半封闭水雾降尘过程中粉尘运移规律的研究

胡 伟，司俊鸿，邵意添，侯佳音，李 潭

(1.华北科技学院 安全工程学院,北京 东燕郊 065201;2.华北科技学院 应急管理与技术学院,北京 东燕郊 065201)

0 引言

近年来，随着煤炭产量的迅速增长和矿井生产能力的逐年提升，煤炭粉尘所造成的井下生产安全事故也日益增加。在粉尘、高温、噪声、有毒有害气体等煤矿主要职业病危害因素中，由粉尘引起的尘肺病占比最高，煤矿新发尘肺病占煤矿新发职业病比例超过70%，占全国新发尘肺病比例高达55%以上[1]。因此，煤矿粉尘是当前煤矿最主要的职业危害因素[2]。所以为了降低粉尘对煤矿工作所造成的危害，我们有必要了解井下粉尘产生和运移规律，这对于煤矿粉尘治理工作具有重要意义。

目前主要的防尘技术有注水防尘[3]、通风除尘[4-5]、除尘器除尘[6]、喷雾降尘[7]、空气幕隔尘[8]、化学除尘以及个体防护七大类。但是在这七类防尘措施当中，由于受各自技术特点的影响，在井下安装、适用范围、污染物残留和应用条件等因素的综合考虑下，喷雾降尘是目前工作面除尘工作当中，应用最为广泛和综合效果最好的技术手段。

喷雾降尘技术已有大量学者从不同方面进行了研究。文献[9-11]对空气雾化喷嘴流量特性、雾化粒度的空间分布规律及影响因素开展了实验研究。还对气水喷雾雾化特性与喷雾降尘效率进行了全面的理论研究，还分析了粉尘中位径及粒径分布指数对降尘效率的影响。文献[12-13]等采用Fluent软件的粒子追踪技术，对掘进工作面产尘过程中的粒子运移规律进行了大量模拟研究，仔细分析了粉尘颗粒在矿井掘进过程中的分布规律。文献[14]探究了喉管直径、扩张角及气——液体积等物理参数对拉瓦尔式结构喷嘴雾化性能的影响规律。目前喷雾降尘技术主要应用于采煤机滚筒割煤、装煤及移架过程，对于皮带转载处多采用封闭技术。由于井下皮带转载点是皮带通廊内粉尘的主要贡献源[15]，故本文从皮带转载点的粉尘控制的角度出发[15-16]，通过研究半封闭空间内的粉尘运移规律，在气水喷雾的基础上，提出了半封闭空间的水雾降尘技术，为工作面局部降尘工作提供指导。

1 矿井水雾防尘装置

矿井水雾防尘装置主要是采用自动化喷雾和半封闭式防尘罩联合降尘的方式，通过内置传感器反馈数据置控制中枢，来控制喷雾的压力大小，在半封闭空间内消除大部分粉尘，以此来达到转载点降尘的目的。

采用半封闭式的防尘罩设计是为了防治防尘罩内瓦斯聚集的现象发生，但在使用过程中，皮带进出口以及上部出风口处会产生大量粉尘，这些粉尘扩散到巷道内，会严重污染工作面工作环境。为了研究装置内的粉尘运移规律以及减少粉尘从未完全封闭的防尘罩中扩散到工作面的现象，本文通过Fluent软件对矿井水雾防尘装置进行模拟，拟找出装置空间内的粉尘运移规律，再通过水雾喷头安装位置的调整，从而提高水雾防尘的工作效率。并与柴家沟42222工作面转载处实际现场实测数据进行比对，从而以检验除尘效果。矿井水雾防尘装置整机结构如图1所示。

图1 矿井水雾防尘装置主要结构示意图

2 装置模型建立

2.1 矿井水雾防尘装置模型建立及其网格划分

利用SolidWorks三维建模软件建立矿井水雾防尘装置除尘时的瞬态物理模型，在对其网格化划分过程中省去对粉尘运移规律影响不大的结构，根据不同网格划分技术特点，对装置内部空间进行组合网格划分[17]。简化后的模型结构和网格划分后的模型空间如图2所示。此次网格划分共得到1593个网格。

图2 简化后的结构模型和其网格划分

整个水雾防尘装置尺寸为1.5 m×1.5 m×1.5 m的梯形，在梯形的后方和侧方各开一个1 m×2 m的漏风口，模拟防尘罩与皮带之间无法密封的部位，机身上方有一个0.5 m×1 m的防止瓦斯聚集的气体出口。

2.2 模型及边界条件设置

合理的边界条件能够防止流场发散，加速计算速度，同时保证计算结果的合理性，主要边界条件设置有入口风速及粉尘源[18]。机身内空间设置reflect固体反弹面，模拟煤粉在防尘罩内与内壁在相互作用力结果下的的运动轨迹。设置‘入口1’和‘入口2’为速度边界模型，设置‘入口2’为面喷射源，喷射源入射速度为30 m/s，粒子直径为0.002 m。喷射源类型设置Coal-hv无烟煤，重力设置为y方向的-9.81 m/s2。

在ANSYS ICEM CFD中初步设置几何模型的边界条件之后，将该模型导入Fluent当中设置求解类型、喷射源参数、湍流模型、离散相模型等计算模型参数设置，具体设置参数如表所示。其中，由于气固两相流是不可压缩的，采用非耦合隐式求解法[19]在空气中运动设置离散型模型描述流场对煤粉运行的影响，在拉格朗日坐标系下模拟流场中的煤粉颗粒，采用k-ε湍流模型求解混合相的动量方程、第2相的体积分数方程以及相对速度的代数表示，离散方法采用有限体积法，在考虑湍流对离散相轨迹的影响时主要考虑颗粒运动的随机性，选择随机轨迹模型[20-22]，具体数值模拟参数设置见表1。

表1 数值模拟参数设置

3 数值模拟结果及分析

对模型中的流场分布和粉尘分布进行数值模拟研究，Fluent软件解算直至模型收敛，得到模型内的粉尘运行轨迹。三视图截面取各方向的0.75 m处的截面，且由于模型的Y-Z面和X-Z面具有对称性，故在选择研究面时选择了模型的X-Y面进行研究，截取了Z方向0.75 m处的截面。由图3、图4可知，受湍流效应的影响，在重力和模型内壁对粉尘颗粒的相互作用力的共同作用下，粉尘运行主要轨迹集中在装置的下部，且在两个漏风口处形成涡流，涡流粘度如图所示最大能达到0.37 Pa，对粉尘降粉尘主要集中在下方皮带和装置的缝隙处，可以在下方皮带的下部安装清洗喷头，沉降粉尘可随着水流通过装置底部的排水孔流入巷道内。

图3 粒子运行轨迹三视图

图4 涡流粘度云图

由图可知，喷射源正对的模型内壁，其受喷射源射出的煤粉作用，壁面所受的压力最大达到459 Pa，在壁面湿润条件下，粉尘会更多的聚集到该壁面上，但由于粉尘冲击力的影响，极易造成喷头堵塞的现象，故在上方皮带加装面朝该壁面的喷头，在装置运行过程中，由于喷头对壁面的浸润作用，会使煤粉更快的贴附在壁面上，提高除尘效率，模型所受压力云图如图5所示。

图5 压力分布云图

图6为模型内部的粉尘运行速度云图，由图可知在漏风口附近粉尘运行的速度会达到2.7 m/s，这会对湿式除尘的效果产生较大的影响，由于粉尘此时的动能较大，故应当在皮带出口处和入口处加装向内喷射的水雾喷头，用喷头射出水雾的动能抵消粉尘在漏风口附近的动能，从而达到更好的除尘效果。

4 现场应用

通过数值模拟的结果，我们在原有装备的基础上对其进行改进。我们在装置下方皮带下部的位置安装了清洗沉降粉尘的清洗喷头，同时在上方皮带加装面向壁面的水雾喷头，最后在装置的进出口部分各加装了两个水雾喷头，防止粉尘从进出口处散出。

为了充分地试验转载破碎机降尘设备的应用效果，在柴家沟井42222综采面现场进行试验，将粉尘测试仪器分别安装在转载破碎机进煤口，破碎机观察眼处以及转载机出煤口，在转载机出口处测点测得的全尘和呼尘的浓度分别由258.00 mg/m3和85.70 mg/m3降低到32.40 mg/m3和9.20 mg/m3，全尘的降尘率为87.44%，呼尘的降尘率为89.26%，具体数据见表2。

现场实测效果表明，改进后的矿井水雾防降尘装置在工作过程中，所添加的水雾喷头工作状况良好，达到了数值模拟的预期，进出口的水雾喷头能够有效将溢出防尘罩的粉尘迅速沉降，所添加的清洗喷头会将沉降的煤尘溶解入水后通过排水孔排入巷道内。经过矿井水雾防尘装置的多级降尘处理过后，由转载点产生并且扩散到工作面的粉尘浓度大大降低，在很大程度上改善了工作面转载点处的工作环境，且装置运行效果良好，没有出现喷头堵塞的现象，安装的清洗喷头也在一定程度上解决了后期装置的维护工作。

5 结论

(1) 受湍流作用、重力和内壁与粉尘的相互作用力的影响下，粉尘在装置两个漏风口出形成涡流，能够将大量漂浮粉尘捕捉在装置内部。故在漏风口附近加装向内的水雾喷头能够提高粉尘的沉降，同时在降尘集中的区域，如下方皮带和装置的缝隙处加装清洗喷头，能够提高除尘效率。

(2) 由于喷射源射出的粉尘动能较大，故喷射源正对装置内避免所受的压力也较大，在上方皮带下部加装面对该壁面的喷头能够在浸润作用的影响下使的粉尘更多的贴附在壁面上，从而减少了粉尘的产生。

(3) 矿井水雾防降尘装置可以有效的控制转载破碎机处尘源煤粉扩散问题，全尘的降尘率为87.44%，呼尘的降尘率为89.26%。