综掘工作面粉尘分布规律及通风除尘优化研究.pdf

工矿自动化 Ind us t r y and Mine Aut o mat io n 第45卷第11期 2019年11月 Vo l . 45 No . 11 No v. 2019 文章编号1671-251X201911-0070-06DOI 10. 13272/j. is s n. 1671-251x . 2019050026 综掘工作面粉尘分布规律及通风除尘优化研究 周全超山3,杨胜强123,蒋孝元1,2,3,桑乃文123 1.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州221116； 2.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏徐州221116； 3.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221116 扫码移动阅读 摘要为了确定通风方式对综掘工作面粉尘分布的影响，并探究综掘工作面不同通风方式下的降尘效 果，以隆德煤矿209综掘工作面为研究对象，利用FLUENT软件模拟压入式通风方式下巷道中粉尘分布情 况以及抽、压组合式通风方式下粉尘分布规律及降尘效果，并通过现场实测验证数值模拟的准确性。分析结 果表明压入式通风方式下工作面巷道中粉尘污染严重，粉尘影响区域较大且沉降缓慢；模拟结果与现场实 测粉尘浓度变化规律基本相同，验证了数值模拟结果的可靠性，进而说明了建立的数学模型及其参数设置的 合理性；通过对比长压短抽式及短压长抽式通风方式的降尘效果得出，压风筒出风口距离工作面5m的长 压短抽式通风方法降尘效果最好，粉尘浓度可快速降低至6 mg /m3以下。 关键词综掘工作面；粉尘分布规律；通风除尘；长压短抽式通风方式；短压长抽式通风方式 中图分类号TD714. 43 文献标志码A Res ear c h o n d us t d is t r ibut io n l aw and o pt imizat io n o f vent il at io n and d us t r ed uc t io n o n f ul l y mec h anized h ead ing f ac e ZHOU Quanc h ao1*2-3, YANG Sh eng q iang123, JIANG Xiao yuan1213, SANG Naiwen1213 1. Sc h o o l o f Saf et y Eng ineer ing , Ch ina Univer s it y o f Mining and Tec h no l o g y, Xuzh o u 221116, Ch ina; 2. Key Labo r at o r y o f Gas and Fir e Co nt r o l f o r Co al Mines , Ch ina Univer s it y o f Mining and Tec h no l o g y, Xuzh o u 221116, Ch ina; 3. St at e Key Labo r at o r y o f Co al Res o ur c e and Saf e Mining , Ch ina Univer s it y o f Mining and Tec h no l o g y, Xuzh o u 221116, Ch ina Abstrac t In o r d er t o d et er mine inf l uenc e o f vent il at io n mo d e o n d us t d is t r ibut io n o n f ul l y mec h anized h ead ing f ac e and ex pl o r e d us t r ed uc t io n ef f ec t und er d if f er ent vent il at io n mo d es , t h e 209 f ul l y mec h anized h ead ing f ac e o f Lo ng d e Co al Mine was t ak en as r es ear c h o bjec t , and t h e s o f t war e o f FLUENT was us ed t o s imul at e d is t r ibut io n o f d us t in t h e r o ad way and d us t d is t r ibut io n l aw and d us t r ed uc t io n ef f ec t und er c o mbined pumping and pr es s ur e vent il at io n mo d e. Ac c ur ac y o f numer ic al s imul at io n was ver if ied t h r o ug h f iel d meas ur ement . Th e anal ys is r es ul t s s h o w t h at t h e d us t po l l ut io n in t h e r o ad way und er t h e f o r c ed -in vent il at io n mo d e is s er io us , t h e ar ea af f ec t ed by d us t is l ar g e and s et t l ement is s l o w; t h e s imul at io n r es ul t s ar e bas ic al l y t h e s ame as t h e meas ur ed d us t c o nc ent r at io n in t h e f iel d , wh ic h vir if ies r el iabil it y o f t h e numer ic al s imul at io n r es ul t s , and f ur t h er mo r e, t h e r at io nal it y o f t h e es t abl is h ed mat h emat ic al mo d el and it s par amet er s et t ing s is ex pl ained; by c o mpar ing d us t r ed uc t io n ef f ec t o f vent il at io n mo d e o f l o ng -pr es s ur e s h o r t -pumping and s h o r t -pr es s ur e l o ng -pumping , t h e c o nc l us io n is g o t t h at t h e vent il at io n mo d e o f l o ng - pr es s ur e s h o r t -pumping h as t h e bes t d us t r ed uc t io n ef f ec t wh en air o ut l et o f t h e pr es s ur e c yl ind er is 5 m away f r o m t h e wo r k ing s ur f ac e, and t h e d us t c o nc ent r at io n c an be q uic k l y r ed uc ed t o bel o w 6 mg /m3. 收稿日期2019-05-10；修回日期2019-10-25；责任编辑胡娴。 基金项目国家重点研发计划项目2018YFC0807900；双一流建设自主创新专项2018ZZCX05。 作者简介周全超1995-,男，山东滕州人，硕士研究生，研究方向为矿井瓦斯防治,E-mail644046373q q . c o m。 引用格式周全超，杨胜强蒋孝元，等.综掘匸作面粉尘分布规律及通风除尘优化研究[J]工矿自动化,2019,451170-74. ZHOU Quanc h ao , YANG Sh eng q iang, JIANG Xiao yuan, et al . Res ear c h o n d us t d is t r ibut io n l aw and o pt imizat io n o f vent il at io n and d us t r ed uc t io n o n f ul l y mec h anized h ead ing f ac e[J]. Ind us t r y and Mine Aut o mat io n,2019,4511 70-74. 2019年第11期周全超等综掘工作面粉尘分布规律及通风除尘优化研究 71 Key w ords f ul l y mec h anized h ead ing f ac e; d us t d is t r ibut io n l aw; vent il at io n and d us t r ed uc t io n; l o ng - pr es s ur e s h o r t -pumping vent il at io n mo d e; s h o r t -pr es s ur e l o ng -pumping vent il at io n mo d e 0引言 综掘工作面一直是井下粉尘污染严重的区域之 一，随着综掘工作面机械化程度不断提高，粉尘污染 越来越严重〔切。高浓度粉尘一方面威胁工人的健 康，另一方面也有发生爆炸的危险 □，因此，对综掘 工作面的粉尘进行治理具有重要意义。 目前，研究综掘工作面粉尘污染的方法主要有 实验研究、现场实测以及数值模拟现场实测方 法极易受到生产和地质条件的不利影响。由于综掘 工作面粉尘的运动是复杂的气固两相流运动，现场 情况复杂，通过实验研究方法很难得到准确的粉尘 运移规律⑴〕。数值模拟方法具有使用方便、可视化 能力强等优点，能够准确反映粉尘颗粒的扩散规律。 因此，目前大部分学者使用数值模拟方法研究综掘 工作面的粉尘运移规律，用现场实测方法验证数值 模拟的精度。文献口2］研究了长压短抽式通风方式 的降尘效果,但对不同的抽、压组合式通风方式降尘 效果的研究不够全面，缺少对短压长抽式通风方式 的研究。 陕西省榆林市隆德煤矿209号综掘工作面目前 使用压入式风筒进行通风，平均粉尘浓度高达 300 mg /m3,远超煤矿安全规程规定的6 mg /m3 o 本文结合该矿现场实际情况，建立了较为全面的数 学模型，对综掘工作面压入式通风下的粉尘扩散过 程进行数值模拟，并通过现场实测验证数值模拟的 准确性;模拟不同通风方式下综掘工作面的粉尘分 布，依据降尘效果选出一种最优的通风方式，以期为 改善该综掘工作面的工作环境提供指导。 1数学模型建立及边界条件设置 1. 1数学模型 为了研究颗粒在流场中的运动过程，揭示颗粒 相的运动规律，采用欧拉-拉格朗日方法建立数学 模型，通过拉格朗日坐标下颗粒作用力的微分方程 求解颗粒运动轨迹［1314］ „ 1 连续方程。 d p , d | apu , ap_ . 〔 d t d x d y d z 式中p为连续相密度,k g /m3 ；t为时间,s；x,y,z为 质点坐标,m；-v,u,w分别为质点在x ,y,z轴的速度 分量,m/s。 2 标准K-e方程。 湍流动能K方程为 3pK , 3pKUi at 十 d a, 色驴1 Jk / d a」 Gk Gb p e YmSk 2 式中K为湍动能，J；a,、a‘为坐标位置i,j l ,2, 3,分别表示x,y,z三个方向,m ； w,为a；方向上的 速度，m/s； “为动力黏度，N s /m2 为湍流动力 黏度系数;兀为试验常数，取1. 0；Gk为平均速度梯 度引起的湍流能量生成率;G为浮力引起的湍流能 量生成率;e为湍流耗散率;Ym为可压湍流中脉动扩 张引起的湍动能的产生项;Sk为用户自定义的源项。 湍流耗散率e方程为 ape. ap k“； d t 十 9a, 2 2 Cu Gk C3eGb C2cp 务 Sk 3 式中Cl t, C2., C3t, 2.7m粉尘 浓度较低但沉降速度较慢，这部分粉尘随风流移动 一段距离后开始向巷道中部扩散，导致巷道中部区 域风筒附近的粉尘浓度增大。远离风筒的一侧巷道 与近风筒侧巷道相比，除了部分较大粒径的粉尘由 于重力作用沉降在地板上，其他粉尘随风流在巷道 中扩散，在距工作面10-15 m的区域内呈现均匀 化沉降，没有明显的沉降集中区。 与工作面不同距离的巷道断面粉尘分布云图如 图4所示。 粉尘浓度/k g . m-3 2.50E-03 2.25E-03 2.00E-03 1.75E-03 1.50E-03 1.25E-03 1.00E-03 7.50E-04 5.00E-04 2.50E-04 0 Z10 mZ5 m □ 粉尘浓度/k g m-3 I 2.50E-03 Z20m 2.25E-03 ■ 2.OOL-O3 ■ I.75E-03 1.5OE-O3 1 I.25E-03 1 I-00E-03 . 7.50104 5.00E-04 J 2.50E-04 f l 0 Z25 m Z30 m 图4与工作面不同距离的断面粉尘分布云图 Fig . 4 Cl o ud map o f d us t d is t r ibut io n at c r o s s -s ec t io n wit h d if f er ent d is t anc es f r o m h ead ing f ac e X 2019年第11期周全超等综掘工作面粉尘分布规律及通风除尘优化研究 73 由图4可知，整个巷道中粉尘浓度较高，在距离 工作面20 m处，巷道中大部分粉尘沉降至底板附 近，少部分粉尘继续随风流扩散，移动至距离工作面 30 m处才完全沉降。在距离工作面5 m处，远离风 筒一侧巷道XV2. 7 m除有少部分大粒径的粉尘 沉降在底板附近，其他粉尘均悬浮在巷道中；部分粉 尘由于附壁作用在壁面附近区域集中，形成一个高 浓度区，这部分粉尘在距工作面5〜15 m的范围内 快速沉降。 总体而言，压入式通风方式下巷道中的高浓度 粉尘影响区域较大且沉降较慢，不利于综掘工作面 的安全高效生产。 2. 2 粉尘浓度实测对比 采用滤膜质量浓度法和IFC-2防爆型粉尘采 样仪测量巷道中心线呼吸带高度1.5 m的粉尘浓 度，各测点之间相距5 m,每个测点至少测3次数 据,并对数据取平均值。将数值模拟结果导出后与 现场实测数据进行对比分析，结果如图5所示。 图5现场实测数据与模拟结果数据对比 Fig . 5 Co mpar is o n o f f iel d meas ur ed d at a and s imul at ed d at a 数值模拟结果显示，在距工作面4 m附近粉尘 浓度达到峰值1 532 mg /m3,5 m处实测数据为 1 521 mg /m3 ；在距工作面5〜10 m的范围内粉尘 浓度快速降低至400 mg /m3,之后沿风流方向逐渐 降低，在距工作面40 m外粉尘浓度依然高达 30 mg /m3 0可见，模拟结果与现场实测粉尘浓度变 化规律基本相同，验证了数值模拟结果的可靠性，进 而说明了建立的数学模型及其参数设置的合理性。 3不同通风方式除尘效果分析 模拟长压短抽式及短压长抽式通风方式下的降 尘效果，考虑到工作面实际情况，具体通风布置如 图6所示，风筒布置参数见表2。 Z v - 工作面 3m Km 15 m , A I I I 图6不同通风方式俯视图 Fig . 6 To p view wit h d if f er ent vent il at io n mo d es 表2风筒布置参数 Tabl e 2 Layo ut par amet er s o f air d uc t s 通风方式 进风口 /出风口与工作面的距离/m 压入式 5,10,15 长压短抽 抽出式 3 压入式 3 短压长抽 抽出式 5,10,15 为了研究粉尘对作业人员的影响，取不同通风 方式下巷道中部的粉尘浓度模拟结果进行对比，结 果如图7所示。 对比图7a、c 、e,即针对长压短抽式通风 方式，当压入式风筒出风口距离工作面15 m时，整 个巷道的粉尘浓度最低，但降尘速度太慢，大部分巷 道区域的高浓度粉尘沉降速度过慢；当出风口距离 工作面5 m时，粉尘浓度在距离工作面15 m左右 就降低到低水平，除尘效果要比其他2种长压短抽 式通风方式好。 对比图7b、d 、f ,即针对短压长抽式通风 方式，可以很明显地看出，抽出式风筒进风口距离工 作面5 m时的通风方式最优，粉尘浓度峰值最低。 对比图7a、b可知，长压短抽式通风方式更 优。在距离工作面20 m内，2种通风方式下粉尘浓 度均可降低到6 mg /m3以下，但长压短抽式通风方 式下粉尘浓度降低到6 mg /m3的时间早于短压长 抽式，且短压长抽式在距离工作面20-30 m区域 出现粉尘积聚区。 压入式风筒出风口距离工作面5 m的长压短抽 式通风方式可以快速地将粉尘浓度降低到6 mg /m3 以下，整个巷道的粉尘浓度明显降低，除尘效果好， 大大改善了工作环境。 4结论 1 综掘工作面采用压入式通风时，巷道中粉 尘浓度较高，粉尘影响区域较大且沉降缓慢，对作业 人员健康造成了极大危害，不利于综掘工作面安全 高效生产。 2 模拟结果与现场实测粉尘浓度变化规律基 本相同，验证了数值模拟结果的可靠性，进而说明了 建立的数学模型及其参数设置的合理性。 3 通过对比长压短抽式及短压长抽式通风方 式的降尘效果，得出压风筒出风口距离工作面5 m 的长压短抽式通风方法降尘效果最好，粉尘浓度可 快速降低至6 mg /m3以下。 ・74・ 工矿自动化第45卷 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 020 30 40 50 测点与工作面的距离/m a压风筒出风口距离工作面5 m,长压短抽 测点与工作面的距离/m c 压风筒出风口距离工作面10 m,长压短抽 测点与工作面的距离/m O O o O 0 10 10 o O 0 10 10 0 00 0 00 0 0 0 0 0 6 2 8 4 0 6 2 8 4 2 1 1 2 1 1 e压风筒出风口距离工作面15 m,长压短抽 Fig . 7 参考文献Referenc es L1]聂文，程卫民，郭允相，等.综掘面空气幕封闭式除尘 系统的研究与应用[J]・煤矿安全,2009,40 3 19-22. 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Mo d er n Mining,2018,3410-198-200. 1 400 测点与工作面的距离/m o o b压风筒出风口距离工作面5 m,短压长抽 2 2 测点与工作面的距离/m d 压风筒出风口距离工作面10 m,短压长抽 O O 亠一 10 20 30 40 50 测点与工作面的距离/m f 压风筒出风口距离工作面15 m,短压长抽 图7不同通风方式下粉尘浓度变化 Dus t c o nc ent r at io n c h ang e und er d if f er ent vent il at io n mo d es ［4 ］刘永立，刘迪，沈斌.全断面快速掘进煤巷粉尘的分布 规律［J1黑龙江科技大学学报，2016, 26 5 475-479. LIU Yo ng l i,LIU Di,SHEN Bin. Law beh ind c o al d us t d is t r ibut io n in f ul l s ec t io n t unnel bo r ing mac h ine ex c avat io n]J]. Jo ur nal o f Heil o ng jiang Univer s it y o f Sc ienc e and Tec h no l o g y,2016,265 475-479. E5]魏伟.岩巷掘进工作面粉尘沉降运移规律数值模拟研 究[J].内蒙古煤炭经济,201814150-152. WEI Wei. Numer ic al s imul at io n o f d us t s et t l ement and mo vement in r o c k h ead ing f ac e [ J ]. Inner Mo ng o l ia Co al Ec o no my,201814 150-152. [6] 王晓飞.长压短抽式综掘工作面粉尘运移规律研究 [J1 煤炭与化 T,2018,417100-103. WANG Xiao f ei. Dus t d is t r ibut io n in f ul l y mec h anized r o ad way wit h f ar -pr es s ing -near -abs o r pt io n [ J ]. 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