綜掘截割區域對塵-霧顆粒群逸散的影響規律研究*

王 昊,辛創業,劉 建,陶金旭,盧守青,劉 杰

(1.青島理工大學 安全科學與工程系,山東 青島 266520;2.青島理工大學 山東省重點行業領域事故防范技術研究中心,山東 青島 266520;3.山東能源兗州煤業 趙樓煤礦,山東 菏澤 274700)

0 引言

地下礦山開采的煤炭產量占全國煤炭總產量的90%以上,綜合機械化掘進技術在巷道開掘中發揮了不可替代的作用。但是,綜掘作業會產生極為嚴重的粉塵污染。據實測,未采取任何防塵措施時,綜掘機截割煤巖壁面瞬時產塵量高達10-3kg/m3以上,對作業人員職業健康與煤礦安全生產構成嚴重威脅[1-3]。

局部通風與噴霧降塵是目前綜掘工作面廣泛采用的控除塵技術。為了提高控除塵效率,國內外學者對此開展了大量研究。廖奇[4]采用數值模擬分析綜掘巷道風流場分布特征、粉塵運移軌跡與時空分布特征,揭示粉塵回流機制;Shi等[5]、Cai等[6]、Hou等[7]、張宏等[8]利用數值仿真揭示長壓短抽式通風系統中除塵風機位置、葉片參數、進風量、風筒懸掛高度參數等對粉塵逸散的影響規律;Hu等[9]通過數值模擬研究連續釋放粉塵和停止釋放粉塵期間的粉塵分散特性,確定有效的巷道防塵措施;龔曉燕等[10]結合仿真模擬與相似實驗,分析風幕和出風口參數對粉塵分布規律的影響,以此得到合理的出風口風流與風幕綜合調控方案;Nie等[11]、Zhou等[12]、Wang等[13]、Guo等[14]對綜掘巷道霧滴顆粒分布、粉塵污染規律及噴霧降塵效果開展數值模擬研究,得到最優噴嘴類型、噴嘴布局、噴霧壓力、噴霧角度、噴霧流量及降塵-霧滴粒徑;Yu等[15]通過數值模擬研究綜掘巷道應用不同類型霧化噴嘴時噴霧壓力與降塵效率間的對應關系;王成鳳等[16]通過數值模擬掌握磁化水降塵性能最佳時的噴霧壓力和磁化條件。

綜上可知,現有成果重點研究不同通風條件下綜掘工作面風流-粉塵運移規律以及噴霧參數、噴嘴類型等對霧化降塵效果的影響,對煤礦安全生產具有重要指導意義。然而,綜掘機截割煤巖壁面是動態過程,塵源及霧場作用區域不斷變化,現有成果鮮少考慮不同截割區域時的流場狀態及其對塵-霧顆粒群逸散的影響規律,使得綜掘作業時未能有的放矢地采取粉塵污染防控措施。因此,本文以山東能源兗州煤業趙樓煤礦7301運輸巷為研究對象,開展綜掘截割區域對塵-霧顆粒群逸散的影響規律研究,以期為綜掘巷道粉塵污染精準控制提供理論參考。

1 模型構建及邊界條件設置

1.1 物理模型構建

運用SolidWorks軟件構建7301運輸巷全尺寸物理模型,如圖1所示。巷道長40 m,斷面為下底5.8 m、上底4.8 m、高4.0 m的梯形;綜掘機總長11.5 m;壓、抽風筒直徑均為0.8 m,風筒中軸線距底板3 m,距最近側壁0.78 m;壓風口距工作面10 m,抽風口距工作面3 m。為模擬綜掘機內噴霧,繞截割頭在截齒底部螺旋均勻設置30個噴嘴,霧滴沿截割頭錐面外法線方向噴出。

圖1 綜掘巷道全尺寸物理模型Fig.1 Full-size physical model of fully mechanized roadway

1.2 邊界條件及模擬參數設置

將風流視為連續相,塵粒與霧滴視為離散相,采用Euler-Lagrange法進行求解。運用Realizablek-ε模型計算風流場,運用DPM模型計算粉塵場與霧滴場[17-20]。將壓風口、抽風口、工作面定義為velocity_inlet,噴嘴出口、巷道末端斷面定義為pressure_outlet,其他實體表面均定義為standard_wall[21-22]?，F場實測通風系統壓、抽風量分別為150,210 m3/min,則壓、抽風口風速分別設置為5,7 m/s。為模擬截割頭轉動對塵-霧顆粒逸散的影響,設置部分風流由截割頭以2 m/s射出。粉塵與霧滴顆粒參數設置分別如表1和表2所示。

表1 粉塵顆粒參數Table 1 Dust particle parameters

表2 霧滴顆粒參數Table 2 Spray particle parameters

2 網格劃分及獨立性驗證

運用ANSYS Meshing軟件對物理模型進行網格劃分,為避免網格尺寸大于流動特征尺度,同時保證存在足夠數量的網格,選取最大0.2,0.3,0.4 m 3種尺寸網格,并開展獨立性驗證。驗證結果如圖2所示。

圖2 網格獨立性驗證結果Fig.2 Results of mesh independence validation

由圖2可知,以風筒中軸水平截面的中心風速作為驗證指標,3種最大尺寸網格所得風速均呈先增大后減小的趨勢,說明網格具備獨立性,增加網格數量不會顯著提高計算精度。其中,最大網格尺寸為0.2,0.3 m條件下的風速曲線更為接近,考慮數值計算工作量,選擇最大尺寸為0.3 m的網格開展網格劃分,如圖3所示。模型共獲得1 617 441個網格,平均正交質量為0.83,平均偏度為0.23,網格質量較高,能夠滿足數值模擬需求。

圖3 網格劃分結果Fig.3 Mesh division results

3 數值模擬結果分析

3.1 綜掘截割區域對風流運移的影響

綜掘機截割路線呈“S”型,由工作面下部推進至頂部。選取1#～9#代表性區域開展分析,如圖4所示。

圖5和圖6分別展示了不同截割區域時,距工作面1 m斷面的風速矢量和巷道空間流線。

圖5 不同截割區域時距工作面1 m斷面風速矢量分布Fig.5 Distribution of wind speed vector at 1 m section from working face in different cutting zones

圖6 不同截割區域空間流線Fig.6 Spatial streamline diagram of different cutting zones

如圖5所示,截割1#區域時,壓風射流撞擊工作面形成向抽風口匯集的轉向流場。隨著截割區域由1#移動至3#,流場先轉化為紊動流場再形成轉向流場,截割頭周圍風速明顯增大。截割3#區域時,在截割頭上方形成了局部渦流。隨著截割區域由4#移至6#以及由7#移至9#,流場均由紊動流場演變為轉向流場。截割5#區域時,風流繞過截割頭運移,受壓差阻力作用在抽風側形成局部渦流。截割7#～9#區域時,截割頭受壓風射流沖擊,且抽風負壓作用增強,導致截割頭周圍風速明顯增大。當截割7#、8#區域時,分別在頂板抽風側及截割頭下部形成局部渦流。

如圖6所示,截割區域由1#移動至9#,流場紊動程度呈先增強、后減弱、再增強的趨勢。截割1#、2#、5#、6#、7#區域時,轉向流場中部分未被抽出的風流受壓風射流卷吸再次匯入射流場,在掘進機上部形成軸向跨度約3 m的回流,在距工作面16～40 m區域形成了向巷道后部運移的穩定風流場。當截割3#、4#、8#、9#區域時,距工作面30 m以內區域流場呈不規則紊動狀態,且截割4#、8#、9#區域時,巷道后部風速明顯增大,平均風速約1.5 m/s。究其原因是:截割3#、4#區域時,截割頭轉動擾流聚集于抽風側,導致風流無法有效匯集于抽風口,加之高速射流卷吸,使紊亂風流繼續向巷道后部運移;截割8#、9#區域時,截割頭始終位于頂部,阻礙了流場轉向路徑,加劇風流紊動程度,在抽風負壓作用下加速向巷道后部運移。

3.2 綜掘截割區域對塵-霧顆粒群逸散的影響

圖7和圖8分別展示了不同截割區域時,不同粒徑塵-霧顆粒群分布和人員呼吸高度(Y=1.55 m)下塵-霧質量濃度分布。

圖7 不同截割區域塵-霧顆粒群空間分布Fig.7 Spatial distribution of dust-spray particles group in different cutting zones

圖8 不同截割區域Y=1.55m粉塵-霧滴濃度分布Fig.8 Distribution of dust-spray concentrations in different cutting zones with Y=1.55 m

由圖7可知:

1)截割1#、6#區域時,在轉向流場作用下,塵-霧顆粒向巷道抽風側逸散,其中未被抽出的塵-霧顆粒受回流影響,再次匯入射流場,最終導致塵-霧顆粒聚集于巷道壓風側。該條件下,塵-霧顆粒逸散區域基本重疊;逸散塵粒粒徑約為6×10-6～9×10-6m,逸散霧滴粒徑約為40×10-6～60×10-6m。

2)截割2#、5#、7#區域時,未被抽出的塵-霧顆粒在回流作用下匯集于綜掘機上部空間。其中,截割2#、7#區域時,由于截割區域風速較高,霧滴在風流沖擊下進一步破碎,導致霧滴粒徑明顯減小,分別為10×10-6～40×10-6m和10×10-6～20×10-6m。

3)截割3#、9#區域時,受轉向流場影響,塵-霧顆粒主要集中于巷道抽風側,霧滴粒徑均約20×10-6～40×10-6m。

4)截割4#、8#區域時,由于未形成有效轉向流場及回流,塵-霧顆粒主要集中于截割頭附近,部分塵-霧顆粒在巷道紊動流場作用下逸散。霧滴粒徑分別約10×10-6～30×10-6m和30×10-6～50×10-6m。

由圖8可知:

1)截割3#、4#區域時,塵-霧云團集中于截割頭周圍以及巷道抽風側,對掘進司機的影響較小。該條件下,霧場能夠覆蓋粉塵場,且截割3#區域時的霧滴粒徑更利于沉降粉塵。

2)截割7#、8#區域時,部分粉塵沿巷道邊壁逸散,霧場主要位于距工作面15 m以內的區域,掘進司機能夠受到塵-霧影響。該條件下,霧場能夠覆蓋粉塵較為集中的區域,且截割8#區域時的霧滴粒徑更利于沉降粉塵。

3)截割2#、5#、9#區域時,掘進司機明顯受到較高濃度的粉塵污染影響,霧場則主要位于巷道抽風側。該條件下,霧場能夠有效覆蓋粉塵污染區域。

4)截割1#、6#區域時,高濃度塵-霧云團集中于截割頭周圍及巷道壓風側,雖然霧場能夠覆蓋粉塵場,且霧滴粒徑利于沉降粉塵,但高濃度塵-霧云團已對掘進司機造成嚴重影響。

為了進一步掌握不同截割區域塵-霧云團對掘進司機的影響,對掘進司機位置的塵-霧質量濃度進行定量分析,如圖9～11所示。

由圖9可知,截割1#～9#區域,司機位置塵-霧質量濃度呈先降低、后增大、再降低、最終趨于穩定的規律。截割1#區域時,司機位置塵-霧質量濃度處于峰值,分別為6.3×10-4,5.5×10-3kg/m3;截割頭移至2#區域時,塵-霧質量濃度分別迅速降至1.9×10-4,0.69×10-3kg/m3。截割3#區域時,粉塵質量濃度達到谷值,為0.65×10-4kg/m3;截割3#～5#區域時,塵-霧質量濃度分別穩定在1×10-4,0.8×10-3kg/m3以內。當截割頭移至6#區域時,塵-霧質量濃度分別迅速增至4.3×10-4,5×10-3kg/m3,達到次峰值;而截割7#區域時,塵-霧質量濃度又分別迅速降至0.71×10-4,0.16×10-3kg/m3,此時霧滴質量濃度達到谷值。截割8#、9#區域時,塵-霧質量濃度分別穩定在1×10-4,0.5×10-3kg/m3左右。

由圖10和圖11可知,司機位置粉塵質量濃度(Cd)、霧滴質量濃度(Cp)與截割頭距壓風側壁面距離(Lp)、距巷道底板距離(Lf)間定量關系分別滿足式(1)和式(2):

圖10 掘進司機位置粉塵質量濃度Cd與截割頭位置關系Fig.10 Relationship between dust mass concentration Cd at excavation driver’s position and position of cutter head

圖11 掘進司機位置霧滴質量濃度Cp與截割頭位置關系Fig.11 Relationship between spray mass concentration Cp at excavation driver’s position and position of cutter head

(1)

(2)

4 結論

1)截割工作面壓風側下部(1#)及壓風側中部(6#)時,塵-霧顆粒同時受轉向流場及回流作用,主要聚集于巷道壓風側;截割工作面中下部(2#)、中部(5#)以及壓風側上部(7#)時,塵-霧顆粒受回流影響,主要聚集于綜掘機上部;截割工作面抽風側下部(3#)、抽風側上部(9#)時,塵-霧顆粒受轉向流場影響,主要聚集于巷道抽風側;截割其他區域(4#、8#)時,塵-霧顆粒受紊動流場影響,主要聚集于截割頭附近。

2)隨截割區域變化,司機位置塵-霧質量濃度先降低、后增大、再降低、最終趨于穩定。截割初始位置(1#)時,司機位置塵-霧質量濃度均處于峰值;截割工作面抽風側下部(3#)時,司機位置粉塵質量濃度達到谷值;截割壓風側上部(7#)時,司機位置霧滴質量濃度達到谷值。

3)各截割區域對司機位置塵-霧質量濃度的影響滿足:壓風側下部(1#)>壓風側中部(6#)>中下部(2#)>中部(5#)>抽風側上部(9#)>中上部(8#)>壓風側上部(7#)>抽風側中部(4#)>抽風側下部(3#)。

4)掘進機截割工作面下部及壓風側區域是對司機產生影響的關鍵環節?？稍跐M足供風需求的前提下,適當降低系統壓風量,以提高抽塵凈化效率。掘進司機應在截割作業全程佩戴個體防護裝置,用來降低塵-霧逸散對其身體健康的損害。