综掘面压抽组合式通风参数优化研究.pdf

综掘面压抽组合式通风参数优化研究张凯铭1,贾雄伟1,张强2,马胜利2(1.西安交通工程学院 机械工程学院,陕西 西安 7 1 0 3 0 0;2.西安科技大学 机械工程学院,陕西 西安 7 1 0 0 5 4)摘 要:为改善煤矿综掘面粉尘问题,根据气固两相流理论,建立综掘面两相流瞬态模型,对压抽组合式通风方式下综掘面粉尘扩散过程进行分析,研究了压抽风口安装位置、压抽比对综掘面粉尘分布规律的影响。研究结果表明:当压风口距工作面距离为1 4m、抽风口距工作面为5m、压抽比为1.1 5时,粉尘扩散距离最短,巷道后方粉尘浓度明显降低,实验与仿真均表明,在该最佳参数运行的压抽组合式通风相较优化前能显著降低回风侧和司机位置粉尘浓度及粉尘扩散距离。关键词:综掘工作面;压抽混合式通风;气 固两相流;粉尘场参数优化0 前言2 1世纪以来,随着我国煤炭行业不断发展以及机械化装备技术水平的提高,产煤效率提高的同时煤矿粉尘问题也日益严重13。而综掘面是煤矿井下主要的产尘地,在没有任何防尘、降尘措施的情况下,综掘面粉尘浓度可高达3 0 0 0 5 0 0 0m g/m34。为改善煤矿综掘面粉尘问题,本文以玉华矿2 4 1 0综掘面为研究对象,运用F l u e n t软件对产尘源变化下压、抽组合通风时粉尘运移分布规律进行了模拟研究,得到了该通风方式下粉尘场最优的参数配比,从而提高综掘面的除尘效率,为井下施工提供一定的技术指导。1 综掘面概况及模型的建立1.1 粉尘场数学模型由于粉尘颗粒的体积分数比较小,粉尘之间的相互作用力通常可忽略不计5,采用D P M离散相模型求解粉尘颗粒的微分方程67。粉尘的平衡方程如下:dupdt=FD(u-up)+gx(p-)p+Fx(1)FD=12CDu-upu-up d2p(2)式中,up为粉尘粒子的运动速度,m/s;dupdt为粉尘惯性力;FD(u-up)为粉尘粒子的单位质量曳力,N/k g;u为气相速度,m/s;p为粉尘粒子的密度,k g/m3;Fx为其他作用力;CD为阻力系数;dp为粉尘粒子的直径,m。1.2 几何模型的建立以玉华矿2 4 1 0综掘面为研究对象,采用自下而上弓形截割方式,属半煤岩巷道,普氏系数较高,产尘 量 大。现 场 采 用 压 抽 混 合 式 通 风,利 用S o l i d w o r k s软件建立综掘面物理模型,对巷道进行适当简化,如图1所示。巷道模型尺寸长为5 0m,宽为4.4m,高为3.6m。压风筒直径为1m,抽风筒直径为0.8m。图1 综掘面物理模型2 数值模拟分析2.1 网格划分本文采用非结构化网格,如图2所示,利用W o r k b e n c hm e s h进行网格划分8,设置网格尺寸值为0.2m,增长率为1.0 1,曲率法向角为1 2,缺省尺寸0.1m,网格数为9 6.2万个。图2 网格划分2.2 模型参数及边界条件设定对风流进行稳态计算,对粉尘采用瞬态和稳态结合的计算方法91 0。当风流场计算稳定后,依据I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3截割方式对粉尘场采用瞬态计算,迎头面截割头处为产尘源,设置其为离散相面喷射源,根据采样粉尘粒径分析结果,定义材料为中挥发煤粉,具体参数见表1。设置风幕出口、压风口和抽风口均为速度入口,巷道末端出口流动符合完全发展条件故设置为O u t f l o w,其他面设置为无滑移的固壁边界,其余参数见表1、表2。表1 计算模型设定计算模型设定S o l v e r风场S t e a d y,粉尘场T r a n s i e n tA b s o l u t eV e l o c i t yG r a v i t y(y=-9.8 1m/s2)V i s c o u sM o d e lR e a l i z a b l ek-N e a r-w a l lT r e a t m e n tS t a n d a r dW a l l F u n c t i o n sD i s c r e t eP h a s eM o d e lO nE n e r g yE q u a t i o nO f f表2 离散相粉尘场主要参数设置离散相材料最大粒径/m最小粒径/m中径/m质量流率/(k g/s)分布指数C o a l-m v 3.6 1 e-0 7 2.6 7 e-0 46.1 e-0 50.0 0 7 21.8 22.3 尘源动态变化下的粉尘运移规律根据前面所建立的综掘面物理模型,引入动态粉尘颗粒作为离散相,形成耦合流场进行数值模拟。得到不同时刻下粉尘扩散的仿真结果,进行后处理分析,图3为尘源动态变化下粉尘颗粒在巷道中的扩散情况,图4为粉尘颗粒随时间变化的扩散距离曲线。图3 不同时刻的粉尘扩散分布粉尘扩散速度随产尘点距离增加而衰减,掘进开始3s内粉尘迅速扩散至掘进机附近,8 0s后粉尘基本蔓延至整个巷道;粉尘在风流的带动下,一部分进入抽风筒,一部分进入综掘机上方的涡流场,随风流向巷道后方扩散。t=3s时,受压风口高速射流的影响,粉尘迅速扩散至掘进机附近。t=1 0s时,一部分粉尘受涡流场边界气流的影响,在掘进机附近聚 集,形 成 粉 尘 聚 集 区,局 部 粉 尘 浓 度 达 到7 6 0m g/m3,另一部分快速向回风侧扩散。t=2 0s时,部分粉尘从掘进机前方涡流场的约束下释放,此时粉尘扩散距离接近2 5m。t=5 0 s时,粉尘扩散到距工作面4 0m左右,此时粉尘受风机出口高速气流的影响,驱动粉尘快速扩散,使得粉尘的扩散速度逐渐增大。t=8 0s时,粉尘已蔓延至整个巷道距工作面4 0m后,粉尘浓度在1 0 0m g/m3以内。用MA T L A B软件对粉尘扩散距离LD和时间t之间的数学关系进行拟合(R2=0.9 9 8 9),得到拟合曲线的表达式为:LD=3 2 0.1 s i n(0.0 0 24 5 7t-0.0 1 31 5)+1 0.5 3 s i n(0.0 4 48 6t+0.4 6)(3)图4 粉尘颗粒扩散距离随时间的变化2.4 压风口位置对粉尘分布规律的影响当压风量为4 5 0m3/m i n、压抽比为1.1 5 1、抽风口位置Lc=5m时,分析压风口距工作面距离Ly分别为1 0m、1 2m、1 4m、1 6m、1 8m、2 0m时的粉尘质量浓度分布,如图5所示。图5 压风口不同位置时的粉尘浓度分布由图5分析可得,当Ly=1 0m时,大量粉尘向41采矿技术2 0 2 3,2 3(3)巷道后方扩散,粉尘基本扩散至整个巷道,回风侧平均粉尘浓度达到3 0 3m g/m3;当Ly=1 2 1 4m时,粉尘在工作面前方以及综掘机左上方区域出现聚集,粉尘浓度随着压风口距离的增加而不断降低;当Ly 1 4m时,粉尘已扩散至除尘风机出口处,在司机位置和风筒侧大量粉尘聚集,粉尘浓度随压风口距离的增加而增大;当Ly=1 4m时,粉尘主要分布在距工作面5m内,此时通风除尘效果明显。2.5 抽风口位置对风流和粉尘分布规律的影响当压风量为4 5 0m3/m i n、压抽比为1.1 5 1、Ly=1 4m时,分析抽风口距工作面距离Lc分别为2m、3m、4m、5m、6m时的粉尘质量浓度分布,如图6所示。图6 抽风口不同位置时的粉尘浓度分布从图6分析可得,当抽风口距工作面距离Lc 5m时,巷道内粉尘又逐渐扩散,粉尘扩散距离随抽风口距工作面的增大而增大;Lc=6m时,粉尘扩散距离达到3 0m。2.6 压抽比对风流和粉尘分布规律的影响当Ly=1 4 m、Lc=5 m时,设定压风量为4 5 0m3/m i n,压抽比B分别为1.0 5,1.1,1.1 5,1.2,1.2 5,1.3,分析粉尘质量浓度随压抽风量比的变化情况,如图7所示。由图7分析可得,当压抽比B=1.0 5 1.1 5时,粉尘浓度不断减小,扩散距离也逐渐减小,高浓度粉尘主要集中在掘进面和回风侧;当B=1.0 5时,回风侧粉尘扩散距离已超过3 0m;当B=1.21.3时,随着压抽比的增加,粉尘扩散范围逐渐增大,风筒侧粉尘浓度随之升高;当B=1.3时,风筒侧粉尘扩散距离已达到3 5m,回风侧和司机位置粉尘平均浓度分别为1 4 8.9m g/m3和1 9 6.9m g/m3;当B=1.1 5时,粉尘扩散距离较短,回风侧和司机位置粉尘平均浓度分别为1 0 2.8m g/m3和9 1.3m g/m3。所以,Ly=1 4m、Lc=5m、B=1.1 5为压抽混合式粉尘场的最优参数。图7 压抽比不同时的粉尘浓度分布3 实验验证为分析不同工况参数对压抽混合通风时除尘效果的影响,利用实验室的煤矿局部通风设备实验平台进行实验验证。首先,将井下实测数据与实验平台优化前的实验数据进行对比,结果见图8。然后,将优化前后的回风侧及司机位置粉尘浓度进行对比,结果见图8、表3。回风侧呼吸带平均粉尘浓度由2 0 6.8m g/m3降至9 4.1m g/m3,除尘效率提高了5 4.5%。回风侧呼吸带平均粉尘浓度由1 7 4.2m g/m3降至8 3.5m g/m3,除尘效率提高了5 2.1%。图8 优化前后回风侧行人呼吸带粉尘浓度对比表3 压抽混合式下优化前后粉尘浓度对比项目回风侧行人呼吸带粉尘平均浓度/(m g/m3)司机呼吸带粉尘平均浓度/(m g/m3)优化前2 0 6.81 7 4.2优化后9 4.18 3.551张凯铭,等:综掘面压抽组合式通风参数优化研究4 结论(1)粉尘扩散速度随产尘点距离增加而衰减,粉尘在风流的带动下,一部分进入抽风筒,一部分粉尘在涡流区的作用下向巷道后方运移。在t=3s时粉尘就已迅速扩散至掘进机附近,t=8 0s时粉尘基本蔓延至整个巷道。(2)在压抽混合式通风方式下,不同压、抽风口位置和压抽比对巷道粉尘场分布有较大影响。Ly=1 4m、Lc=5m、B=1.1 5为压抽混合通风的最优参数,与未优化前相比距工作面5m后回风侧及司机位置呼吸带粉尘质量浓度分别降低了5 4.5%和5 2.1%,在井下应用时,压风筒、抽风筒的安装位置应尽量参考此参数。参考文献:1 邵国君,周庆华,李启月,等.铝土矿岩巷综掘工作面综合防尘技术研究与应用J.矿业研究与开发,2 0 1 5,3 5(1 0):6 7-7 0.2陈绍杰,祁银鸽,李改革.压入式通风掘进巷道粉尘悬浮运移规律研究J.煤矿安全,2 0 2 2,5 3(0 4):1 7 8-1 8 2+1 9 2.3王亮,史纪飞,郭炜舟,赵勋远,等.基于C F D的矿用旋流喷嘴结构仿真研究J.煤炭技术,2 0 2 1,4 0(0 8):1 9 3-1 9 5.4李勇,张凯,史纪飞,等.掘进面通风布置对粉尘运移规律的影响J.采矿技术,2 0 2 2,2 2(0 2):1 9 3-1 9 6.5王文才,李晓芳,安宁.综掘工作面长压短抽通风系统风筒合理位置研究J.煤炭技术,2 0 1 9,3 8(0 4):1 2 3-1 2 5.6闫鹏,蒋仲安,陈举师,等.岩巷掘进巷道长压短抽参数优化的数值模拟研究J.煤,2 0 1 4,2 3(1 2):1 6-1 9+4 4.7王冕.掘进巷道流场结构及粉尘沉降规律相似模拟研究J.矿业安全与环保,2 0 2 1,4 8(0 3):5 6-6 1.8李军胜.基于R e a l i z a b l ek-模型煤巷综掘工作面粉尘运移规律研究J.陕西煤炭,2 0 2 1,4 0(S 2):6-1 0.9牟国礼,郭英俊,李强,等.付村煤矿综掘通风除尘参数优化及风流 粉尘运移规律研究J.中国煤炭,2 0 2 0,4 6(0 6):6 3-6 8.1 1 姜健.掘进工作面截割粉尘及其影响因素的研究D.阜新:辽宁工程技术大学,2 0 0 1.(收稿日期:2 0 2 2-0 8-1 8)作者简介:张凯铭(1 9 9 5),陕西西安人,硕士,助教,主要研究方向为流体传动与控制技术,E-m a i l:1 0 3 1 4 9 9 2 9 5 q q.c o m。61采矿技术2 0 2 3,2 3(3)