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煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050130引言当前煤矿粉尘与职业安全健康问题日益凸显，以矿工尘肺为主的职业病新发病例数、累计病例数和死亡病例数均居世界首位。近年来，随着我国煤矿采掘机械化水平提高、开采工艺不断创新以及煤炭能源需求的日益增加，煤炭的开采总量不断提升，但随之而来的却是煤矿粉尘污染急剧增加。据现场实测，大采高综采工作面未采取防尘措施前，综采工作面全尘质量浓度可达4 000 mg/m3，呼吸性粉尘质量浓度可达1 100 mg/m3。目前，大采高综采面粉尘防治技术基本都是沿袭传统综采、综放面防尘技术，或在此基础上稍加改进，如采煤机二次负压降尘技术、采煤机外喷雾技术、支架对喷喷雾等。但是经过上述措施治理以后，大采高综采面的降尘效率也仅为70%左右，远不及一般综采面的90%左右。究其原因，主要是对大采高综采面粉尘基本运移规律掌握不清，导致防尘技术制定时没有针对性。本文在此背景下开展风流参数分别对单一尘源（采煤机滚筒尘源）及单-双尘源耦合（采煤机滚筒尘源、支架移架尘源）情况下粉尘扩散规律影响的研究，综合2种结果，获取大采高综采面最佳排尘风速，同时为各尘*陕西省教育厅一般专项科研项目（22JK0429）综采面风流参数对单-双尘源耦合粉尘运移规律影响及治理技术研究*焦婉莹1，袁地镜2，韩东洋3，莫金明2（1.西安航空职业技术学院，西安710089；2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆400037；3.陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西 榆林719001）摘要：综采工作面一直以来都是煤矿粉尘污染的重灾区。为解决综采面粉尘污染问题，通过建立高度仿真综采面三维模型，利用Fluent软件模拟分析了不同风速条件下综采面单一尘源及单-双尘源耦合条件下各尘源点扩散粉尘分布规律。通过对比分析模拟结果，获取综采面最优排尘风速，并以此为依据提出相应的综采面控除尘措施。研究成果可指导矿井前期通风布局设计及开采过程中综采、综放面粉尘治理，对创建安全绿色矿井具有重要意义。关键词：综采面；风流参数；粉尘；单-双尘源；运移分布规律；排尘风速中图分类号：TD714文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0041 04Study on Influence of Fully Mechanized Mining Face Airflow Parameterson Single-Double Dust Source Coupling Dust Transport Law and ControlTreatmentJiao Wanying1，Yuan Dijing2，Han Dongyang3，Mo Jinming2（1.Xian Aeronautical Polytechnic Institute,Xian 710089,China；2.Chongqing Research Institute,China CoalTechnologyandEngineeringGroup,Chongqing400037,China；3.SHCCIGCaojiatanMiningCo.,Ltd.,Yulin 719001,China）Abstract:Fully mechanized coal mining face has always been a serious disaster area of coal mine dustpollution.In order to solve the problem of dust pollution,by establishing a highly simulated three-dimensional model of the fully mechanized mining face,the Fluent software was used to simulate andanalyze the dust distribution law of each dust source point under the conditions of single dust sourceand single-double dust source coupling conditions in the fully mechanized mining face under differentwind speeds.Through comparative analysis of the simulation results,the optimal dust exhaust windspeed of the fully mechanized mining face was obtained.On this basis,the corresponding dust controlmeasures for fully mechanized mining face were proposed.The research results can guide theventilation layout design in the early stage of the mine and the flour dust control in the process of fullymechanized mining and fully mechanized top coal caving,which is of great significance to create a safeand green mine.Key words:fully mechanized mining face；airflow parameter；dust；single-double dust source；transport and distribution law；dust exhaust velocity41第44卷第5期Vol.44 No.5综采面风流参数对单-双尘源耦合粉尘运移规律影响及治理技术研究焦婉莹，等源点制定高效防尘措施提供理论依据。1数学模型连续性方程t+xi（ui）=0（1）Navier-Stokes方程t（ui）+xj（uiuj）=-pxi+xj（t）ujxi+uixj()（2）t=C2/（3）方程t（）+xj（uj）=xj+t()xj+G+Gb-YM+S（4）G=tS2S=2SijSijSij=12ujxi+uixj()|（5）方程t（）+xj（uj）=xj+t()xj+C1S-C22+v+C1C3Gb+S（6）C1=max0.43，+5()=S|（7）式中湍流动能；湍流扩散率；i、j速度在x、y方向上的分量，m/s；气流密度，kg/m-3；、t层流、湍流中的黏性系数，Pas。其中，C21.92，C1=1.44，=1.0，s=1.2，由于本文假设气体为不可压缩气体，故取YM=0。离散相模型通过在拉格朗日坐标系中积分求解粒子间相互作用的微分方程来计算离散相粒子的运动轨迹，有mpdupdt=F=Fd+Fg+Ff+Fx（8）粉尘颗粒所受阻力Fd12CdCAp（u-up）|u-up|（9）式中mp粉尘颗粒的质量，mg；up粉尘颗粒的运动速度，m/s；F粉尘颗粒所受合力，N；Fg粉尘颗粒所受重力，N；Ff粉尘颗粒所受浮力，N；Fx粉尘颗粒所受的其他作用力（如Saffman升力、Magnus升力等），N；Cd阻力系数；C动力形状系数；Ap颗粒迎风面面积，m2。2数值计算模型（1）模型建立本文以曹家滩122109工作面为依托，建立数值计算模型。122109工作面平均煤厚11.8 m，设计采高5.8 m，放煤高度6 m，走向长度260 m。采取一刀一放，放煤步距确定为0.865 m。该综放工作面共有130台液压支架，利用SolidWorks软件在保证计算结果精度的情况下，根据工作面实际情况建立综采面实体三维简化模型，如图1所示。尘源点的布置主要为采煤机前、后滚筒和液压支架移架。图1综采面三维模型1、3.滚筒尘源2.移架尘源（2）网格划分利用ANSYS软件自带mesh模块进行网格划分，为了验证网格的精度，将划分好的网格模型进行综采面风流分布模拟，并且与井下风速实测结果进行对比，结果如图2所示。由图2可知，数值模拟结果与实测结果规律基本保持一致，风速随着距离进风巷距离增加逐渐减小，但实测结果略高于数值模拟结果，误差在8%以内，可能由于在模型建立过程中对模型进行了部分简化导致，但是分析认为误差在合理范围之内，因此本次网格划分方法比较合理，可以用于后续风流参数对多尘源参数粉尘运移分布规律模拟影响的研究。图2网格验证结果1.实测结果2.模拟结果（3）边界参数关于数值模拟的边界条件，采场空间设置湍流模型为标准-双方程模型，关闭能量方程，机载除尘器入口为速度入口，出口为速度出口，CFD模12回风巷80 mxyzo进风巷20212223242627282930距进风巷距离/m风速/ms-11.81.61.41.21.00.80.60.40.2012342型基本参数及边界条件如表1所示。表1CFD模型基本参数及边界条件3模拟结果分析（1）不同风速下全尘源粉尘运移规律为了研究风速对综采面粉尘运移分布规律的影响，模拟了0.53.0 m/s条件下综采面全尘源（滚筒尘源、支架降柱移架尘源）粉尘分布，截取了人员呼吸带高度平面（Y=2.5 m）粉尘浓度分布图，如图3所示。从图3可以看出，随着综采面风速增加，人员呼吸带截面粉尘质量浓度分布逐渐好转。采煤机滚筒附近的高浓度粉尘团影响区域在高风速气流的影响下逐渐减小，到综采面风速为3.0 m/s时，采煤机上滚筒附近几乎无高浓度粉尘云团，只有下风侧滚筒及煤壁存在少量高浓度粉尘云团；另外，随着工作面风速增加，液压支架降柱移架尘源产生的粉尘在人员呼吸带截面的扩散逐渐减弱，高浓度粉尘云团逐渐消失，粉尘向下风侧扩散距离大大缩短。图3不同风速下全尘源粉尘运移分布图同时，为了更为直观地展示风速对工作面粉尘分布的影响，截取了人员呼吸带高度粉尘浓度值，如图4所示。由图4可知，全尘源条件下，综采面支架内侧人员呼吸带高度粉尘浓度随着距进风巷距离增加呈逐渐减小的趋势。在采煤机机身附近，随着风速的增加，粉尘浓度呈现降低-升高-降低的变化趋势，在采煤机下风侧粉尘却表现出升高-降低-升高的趋势。综合对比上述模拟结果，针对综采面全尘源，在进风风速为2.5 m/s时，工作面粉尘分布较为合理，最利于排尘。距进风巷距离/m图4不同风速下全尘源粉尘人员呼吸带高度浓度分布图1.1.6 m/s 2.0.5 m/s 3.1.0 m/s 4.1.2 m/s 5.2.0 m/s 6.2.5 m/s 7.3.0 m/s（2）不同风速下采煤机滚筒尘源粉尘运移规律采煤机滚筒尘源是综采面粉尘的主要来源。因此，通过分析不同风速下的采煤机滚筒尘源粉尘运移规律，与全尘源条件下的模拟结果做对比，得出综采面最佳排尘风速。截取了人员呼吸带截面粉尘质量浓度分布图，如图5所示。由图5可知，采煤机尘源产生的粉尘，在风流的影响下，主要沿煤壁一侧向下风侧运动，高浓度粉尘云团主要集中在采煤机机身附近。在工作面风速较低时，采煤机滚筒尘源产生的粉尘会逸散到下风侧人行空间，严重影响矿工身体健康；当进风风速增加到2.5 m/s时，采煤机机身附近的高浓度粉尘云团面积明显减小，并且对下风侧人行空间影响也明显改善；当进风风速继续增加，工作面粉尘污染改善效果无明显变化。图5不同风速下采煤机滚筒尘源粉尘运移分布图距离进风巷2060 m内采煤机机身上方粉尘浓度变化情况如图6所示。由图6可知，采煤机滚筒尘源产生的粉尘在采煤机机身上方呈现升高-降低-升高-降低的变化规律，在采煤机机身中部粉尘浓度达到峰值，最高可达180 mg/m3，在采煤机下风侧滚筒附近粉尘浓度最低。随着风速的增加，粉尘浓边界条件入口边界类型入流速度/ms1湍流强度/%湍流黏度比出口边界类型壁面剪切条件相间耦合DPM迭代的连续交互次数颗粒相材料参数设定速度入口1.2（变量）510出流无滑移打开200中挥发煤边界条件喷射类型粒径分布规律最小粒径/m最大粒径/m中位粒径/m粒径个数分布指数质量流率/kgs1湍流扩散模型参数设定面罗森-拉姆勒分布110-6110-4210-51503.50.025随机轨道模型0.200.180.160.140.120.100.080.060.040.020粉尘浓度/gm-314 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 46 48 50 52 54 56 58 601234567第44卷第5期Vol.44 No.5综采面风流参数对单-双尘源耦合粉尘运移规律影响及治理技术研究焦婉莹，等kg/m3DPM Concentration5.00e-044.29e-043.57e-042.86e-042.14e-041.43e-047.14e-060.00e+00kg/m3DPM Concentration5.00e-044.29e-043.57e-042.86e-042.14e-041.43e-047.14e-060.00e+000.5 m/s1.0 m/s1.2 m/s1.6 m/s2.0 m/s2.5 m/s3.0 m/s0.5 m/s1.0 m/s1.2 m/s1.6 m/s2.0 m/s2.5 m/s3.0 m/s3.5 m/s4.0 m/s43度逐渐降低，在采煤机机身附近最为明显，当风速从1.2 m/s增加到4.0 m/s时最大降尘效率达81.6%。但综合对比距进风巷2060 m，在采煤机机身附近，进风风速为4.0 m/s时最有利于排尘；在距离进风巷35 m之后的范围，进风风速从3.0 m/s增加到4.0 m/s时粉尘降尘效率变化不明显。距进风巷距离/m图6不同风速下滚筒尘源粉尘采煤机上方浓度分布图1.0.5 m/s 2.1.0 m/s 3.1.2 m/s 4.1.6 m/s 5.2.0 m/s 6.2.5 m/s7.3.0 m/s 8.3.5 m/s 9.4.0 m/s4粉尘治理技术探讨通过上述研究发现，适当提高综采面进风风速有利于粉尘沉降，但是现场整体提高进风风速需要耗费大量的人力、物力、财力。因此，可以考虑在综采面局部增加相关设备提高风速，如在采煤机机身上方或者摇臂根部布置电动除尘器，增加局部风速的同时还可以起到抽吸、净化粉尘的作用，如图7、图8所示。图7采煤机机载电动除尘器方案11.采煤机2.机载电动除尘器图8采煤机机载电动除尘器方案21.采煤机2.机载电动除尘器在采煤机机身上方布置喷雾引射除尘器，通过喷雾引射作用，提高局部风速，引导粉尘向煤壁侧运动，同时利用喷雾对粉尘进行有效沉降，如图9所示。图9机载喷雾引射除尘器方案1.采煤机2.机载电动除尘器在采煤机机身布置高压喷雾，在实现喷雾降尘的同时，提高局部风速等，如图10所示。图10采煤机机身高压喷雾方案1.采煤机2.采煤机机身喷雾5结语（1）本文通过建立三维数值模型模拟综采面风流流场分布，风速变化规律与井下风实测结果基本一致，误差保持在8%以内，验证了数值计算模型的准确性；（2）进风风速对综采面全尘源、采煤机滚筒尘源影响规律基本一致，表现为进风风速越增加，工作面粉尘沉降效果越好，越有利于排尘。针对综采面全尘源，最佳排尘风速为2.5 m/s，针对采煤机滚筒尘源，最佳排尘风速为2.53.0 m/s；（3）通过综合分析，结合现场安全生产实际需求，以及瓦斯排放的最低风速要求，在节能减排的环保前提下，确定了曹家滩122109综放工作面最佳排尘风速为2.5 m/s，并以此为依据，提出了相应的粉尘治理技术措施。参考文献：1MO Jinming,MA Wei.Researches on the numerical simulation ofthe dust pollution characteristics and the optimal dust suppressionwind-speed on fully mechanised caving faceJ.Energy Exploration&Exploitation,2022,40(2):800-815.2李德文,赵政,郭胜均,等.“十三五”煤矿粉尘职业危害防治技术及发展方向J.矿业安全与环保,2022,49(4):51-58.3程卫民,周刚,陈连军,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):1-20.4马威,张群,吴国友,等.采煤机割煤粉尘治理关键技术及装备研究与应用J.矿业安全与环保,2019,46(3):61-65.5马威.基于引射喷雾和挡尘帘的采煤机含尘气流控制技术研究J.矿业安全与环保,2017,44(1):21-24.6刘江斌,管隆刚,莫金明,等.曹家滩煤矿122109综放工作面综合降尘技术研究与应用J.煤炭技术,2022,41(1):147-151.7张琪.大采高综采面一体化降尘技术研究J.山西焦煤科技,2020,44(9):50-53.8关万里,鲁义,谷旺鑫.超大采高综采面综合防尘技术及应用J.能源技术与管理,2021,46(6):11-13.9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):684-693.11李红儒,沈荣喜,邱黎明,等.综采面截煤产尘风流-粉尘运移规律研究J.煤炭技术,2019,38(2):104-107.作者简介：焦婉莹（1990-），女，陕西宝鸡人，讲师，硕士研究生，研究方向：煤矿矿井通风安全及粉尘治理，电子信箱：jiaowany-.责任编辑：赵荣收稿日期：202302130.200.180.160.140.120.100.080.060.040.020粉尘浓度/gm-320 22 24 26 38 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 52 54 56 58 60123456789第44卷第5期Vol.44 No.5综采面风流参数对单-双尘源耦合粉尘运移规律影响及治理技术研究焦婉莹，等12风流方向出风口进风口12出风口1进风口1出风口2进风口212进风口喷雾出口1244