及经济的投入，且能取得较好的粉尘防治效果，降低了矿井粉尘的危害，具有一定的经济效益与社会效益。