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岩巷综掘工作面通风除尘系统的数值模拟

2024-06-12 109 上传者：管理员

摘要：为了研究综掘工作面粉尘的运移规律，提出相应的控制措施，根据气固两相流理论建立了粉尘运动的数学模型，运用CFD软件对岩巷掘进工作面气流及粉尘质量浓度分布进行数值计算，得出了掘进巷道在不同通风条件下粉尘质量浓度的分布规律，且根据模拟结果对综掘工作面的防尘提出了建议，确定了压抽比为2∶3的混合式通风为最有效的通风除尘方式。

关键词：
数值模拟
混合式通风
综掘面
通风除尘系统
除尘
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岩巷掘进工作面粉尘治理是煤矿的一大难题，由于岩巷粉尘游离二氧化硅含量较高，且粉尘粒径较小，长时间暴露在高浓度岩石粉尘环境中很可能会导致煤炭工人得矽肺病。因此，采取有效措施来降低岩巷掘进时粉尘质量浓度，保障井下作业环境是非常有必要的[1,2]。国内外专家提出了各种综掘面粉尘控制措施，其中水喷雾是用来减少空气中粉尘质量浓度最简单和广泛的方法，但过度使用水喷雾会影响工作面环境及地板变形、运输困难[3,4]。因此，采用长压短抽等混合式通风除尘系统是岩巷掘进工作面降尘最有效的方法，不仅让井下煤矿工人远离粉尘，而且确保有足够的新鲜空气。影响混合式通风除尘效果的因素主要包括吸尘罩的布置方式、风量压抽比及除尘器性能参数等，在确定了布置方式和除尘器后，风量压抽比是影响除尘效果最主要的原因[5,6]。本文通过数值模拟的方法分析岩巷掘进工作面粉尘的运移特性，提出合适的通风除尘系统，并通过数值模拟的方法选出最合理的通风方式及压抽比等运行参数，为岩巷掘进工作面粉尘的防治提供了理论指导[7,8,9]。

1、粉尘运动数值分析计算模型的建立

1.1 粉尘运动控制方程的建立

掘进时，巷道中粉尘颗粒的运动本质上属于气固两相流运动，在两相流里气体可以视为连续相流，粉尘为颗粒相，气流和颗粒相互作用进行扩散[10]。湍流计算中采用了统计平均的方法，即把整个湍流流场作为一个整体，用具有平均意义上的湍流流场代替局部的湍流流场，这样就可以更精确地描述颗粒轨迹。

用拉格朗日法求解综掘面粉尘运动轨迹时，由于其他作用力较小可以忽略，所以只需要考虑重力与空气阻力的影响。则粉尘颗粒作用力平衡方程为：

式中，CD阻力系数；u为流体相速度，m/s; up为颗粒运动速度，m/s; ρ为流体密度，kg/m3;ρp为颗粒密度，kg/m3;dp为颗粒直径，

颗粒轨迹控制方程为：

式中：τp为颗粒松弛时间，s.

1.2 几何模型建立

本文将掘进工作面粉尘扩散计算模型作适当简化，将整个工作面巷道视为标准半圆拱，掘进机除摇臂以外部分视为规则的长方体，风筒及掘进机摇臂视为规则的圆柱体，将胶带和支架等简化为平面边界。建立了长度100 m、宽度4.5 m、高度3.6 m、风筒直径0.8 m、风筒吊高1.8 m的三心拱模型作为计算区域。通过改变通风参数，研究不同通风参数对粉尘扩散规律的影响，根据计算结果提出合理可行的除尘方案，建立的掘进巷道几何模型如图1所示。

图1 岩巷掘进数值计算模型(单位：m)

1.3 边界条件与模型参数的设定

结合综掘工作面的实际情况及FLUENT中相关气固耦合模型，确定数值模拟参数和边界条件如表1所示。

表1 模拟参数设置

2、数值模拟结果分析

混合式通风除尘系统采用压入式风筒将新风送至掌子面，通过抽出式风机或者除尘器将含尘气流排至回风巷或者除尘器过滤，其除尘效果主要与风筒布置、风量压抽比及掘进时粉尘的扩散规律等参数有关。

2.1 单一压入式通风时粉尘运移规律模拟

根据岩巷掘进在未采取混合式通风除尘系统，只采用压入式通风的情况，设定压入风量为270 m3/min, 通过数值模拟得到工作面气流分布及呼吸带粉尘质量浓度分布规律如图2和图3所示。

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图2 单一压入式时流场分布

图3 单一压入式时粉尘质量浓度分布

1) 压入式风筒气流从出风口形成射流，沿着风筒一侧到达掌子面，然后转向人行道一侧，最后以较大的速度折返至掘进机司机处，同时带出大量的粉尘，因此，能否通过抽出式风筒减少到达掘进机司机处的风量，是降低粉尘质量浓度的关键。

2) 在压入式通风的情况下，作业区所产生的粉尘在作业面附近达到最大值，并在40 m范围内始终保持较高水平，之后逐渐降低趋于平缓，作业区产生的粉尘在风流的作用下向巷道尾部扩散，小颗粒粉尘漂浮在空中，不易沉降。

3) 结合单一压入式通风时气流分布和粉尘扩散规律可知，在掘进巷迎头附近人行道位置风速较大，携带大量粉尘，向下风侧不断扩散；增加抽出式通风系统，把含尘气流排至回风巷，可以解决岩巷掘进工作面粉尘质量浓度大的问题。

2.2 压抽比为3∶2时通风除尘效果模拟

建立压抽混合通风除尘系统模型，设置压入式风筒风量为270 m3/min, 控制压抽比为3∶2,将抽出式风筒风量设为180 m3/min.通过数值模拟计算得到，岩巷综掘工作面呼吸带高度粉尘质量浓度分布规律及整个巷道粉尘颗粒轨迹，如图4、图5所示。

1) 由图4可知，相比于单一混合式通风除尘系统，在抽出风流作用下掌子面及司机处粉尘大部分被抽出风流带走，粉尘质量浓度大幅度下降，但由于抽出风流小于压入式风量，还有一部分粉尘随着风流向巷道后侧扩散。

2) 由图5可知，在压抽风流的共同作用下，粉尘颗粒的运动轨迹在抽风口到掌子面区域比较集中，且部分粉尘颗粒在风流作用下在此区域不断循环，少量小颗粒粉尘向巷道后侧运动。

图4 压抽比为3∶2时粉尘质量浓度分布规律

图5 压抽比为3∶2时粉尘颗粒轨迹

2.3 压抽比为2∶3时通风除尘效果模拟

建立压抽混合通风除尘系统模型，设置压入式风筒风量为180 m3/min, 控制压抽比为2∶3,将抽出式风筒风量设为270 m3/min.通过数值模拟计算得到，岩巷综掘工作面呼吸带高度粉尘质量浓度分布规律及整个巷道粉尘颗粒轨迹，如图6、图7所示。

1) 由图6可知，随着压抽风量比的降低，最后以抽为主，岩巷掘进工作面粉尘被控制在一个很小的区域，从而大幅度降低了粉尘对司机区域及其后侧巷道的污染。

2) 由图7可知，粉尘颗粒的运动轨迹集中在掌子面到抽风口区域，运动到司机区域及其后侧的颗粒大幅度减少，在司机附近形成的循环颗粒也减少。

3) 以抽为主的混合式通风除尘系统能大幅度降低岩巷掘进工作面司机位置及其后侧区域粉尘质量浓度，除尘效果要明显优于其他两种通风系统。

图6 压抽比为2∶3时粉尘分布规律

图7 压抽比为2∶3时粉尘颗粒轨迹

2.4 除尘效果比较分析

根据单一压入式、压抽比3∶2、压抽比2∶3三种不同的通风除尘系统的数值计算结果，监测得到不同情况下岩巷掘进工作面人行道呼吸带高度的粉尘的沿程分布规律对比，如图8所示。

图8 不同通风方式下粉尘质量浓度沿程分布

由图8分析可得：

1) 在采用单一压入式通风除尘系统时，岩巷掘进工作面沿程的粉尘质量浓度最高，距离掌子面3 m内最高达到1 200 mg/m3,在掘进机一侧的人行道及司机处，由于空间较小、风速大粉尘质量浓度保持在较高水平，随着大颗粒粉尘的不断沉降，在距离掌子面50 m后，粉尘质量浓度稳定在150 mg/m3左右，且大部分属于难以沉降呼吸性粉尘。

2) 在压抽比为3∶2的混合式通风情况下，整个掘进工作面的粉尘质量浓度有大幅度的降低，特别是掘进机司机处位置粉尘质量浓度低于200 mg/m3,加入抽出式风筒后，掘进巷道后侧风流减小，逸散出来的部分粉尘排尘效果较差，导致巷道后侧粉尘质量浓度保持在150 mg/m3左右。

3) 在压抽比为2∶3的混合式通风情况下，掘进机司机及后侧区域粉尘迅速下降，距离掌子面30 m后的巷道粉尘质量浓度基本稳定在50 mg/m3以下。因此，压抽比控制在2∶3的混合式通风除尘系统对岩巷掘进粉尘的控制效果最佳。

3、现场应用

为验证数值模拟的准确性，将某矿岩巷掘进工作面风筒布置及风量调至模拟所设定的参数，在巷道沿程布置测点，采用滤膜采样称重法测定粉尘质量浓度，测得单一压入式、压抽比3∶2、压抽比2∶3三种不同通风条件下，岩巷掘进工作面粉尘沿程分布对比情况，如图9所示。

图9 不同通风方式下粉尘质量浓度测定曲线图

根据图9中现场测定结果可知，数值模拟结果与现场测定的结果在粉尘质量浓度的大小及沿程分布规律方面都是基本吻合的，验证了利用数值模拟来研究巷道粉尘运移规律的可行性及结果的准确性。

4、结语

1) 根据气固两相流理论建立了粉尘运动的数学模型，通过数值模拟求解得到了岩巷掘进工作面的流场及粉尘质量浓度分布规律，有针对性地提出了通风除尘措施。

2) 对比分析了不同通风条件下粉尘质量浓度分布规律，确定了压抽比为2∶3的混合式通风除尘系统能取到最好的通风除尘效果。

3) 由于综掘工作面的生产条件特别复杂，导致模型中所采用边界条件与实际存在差异，模拟结果有待更细致的计算。

参考文献:

[1]袁亮.煤矿粉尘防控与职业安全健康科学构想[J].煤炭学报,2020,45(1):1-7.

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[3]王晓珍,蒋仲安,王善文,等.煤巷掘进过程中粉尘浓度分布的数值模拟[J].煤炭学报,2007,32(4):386-390.

[4]闫高峰.除尘风机在岩巷掘进中的探索与应用[J].煤,2023,32(9):107-108.

[5]程卫民,张清涛,刘中胜,等.综掘面粉尘场数值模拟及除尘系统研制与实践[J].煤炭科学技术,2011,39(10):39-44.

[6]杜翠凤,王辉,蒋仲安,等.长压短抽式通风综掘工作面粉尘分布规律的数值模拟[J.北京科技大学学报,2010,2(8):957-962.

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[9]郭奋超,杨桐,杨俊磊,等.岩巷掘进工作面抽出式通风除尘系统设计与应用[].矿业安全与环保,2021,48(2):97-100,111.

[10]张云峰,王明,陈俊涛,等.综掘面长压短抽-雾幕除尘系统参数优化研究[J.华北科技学院学报,2023,20(2):22-28.

基金资助:国家重点研发计划(2017YFC0805207); 中央高校基本科研业务费资助项目(3142017091,3142014023);

文章来源:陈俊涛,韩锦城.岩巷综掘工作面通风除尘系统的数值模拟[J].煤,2024,33(06):5-8.

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期刊名称：采矿与安全工程学报

期刊人气：4303

期刊详情

主管单位：中华人民共和国教育部

主办单位：中国矿业大学,中国煤炭工业劳动保护科学技术学会

出版地方：江苏

专业分类：煤矿

国际刊号：1673-3363

国内刊号：32-1760/TD

创刊时间：1984年

发行周期：双月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：一年半以上

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