不同通风方式及压风量下的掘进工作面风流粉尘分布规律研究

褚新龙，魏 伟，龙在海，蒋晨旺，刘 强，聂 文

（1.国家能源集团新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；3.山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590）

随着采煤技术的不断进步，国家对安全生产越来越重视，采煤过程中的粉尘防治也越来越重要。随着岩巷综掘工作面综合机械化程度的不断提高，生产现场的产尘量也急剧增加，同时尘源复杂多变，难以控制，严重污染了作业工人的作业区域[1]。大量粉尘的存在，不仅污染作业环境，还大大增加了现场工人患尘肺病的概率，严重威胁着作业人员的身心健康以及矿井安全、高效的生产[2]。现阶段国内外学者已对急倾斜厚煤层煤矿岩巷综掘工作面粉尘的治理进行了相关的研究，取得了较多的研究成果。戚险峰等[3]运用实验手段证明了混合式通风方式降尘效果的有效性；杜翠凤等[4]使用Fluent 模拟了单一压入式与混合式通风方式下的粉尘运移情况；任新锋[5]研究了吸风口离迎头距离对混合式通风方式控尘效果的影响。但是很少有学者对不同通风方式及通风风量进行较为全面的模拟。因此，以乌东煤矿西区掘进工作面为工程背景，使用Ansys Fluent对不同通风方式下的风流粉尘运移规律进行模拟，并与现场实测数据进行对比，为安全生产提供理论支撑。

1 数学模型的建立

综掘工作面风流流动较为复杂，风流处于湍流状态，因此使用湍流模型对此进行表征。建立新型气相湍流－颗粒相湍流的双流体数学模型，该模型将是EULERIAN-EULERIAN 模型与EULERIAN-LAGRANGIAN 模型的组合，集中了连续介质模型和颗粒轨道模型各自的优点。建成以上模型后，将首先基于有限容积法，利用混合差分格式对偏微分方程组进行离散化，然后利用混合差分格式和基于同位网格的SIMPLE 算法对岩巷综掘工作面风流场运移及粉尘流场扩散状况进行数值解算[6-8]。对比分析了几种常见的湍流模型后，选择了标准K-Epsilon 模型。

1.1 标准-模型的输运方程

式中：ρ 为流体密度，kg/m3；k 为湍动能，m2/s3；t为时间，s；ui为瞬间速度，m/s；xi为i 张量坐标x 方向的速度，m/s；xj为j 张量坐标x 方向的速度，m/s；μ为流体的分子黏性系数；μt为涡黏性；σk为k 方程的紊流普特朗数，取1.0；Gk为平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb为浮力影响引起的湍动能产生；ε 为紊流耗散率，m2/s3；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。

式中：σε为湍动耗散率对应的普朗特数，取1.3；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数，取1.44、1.92、0.09。

1.2 粉尘作用力平衡方程

式中：up为颗粒速度，m/s；FD为曳力，N；u 为相续连速度，m/s；gx为x 方向重力加速度，m/s2；ρp为颗粒密度，kg/m3；Fx为x 方向的其他作用力，N。

式中：dp为颗粒直径，m；CD为曳力系数；Re 为相对雷诺数。

2 物理模型的构建

1）巷道几何模型。根据乌东煤矿掘进工作面作业规程，运用SolidWorks 建立了压入式以及混合式通风系统下的掘进巷道简化后的几何模型。巷道为拱形，高4.1 m，宽3.2 m，拱半径1.5 m。选用φ0.8 m 的风筒。

2）边界条件与网格划分。使用CFD-ICEM 软件对乌东掘进工作面进行网格划分，将压风筒与抽风筒的风口设定为速度入口边界，巷道尾部设定为速度出口边界。为了得到更加准确的模拟结果，对掘进机周围以及风筒周围进行了局部的网格加密。总网格数为1 351 237，网格局部图如图1。

图1 网格局部图Fig.1 Local grid diagram

3）模拟参数设定。根据对现场的实际观测，对模拟的边界条件进行了设定，假设风流为低速不可压缩流体，密度符合近似假设，巷道壁面粗糙度均匀，所有壁面施加无滑移边界条件。计算湍流模型为标准K-Epsilon 模型，开启能量方程，采用SIMPLE 算法，待模拟完毕后，使用CFD-Post 对结果进行分析[9-11]。具体边界条件设定如下：压风量为300 m3/min，抽风量为250 m3/min，粉尘初始速度为10 m/s，压风口边界类型velocity-inlet，巷道末端边界类型pressure-outlet。

3 模拟结果

为了更加清晰看出不同通风方式及压风量对掘进工作面除尘效果的影响，结合工作面的实际情况，先采用压入式通风，然后采用混合式通风法，压风量均为300 m3/min，观察两者的风流粉尘运移规律，得到较优通风方式后，改变其压风量，观察不同压风量下粉尘分布规律，寻找最佳的压风量。

3.1 不同通风方式对风流速度的影响

不同通风方式下的风流运移图如图2。

图2 不同通风方式下的风流运移图Fig.2 Air flow movement diagram under different ventilation modes

由图2 可以看出，在压入式的通风方式下，风流运移情况较为简单，风流经压风口流出后撞击迎头，形成回流；因为受到压风口的影响，在掘进机工作区域形成了1 个较大的涡流场，大部分风流逃逸至巷道中后部，因为巷道后部没有风机，所以风流自由扩张，沿直线运移到了巷道末尾；而在混合式通风方式下，风流运移情况变得更加复杂，风流经压风口流出后撞击迎头，受到压风口与吸风口的卷吸作用，在掘进机工作区域形成了多个涡流场，大量气流经吸风面吸入，少量气流从地板及侧壁面逃逸至巷道中后部，因为前后压强差，风流被压回前侧，从而导致巷道后部风流紊乱。

3.2 不同通风方式对粉尘运移的影响

不同通风方式下的掘进面风流粉尘运移如图3。

由图3 可以看出：压入式通风方式的情况下，因为风流走向单一，粉尘没有得到控制，大量粉尘随着风流被压入整个巷道，高浓度粉尘遍布整个巷道，工人作业环境受到严重污染；而在混合式通风方式的情况下，可以看出粉尘被控制在了巷道前部，高浓度粉尘集中在巷道顶部，迎头粉尘浓度与工作区域粉尘浓度较低。可以看出采用混合式通风后，粉尘扩散得到了有效的控制。因此，在后续分析中，采用混合式的通风方式进行研究。

图3 不同通风方式下的粉尘运移规律Fig.3 Dust migration law under different ventilation modes

3.3 不同压风量下的粉尘运移规律

因为工作区依旧存在粉尘浓度较高的区域，为此，改变压风量的大小进行风流粉尘模拟。固定抽风量为250 m3/min，压风量为150、200、250、300、350、400 m3/min，不同压风量下的粉尘运移规律如图4。

图4 不同压风量下的粉尘运移规律Fig.4 Dust migration law under different air pressures

当压风量为150、200 m3/min 时，因压风量过小，风速较低，粉尘无法通过除尘风机进行较快速度的净化，出现了堆积现象，导致巷道前部布满高浓度粉尘，不利于工人作业。

当压风量为250 m3/min 时，因为此时压风量等于抽风量，巷道内前后无风速差，控尘效果减弱，导致高粉尘扩散距离变大。同时因为压风口的作用，巷道左侧粉尘扩散距离远大于右侧。

当压风量为350、400 m3/min 时，因为压风量过大，吸风口无法快速过滤污风，导致部分粉尘随风流向巷道后部扩散，随着时间的推移，粉尘集中在巷道左侧底部沉降。

当压风量为300 m3/min 时，可以看出高浓度粉尘区域较小，大部分空间为低浓度粉尘区域，适合工人进行作业。

为了得出压风量与粉尘运移的系统结论，将高浓度粉尘的扩散最远距离与压风量作为变量，得出两者之间的线性关系。不同压风量下的高浓度粉尘扩散距离如图5。

图5 不同压风量下的高浓度粉尘扩散距离Fig.5 Diffusion distance of high-concentration dust under different air pressures

由图5 可以得出拟合关系：

式中：y 为粉尘扩散距离，m；x 为压风量，m3/min。

4 现场实测对比

为验证模拟的准确性，设压风量为300 m3/min，抽风量为250 m3/min，根据与迎头距离的不同，选择6 个断面，分别距离迎头1、5、10、20、30、50 m，每个断面设置1 个测点进行现场实测，巷道测点分布情况如图6，断面粉尘浓度分布图如图7。

图6 巷道测点分布情况Fig.6 Distribution of measurement points in the roadway

图7 断面粉尘浓度分布图Fig.7 Distribution diagram of broken flour dust concentration

等待作业进行5 min，风流场稳定后，使用风速测量计测得风速，同时使用矿用粉尘采样器测得粉尘浓度，同一测点多次测量取平均值。测量完毕后记录数据，现场实测风流速度和粉尘浓度与数值模拟对比见表1。

表1 现场实测风流速度和粉尘浓度与数值模拟对比Table 1 Comparison of measured air flow velocity, dust concentration and numerical simulation on site

可以看出，误差控制在13%以内，证明了模拟的有效性。当压风量为300 m3/min 时，作业区的高浓度粉尘较少，适合工人作业。

5 结 语

1）不同的通风方式对巷道内的风流粉尘运移有较大影响。压入式通风时，粉尘无法得到有效的控制，而混合式通风的情况下，粉尘得到了较好的控制。

2）在混合式通风的情况下，固定抽风量为250 m3/min，改变压风量观察粉尘运移情况，结果显示当压风量为300 m3/min 时，高浓度粉尘距离巷道迎头26.7 m，控尘效果最佳。

3）为了验证模拟的准确性，在现场进行了风速与粉尘浓度的测量，发现平均相对误差控制在13%以内，模拟结果真实有效，可以将模拟得到的结论作为粉尘运移研究的参考。