基于cfd离散相解算的综掘工作面粉尘运移规律研究

基于cfd离散相解算的综掘工作面粉尘运移规律研究

1掘进面粉尘运移规律长期以来，矿业粉末一直受到严重威胁，尤其是煤炭安全的高效生产和矿工的健康健康状况。由于我国煤矿矿尘灾害的防治工作基础较差,发展不均衡,目前我国对矿井粉尘的防治未从根本上得到治理解决。采煤工作面、掘进面、锚喷支护以及转载运煤是煤矿生产中的主要产尘地点。掘进产生的粉尘量大、空间相对狭小,煤矿工人、尤其是掘进机司机距离掘进面产尘地点最近。大量的粉尘会对矿工的身体健康造成极大危害。同时由于粉尘会阻挡视线,妨碍司机观察前方的掘进头,极易造成安全事故。目前对掘进面粉尘运移规律的认识主要为两点:沿掘进巷道方向,总体粉尘浓度随距掘进面距离的增大而减小,同时粉尘在巷道断面上分布更加均匀。其中在具体沉降的数据上并没有较好的、较贴近实际情况的模拟结果。针对掘进头、掘进司机的风流与粉尘耦合运移规律没有深入的分析,而该区域的粉尘浓度却是影响掘进机司机健康的关键。本文通过计算流体力学(CFD)计算机模拟技术,针对掘进面的通风、产尘条件等,对粉尘的产生与扩散规律进行全尺寸模拟,得出了掘进面处风流与粉尘耦合运移规律,同时通过分析掘进巷道100m切面的粉尘浓度分布,为掘进面粉尘防治工作提供了依据。2模型建设2.1采空场模拟的巷道走向方向y轴网格模型在Gambit软件中依照掘进面真实尺寸,建立全尺寸巷道模型,掘进头处如图1所示。巷道模型尺寸为100m(长)×4.2m(宽)×3.5m(高)。掘进头处影响通风流场的主要有掘进机尺寸和风筒吊挂位置。在模拟中将掘进机机身简化为长方体来模拟其对风流流场的影响,其尺寸为5m(长)×2.5m(宽)×1.8m(高),掘进机机身前端距掘进断面2.5m。风筒外直径为0.8m,位于掘进巷道司机侧上方,距巷道顶板和侧壁均为0.2m,出风口距掘进断面3m。为了比较在割上部煤/岩与下部煤/岩时粉尘的不同运移规律,本文做了两个产尘位置不同的模型用于对比模拟。产尘源位于掘进断面2~3m处,用于模拟割上部煤/岩时产尘情况,见图2。产尘源位于掘进断面0~1m处,用于模拟割下部煤/岩时产尘情况,见图3。两个模型建好后,设置巷道走向方向(y轴)网格尺寸为1m;巷道宽(x轴)和高(z轴)方向上需较细致的解算,故网格较密,尺寸为0.2m,网格元素选择Tet/Hybird,网格类型选择TGrid,生成整体网格模型,见图4。本模拟粉尘喷射源类型为表面型(surface),分布指数为1.93,材质为自定义粉尘(ρ=1.4×103kg/m3)质量流率为0.02kg/s,粒径分布服从Rosin-Rammler分布,风筒风速依通风量设定。2.2相对雷诺数-提取质量比的fd在Fluent软件中通过积分拉式坐标系下的颗粒作用力微分方程式来求解离散相颗粒的轨道。颗粒受作用力的平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式为:式中:u———流体相速度,m/s;up———颗粒速度,m/s;Fx———作用在粉尘颗粒的其他力在x轴的分力合力,N;gx———重力在x方向的分力,N;ρ———流体密度,kg/m3;ρp———颗粒密度(骨架密度),kg/m3。其中FDu(-up)为颗粒的单位质量曳力,其表达式为:式中:Re———相对雷诺数(颗粒雷诺数),其定义为:μ———流体动力粘度,m2/s;曳力系数CD表达式为:式中:a1、a2、a3———对于球形颗粒,在一定的雷诺数范围内均为常数。3基于粉碎喷射源的计算利用Fluent软件提供的离散相模型(DPM),首先对掘进面风流流场进行解算。再设置掘进头的粉尘喷射源,计算颗粒轨道,从而在计算域中引入离散相。然后使用已经得到的颗粒计算结果中的相间动量、热量、质量交换项,重新计算连续相流场,计算修正后的连续相流场中的颗粒轨迹,不断迭代直至计算收敛。3.1割下煤/岩时产尘量的估计结果本模拟在设置粉尘源产尘量相同的情况下,割上部煤/岩时,在掘进巷道前50m的粉尘量平均在800mg/m3以上,个别地点的粉尘由于与风流耦合作用,甚至会聚集出现大于2000mg/m3的情况。通过对比可知:在割上部煤/岩时的产尘量约为割下部煤/岩时的产尘量的两倍,甚至更多。割上部煤/岩时粉尘迸溅出后下落距离长,受风流影响时间较长,大部分粉尘即会随较强的风流在巷道内飞扬。割下部煤/岩时粉尘降落距离很短,加之压风风筒在上部风流涡流有向下的分量,对下部粉尘飞扬起抑制作用,大部分粉尘与底板接触即失去动能不再飞扬。3.2距掘进头距离在掘进巷道前部由于风筒将大量新鲜风流从巷道左侧吹入,在掘进工作面处会向右流动形成一个涡流,大部分的粉尘会随风流聚集在巷道的右侧,即回风侧。割上部煤时,距掘进断面不同距离处巷道内粉尘分布见图5。纵坐标为粉尘浓度,横坐标为巷道宽度(总宽4.2m,x轴-2.1~+2.1m),y表示距掘进头的距离。在距掘进头5m处粉尘受风流影响,在回风侧聚集的粉尘浓度较高,此处巷道中有掘进机,风流携带大部分粉尘从掘进机旁侧的较窄空间通过,风速较高,携带粉尘能力强,如图5(a)所示,在x=-2.2~-1.5m处,粉尘浓度非常高,达到1200mg/m3。随着距离的增加,粉尘一方面受自身重力影响沉降,另一方面贴近壁面的粉尘与壁面撞击后失去动能或粘附或沉降,脱离风流,使得风流中粉尘总量减小。掘进巷道断面粉尘浓度见图5,在距掘进头30m之后,风流携带粉尘充分混合,逐渐较为均匀的扩散于整个巷道中,且粉尘浓度随着距离的增长逐渐降低,粉尘浓度最大值由30m处的1200mg/m3降至90m处的500mg/m3。在压入式的通风方式下,在巷道前30m的防尘、捕尘等措施要重点布置在回风流侧,在巷道30m之后应注重整个巷道断面的降尘。3.3通风量对涡流位置及粉尘浓度分布的影响在掘进机处风筒下方及掘进机中部均存在粉尘聚集区。图6(a)中矩形框标示出了在掘进机处的两个明显的粉尘聚集区域,一处位于掘进机上部中间位置,约为1m×3m的矩形区域,一处位于掘进机右侧中间偏后部,约为0.8m×1.5m的矩形区域。粉尘在这两个区域聚集的主要原因是在风流场在此处存在涡流,由于涡流的卷吸作用导致粉尘的聚集。图6(b)为掘进机前部风流场矢量图,矩形框标示出了涡流出现的位置。与图6(a)对比可知与粉尘聚集位置基本对应。由于涡流的影响,在掘进机司机位置除了前方掘进迸溅出的粉尘之外,会有大量从侧面、后面随风流携带的粉尘汇聚此处。这对掘进机司机的健康会产生较大的危害。为此本文设计了三组对比试验来探究通风量对涡流位置及粉尘浓度分布的影响。图6、图7和图8分别为风筒位置不变、通风量在250m3/min、400m3/min和550m3/min情况下,风流场矢量图与粉尘浓度分布图。通过对比可以发现,在压入式的通风方式下,通风量对涡流区域影响不大,但是对涡流区域的粉尘浓度分布有影响。通风量为250m3/min、400m3/min和550m3/min时,掘进机右侧粉尘聚集区域的粉尘浓度分别约为480mg/m3、320mg/m3和280mg/m3,涡流区域内粉尘浓度随通风量的增大而降低。其原因为大部分粉尘会先卷入掘进机前部最大的涡流中,之后随风流进入回风侧。当风筒出口风速越大,越多的粉尘会集中于回风侧靠近壁面处,被卷吸进涡流的粉尘会随之减少,故二次通过掘进机司机位置的粉尘量随着通风量增大而降低。4合理增加通风量(1)掘进工作面割上部煤/岩时与割底部煤/岩时相比,其产尘量更大,在其他条件相同的情况下,产尘量约为两倍,且在后部巷道中较高浓度粉尘扩散范围更大。故在割上部煤/岩时应加大除尘、抑尘力度。(2)在掘进巷道前部由于风筒将大量新鲜风流从巷道左侧吹入,大部分的粉尘会随风流聚集在巷道的右侧,即回风侧。在距离掘进面30m之前的巷道中,大部分粉尘都聚集在回风侧。之后,风流携带粉尘充分混合,逐渐均匀地扩散于巷道中,且粉尘浓度随着距离的增长逐渐降低。故粉尘防治措施在前3