掘进工作面风流与粉尘运移规律及控尘技术分析.pdf

掘进工作面风流与粉尘运移规律及控尘技术分析吴德金，安磊，李 膑，刘 波，郝万成（济宁矿业集团花园井田资源开发有限公司，山东 济宁 272000）摘要：为有效降低花园煤矿掘进工作面高浓度粉尘的有害影响，选定花园煤矿五采区西翼轨道巷掘进工作面作为研究对象，通过仿真数值模拟，对比分析了传统单一压入式通风以及长压短抽式通风方式，并在工程现场进行了实测验证，分析研究得到了掘进面风流-粉尘两相流运移分布规律，长压短抽式通风方式较传统单一式通风方式更为有效，除尘率可达 70%以上，可有效防控粉尘问题。关键词：掘进工作面；数值模拟；粉尘运移；长压短抽式通风中图分类号：TD714文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）05-00-05Analysis on the law of air flow and dust movement in heading face and dustcontrol technology-taking Huayuan Coal Mine as an exampleWU Dejing,AN Lei,LI Bin,LIU Bo,HAO Wancheng（272000,）Abstract：In order to effectively reduce the harmful effects of high concentration dust in the heading face of Huayuan Coal Mine,the headingface of the west wing track roadway in the fifth mining area of Huayuan Coal Mine is selected as the research object in this paper.Throughsimulation numerical simulation,the traditional single forced ventilation and long forced short pumped ventilation are compared and analyzed,and the actual measurement verification is carried out in the project site.The analysis and research results show that the movement anddistribution law of air flow and dust two-phase flow in the heading face is obtained,the long pressure short pumping ventilation mode is moreeffective than the traditional single ventilation mode.The dust removal rate can reach more than 70%,which can effectively prevent andcontrol the dust problem.Key words:driving face；numerical simulation；dust migration；long pressure short extraction ventilation0引言粉尘危害目前是地下开采普遍存在的现象。由于多数煤矿在凿岩放炮和装运过程中存在通风受阻、风流短路的情况，致使大量的炮烟和汽车尾气停滞于巷道及作业面。粉尘危害目前已被成为严重影响矿井安全的五大灾害之一，对于煤矿而言，由于粉尘具有爆炸性，对矿井的危害更为突出 1,2。同时，掘进工作面是煤矿粉尘灾害最为严重的位置之一 3,4，因此，有必要对掘进工作面粉尘防控问题进行细致的研究。粉尘分布规律及机理方面，诸多学者进行了大量的研究，程卫民等学者采用仿真模拟的手段，研究分析了掘进面在不规则的情况下粉尘浓度的分布。周刚 5 等学者采用仿真模拟的手段，分析研究了诸多尘源同时存在情况下作业面风流-呼尘两相流耦合运移规律，并根据模拟结果提出了呼尘防治措施与体系。蒋仲安 6 通过仿真模拟的放段，分析了气体-粉尘颗粒两相流运移规律，得到了当粉尘颗粒相同的情况下，空间作业场所中的通风降尘效率随着通风风速的增大而越低。王明等学者 7 探究了不同通风条件下综掘工作面的粉尘浓度分布规律。花园煤矿五采区西翼轨道巷掘进工作面由于掘进面大部分是软岩，小部分是煤层，当掘进机截割时，五采区西翼轨道巷掘进工作面内在极短的时间中会产生大量的粉尘，可见度不足 1 m，产生的显微粉尘以及超显微粉尘的浓度相比于其它地质工作面更大，所造成的危害更严重。并且巷道内风量小、作业环境闷热，为解决粉尘所带来的灾害威胁，目前掘进工作面在巷道内进行湿式降尘进行粉尘治理，但治理效果并不明显，工作面内浓度依旧超出国家标准，且由于湿式除尘在作业过程中将水直接排放在作业巷道中，对于底板以泥岩为主的工作面而言，会造成大面积淤泥，不利于巷道维护和生产作业。本文以此为研究对象，采用数值模拟的研究方式，对比分析了传统单一压入式通风以及长压短抽式通风方式，获取最佳通风方式，以解决花园煤矿五采区西翼轨道巷掘进工作面粉尘灾害严重的问题。1数学模型本文要进行的掘进工作面风流场流动的数值模拟来说，只需要计算出平均作用力和平均传热量等，2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷56所以采用 Reynolds 时均方程法就能满足要求。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 8,9：质量守恒方程，或者连续性方程可以被写为：坠坠+塄 （）=m（1）式（1）是质量守恒方程最常见的形式。风流的动量守恒方程可被写成下面这种形式：坠坠（）+塄 （）=-塄+塄 （）+（2）式中：为静压；为应力张量；和 分别为重力和体积力；为其它独立的力，如多孔介质和用户定义的源项。应力张量由下面的公式定义=塄+塄蓸蔀-23塄 蓘蓡（3）式中：为摩尔粘度；为单位张量。上式中的第二项为膨胀效应。上述方程组利用 Realizeable k-模型进行封闭，具体过程如式（2）、式（3）。方程湍流动能方程坠（）坠+坠（i）坠i=坠坠i+tk蓸蔀坠坠j蓘蓡+k-（4）方程湍流能量耗散率方程坠（）坠+坠（i）坠i=坠坠xi+t蓸蔀坠坠xj蓘蓡+1-22+姨（5）式中：为方向速度；t为涡黏性系数；k、为方程系数；k为由平均运动速度梯度引起的紊流动能生成项；为方程紊流普朗特数；C1为 max0.43，+5；2为常数。2风流-粉尘耦合运移数值模拟研究2.1几何模型建立及参数设定2.1.1几何模型的建立为了准确地数值模拟出不同类型通风系统时的风流运移和气载粉尘逸散规律，应用 SOLIDWORKS软件构建花园煤矿五采区西翼轨道巷掘进工作面等比例物理模型，构建的物理几何模型均由巷道、掘进机、压风筒、抽风筒等几大部分构成具体参数见表1，并将其导入 FLUENT 软件进行自动网格划分。如图 1、图 2 所示。图 1掘进工作面等比例模型图 2掘进工作面前期网格划分表 1花园煤矿工作面物理模型参数2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷构件名称参数名称尺寸巷道形状长方体半拱形长宽高/m404 5003 800掘进机机体形状长方体机体的长宽高/m62.42机身后部距巷道底板/m0.2行走履带底盘的长宽高/m42.40.3铲板形状三角形体铲板的长宽高/m10.30.83截割头圆柱体的长直径(m)11截割头半球形体的直径/m1抽风筒形状轴向圆柱体直径/m0.6抽风口与迎头距离/m10中轴线距地面高度/m2相对掘进机位置靠近掘进机边缘压风筒形状轴向圆柱体直径/m0.6压风口与迎头距离/m2中轴线距地面高度/m2与最近巷道壁距离/m0.1572.1.2边界条件设定及网格划分基于花园煤矿五采区西翼轨道巷掘进工作面现场实际条件设定数值模拟的基本边界条件，具体参数设置如下：入口边界设定为 Velocity-Inlet，湍流动力能量设定 0.7 m2/s2，湍流扩散比率设定 0.9 m2/s3，出口边界类型为 Outflow。图 3花园煤矿单一压入式通风系统图 4花园煤矿长压短抽式通风系统2.2模拟结果分析2.2.1传统单一压入式通风后的掘进工作面研究空间内风流场情况对于研究粉尘运移是十分重要的，因此，通过数值模拟技术分析风流流场分布规律，对于研究作用场所中粉尘运移规律以及浓度分布规律有很大帮助 10,11。由图 5、图 6 可知，若采用传统的单一压入式通风防尘，巷道中的风流沿着压风筒的轴向朝着风口以相当高的速度流出，风流速度可达 6 m/s。作业场所中的风流沿着压风筒侧的巷道岩壁朝着迎头的方向流动，在这时间内，高速风流会由于卷吸作用迫使该场所中的空气不断涌入该射流场中，由此在掘进设备旁边构建成一个涡流场。空间内因只有压风筒的存在，导致从涡流场逃逸的风流在巷道后部平稳的向后运行，风流迹线稳定。由图 7 可知，风流在风筒出风口处风速较高，风速在巷道中沿 YZ 剖面的分布，风流在风筒出风口处和掘进机司机处风速较高，且不同高度风速不同，沿风流方向风速越来越小。图 5治理前三维掘进巷道内流场风速图 6治理前三维掘进巷道内流场运移轨迹图 7治理前 YZ 平面 X=2.25 时风速分布由图 8 所示，在传统单一压入控尘下，掘进作业作业场所空间中压风筒的轴向高速风流会对周围空气产生卷吸作用，迫使作业场所中内流场流体方向紊乱、分布不均，从而使得该通风方式防尘效果不好；除此之外，该条件下巷道后部流场流线稳定，使得逃逸的粉尘沿稳定的风流扩散至整个巷道。图 8治理前粉尘浓度分布2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷58如图 8 所示，粉尘已扩散至巷道整个空间，高浓度粉尘几乎能够弥漫整个空间。2.2.2长压短抽式通风后的掘进工作面由图 9、图 10 可知，采用长压短抽式通风方式，风流以很高的速度沿着压风筒的轴向方向从出风口流出，速度约 11 m/s。掘进面中的风流紧贴压风筒侧巷道岩壁朝着迎头方向涌出，在这段时间内，巷道中的风流由于卷吸的影响迫使作业空间内的空气源源不断涌入流场中。此外，由于抽风口的负压作用的存在，流场源源不断朝着巷道抽风岩壁面运移，形成了较大的涡流场。图 9采用长压短抽后三维掘进巷道内流场风速图 10采用长压短抽后三维掘进巷道内流场运移轨迹由图 11 可知，采用长压短抽通风后，风流在风筒出风口处风速较高，风速在巷道中沿 YZ 剖面的分布，巷道内风流整体提高，在掘进机处和皮带处风流风速都提升到了 10 m/s 左右。由图 12 可知，应用长压短抽通风系统后，迎头前 812 m 场所中形成了有效的防尘空气流场，该流场能够有效控制高浓度粉尘的扩散。粉尘多数分布于掘进设备后部空间中，多数粉尘被有效抑制在迎头前 15 m 以内的位置中，掘进设备操作人员位置处粉尘分布很低，可以看出采用长压短抽通风方式后构建而成的空气流场有着有效的防尘效果。图 11采用长压短抽后 YZ 平面 X=2.25 时风速分布图 12采用长压短抽后粉尘浓度分布3现场应用采用 FCS-30 粉尘采样仪测定了采用不同抑尘措施时掘进工作面各处的粉尘浓度。没有采用控尘措施时运用传统单一通风方式时掘进面各测点的粉尘浓度数据见表 2。表 2未采取任何防尘措施时工作面各测点的粉尘浓度数据由表 2 可知，花园煤矿五采区西翼轨道巷掘进工作面在未采取任何防尘措施时，掘进工作面掘进头处、掘进机司机处、转载机下风侧的全尘和呼尘浓度的最高值分别达到 813.3 mg/m3和 619.1 mg/m3、571.2 mg/m3和 384.7 mg/m3、225.2 mg/m3和 212.5mg/m3，应是工作面粉尘防治的重点。工作面粉尘浓度最小的距掘进头 100 m 处，全尘和呼尘浓度也高2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷测点编号测定位置尘性全尘浓度/(mg/m3)呼尘浓度/(mg/m3)1 号掘进头处煤、岩813.3384.72 号掘进机司机处煤、岩619.1225.23 号转载机下风侧煤、岩571.2212.54 号伸缩机皮带下风侧煤、岩479.3179.75 号距掘进头 50 m 处煤、岩370.0152.86 号距掘进头 100 m 处煤、岩363.1133.659（上接第 55 页）混凝土井壁冲击倾向性试验研究 J.材料导报，2019，33（16）：2671-2676.7 杨杰，黄声树，孙海涛，田成林.不同冲击倾向性型煤的制取及其力学指标测定J.煤炭技术，2019，38（4）：148-151.8 肖晓春，金晨，丁鑫，潘一山.基于声发射时频特征的不同含水煤样冲击倾向试验研究 J.煤炭学报，2018，43（4）：931-938.9 朱丽媛，潘一山，李忠华，徐连满.深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理 J.煤炭学报，2018，43（11）：3042-3050.10 杨亚帆.煤矿冲击地压发生机理及防治措施J.内蒙古煤炭经济，2018（19）：21-22.作者简介：唐满元（1987-），男，本科，湖南东安人，高级工程师，主要从事煤矿通风与安全管理工作。（收稿日期：2023-2-6）达 363.1 mg/m3和 133.6 mg/m3，可以发现粉尘浓度如此之高，会严重影响井下掘进场所工人的身心健康和煤矿高效生产。因此，需要通过对降尘设施的合理布置来降低掘进工作面粉尘浓度。表 3安装局部通风机采用长压短抽式通风工作面各测点的粉尘浓度数据及降尘率由表 3 可知，安装局部通风机采用长压短抽式通风后与未采取任何防尘措施时相比，花园煤矿五采区西翼轨道巷掘进工作面掘进头处、掘进机司机处、转载机下风侧的降尘率均有显著地降低，工作面整体的粉尘浓度有了明显降低，说明安装局部通风机采用长压短抽式通风后，可迅速有效地抑制掘进面产生的粉尘扩散，防止其向外扩散，有效降低了整个掘进工作面各工序的整体粉尘浓度，进而优化了掘进面的作业环境。4结论1）风流场运移规律：90%的压风由附壁风筒的径向出风口吹出，吹向巷道四壁，形成覆盖巷道全断面的风流场，并在抽风口的作用下流向巷道迎头，从而形成控尘风流场-空气幕。2）通过对比不同通风方式，得出采用长压短抽式通风方式，掘进工作面控尘效果最显著。3）花园煤矿五采区西翼轨道巷掘进工作面采用局部通风机长压短抽式通风进行粉尘治理，通过实测得到 6 个作业测点处平均降尘率可达 70%以上。参考文献：1 肖峻峰，许峰，樊世星，等.大断面综掘巷道长压短抽条件下粉尘运移模拟J.中国安全科学学报，2017，27（2）：127-132.2 基于 ANASYS 的综掘工作面通风参数优化J.煤矿安全，2018，49（3）：178-181.3 岩巷综掘面混合式通风除尘数值模拟研究 J.华北科技学院学报，2019，16（5）：11-17.4 程卫民，周刚，等.我国煤矿粉尘防治理论与技术 20 年研究进展及展望 J.煤炭科学技术，2020，48（2）：1-20.5 周刚，张琦，白若男，等.大采高综采面风流-呼尘耦合运移规律 CFD 数值模拟J.中国矿业大学学报，2016，45（4）：684-693.6 蒋仲安，张中意，等.基于数值模拟的综采工作面通风除尘风速优化J.煤炭科学技术，2014，42（10）：75-78.7 王明，蒋仲安，等.岩巷综掘面混合式通风除尘数值模拟研究J.华北科技学院学报，2019，16（5）：11-17.8 代江娇，黄家海，赵斌，等.大断面模拟掘进巷道通风除尘系统数值分析J.煤矿安全，2016，47（11）：193-196.9 乔金林，张旭，察兴鹏，等.超大采高综采面风流-粉尘耦合扩散特性研究J.煤矿机械，2022，43（11）：60-63.10 康树棕，种化省，屈华.掘进工作面风流-粉尘耦合运移规律模拟研究 J.山东煤炭科技，2022，40（7）：100-102，105.11 夏润，凌标灿，等.掘进面不同通风除尘粉尘分布数值模拟研究J.华北科技学院学报，2022，19（3）：8-13.作者简介：吴德金（1970-），男，山东梁山人，毕业于山东矿业学院，工程硕士，工程师，研究方向：煤矿安全技术管理。（收稿日期：2023-2-15）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷测点编号测定位置尘性全尘浓度/(mg/m3)呼尘浓度/(mg/m3)全尘降尘率/%呼尘降尘率/%1 号掘进头处煤、岩187.191.277.076.32 号掘进机司机处煤、岩154.858.875.073.93 号转载机下风侧煤、岩135.453.176.375.04 号 伸缩机皮带下风侧煤、岩117.946.775.474.05 号距掘进头 50 m 处煤、岩89.938.575.774.86 号 距掘进头 100 m 处煤、岩91.835.374.773.660