綜采面排塵風速及顆粒軌跡的數值模擬

虞啟輝,杜旭東,高勝昱,韓世杰,譚 心

(內蒙古科技大學 機械工程學院,內蒙古 包頭 014010)

隨著現代采煤技術向著機械化、自動化的趨勢發展,煤炭開采效率得到提高,采煤工作面的產塵量也會相應增大,而部分礦井對粉塵防治工作重視不夠,防塵技術薄弱,人員主要作業區域的總塵濃度可達500～850 mg/m3,呼塵濃度可達300 mg/m3,甚至更高。其中,綜采工作面的產塵量占45%～80%,而巷道中的風流在實現除塵的同時,使浮游粉塵向工作面大范圍空間擴散,是引起粉塵擴散的主要因素[1]。據調查,1～10 μm粒級粉塵易使工人患上塵肺病,此粒級粉塵又因粒徑小,具有懸浮性及擴散性,在高溫環境下,當懸浮煤塵達到爆炸的下限濃度45 mg/m3時還可能引起爆炸[2-4]。因此,采取有效粉塵治理手段,控制1～10 μm粒級的粉塵濃度在國家標準規定的安全范圍內,對保障工人職業健康具有重大意義。

綜采面高濃度粉塵分布一方面會引起塵肺病,威脅工人身體健康;另一方面,還可能造成不可估量的爆炸事故、磨損設備、降低工作現場能見度等安全隱患問題。許多學者對此進行了研究,并提出了相應的抑塵措施。周剛等[5]針對大采高綜采面風流場,利用Fluent軟件進行數值模擬研究,得到采煤機下風側10 m附近有一段高風速帶,易導致呼塵涌入人行道;宋淑鄭等[6]針對綜采面風流分布進行了模擬分析,也得出在采煤機與移架完成區下風側形成了高風速區;孔陽等[7]針對綜采面粉塵彌散規律進行數值模擬,得到工作面風流呈“兩區一帶”的規律。這些研究僅得到因為工作面斷面的變化,在采煤機下風側形成了一段高風速帶,但未深入探討通風排塵時的最佳風速。任志峰等[8]采用數值模擬方法得到工作面的重點防塵區域,通過數值模擬發現采煤機附近粒級5 μm以下粉塵擴散現象更嚴重,大幅度增加作業人員的患病率,但僅分析了采煤機附近,沒有考慮整個采煤巷道;王洪勝等[9]采用Fluent軟件模擬了綜放面不同工序單獨或共同作業時的粉塵濃度分布情況,得出割煤工序產塵量最大,不同工序共同作業使得粉塵濃度疊加效應較明顯,但只是較為簡單地分析了工作面粉塵分布,沒有對粉塵運移跡線展開研究;程衛民等[1]提出綜采面塵源局部霧化密閉控除塵技術,有效隔斷煤塵向人行道逸散,并將滯留于呼吸帶附近的移架煤塵凈化。

針對現有研究的不足,為了獲得綜采面的通風排塵風速,得到巷道粉塵分布情況,本文以某煤礦為研究對象,對其進行數值模擬分析,并利用相關文獻對粉塵濃度分布進行實驗驗證;同時,基于數值模擬分析得到工作面最佳排塵風速,以及在此風速下粉塵顆粒的運移軌跡線,獲得整個巷道不同粒徑顆粒的占比,進而為治理粉塵污染提供有效的控塵方法。

1 數學模型的建立

在采煤工作面中,風流攜帶著微細塵粒四處逸散,而這種固體顆粒具有一定的體積和形狀,不能與氣體溶合為單相流動。為了方便對流場內流體分布及特征進行模擬仿真,將其看作為氣固兩相流動。依據文獻[10],利用歐拉方法描述氣相連續介質,利用拉格朗日方法描述固相離散顆粒。

將采煤工作面中的連續相流動假設為不可壓的絕熱流動,用Navier-Stokes運動微分方程表示氣相流動控制方程組,用標準k-ε兩模型方程計算湍流流動。固體離散相由拉格朗日坐標下顆粒作用力的微分方程求解得到顆粒軌跡,具體方程表示如下[10-12]:

連續性方程:

(1)

式中,αf為連續相孔隙率;ρg為氣體的密度;xi為軸的坐標,i和j為張量的指標符號;u為速度矢量。

標準k-ε模型方程:

(2)

(3)

顆粒軌跡控制方程:

(4)

式中,mp為顆粒的質量;vp為顆粒的速度;Ffp為連續相作用于顆粒的一系列流體力。

2 三維模型的建立

2.1 三維模型

某煤礦綜采工作面煤層平均厚度7.23 m,可采高度4.1 m,傾斜長243 m,走向長624 m,采用MG300/700-WD系列交流變頻電牽引采煤機雙向割煤,前滾筒割頂煤,后滾筒割底煤。為確保所建立的三維模型能充分反映真實礦井工作環境,綜合考慮后采用SolidWorks建模(圖1),并做出以下基本假設:①將采煤巷道視為長60 m、寬4 m、高4 m的長方體計算區域;②采煤機視為規則長方體,滾筒視為圓柱體,截深0.7 m,直徑2 m;③液壓支架簡化為細長圓柱體,支架中心距為1 m,支架間距為1.5 m,支架頂梁和邊界看作平面邊界。

圖1 綜采面三維模型Fig.1 3D model of fully-mechanized mining face

2.2 邊界條件及主要參數的設定

將三維模型導入Fluent軟件后,根據礦井實際情況并結合所確定的數學模型,對邊界條件和主要參數做以下基本假設[13]:①入口風流。將流入風流視為新鮮風流,不攜帶揚塵。②粉塵源。將滾筒渦流的旋轉線速度和軸向速度看作塵源的初始速度,塵源類型為面塵源、球形顆粒狀。③巷道墻壁?？紤]到煤塵與墻壁之間存在碰撞、附著、摩擦等情況,將巷道墻壁(wall)設為trap狀態。

煤礦采煤工作面固體顆粒的粒徑分布規律一般服從羅辛—拉姆勒(Rosin-Rammler)分布函數[14-15]。當注入一種顆粒源時,因粒徑設置單一,數值模擬后得到的顆粒粒徑數據不完整,不能較好地反映實際巷道的顆粒分布情況。因此,本文選擇注入2種不同粒徑的顆粒噴射源進行模擬研究,具體參數設定見表1。

3 數值模擬結果及分析

3.1 三維模型的求解與數據后處理步驟

首先,將三維模型導入Fluent中,在DesignModeler中生成流體計算區域;其次,在Mesh劃分網格,并檢查網格質量;然后,根據實際情況在Setup設置邊界條件及主要參數采用相間耦合的SIMPLEC算法,首先,對連續相風流場迭代計算,收斂后對離散相顆粒求解,導出顆粒數據文件;然后,在CFD-Post后處理分析。

表1 邊界條件及顆粒噴射源參數Tab.1 Boundary conditions and particle injection source parameters

3.2 作業區橫斷面風流場分析

風速和風量直接影響粉塵濃度,適宜的排塵風速既能有效排除工作空間的浮游粉塵,防止呼塵過量積聚,又能避免落塵的二次揚起[16-19]。鑒于我國粉塵污染防治思路偏向于低耗水、高降塵,在通過煤層注水使煤層濕度達到3%左右后,認為1.4～2.3 m/s是允許風速。在允許風速的范圍內,選取多個風速仿真模擬后,截取綜采面采煤機前滾筒附近風流場特點明顯的速度云圖進行分析,入口風速分別為1.50、1.75、2.00 m/s(圖2)。

圖2 不同風速下前滾筒附近橫斷面速度云圖 Fig.2 Cross section velocity cloud map near the front drum under different wind speeds

從圖2可知,隨著巷道通風速度的增加,由于采煤機、液壓支架等障礙物改變風流方向,導致機道空間風速增大,且滾筒上螺旋葉片的旋轉會產生渦旋風流,極易造成粉塵向更大范圍工作面擴散[20]。從圖2(a)和圖2(b)可以發現,入口風速為1.50、1.75 m/s時,工作面整體風流場情況分布穩定,風流相對集中。在風速為1.50 m/s時,巷道整體氣流速度不高,中部風速僅有2.00 m/s,這就可能導致一些細微顆粒不均衡地隨風流作布朗運動,沉降速度極慢。另外,由于采煤前的預先潤濕使得煤層的水分增加,濕度大的礦塵有一定的附著力,若想將其及時排除,則需要較大的風速克服力。從圖2(c)可以看出,當風速為2.00 m/s時,巷道中部靠近液壓支架附近的風速為3.80 m/s,最高風速已達4.50 m/s,風流有逐漸橫向擴散的趨勢,這使得割煤產生的礦塵在紊流效應下極易被吹散到司機處,或使落塵揚起,污染治理難度增大。

3.3 風流場流動規律分析

為了直觀分析v=1.75 m/s時的巷道風流場,分別截取巷道高度Y=0.3 m、Y=1.6 m、Y=3.5 m的水平剖面,分析不同高度的風流場,如圖3所示。

圖3 不同高度水平剖面風流場云圖Fig.3 Cloud map of wind flow field at different altitude horizontal profiles

由圖3可知,進風巷口到采煤機附近空間的風流場較穩定。在采煤作業區附近局部風流出現擾動,導致風向不穩定,風速也有明顯變化。對比靠近煤壁不同距離的風速可以看出,靠近煤壁一側工作面的風速明顯高于液壓支架空間的風速,并在采煤機下風向到回風巷口形成一條穩定在3.2 m/s的高速風流帶。從圖3得出,沿煤壁到放煤空間方向風速呈現出由大變小再變大的規律,原因是液壓支架對空氣流動有一定的減緩作用。

由于巷道進風口、出風口附近風流變化不大,在采煤機和下風向20 m左右每隔5 m截取一個橫斷面,分析采煤路徑上的風流場,如圖4所示。

通過對圖4分析可知,巷道中部風速較高,最高可達3.8 m/s,頂部和底部風速相對緩慢。原因是風流主要從巷道中間通過,巷道中部機械設備復雜,空間斷面變化不穩定,局部空間狹小,導致流速加快[21];而頂部和底部的空氣在流動過程中與煤壁存在一定面摩擦,煤壁抑制了空氣與周圍氣體的相互卷吸,從而避免了空氣擴散。

實際作業時,除考慮通風除塵外,還要考慮瓦斯涌出量[4]。因此,實際風速需要超過理論風速。

圖4 巷道各空間斷面風流場云圖Fig.4 Cloud map of wind flow field in various spatial cross sections of the roadway

綜上所述,在保證滿足最低排塵風速和極限排塵風速的前提下,當進風巷風速為1.75 m/s 時,采煤作業區下風側風速提高到3.2 m/s。此時,一方面,風流能使大部分粉塵在巷道中部隨氣流一起流出,有助于稀釋粉塵濃度,又能保證因煤層注水而濕度大的煤塵排除,也能避免因風速過高而導致落塵二次揚起的問題;另一方面,工作面整體風流場分布穩定,采煤機前滾筒附近空間渦流相對集中,風流沒有明顯的橫向擴散趨勢,減小了粉塵逸散至活動區對作業人員的威脅。此外,在采空區和人行道安裝簡易風簾,可有效減少從進風巷進入工作面的風流向采空區的泄漏量,使風流主要靠工作面煤壁一側通過,增加工作面有效通風量,以降低司機處的粉塵濃度。

3.4 氣體—顆粒耦合的數值模擬

在最佳通風速度下,對巷道中顆粒運動規律進行數值模擬,得到顆粒運動軌跡如圖5所示。

圖5 順風割煤下顆粒運動軌跡Fig.5 Particle motion track under downwind coal cutting

從圖5可以看出,采煤機機身附近和下風向15 m以內空間的塵粒運移跡線密集且復雜,呈不規則曲線;隨著距離回風巷越近,跡線變得越稀疏,橫向運動也更為明顯,到回風巷口,跡線數量清晰可見。這說明采煤機割煤產生的煤塵在空氣流動的影響下,大部分在接觸到煤壁、機械設備等物體時,會附著在其表面上終止運動軌跡,或者沿煤壁一側運動流出,只有小部分煤塵在風流的推力下發生橫向位移,不斷向人行道、液壓支架逸散、運動、懸浮?？傮w來看,作業區和未采區的塵粒跡線數量有較大差異,原因是大粒級礦塵能在風流作用下快速沉降或黏附在煤壁上,只剩下細小礦塵(<7 μm)繼續發散,作無規則擴散運動,從塵源至回風巷的跡線數量呈逐漸減少的趨勢。即跡線越密集,粉塵濃度就越高。

采煤機附近粉塵濃度高是由各種因素引起的,分析如下:①滾筒割煤時,螺旋葉片以一定的速度旋轉,將附近的空氣卷入,在過道形成渦旋流場,使粉塵有橫向隨機擴散的趨勢;②采煤機械設備和液壓支柱之間空間斷面的突變,致使工作面風速提高,使粉塵隨風流在巷道蔓延;③巷道頂部的煤塊在下落時會在尾部形成一股氣流,使一部分煤塵被吹散開。當煤塊落到地面時,沉積的煤塵被重新揚起。

3.5 不同粒徑顆粒的分布情況

在Fluent中迭代平衡后,統計顆粒信息,得到作業區、巷道、回風巷附近空間不同粒級顆粒數量,多次計算求取平均值,得到各區域不同粒徑顆粒數量的分布情況,如圖6所示。

圖6 巷道各區域不同粒徑顆粒數量分布Fig.6 Distribution of particles with different particle sizes in different areas of the roadway

從圖6可以看出,距離工作面越遠,1～10 μm粒級顆粒數量有逐漸減少的趨勢。采煤作業區處1～10 μm粒級的顆粒數量占比最大,約36%。從礦塵的懸浮性、擴散性分析,此粒級顆粒(又稱為呼吸性粉塵)因粒徑小,幾乎不受重力作用的影響,在相對靜止的空氣中彌漫在工作面很難沉降,且在風流作用下任意向四周逸散,導致粉塵污染面積大大增加。此外,粒徑越小,分散度越高,在空氣中的穩定程度也越高,導致工人吸入的可能性就越大,一旦呼塵深入、沉積于氣管,發病概率也會越大?；仫L巷附近多為20～30 μm粒級的顆粒,占比達29%,原因是粒徑較大的顆粒在沿途受重力作用的影響及時沉降了,而小粒徑顆粒因質量小,不能很好地隨風流流出,而是在巷道中無規則地飄浮。多次采樣求取平均值后發現,巷道內10～30 μm粒級的顆粒占比最大。

基于上述分析,根據空氣動力學理論,霧滴與塵粒徑越相近,越容易降塵。采用聲波霧化除塵技術集中捕集1～10 μm粒級的呼塵,霧滴在聲波作用下形成微細水霧,因霧滴粒徑小、霧化密度大,能更好地攔截、凝聚呼塵,且耗水量小[22];在采煤機兩端頭布置負壓二次降塵器,主要用于捕集10～30 μm粒級的顆粒,一方面利用高壓氣霧流阻止粉塵橫向擴散,另一方面產生負壓將治理盲區的煤塵吸入裝置并凈化[23];在機身上安裝卷吸水幕,緩沖含塵氣流,將其引向煤壁側,防止污染物大面積橫向外逸;在液壓支架間安設全斷面噴霧裝置,利用高壓噴霧后方形成的負壓將支架附近的含塵氣流二次引射,防止粉塵隨空氣向下運動彌漫整個巷道。將多種治塵技術共同作用于綜采面,配合采煤機自帶的內外噴霧裝置共同使用,在塵源附近形成局部密閉的除塵區,以實現高效控塵。

3.6 粉塵濃度分析

選取綜采工作面靠近開采面煤壁一側和人行道處的垂直截面,即Z=0.8 m、Z=3.0 m,分析粉塵濃度分布情況,如圖7所示。

圖7 不同垂直截面粉塵濃度分析Fig.7 Analysis of dust mass concentration in different vertical sections

由圖7可知,采煤機順風割煤作業時,煤體在滾筒切割、擠壓作用下產生大量的細微粉塵,并以一定初始速度開始擴散,大部分集中在采煤作業區及下風向15 m附近靠近煤壁一側,此處粉塵濃度相對較大,約為762 mg/m3。原因是巷道內采煤設備較為復雜,中部空間狹小,使得風速較大,小部分粉塵因為粒徑小,在空氣中擴散具有不穩定性,在橫向紊流作用下,向司機處逸散,危害工人身體健康,且分散度大,沉降速度極慢。因此,大大增加了粉塵污染治理難度。隨著與塵源的距離不斷增大,粉塵濃度逐漸降低,但幾乎遍布于整個截面。

3.7 仿真結果驗證

依據GBZ/T 192—2007《工作場所空氣中粉塵測定》測定現場粉塵濃度,在巷道每隔5 m布置粉塵采樣器、測塵儀,且全工班個體佩戴采樣器檢測,采用濾膜重量法測定質量濃度,多次采樣后求取平均值。通過實測并查閱資料[1,7-9],得到某煤礦綜采面實測粉塵濃度,與數值模擬結果對比如圖8所示。

從圖8可以看出,兩者粉塵濃度分布規律基本保持一致,誤差在可允許范圍內,這說明數值模擬結果具有可靠性。存在誤差的原因:①在實際采煤作業中,割煤、移架、放煤等多種工序同時進行;②工作環境更復雜,部分區域空間狹小,使得實際巷道空氣流動速度較高;③由于開采深度增加、地溫升高,大型機械設備高強度運行,可能引起不同區域空氣溫度存在一定梯度,致使呼塵擴散。

圖8 模擬與實測數據對比情況Fig.8 Comparison between simulated and measured data

4 結論

(1)當工作面風速達到1.75 m/s時,既能在保障采煤生產效率的前提下有效排除粉塵,又能減小風流橫向運動的趨勢,避免司機區域粉塵濃度過高。

(2)割煤時產生的煤塵在紊流作用下,除隨風流流動以及受滾筒旋轉產生的渦旋風流影響外,還受在空間斷面減小產生的高速風流影響,在風流的推力下發生橫向位移,向司機處逸散、蔓延,且由于液壓支架空間風速偏低,呼塵將會長時間滯留在空氣中,不能及時隨新鮮風流排除或沉降。

(3)巷道內1～10 μm粒級的粉塵顆粒占比約為36%,主要集中在作業區,因其粒徑小、質量小,懸浮在空氣中的能力也越強,更有可能給工作人員帶來安全隱患。

(4)采煤作業區和下風向15 m以內空間的塵粒運移跡線密集且復雜,多為呼吸性粉塵,粉塵濃度也較高,因液壓支架的阻礙主要集中于煤壁側,應是粉塵治理的重點區域。