运输巷道内车辆对粉尘运移的数值模拟研究

李 敏，洪寅峰，任帅帅

1安徽理工大学安全科学与工程学院 安徽淮南 232001

2山西潞安环保能源开发股份有限公司 山西长治 046000

3辽宁工程技术大学安全科学与工程学院 辽宁阜新 123000

我 国是煤炭生产消费大国，在清洁能源消费占比逐年增大的大环境下，煤炭能源在全部能源占比中仍超过半数，在可预见的未来，煤炭能源在我国能源消费中仍占据重要位置[1-4]。煤炭的安全开采关乎我国能源安全以及社会正常运转，在煤炭开采过程中矿井粉尘危害严重，不仅影响设备使用，还对生产工人的健康产生极大伤害，矿井粉尘防治在煤矿安全生产中具有重要意义[5]。

随着机械化、智能化在各个行业的普及，煤矿运输巷道的车辆日益成为矿井必不可少的一部分，针对运输巷道内车辆行驶时底板扬尘和粉尘运移的研究不充分[6]。笔者针对运输巷道内车辆不同方向行驶时和不同风速下车辆行驶时的粉尘运移进行研究，为煤矿运输巷道内的粉尘治理提供理论支持。

1 运输巷道粉尘研究

行驶的车辆对地面粉尘的扬起作用众所周知，当车辆经过干燥的具有粉尘的路面时，地面的粉尘因为车辆的行驶会大量扬起污染周围环境，同时对车辆所能影响到的非地面等物体表面粉尘也具有扬起作用，所以车辆经过表面具有干燥粉尘的路面或是物体时在车辆周围一定范围内的粉尘污染较为严重[7-8]。矿井巷道为受限空间，顶底板及巷帮在风流和车辆运行冲击下构成一个新的风流分布，比非受限空间受到的冲击更大，因此车在受限巷道中运行对底板扬尘及粉尘在有车辆运行的巷道中运移和分布有何影响以及影响程度如何成为必要的研究内容。

车辆运行对底板扬尘以及巷道中粉尘运移分布的影响主要是车辆运行所能影响到的一定范围内起气流速度重新分布，构建一个新的气流场，从而导致底板和巷帮甚至顶板粉尘的扬起发生一定的变化，从而也会影响粉尘在巷道内的运移及分布[9]。研究巷道中车辆运行对扬尘以及粉尘运移分布的影响最为直接和准确的方法是现场实测，但是现场实测需要极为精确的高速成像仪器设备和较为强大的图像分析处理功能，同时井下环境对这些高精仪器的使用也存在很多限制，现场实测存在较大的难度，可操作性不强，因此建立合理数学物理方程，使用数值模拟软件进行数值模拟成了研究该问题的关键手段[10]。

2 数学模型

2.1 湍流模型

采用k-ε湍流模型计算其湍流流动的瞬态变化。假定运输巷道内流动的气体为不可压缩气体，则续性方程为

式中：ρ为密度，kg/m3；u为风速，m/s；∇(·) 表示求散度；-pl为雷诺应力，N；µc为层流黏性系数，Pa·s；µT为湍流黏性系数；∇u表示为u的梯度；F为其他外力，N。

假设装置内气体不可压缩，湍流动能k的方程式可表示为

式中：k为湍流动能，J；σ k为湍流动能k的普朗系数；∇k表示求k的梯度；Pk为平均速度梯度引起的湍流动能生成项；ε为耗散率。

湍流耗散率ε方程为

式中：σε为耗散率ε的普朗系数；试验常数cε1=1.44，cε2=1.92，cµ=0.09，σk=1.0，σk=1.3。

2.2 曳力模型

运输巷道粉尘粒子主要受到巷道内风流的影响，其重力可忽略不计，所以可以使用 Schiller-Naumann曳力模型进行计算。

式中：FD为曳力，N；τp为剪切应力，N；mp为粒子质量，kg；u、v分别为风速和粒子运动速度，m/s；ρp为粒子密度，kg/m3；dp为粒子直径，µm；µ为气体动力黏度，Pa·s；CD为曳力系数；Rer为雷诺数；ρ为流体密度，kg/m3。

3 巷道几何模型和网格划分

3.1 几何模型

数值模拟车辆行驶速度对底板扬尘及巷道粉尘运移、分布的影响时，巷道几何模型如图1 所示。巷道长度设置为 50.0 m，巷道高 4.5 m，宽 4.8 m；车辆长 7.0 m，宽 2.0 m，高 2.2 m；风流速度设定为辅运巷的常见风速为 4 m/s，粉尘直径设置为 5 µm，粉尘密度为 1 650 kg/m3，风流密度为 1.29 kg/m3，风流温度为 25 ℃，风流相对湿度为 90%，空气动力黏度为1.8×10-5Pa·s。

图1 巷道几何模型Fig.1 Geometric model of roadway

3.2 网格划分

根据现场实际情况，考虑计算量和计算精度，对巷道几何模型进行网格划分，如图2 所示。网格包含17 205 个域单元、2 734 个边界单元和 281 个边单元。

图2 网格划分Fig.2 Grid division

3.3 模拟条件设定

按照模型参数进行模拟设置，边界条件和参数设定如表1 所列。

表1 边界条件和参数设定Tab.1 Boundary conditions and parameter settings

4 车辆行驶对扬尘及粉尘运移的影响

4.1 车辆顺风行驶对底板扬尘及粉尘运移的影响

车辆的运行分为顺风行驶和逆风行驶 2 种状态，由于同忻矿井下车辆运行限速，所以数值模拟时，其速度分别设置为 5、6、8、10 m/s。

图3 所示为不同车辆运行速度下，粉尘质量浓度在巷道中间沿z、x轴的分布。在车辆顺风行驶过程中，在车辆的前后一定距离处出现 2 个粉尘质量浓度较大值；风速相同但车辆速度不同时，最大值所在位置不同，且质量浓度也不同。

图3 顺风行驶呼吸带高度 zx 剖面粉尘质量浓度分布Fig.3 Distribution of dust mass concentration in zx profile of respiratory zone when driving along the wind

图4 所示，风速为 4 m/s，车速为 5、6、8、10 m/s 时，在车尾处粉尘的质量浓度比远离车尾处粉尘的质量浓度大，且在车后一定范围内粉尘质量浓度较大；在车的头部很小范围内粉尘质量浓度为零，之后粉尘质量浓度呈现递增趋势，达到一个最大值之后开始递减，之后逐渐在巷道长度方向趋于稳定。

图4 顺风行驶呼吸带高度 xy 剖面粉尘质量浓度分布Fig.4 Distribution of dust mass concentration in xy profile of respiratory zone when driving along the wind

图5(a)～ (c) 的粉尘质量浓度分布相似，都说明车辆运行对巷道扬尘及风力输运的影响，以上可以看出车辆在巷道内运行时，由于车辆运行的速度不同粉尘的浓度也不同，一般情况下，车辆速度越快扬尘强度越大，粉尘质量浓度也越大，车辆影响较大的范围在车前后方 25～30 m 范围内，图5(c) 粉尘质量浓度最大值分别为 85、50、90、120 mg/m3，图6 粉尘质量浓度最大值分别为 45、25、65、115 mg/m3。

图5 顺风行驶呼吸带高度粉尘沿程分布Fig.5 Dust distribution along respiratory zone when driving along the wind

图6 逆风行驶呼吸带高度 zx 剖面粉尘质量浓度分布Fig.6 Distribution of dust mass concentration in zx profile of respiratory zone when driving against the wind

4.2 车辆逆风行驶对底板扬尘及粉尘运移的影响

图6 所示，车辆逆风行驶过程中，粉尘质量浓度分布不同于车辆顺风行驶时的粉尘质量浓度，车辆逆风行驶过程中在车的尾部后一定范围内粉尘质量浓度最大，在车头的前方粉尘质量浓度大。

图7 所示为车辆逆风行驶，车辆尾部后方一定范围内粉尘质量浓度较大的趋势更加明显，同时在车头的前部一定范围内也出现了粉尘质量浓度较大的区域，但是与车辆顺风行驶过程车头前部粉尘质量浓度相比较低。

图7 逆风行驶呼吸带高度 xy 剖面粉尘质量浓度分布Fig.7 Distribution of dust mass concentration in xy profile of respiratory zone when driving against the wind

巷道中心呼吸带高度的粉尘质量浓度分布如图8 所示。由图8 可知，y＝0.5 m 处的分布趋势相似，粉尘质量浓度和距离也基本一致；y＝6.3 m 处的粉尘质量浓度分布，除去车辆所在位置处与以上两图不同之外，其他基本一致，说明车辆逆风行驶对粉尘的影响主要在车尾后 25～35 m 处达到最大。车辆顺风行驶过程中，粉尘在车辆的前后出现两个峰值，即“双峰”，分别在车前后 25～30 m 处，而车辆逆风行驶粉尘质量浓度是“单峰”，单峰位置出现在车辆的后部25～35 m 处，逆风行驶是“单峰”的粉尘最大质量浓度比“双峰”的最大质量浓度高 40～100 mg/m3。

图8 逆风行驶呼吸带高度粉尘延程分布Fig.8 Dust distribution along respiratory zone when driving against the wind

5 结论

通过模拟运行车辆对巷道扬尘及粉尘质量浓度的影响，得到如下结论。

(1) 车辆速度越大，对巷道的扬尘强度影响越大，并且车辆周围的粉尘质量浓度也较大，在车前后25～30 m 处，粉尘质量浓度最大，存在“双峰”现象；不同车速对粉尘质量浓度影响的范围相差不大，影响范围大约在车后 25 m 到车前 40 m 处，在这个影响范围以外，巷道的扬尘和风力输运受风流控制。

(2) 车辆逆风行驶粉尘质量浓度是“单峰”，单峰位置出现在车辆的后部 25～35 m 处，逆风行驶“单峰”的粉尘最大质量浓度比“双峰”的最大质量浓度高 40～100 mg/m3。

(3) 车辆顺风行驶过程中，风流速度越小，在车前后的两个最大值处，粉尘质量浓度越大；风流速度越大，粉尘在车前后分布在巷道长度和宽度上越广泛，在车头前部粉尘质量浓度递增到最大值后递减，并逐渐趋于稳定；风速越小，递减的速度越快，稳定区域的范围越大，在稳定区内风流速度越大，粉尘质量浓度越大。

(4) 车辆逆风行驶过程中，车头前 20 m 至巷道出风口处，粉尘质量浓度随风速增加而增大，在车尾部后 20 m 处达到最大值；在车头前 20 m 到风流入口处，粉尘质量浓度随风速降低而增加。