潞安煤矿控制高浓度煤尘扩散的通风参数分析

李 丁

（山西潞安集团蒲县伊田煤业有限公司，山西 临汾 041204）

0 引 言

能源消费为社会进步和国民经济发展做出了突出贡献[1]，2021 年，对一次能源的需求增长了5.8%，比2019 年的需求增长了1.3%，3 种化石燃料（包括煤炭）占全球一次性能源消费量的82.28%，具体来说，煤炭能源占26.9%。煤炭储量占已发现化石燃料储量的90% 以上[2]。由于较高的能源需求和条件，煤炭在未来几年仍将是重要的能源供应，随着掘进机械化程度的逐步提高，煤尘的产生量也随之增加，威胁到煤矿工人的生命安全[3-5]。

基于此种情况，通过FLUENT 进行数值模拟研究通风巷道开挖过程中气流和粉尘的运移规律，采用正交试验分析不同通风参数对高、低浓度粉尘扩散距离影响的重要程度。通过不同通风参数分析，确定了通风状态下通风与除尘参数的最优组合，研究结果对巷道粉尘浓度高低的分析与处理具有一定的推动作用。

1 物理模型的构建与数学模型的选择

1.1 物理模型的构建

可靠的数值模拟需要构建真实的比例物理模型，本研究以潞安煤矿掘进工作面为工程背景，实地考察后，利用SOLIDWORKS 软件建立1∶1 比例的物理模型，模型主要由七部分组成：综放巷道、掘进机、输送机、压缩风管排风管、湿式除尘风机。挖掘巷道用长方体表示，长80 m，宽5 m，高3.4 m，掘进机为EBZ-160 掘进机，长9.3 m，宽2.2 m，高1.7 m，此外，掘进机后部还连接一台DZQ-80/30/11 型输送机，输送机后部连接一台DTL80/20/22 带式输送机，压缩空气和排气管距工作面分别为9 m 和2 m。

1.2 数学模型的选择

1）气流输送数学模型的选择.在通风系统中，气流主要由圆孔射流、分离流、撞击射流和旋流来描述，流体运动的计算主要采用欧拉法和拉格朗日法。由于Realizable 模型能够较好地模拟旋流式均匀剪切流、自由流、空腔流和边界层流，因此选择Realizable 模型进行风的流相模拟[6]。

2）粉尘迁移的模型选择.巷道施工中，主要在工作面煤壁切割过程中产生粉尘，在通风系统的作用下，粉尘呈离散状态，因此，我们选择离散相DPM 模型来描述粉尘颗粒的迁移。

1.3 网格划分

仿真结果的准确性与网格划分有关，因此，应事先进行网格独立性试验。本研究采用ICEM CFD 软件对建立的物理模型进行有限网格划分，生成低、中、高3 种不同的网格划分方案，并将生成的3 种网格导入FLUENT 中进行风流模拟。随后，利用CFD-POST 软件选择同一位置的监测点，分析不同网格划分下的差异，经对比，较低的网格划分水平导致的结果与中、高2 种方案有很大的不同，采用中高网格划分水平时，数据相似，说明计算结果可靠。考虑到仿真的效率，本研究选择中等质量的网格。

对于中等质量的网格，物理模型共获得3705513个网格单元，最小网目质量为0.172 539，最大网目质量为0.999 768，平均网目质量为0.731 712 451 15，由于网格无负值，且网格质量好，可用于数值模拟。

2 巷道气流及粉尘输运的数值模拟

2.1 气流分布

为了研究巷道施工中粉尘颗粒的输运规律，分析了巷道内气流输运轨迹，采用FLUENT 软件模拟气流运动，采用CFD-POST 软件进行后处理。气流运动用流线表示，气流运动方向用箭头表示，彩虹柱中最大气流速度（5 m/s）和最小气流速度（0 m/s）分别为红色和蓝色，图1 为混合通风方式下巷道内整体及局部气流运动情况。

图1 气流运动

1）新鲜空气通过压缩空气管道注入工作面区域，由于压缩空气管道的强烈冲击而向前流动，在撞击工作面的同时，对工作面进行冲刷，然后向巷道后方移动，在湿式除尘风机的作用下，排风管将工作面附近的气流抽走，形成向巷道后方移动的负压气流，工作面附近的气流在排风管的作用下流经湿式除尘风机，最后在湿式除尘风机出口排出，湿式除尘风机出口产生的射流基本上是向巷道后部移动。

2）在压缩风管、排风管、湿式除尘风机的共同作用下，巷道内形成一个相对复杂的气流场，该场大致可分为0～15 m 范围内形成的三角形气流场、15～20 m 范围内形成的过渡性气流场、20～30 m 范围内形成的涡旋气流场、30～45 m 范围内形成的不规则涡旋气流场、45～80 m 范围内形成的稳定气流场。

3）当新鲜空气从压缩空气管道中喷出时（高速射流以5 m/s 的速度喷出），它以锥形向前膨胀，射流在前进过程中，由于空气阻力作用，射流速度不断减小，当射流撞击到工作面时，由于工作面阻挡了气流，射流向侧面移动，远离压缩空气管道，射流撞击工作面时，速度降至1.1 m/s，同时，在排气管负压夹带效应的影响下，在0～15 m 距离处形成三角形气流场。

4）气流穿过三角形气流场后继续向巷道后部移动，三角形气流场是在距离巷道15～20 m 范围内由于桥式输送机和湿式除尘风机的阻挡作用形成的过渡气流场，流经三角形气流场和过渡气流场的气流在距离巷道20～30 m 处受到湿式除尘风机出口的影响，从而形成涡旋气流场。

5）气流继续通过涡旋气流场向巷道后部移动，被带式输送机阻挡，从而在距离巷道30～45 m 范围内形成不规则的涡流场，气流主要受空气阻力影响，45～80 m 距离受其他设备影响较，。在距离巷道45～80 m 处形成稳定气流场，其方向基本垂直于巷道后部，速度稳定（约0.2～0.3 m/s）。

2.2 粉尘颗粒分布

为了模拟风洞内的风场，在模型中加入离散相粉尘颗粒进行耦合模拟。使用CFD-POST 软件对FLUENT 数据进行分析。尘埃颗粒呈球形，颜色表示尘埃浓度。在彩虹柱中，最大粉尘浓度为400 mg/m3，最小粉尘浓度为0 mg/m3，分别为红色和蓝色。将粉尘浓度超过400 mg/m3的区域定义为“高粉尘浓度危险区”。图2（a）为粉尘颗粒在巷道内的扩散随时间变化情况。此外，图2（b）给出了高、低浓度粉尘的扩散距离以及粉尘扩散距离随时间的拟合曲线。

图2 粉尘颗粒扩散模拟

1）粉尘在工作面产生后，首先与压缩风道喷出的高速射流发生碰撞，形成含尘气流，含尘气体被工作面阻挡后，向巷道后部流动，在迁移过程中，由于排风管的负压夹带作用，部分含尘气流被吸入排风管，进入湿式除尘风机，在湿式除尘风机内经过净化过程后，从出风口排出一股相对清洁的气流。

2）在T= 5 s 时，工作面产生粉尘后，主要受风管和掘进机的压力和夹带作用的影响，粉尘主要积聚在风管的侧面，高浓度粉尘主要分布在距离工作面2 m 范围内，低浓度粉尘主要分布在距离工作面6 m 范围内，由于排风管的负压夹带作用，排风管附近的粉尘浓度相对较低，未进入湿式除尘风机的粉尘在气流的影响下继续扩散到巷道后部。

3）在T= 20 s 时，粉尘扩散至湿式除尘风机出口，之后，由于从湿式除尘风机出口来的净化气流，使气流速度提高，因此，气流可以携带更多的粉尘，粉尘扩散距离在20～40 s 之间显著增加；在T=180 s时，高浓度粉尘的扩散距离没有明显增加。因此，它与工作面保持在40 m 的距离内；在T=250 s 时，低浓度粉尘的扩散距离没有明显增加，它与工作面保持在72 m 的距离内，在T=250 s 时，巷道内粉尘浓度基本稳定。

3 控制高浓度煤尘扩散的通风参数影响分析

3.1 通风参数影响因子选择

首先，选择了以下4 个因素：排风管的位置（A），压缩空气管道的位置（B），排风管的排气量（C），压缩空气管道的压缩空气速率（D），4 种影响因素进行分析[7]。根据正交因子的水平和个数，选择常用的L9（34）正交表，其中“3”表示水平数，“4”表示因子数，“9”表示需要进行9 次试验。

3.2 数值模拟

数值模拟按照章节1.3 的网格划分方案和章节3.1 的正交实验方案进行，由于需要确定通风参数对巷道内粉尘控制能力的影响，因此选择高、低浓度粉尘的扩散距离作为实验指标。

根据9 组正交试验的模拟气流场和粉尘分布可知，通风参数对通风效果和粉尘控制有较大影响，必须确定哪些通风参数代表通风和防尘的最佳组合，此外，还需进一步研究各通风参数对粉尘控制的贡献。因此，对正交试验进行极差分析，通过极差分析，可以清楚地确定各因子的最优水平和各因子对实验结果的贡献。

对于实验指标1（高浓度粉尘扩散距离），因子D 的变化对指数波动的影响最大，因子C 的变化对指数波动的影响最小，因子B 影响大于因子A，综上所述，混合通风方式下各通风参数对高浓度粉尘通风控制效果的显著性排序为：D＞B＞A＞C，即压缩风量＞压缩风管位置＞排风管位置＞排风量。

对于实验指标2（高浓度粉尘扩散距离），因子D 的变化对指数波动的影响最大，因子B 的变化对指数波动的影响最小，因子C 影响大于因子A，综上所述，混合通风方式下各通风参数对低浓度粉尘通风控制效果的显著性顺序为：D＞C＞A＞B，即压缩空气率＞排气量＞排风管位置＞压缩空气风管位置。各因素对实验指标的影响可以在因子指标图中清楚地看到。横坐标表示各因素的水平，纵坐标表示实验指标的平均值，图3 为2 个实验指标的因子指标图。

图3 2 个实验指标的因子指标图

1）当排风道（即因子A）与工作面的距离从2 m增加到4 m 时，高、低浓度粉尘在巷道内的扩散距离均呈下降趋势；当距离从4 m 增加到6 m 时，高、低浓度粉尘在巷道内的扩散距离均呈上升趋势，因此，当排风管与工作面距离为4 m 时，通风控制效果较好。

2）当风道位置（即因子B）从5 m 增加到7 m时，高、低浓度粉尘在巷道内的扩散距离均呈上升趋势；从7 m 增加到9 m 时，高浓度粉尘在巷道内的扩散距离呈上升趋势，低浓度粉尘在巷道内的扩散距离呈下降趋势。因此，当风管与工作面距离为5 m时，通风效果和粉尘控制效果较好。

3）当排风道排风量（即C 因子）由150～200 m3/min 增加时，高浓度粉尘的扩散距离呈下降趋势，低浓度粉尘的扩散距离呈上升趋势；在200～250 m3/min 范围内，高、低浓度粉尘控制距离呈下降趋势，这表明，当排风管的排风量为250 m3/min 时，通风效果和粉尘控制较好。

4）当压缩空气风管的压缩空气流速（即D 因子）由150～200 m3/min 和由200～250 m3/min 增加时，高、低浓度粉尘的扩散距离均呈现明显的上升趋势，因此，当压缩风管的压缩风量为150 m3/min 时，通风效果和粉尘控制较好。

结合正交试验和多因素分析结果，确定有效通风降尘的最佳参数为：排风管与工作面之间的距离应为4 m，压缩空气风管与工作面之间的距离应为5 m，排风管的排气量应为250 m3/min，压缩空气风管的压缩空气流量应为150 m3/min。

3.3 现场验证

巷道施工采用原通风方案时，粉尘污染没有得到有效控制，高浓度粉尘距离工作面26.7 m，低浓度粉尘距离工作面73.2 m。采用优化通风方案后，通风效果和粉尘控制均有明显改善，高浓度粉尘停留在距工作面9.3 m 范围内，低浓度粉尘停留在距工作面36.3 m 范围内。结果表明，通过正交试验和数值模拟得到的优化通风参数控制粉尘效果较好，可应用于实际巷道施工现场。

4 结 论

1）煤矿掘进巷道内的气流场大致可分为三角形气流场、涡旋气流场、不规则涡流气流场和稳定气流场，煤尘在巷道中的运动主要受气流的携带作用和湿式除尘风机的净化效果影响，在不同位置控制高、低浓度粉尘量。

2）通风因素的变化对通风抑尘效果影响很大，根据多因素分析结果，混合通风方式下巷道施工过程中控制高浓度粉尘扩散的显著性顺序为：压缩风量＞压缩风管位置＞排风管位置＞排风量。通风参数对低浓度粉尘扩散控制的重要程度依次为：压缩空气率＞排风量＞排风管位置＞压缩空气风管位置。

3）根据多因素分析结果，煤炭能源开采过程中减少煤尘污染的最佳通风参数为：压缩风管与工作面距离5 m，排风管与工作面距离4m，压缩风管的压缩风量为150 m3/min，排风管的排风量为250 m3/min。在优化通风参数组合的基础上，高浓度粉尘扩散距离减小到9.3 m，低浓度粉尘扩散距离减小到36.3 m；除尘效率分别提高67.4%和50.4%。