综采面粉尘运移规律与通风降尘方式研究

黄 正 华

（同煤集团挖金湾煤业公司防尘队，山西 大同037001）

0 引 言

综采工作面是煤矿井下粉尘污染最重的区域，粉尘污染的严重程度随着机械化的提高而增加[1-2]。矿井下高浓度粉尘可能导致爆炸的发生，也会威胁井下员工的身体健康，所以，开展粉尘治理，降低粉尘含量对于煤矿生产安全和工人身体健康具有重要意义。

山西省挖金湾煤矿301#矿井开采部分采用通风方式为压入式风筒。《煤矿安全规程》规定工作面粉尘含量为6mg/m3，该煤矿巷道内粉尘含量300 mg/m3，远远大于规定的安全浓度。开展综采面的数值模拟研究，利用软件ANSYS 分析粉尘含量，将模拟分析的结果和测量所得的粉尘含量结果对比。选择合适的降低粉尘含量的方式，改善煤矿通风环境，提高煤矿安全生产的可靠性。

1 建立数学模型与设置边界条件

1.1 数学模型的建立

为了研究矿井中颗粒的运动规律，实现更好的通风降尘，结合欧拉方程，建立拉格朗日数学模型，对微尘作用下运动的微分方程求解，得出颗粒运动轨迹。

1）连续方程。

式中：ρ为连续相密度，单位kg/m3；x,y,z为质点坐标，单位m；t为时间，单位s；v,u,w在x,y,z 轴的速度分量，单位m/s。

2）标准K-ε 方程。

矿井中粉尘的运动形式为湍流，运动过程中，满足动能K 方程为

式中：k为湍流时产生的动能，单位为J；ai、aj为坐标位置（i,j=1，2，3，表示x，y，z 3 个不同的方向），单位是m；u为微尘沿方向a 运动的速度，单位是m/s；μ为动力黏度，单位是N·s/m2；μ为微尘湍流黏度系数，无量纲；σ为试验常数，取1.0；Gb为巷道内微尘浮力产生的湍流能量效率；Gk为微尘速度梯度产生的湍流能量效率；ε为微尘湍流耗散率；Sk为用II；YM为II 产生的的湍动。

湍流耗散率ε 方程为

式中：C1ε，C2ε，C3ε，σ 为粉尘含量测试的常数，取1.44，1.92，0.9，1.3。

1.2 建立几何模型

煤矿井下巷道结构复杂，巷道通风部位为圆柱体，煤矿综采面与巷道周围理想化为平面，巷道中气管、水管对粉尘运动速度和运动方向的影响忽略不计。结合综采面真实情况，建立仿真分析几何模型所用软件为ANSYS，如图1 所示。

图1 巷道几何模型

建立的几何模型高3.4m，长为50m，宽为5.4m。通风口距地面1.5m，能够满足粉尘扩散，距离较近侧壁面1.2m，直径0.8m。

1.3 设置边界条件

进行网格划分，然后导入仿真模拟软件，选择离散相瞬态模型，详细的模拟参数设置见表1。

表1 设置仿真运行的模拟参数

2 数值模拟结果分析

2.1 巷道粉尘下降规律

开展采掘工作面的分析，选择不同的底板离（Y=1，1.5，2m）和煤岩不同距离（X=5.4，4.2，2.7，1.2m），分析仿真所得云图如图2 所示。

图2 距离煤岩壁不同距离的粉尘分布云图

图中Z代表所在位置与工作面之间的距离。由图2 可知，粉尘在矿井巷道内的分布不规律，粉尘沉降速度大小与其密度有关，浓度越高的粉尘且高浓度粉尘沉降较慢。巷道中的粉尘较多的聚集在远离风筒的截面（X=1.2m）附近区域，其他区域（X=1.2，2.7m）粉尘也较多。粉尘积聚不均匀的原因是，粉尘随风扩散，风速降低，粉尘开始下降。压风筒形成一个高压区域，风的流动带着粉尘扩散，在于工作面距离10～20m 的区域沉降。在巷道区域（X=4.2m，X=5.4m）处粉尘较少，风速导致扩散较大。

距离底板不同距离（Y=1，1.5，2m）的粉尘分布云图如图3 所示。

图3 距离底板不同距离粉尘分布云图

由图3 可知，粉尘在巷道中下降的速度不一样，不同区域表现出明显的不同，高浓度粉尘沉降至1m以下在巷道中部（Z=25m），粉尘扩散至该地区才全部沉降，粉尘沉降缓慢的区域在风筒附近。与风筒距离较近（X＞2.7m）粉尘浓度较低，该区域受风筒作用的影响，颗粒下沉较慢，细小颗粒多分布再空气中。

2.2 粉尘浓度实测对比

测量巷道粉尘浓度，测量工具为浓度测量仪，型号为IFC-2 防爆型，该仪器测量矿井内粉尘浓度的准确性较高。测量时选择合适位置，测量高度1.5m，选择多个测量点，不同测量点之间距离5m，多次测量求得平均值。将现场测量的结果与数值模拟结果对比分析，如图5 所示。

由图5 可知，距离工作面远近不同，颗粒含量不同。距离工作面4m 处，煤矿井下粉尘含量为1 546mg/m3，5m 处所测含量为1 532mg/m3；随着距离工作面的高度增加，粉尘浓度降低，在距工作面5～10m，粉尘浓低至400mg/m3，粉尘在通风方向浓度更低，距离工作面40m 处，粉尘浓度维持在30mg/m3，并随高度增加，浓度降低幅度减小。现场测试显示，仿真结果与测试基本吻合，证明数值模拟具有一定的可靠性。

图4 模拟数据与测量点测得数据对比

3 除尘效果实际验证

引入2 种不同的通风方式，即短压长抽式和长压短抽式，比较其通风方式的降尘效果，将工作面的实际情况考虑在内，通风呼吸带和粉尘采集分析仪如图5、图6 所示，风筒参数设置如表2 所示。

图5 通风呼吸带范围图

图6 粉尘浓度分析仪

表2 风筒参数设置

为了研究粉尘对作业人员的影响，取不同通风方式下巷道中部的粉尘浓度模拟结果进行对比，结果如图7 所示。

对比图7（a）、（c），对于短压长抽式通风方式，距离工作面5m，巷道中粉尘扩撒最快，通风方式最优，粉尘浓最低。

对比图7（b）、（d），对于长压短抽式通风方式，巷道粉尘最低处位于距离工作面15m 时，粉尘下降速度较慢；出风口于工作面距离不同，粉尘浓度不同，当距离工作面5m 时，粉尘浓度降低速度较快，除尘效果好，距离工作面15m 降低到低水平，是一种较好的除尘通风方式。

图7 粉尘浓度随通风方式改变

对比图7（a）、（b）可知，巷道通风方式选择长压短抽式效果更优。2 中不同的通风方式均能将粉尘降低到6mg/m3以下，距离工作面20m 内，通风方式均可发挥较好效果。

通过仿真分析和试验对比可知，长压短抽式除尘效果好，出风口距离工作面5m 时，煤矿粉尘消除较快，粉尘浓度降低到6mg/m3以下，巷道中粉尘浓度达到安全标准，煤矿井下环境得到改变。

4 结 论

1）巷道通风方式采用压入式，粉尘较大，很多粉尘悬浮在巷道中，不能快速扩散，沉降速度慢，对于煤矿的安全生产不利，存在较大安全隐患。

2）通过仿真分析和实地测量，对比得出最优通风方式为长压短抽式通风，风筒出风口距离工作面5m 时，能够实现快速除尘，巷道中粉尘浓度可降低到6mg/m3以下。