杭来湾煤矿30202综掘面粉尘运移规律研究_潘建国.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.026杭来湾煤矿 30202 综掘面粉尘运移规律研究潘建国（陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719053）摘要 为了理清掘进工作面粉尘扩散污染及浓度变化规律，对陕西有色榆林煤业有限公司杭来湾煤矿 30202 综掘工作面采用 ANSYS FLUENT 软件构建了风流-粉尘两相耦合数学模型，对不同高度及轴向距离情况影响下粉尘扩散污染规律进行仿真分析及现场实测。结果表明：高浓度粉尘集中在综掘面迎头底板及左帮，粉尘浓度一直保持在 700800 mg/m3；受压入式风筒的旋流风影响，粉尘向巷道后部运移的同时逐渐向综掘面中部区域运移，距迎头超过 10 m 后，大粒径粉尘逐渐沉降，巷道整体粉尘浓度下降至100200 mg/m3。现场实测发现，粉尘浓度相对误差均小于 10%，可认为数值模型相对准确。关键词 综掘工作面；迎头距离；数值模拟；粉尘污染；运移规律中图分类号TD714.4文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0083-041工作面概况陕西有色榆林煤业有限公司杭来湾煤矿 30202工作面位于杭来湾井田的中西部，掘进时由顺槽开口处（从 30203 主回撤位置开始）预留 0.50.8 m 底煤掘进。30202 掘进工作面采用连采机做快速掘进，倾角为 0.20.5，平均为 0.3，整体呈平缓状，随着掘进顺槽的推进，煤层底板逐渐降低。该段煤层埋深 214260 m，平均埋深 237 m；上覆基岩厚度143193 m，平均厚度 168 m，松散层厚度 4482 m，平均厚度 63 m；煤岩组分以亮煤为主，煤层普氏系数为 2；工作面瓦斯涌出量为 0.33 m3/min，煤尘有爆炸性危险，为类容易自燃煤层。工作面埋深形态整体上中部埋深大，切眼和回撤通道埋深较小。因此，该掘进段煤层层位稳定，结构简单，厚度变化小。供水、压风管敷设在 30202 胶运顺槽右帮，均为DN100 无缝钢管，要求压风管路压力为 1.0 MPa，供水管路压力为 2.5 MPa。供水管直接由 3 号煤中央胶运大巷接入工作面进行喷雾降尘。供水管每 50 m设三通阀门 1 个，各皮带机头、转载点设 1 个三通阀门。该工作面为双巷掘进，采用 4 台 FBDY-NO7.1/2x45 型局部通风机（2 台备用）压入式通风。局部通风机安装在胶辅顺槽 4 联巷位置，分别向30202 胶运顺槽、30202 辅运顺槽掘进工面供风，距离回风口大于 10 m，离地高度大于 0.3 m。通风机出口接 1 200 mm 变 800 mm 三叉风筒，工作面采用 800 mm 柔性胶质阻燃风筒；风机吸风量为543 m3/min，风筒出风量为 529 m3/min。该矿目前正进行 30202 工作面的掘进作业，掘进过程中巷道内粉尘浓度过高，严重影响工作面正常作业。本文采用 Fluent 软件对综掘工作面风流-粉尘运移规律进行模拟，结合现场实测数据对模拟结果进行分析验证，用模拟结果对现场作业进行指导，为防尘工作提供相应的科学依据。2风流-粉尘双相耦合模型综掘工作面风流采用欧拉方法进行描述，其运动遵从流体力学基本定律，连续性方程和动量方程可以被分别表达为以下形式1：质量守恒方程或者连续性方程：t+（?）=Sm（1）式中：为密度；t 为时间；?为速度；Sm为源项，即分散的二级相中加入到连续相的质量。式（1）是质量守恒方程最常见的形式，适用于可压缩和不可压缩流体。风流的动量守恒方程：t（?）+（?）=-p+?()+g?+F?（2）?=tuixj+ujxi()-23k+tuixi()ij（3）式中：p 为静压强；?为应力张量；g?为重力体积力；F?为外部体积力；t为湍流黏度系数；xi、xj为坐标；i、j 为张量的指标符号；ui、uj为湍流波动中的平均速度；k 为湍动能；ij为克罗内克符号。能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1832023 年 2 月Feb.,2023潘建国杭来湾煤矿 30202 综掘面粉尘运移规律研究由于综掘面作业环境相对复杂，风流场内湍流效应较强，选取合适的风流湍流模型尤为重要。目前，可用于求解湍流流动的数值模拟方法选用非直接数值模拟法，其中包括雷诺平均法（RANS）2和大涡模拟法3。在工程领域中应用最为广泛的是雷诺平均法，在本文的数值模拟中也选用这种方法。上述方程组利用 Realizeable k-模型4进行封闭，具体过程如式（4）、（5）。k 方程湍流动能方程：方程湍流能量耗散率方程：式中：为层流的黏性系数；k为 k 方程的湍流普朗特数；Gk为平均运动速度梯度引起的湍动能产生项；为湍动能耗散率；为 方程的湍流普朗特数；C1、C2为常数，C1=1.44、C2=1.92。3几何模型建立与数值模拟参数设定3.1几何模型根据 30202 综掘工作面的实际情况，采用Solidworks 软件构建数值模拟的几何模型5。该模型如图 1 所示。几何模型包括综掘工作面空间、连采机、梭车、破碎机、铲车和压入式风筒 6 个部分。将工作面胶运顺槽作业空间简化为一个长方体，尺寸为 90 m6.4 m4.2 m（长宽高）；连采机尺寸为 11 m3.3 m1.5 m，其中滚筒宽 3.3 m、截深0.8 m、滚筒直径 1.12 m；梭车尺寸为 9.2 m3 m2.5 m；铲车尺寸为 5 m3 m1.3 m；压入式风筒在工作面右帮，为 DN100 无缝钢管。()kt+kui()xi=xi+tk()kxj+Gk-（4）()kt+ui()xi=xj+t()xj+C1kGk-C22k（5）图 1综掘工作面三维模型3.2网格划分利用 Mesh 对几何模型进行网格划分6。设置网格单元尺寸为 0.1 m，最小网格尺寸为默认值，计算得到几何模型的非结构化网格：共划分为3 623 984 个单元，网格最小质量为 0.25，最大质量为 0.99，平均质量为 0.85，平均偏度为 0.25，标准偏差为 0.11。3.3边界条件设定将 Mesh 划分好的网格文件导入到 Fluent 软件中，并对几何模型的边界条件和粉尘源参数进行设置，如表 13 所示。表 1主要边界条件设定表 2离散相参数设定表 3连采机截割参数3.4综掘面粉尘运移规律分析按照上文所述，对边界条件及粉尘源参数进行设置7。采用 SIMPLE 算法8进行瞬态求解与计算。在迭代平衡后，导出数据文件并对模拟结果进行分析。为了更清晰、直观地描述综掘工作面风流-粉尘逸散规律，沿工作面高度设置 3 个不同截面，分别截取了 Y=1 m（底板附近）、Y=2 m（呼吸带高度附近）、Y=3 m（顶板附近）3 处的粉尘浓度，同时截取距工作面迎头不同距离下的粉尘浓度分布情况。图 2 为额定风量下不同高度的粉尘浓度分布情况；图 3 为额定风量下距迎头不同距离的粉尘浓度分布。边界条件参数设定壁面DpmConditionTrapShear ConditionNoSlip离散相模型参数设定与连续相作用打开更新 DPM源打开相间耦合频率10最大计算步骤50 000长度0.01射流源参数设定射流源类型面入射释放面工作面材料anthracite粒度分布R-R最小粒径/m1e-6最大粒径/m2e-4质量流率/（kg/s）0.01挖掘机破碎机梭车连采机风筒掘进面842023 年 2 月Feb.,2023图 2综掘面掘进时不同高度粉尘浓度分布图 3综掘面掘进时不同轴向距离粉尘浓度分布浓度/（kg/m3）浓度/（kg/m3）Y=3 mY=2 mY=1 mX=1 mX=2 mX=3 mX=4 mX=10 mX=20 m1.000e-028.571e-037.143e-035.714e-034.286e-032.857e-031.4293-030.000e+001.000e-028.571e-037.143e-035.714e-034.286e-032.857e-031.4293-030.000e+00ZXZY能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1852023 年 2 月Feb.,2023由图 2、3 分析可以得出以下结果9-13：（1）靠近迎头处粉尘质量浓度较高，粉尘浓度在 800 mg/m3以上；在 X=04 m 时，掘进产生的大量粉尘由于压入式风筒的高速风流集中在巷道左帮，此时最大粉尘浓度在连采机滚筒附近；中部位置大部分区域粉尘浓度较小，维持在 571 mg/m3左右。当高度 Y1 m 后，粉尘开始向巷道全断面扩散，这是由于压入式风筒引起的旋流风所致；当粉尘运移至 10 m 后位置时，粉尘浓度最大仅有280 mg/m3，此时大部分大粒径粉尘开始逐渐沉降，呼吸性粉尘弥散在整个巷道。（2）靠近连采机滚筒处的平均粉尘质量浓度，明显高于掘进机司机处的平均粉尘质量浓度。由于受空气流动和较大粒子自身重力的影响，整个工作面底板处的粉尘质量浓度高于巷道其他处的粉尘质量浓度，但高处的粉尘主要为小粒径的呼吸性粉尘，对人体的危害更大。粉尘浓度在 800 mg/m3以上的区域集中在迎头底板以及巷道左帮，因此对这部分粉尘采取有效措施能够有效治理工作面弥散的粉尘。3.5粉尘浓度现场实测验证为了验证所获得模拟结果的准确性，对 30202综掘工作面进行现场粉尘浓度测定。待连采作业开始 5 min 后，利用粉尘采样器对连采机后方 5、10、20 m位置的呼吸带粉尘浓度进行采样，同一测点测量 3 次取平均值，如图 4 所示。分析发现，所选区域粉尘浓度相对误差控制在 10%以内，最小误差为7%，考虑到现场作业的复杂性、产尘波动性及人为误差，可认为该误差在可接受范围内，本文所获得的模拟结果相对准确。图 4综掘面粉尘浓度比较4结论对陕西榆林有色公司杭来湾煤矿 30202 综掘工作面采用 ANSYS FLUENT 软件构建了风流-粉尘两相耦合模型，分析了在额定风速下，连采机掘进时综掘面不同高度及轴向距离粉尘浓度分布及其运移规律。分析发现，连采机司机处粉尘浓度一直在 700800 mg/m3，轴向距离 10 m 处降至 100200 mg/m3。现场实测发现，粉尘浓度相对误差在10%以内，可认为数值模型相对准确。通过分析，应对连采机滚筒附近以及巷道左帮的粉尘采取针对措施，在滚筒附近高浓度粉尘尚未扩散时将其捕获，能有效控制巷道整体粉尘浓度。参考文献1王磊，魏伟，刘旭东，等.基于 CFD 的风流影响下综采面粉尘沿程污染机制 J.煤炭技术，2022，41（4）：104-108.2解国良.基于雷诺平均法的数值风洞技术研究与应用 D .西安：西安建筑科技大学，2015.3柏君励，马宁，顾解忡，等.基于 RANS 方程和大涡模拟法的畸形波数值造波对比研究 C /2013 年船舶水动力学学术会议论文集，2013.4李军胜.基于 Realizable k-模型煤巷综掘工作面粉尘运移规律研究 J.陕西煤炭，2021，40（增刊 2）：6-10.5宋淑郑，屈亚龙，荆斌.基于 FLUENT 综采工作面风流-粉尘逸散规律探究 J.矿业研究与开发，2019，39（11）：79-83.6孙美东.基于 Mesh 拓扑的 3DNoC路由算法研究 D.郑州：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，2018.7王伟.司马矿综掘面粉尘运移规律研究 J.山东煤炭科技，2017（7）：79-80.8秦剑，潘华辰，田晓庆，RAHMAN MM.SIMPLE 算法的一种改进格式 J.应用力学学报，2021，38（6）：2398-2404.9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 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