抽出式通风煤巷掘进过程中粉尘浓度分布规律的数值模拟.pdf

文章编号 1673 - 193X2006 - 05 - 0024 - 05 抽出式通风煤巷掘进过程中粉尘浓度 分布规律的数值模拟 3 王晓珍1,蒋仲安1,刘 毅2 1. 北京科技大学教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室,北京 100083 2. 国家安全生产监督管理总局信息研究院,北京 100029 摘 要根据气固两相流理论,针对矿井掘进工作面的特点,采用计算流体力学的离散相模型 DPM对掘进工作面通风过程中粉尘浓度进行数值模拟,总结抽出式通风掘进巷道中粉尘浓度的 沿程分布及变化规律。 关键词气固两相流;抽出式通风;掘进工作面;离散相模型;粉尘浓度;数值模拟 中图分类号TD714 文献标识码A Numerical simulation of distribution regularities of dust concentration during the ventilation process of coal drift driving with exhaust ventilation WANG Xiao2zhen1, JIANG Zhong2an1, LIU Y i2 1. Beijing University of Science and Technology , The emphasis laboratory of ministry of education for high efficiency exploitation and safety of metal mine ,Beijing 100083 , China 2. National Institute for Occupational Safety , Beijing 100029 , China Abstract Basing on the theory of two2phase flow of gas and solid , and the characteristics of coal mine driving working face , using the discrete phase models of computational fluid mechanics to simulate the dust concentration during the ven2 tilation process of coal drift driving with exhaust ventilation. Summarize the distributing and the rule of movement of the dust concentration. Key words two2phase flow of gas and solid; exhaust ventilation; driving working face ; discrete phase models; dust concentration; numerical simulation 收稿日期 2006 - 08 - 11 作者简介王晓珍,硕士研究生。 3 基金项目北京市教育委员会共建项目建设计划 XK100080432资助 1 概述 井下煤矿粉尘有引发尘肺病、 煤尘爆炸、 自燃和 损坏设备、 降低现场可见度等诸多危害[1～3]。掘进 巷道是井下产生粉尘的主要场所之一。因此,研究 巷道掘进通风过程中粉尘的分布规律对治理煤矿粉 尘、 减少粉尘危害具有重要的意义。本文根据掘进 巷道和粉尘的情况,采用离散相模型对抽出式掘进 巷道进行模拟,用G AMBIT建立掘进巷道的几何模型 并划分计算网格,用FLUENT对巷道掘进通风过程中 粉尘运动规律进行解算,并从模拟结果中总结出抽出 式通风巷道掘进过程中粉尘浓度分布的规律。 第2卷 第5期 2006年10月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 Journal of Safety Science and Technology Vol. 2 No. 5 Oct. 2006 2 离散相模型简介 离散相模型DPM属于欧拉-拉格朗日模型, 即用欧拉观点描述气相流场,而用拉格朗日观点描 述颗粒的运动。离散相模型要求球形颗粒掘进巷 道中的粉尘颗粒构成的第二相分布在连续相气 体中[4]。离散相问题的设定、 求解过程一般如下 首先,求解连续相流场,连续相流场的计算采用 SIMPLEC算法,三维湍流的数值模拟采用Reynolds 中的标准k -ε模型,得到速度场等信息; 其次,创建离散相喷射源射流源 , 如确定射流 源的位置、 尺寸,颗粒粒径的大小和初速度等,喷射 源的类型设为颗粒群; 再次,求解耦合流动,在拉格朗日坐标下对颗粒 群中的各个颗粒进行轨道积分,随机轨道模型或颗 粒群模型可考虑颗粒湍流扩散的影响。在随机轨道 模型中,通过应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对 颗粒轨道的影响。而颗粒群模型则是通过跟踪颗粒 群的运动轨迹来模拟出粉尘运动的一个 “平均” 轨 道。颗粒群中的颗粒浓度分布假设服从高斯概率分 布函数PDF。 最后,用PLOT或DISPLAY图形界面来跟踪离 散相。从而得出离散相的流场分布以及浓度分布。 3 几何模型的建立及边界条件设定 3. 1 建立几何模型 根据一般情况,将掘进巷道的横断面模拟成宽 4m ,高3m的矩形,风筒直径为0. 6m ,抽出式通风的 风筒出风口到掘进工作面的距离为5米。用G AM2 BIT建立掘进巷道的几何模型,并划分计算网格,如 图1所示。 a掘进巷道的几何模型 b划分网格后的掘进巷道 图1 掘进巷道的几何模型及其网格划分 312 设定边界条件 将用G AMBIT完成的几何模型导入到FLUENT 中,并对几何模型设置边界条件,如表1所示,对粉 尘源参数的设置见表2。 表1 边界条件和颗粒源参数设定 边界条件参数设置 巷道出口风速/ ms- 10.4 风筒吸风口风速/ ms- 117 水力直径/ m314 湍流强度/ 312 出口边界类型出流 表2 粉尘源参数设置 颗粒源参数设定 粒径分布Rosin - Rammler 最小粒径/ m 全尘11010 - 6 呼吸性粉尘11010 - 6 最大粒径/ m 全尘110 - 4 呼吸性粉尘710710 - 6 初始速度/ ms- 10 粉尘浓度/ kgm- 3 全尘310 - 3 呼吸性粉尘2.410 - 3 质量流率/ kgs- 1 全尘11410 - 2 呼吸性粉尘11210 - 2 注由于用FLUENT 6. 1解算得到的粉尘浓度单位为 kg/ m3,所以本论文中粉尘浓度的单位统一使用kg/ m3。 其中,水力直径按照公式1计算 dH4 A S 1 式中A 过流断面面积,m2; S 流体与固体基础周长,m。 湍流强度按式2计算 I u′ u 0.16 Re H 1 82 式中u′,u 湍流脉动速度与平均速度,m/ s; 52第5期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 ReH 按水力直径计算的Reynolds数。 其中,质量流率按照公式3计算 质量流率cvA ,kg/ s;3 式中c 尘源处粉尘浓度,kg/ m3; v 巷道内的风速,m/ s; A 巷道断面积,m2。 4 模拟结果及分析 4. 1 抽出式通风粉尘浓度沿程分布的模拟 由图2可见,在抽出式掘进巷道内,全尘和呼吸 性粉尘浓度变化的趋势基本相同,即都是从工作面开 始粉尘浓度快速下降;然后是粉尘浓度稳定在较小的 数值范围内;最后粉尘浓度逐渐减少,直至排出巷道。 图2 全尘和呼吸性粉尘浓度沿程变化曲线 1掘进工作面处全尘的浓度最大,约为1. 78 10 - 3kg/ m3 ;从掘进工作面到距离掘进工作面1. 5m 米处是全尘浓度的快速下降阶段,浓度降到约5 10 - 5kg/ m3 ;从距离掘进工作面1. 5m处到巷道出口, 粉尘浓度逐渐减少。 2掘进工作面处呼吸性粉尘的浓度最大,约 为2. 310 - 4kg/ m3 ;从掘进工作面到距离掘进工作 面1. 5m处是呼吸性粉尘浓度的快速下降阶段,浓 度降到约210 - 5kg/ m3 ;从距离掘进工作面1. 5m 处到巷道出口,粉尘浓度逐渐减少。 4. 2 全尘浓度分布的三维模拟 同样用FLUENT6. 1进行解算,得出抽出式通风 掘进巷道的全尘浓度分布如图3所示。 由图3 ,对抽出式通风全尘模拟结果进行分析 1由图 3 a 可见,由掘进工作面处粉尘的浓 度最大,粉尘在风筒吸风风流作用下向吸风口运动; 在此过程中,全尘不断地排出、 沉降和被捕集,因此 粉尘沿程浓度不断减小;未进入吸风口的粉尘继续 向巷道的进风口随机扩散,因此巷道内的粉尘趋于 稳定,而且大部分粉尘聚集于风筒附近。 a全尘浓度分布的三维图 b距离掘进工作面分别为2 m、5 m、 8 m、11 m的横截面处全尘浓度对比图 c距离靠近风筒一侧煤壁分别为1m、2 m、 3m的纵截面处全尘浓度分布对比图 d距离巷道底板分别为015 m、115 m、 215 m的水平截面处全尘浓度对比 图3 抽出式通风掘进巷道全尘浓度分布图 62 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第2卷 2由图 3b 可见,距离掘进工作面越远,巷道 全断面的全尘浓度越小。 3由图 3 c 可见,靠近风筒一侧的粉尘浓度 较大,并向远离风筒一侧逐渐减小。 4由图 3d 可见,掘进工作面附近区域,距离 巷道底板越近,粉尘浓度越大;而远离掘进工作面的 地方,粉尘浓度随高度的变化并不明显。 4. 3 呼吸性粉尘浓度分布的三维模拟 经FLUENT解算后,得到的抽出式通风掘进巷 道的呼吸性粉尘浓度分布如图4所示。 a呼吸性粉尘浓度分布的三维图 b距离掘进工作面分别为2m、5m、8m、 11m的横截面处呼吸性粉尘浓度对比图 c距离靠近风筒一侧煤壁分别为1m、2m、 3m的纵截面处呼吸性粉尘浓度分布对比图 d距离巷道底板分别为015m、115m、215m 的水平截面处呼吸性粉尘浓度对比图 图4 抽出式通风掘进巷道呼吸性粉尘浓度分布图 由图4 ,对抽出式通风呼吸性粉尘模拟结果进 行分析 1由图 4 a 可见,掘进工作面处呼吸性粉尘 的浓度最大,粉尘在风筒吸风风流作用下向吸风口 运动;在此过程中,呼吸性粉尘不断地排出和被捕 集,因此粉尘沿程浓度不断减小;未进入吸风口的粉 尘继续向巷道的进风口随机扩散,因此巷道内的粉 尘趋于稳定,而且大部分粉尘聚集于风筒附近。 2由图 4b 可见,距离掘进工作面越远,巷道 全断面的呼吸性粉尘浓度越小。 3由图 4c 可见,掘进工作面附近区域,靠近 风筒一侧的呼吸带高度处呼吸性粉尘浓度较高,远 离风筒一侧的巷道上部处的呼吸性粉尘浓度较大。 远离掘进工作面处,靠近风筒一侧的粉尘浓度要高 于远离风筒一侧的粉尘浓度。 4由图 4 d 可见,掘进巷道上部的呼吸性粉 尘浓度要高于巷道下部。 4. 4 压入式和抽出式通风掘进巷道粉尘浓度分布 规律的比较 由图 5a 可见,从掘进工作面到距离掘进工作 面3m处,抽出式通风掘进巷道中的全尘浓度均低 于压入式通风掘进巷道;从距离掘进工作面3m处 到巷道出口,两种通风方式的全尘浓度趋于相等。 由图 5b 可见,从掘进工作面到距离掘进工作 面4m处,抽出式通风掘进巷道中的呼吸性粉尘浓 度均低于压入式通风掘进巷道;从距离掘进工作面 4m处到巷道出口,两种通风方式的呼吸性粉尘浓度 趋于相等。 72第5期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 a两种通风方式全尘浓度分布比较图 b两种通风方式呼吸性粉尘浓度分布比较图 图5 两种通风方式全尘和呼吸性 粉尘浓度沿程变化比较图 5 总结 根据模拟结果,可以得出以下结论 1在抽出式通风掘进巷道中,全尘和呼吸性粉 尘浓度的分布规律不同,应分情况、 分区域制定不同 的防尘措施。 2从粉尘浓度变化的情况来看,压入式通风比 抽出式通风的排尘效果好。 3对粉尘浓度分布的数值模拟结果与文献[5] 的试验结论和基本一致。可见数值模拟具有一定可 靠性;而且用这种方法来得到粉尘的运动规律与现 场实测、 试验研究相比,具有投入少、 风险小、 得到规 律的时间短等优点,因此用数值模拟方法可作为现 场实测和试验研究的补充,用这种方法得到的粉尘 运动规律可供粉尘治理参考。 参考文献 [1] 向光全.粉尘的危害与防治措施[J ].水利电力劳动保 护,1996 ,3 15～16 [2] 梁 彤.综采工作面喷雾除尘技术研究[D].太原太原 理工大学,2003 [3] 秦文贵.放顶煤综采工作面主要防尘措施的实施与管 理[J ].煤矿安全,1994 ,4 38～40 [4] 刘 毅,蒋仲安,蔡 卫等.综采工作面粉尘浓度分布 的现场实测与数值模拟研究.煤炭科学技术,2006 , 3 80～82 [5] 蒋仲安,金龙哲,袁绪忠,潘大勇.掘进巷道中粉尘分布 规律的实验研究.煤炭科学技术,2001 ,3 43～45 欢迎订阅2007年 中国安全生产科学技术 全年费用仅84元 杂志到手 安全到家 获取最新安全行业资讯 掌握先进安全技术方法 了解权威国家政策信息注册安全工程师、 安全评价、 体系认证 国家安全生产监督管理总局 中国安全生产科学研究院最权威的安全科技杂志 中国安全生产科学技术 是由国家安全生产监督管理总局主管,中国安全生产科学研究院主办的科技 期刊,定位于 “国家级安全生产科学研究领域的权威性期刊” 。编委会由中国工程院院士 9 名和正高级职 称专家、 学者、 学科带头人及各个行业安全生产领域有较大影响的安全管理专家组成。 双月刊,大16开,120页,全年6期,共计84元。刊号CN 11 - 5335/ TB ,ISSN 1673 - 193X。 编辑、 发行电话01064914634 64941258 传真01064914634 电子信箱oshms jsst 网址 订阅方式 1 编辑部常年办理订阅手续 邮局汇款邮 编100029银行汇款开户银行中国工商银行北京惠新支行 地 址北京市朝阳区惠新西街17号1210室 户 名中国安全生产科学研究院 单位名称中国安全生产科学技术 编辑部 帐 号0200006309021900155 2全国各地邮局均可订阅邮发代号82 - 379 82 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第2卷