“阻隔–封闭”新方法粉尘污染机制

A New Method of “Barrier Closure” for Dust Pollution Mechanism

摘要: 针对煤矿综采工作面截割作业区严重粉尘污染问题，提出了一种“阻隔–封闭”控尘新方法。采用CFD-DPM方法建立了风流–粉尘耦合运移模型，对比研究了原始与使用新方法后风流–粉尘运移机制。结果表明：在原始状态下，受割煤产生携尘风流横向偏移的影响，大量粉尘涌入人行道，人员作业区粉尘浓度可达300 mg/m³以上。采用“阻隔–封闭”方法后，约80%的新鲜风流在巷道上风侧距离采煤机后滚筒3 m处提前发生横向偏移，造成煤壁空间与人行道空间风流压能差，延缓了携尘风流的偏移。采煤机后侧安置的多孔挡板，阻挡粉尘进入作业区，保证人行道处的清洁空间长达30 m，平均粉尘浓度由300 mg/m³降为50 mg/m³以下，控尘效率超过83.3%以上。该研究为综采面煤炭清洁化生产提供了新策略。

Abstract: In view of the serious dust pollution problem in the cutting area of coal mining face, a new method of “Barrier closure” dust control is proposed. The CFD-DPM method was used to establish a coupled wind-dust transport model, and the wind-dust transport mechanism was compared between the original and the new method. The results show that in the original state, due to the lateral deviation of the dust carrying airflow generated by coal cutting, a large amount of dust flows into the sidewalk, and the dust concentration in the personnel operation area can reach over 300 mg/m³. After adopting the method of “Barrier closure”, about 80% of the fresh airflow in the upwind side of the roadway from the coal miner to the rear roller 3 m in advance of the lateral offset, resulting in the difference in the pressure energy of the airflow between the space of the coal wall and the space of the walkway, which slows down the dust-carrying airflow offset. The porous baffle placed at the back side of the coal mining machine blocks dust from entering the operation area, ensuring that the clean space at the footpath is up to 30 m long, and the average dust concentration is reduced from 300 mg/m³ to less than 50 mg/m³, with the dust control efficiency exceeding more than 83.3%. This study provides a new strategy for cleaner coal production in the integrated mining face.

1. 引言

煤炭是世界最重要的基础能源来源。煤炭生产过程中难以避免产生大量的粉尘污染，综采面是煤矿污染最严重的作业区域之一，局部区域粉尘浓度可达到8000~10,000 mg/m³ [1] 。工人长期暴露在高浓度粉尘的环境中对他们的身心健康造成了严重的威胁，患尘肺病的概率大大增加。因此，采取有效措施降低煤矿综采面粉尘浓度，对控制尘肺病，减少井下事故发生具有极其重要的意义 [2] 。

鉴于目前的综采面除尘现状，并考虑到经济性、实用性、易用性等因素，高定向通风控除尘技术已成为发展趋势 [3] 。王鹏飞等人模拟研究了空气幕阻隔过程中的风流场和粉尘分布，研究发现采煤机空气幕可阻止粉尘扩散到人行道 [4] 。聂文等人开发了一种综采面风机除尘技术，两个机载风机可产生高速气流场，在采煤机和人行道之间形成了一个独立的清洁空间，可阻止粉尘进入司机作业区 [5] 。目前，综采面定向通风技术存在可控性差、控尘效率低，且难以在综采面开放空间应用的问题。为此本文将结合CFD数值模拟和现场实测方法对陕西榆林某煤矿4.2 m采高综采工作面进行模拟研究，以期获得采用“阻隔–封闭”技术后综采面粉尘沿程扩散规律，该研究为综采面煤炭清洁化生产提供了新策略。

2. 数学模型构建

2.1. 风流–粉尘耦合模型构建

综采工作面气流–粉尘运移过程是非常复杂的气固两相耦合过程。根据携尘流场的特点，基于欧拉–拉格朗日方法计算气流–粉尘耦合运移 [6] 。在众多湍流模型中，Realizable k − ε模型可保持雷诺应力与真实湍流一致，并在分离流计算和二次流的复杂流动计算中表现出色，可以更精确的模拟射流的扩散速度，更适合于描述高应变率和流线弯曲程度较大的流动，因此文中选用Realizable k − ε模型来描述综采工作面中的气体流动。具体过程如式(1)、式(2) [7] [8] 。

k方程——湍流动能方程

$\frac{\partial }{\partial t}\left(\rho k\right)+\frac{\partial }{\partial x_i}\left(\rho k{u}_j\right)=\frac{\partial }{\partial x_i}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_k}\right)\frac{\partial k}{\partial x_j}\right]+G_k+G_b-\rho \epsilon -Y_M+S_k$ (1)

ε方程——湍流能量耗散率方程

$\frac{\partial }{\partial t}\left(\rho \epsilon \right)+\frac{\partial }{\partial x_i}\left(\rho \epsilon u_j\right)=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_{\epsilon }}\right)\frac{\partial \epsilon }{\partial x_j}\right]+\rho C_{1}S\epsilon -\rho C_2\frac{{\epsilon }^2}{k+\sqrt{v\epsilon }}+C_{1\epsilon }\frac{\epsilon }{k}{C}_{3\epsilon }{G}_b+S_{\epsilon }$ (2)

式中，k为湍流动能，ε为湍流动能耗散率，G_k为由平均运动速度梯度引起的紊流动能生成项，G_b为由于浮力引起的湍动能k的产生项，Y_M为可压湍流中脉动扩张的影响，G_1ε，G_2ε和G_3ε为经验常数，S_k和S_ε

为用户定义的源项，σ_k和σ_ε分别是湍动能k和湍动耗散率ε对应的普朗特数，C₁为 $\max \left[0.43,\frac{\eta }{\eta +5}\right]$ ， $\eta =E\frac{k}{\epsilon }$ ；C₂为常数。上述方程实际计算过程中取C₂ = 1.9，σ_k = 1.0，σ_ε = 1.2。

2.2. 多孔介质模型构建

多孔介质模型是计算填充床、多孔板、分流器等材质中的常用模型，也称为多孔跳跃模型，在薄多孔介质界面区应用过程中表现出良好的稳定性和收敛性。本研究采用多孔跳跃模型计算多孔档尘板的导流性能 [9] [10] 。

在使用多孔跳跃模型之前，需要确定两个关键参数，即渗透率α和惯性损失系数C₂，可根据半经验的厄尔贡方程计算出来 [10] ：

$\frac{\Delta p}{L}=\frac{150\mu }{D_p^2}\frac{{\left(1-\epsilon \right)}^2}{{\epsilon }^3}{V}_{\infty }+\frac{1.75\rho }{D_p}\frac{\left(1-\epsilon \right)}{{\epsilon }^3}{V}_{\infty }^2$ (3)

然后，渗透率α和惯性损失系数C₂可以计算为：

$\alpha =\frac{D_P^2}{150}\frac{{\epsilon }^3}{{\left(1-\epsilon \right)}^2}$ (4)

$C_2=\frac{3.5}{D_p}\frac{\left(1-{\epsilon }_q\right)}{{\epsilon }_q^3}$ (5)

式中，Δp为压力损失，L为多孔介质的厚度，μ为空气粘度，V_∞为空气通过多孔介质的速度，ρ为空气密度。

新装置中采用的多孔挡板为网状结构的铁质挡板，通过孔径w和线径D_p可计算多孔跳跃模型中的孔数n和孔隙度ε₁ [10] [11] ：

$n=\frac{0.0254}{w+D_p}$ (6)

${\epsilon }_1=\frac{w^2}{{\left(w+D_p\right)}^2}\times 100\%$ (7)

3. 物理模型

3.1. 物理模型及网格划分

陕西榆林某综采面采用U型通风，包括进风巷道和回风巷道，平均开采高度为4.2 m。综采工作面设有全套机械采矿设备，包括双滚筒MG400/985-GWD型采煤机、ZF7000-23/47顶放煤液压支架、刮板输送机、电缆槽等。根据综采面的现场实际情况，采用SolidWorks软件建立了全尺度三维几何模型。采煤工作面长度、宽度、高度分别为106.5 m、5.2 m、4.2 m，新方法采用了多孔挡板一个，其宽度、长度、高度分别为0.1 m、15.0 m和3.7 m，布设在采煤机机身后1.5 m。设置隔尘板1个，2.0 m × 0.2 m × 3.5 m，距采煤机后滚筒距离3 m。液压支架上设置固定钢丝绳和驱动钢丝绳，其上悬挂调风板和多孔挡板，绞车2台，为钢丝绳驱动设备，并增设张紧装置1台，可实现调风板与多孔挡板随着割煤作业前后同步运移，如图1所示。

Figure 1. Geometric model

图1. 几何模型

3.2. 网格验证和边界条件设定

将构建好的三维模型导入ANSYS-ICEM中进行非结构化网格划分。得到了三个不同数量的网格：356万(低质量)、556万(中等质量)和786万(高质量)。通过风速独立性验证可知网格数目为556万时，满足符合模拟要求。将网格文件导入FLUENT软件中，根据陕西榆林某综采面的现场实际情况，设定边界条件如下：进风口的边界类型设置为Velocity-inlet，出风口边界类型设置为Pressure-outlet，压力自由出口。滚筒设置为发尘面，尘源喷射方式为Surface，粉尘总流量为0.025 kg/s。多孔介质入口类型设置为Porous-jump，多孔介质出口类型设置为Interior [12] [13] 。巷道壁面及设备边界类型为Wall，具体参数如表1。

Table 1. Setting table

表1. 设置表

续表

4. 综采面风流–粉尘模拟结果分析

4.1. 新技术控尘规律分析

本研究综合分析综采面的风流流场及粉尘场结果，以揭示“阻隔–封闭”新方法的控尘规律。新鲜风流从进风巷道中进入综采工作面，当新鲜风流运移至调风板处受到阻挡，使其提前3 m进入人行道区域，增加人行道一侧风流压能。随巷道距离的增加，新鲜风流将逐渐由人行道区域流向采煤机区域，成为阻止采煤机含尘风流进入人行道的风墙，减少含尘风流的横向偏移。同时采煤机与人行道采用多孔挡板进行阻隔，阻碍了采煤机割煤形成的携尘风流的横向偏移，在人行道形成较大的清洁化独立空间。在井下作业环境中，粉尘的运移规律主要受风流的影响。在对粉尘场进行分析之前，对综采面的风流粉尘进行具体分析。

4.1.1. 风流场运移结果

Figure 2. Cross-sectional wind flow distribution diagram near the coal shearer

图2. 采煤机附近截面风流分布图

本研究对沿综采面风流流动方向间隔7 m选取六个横截面进行重点分析，颜色代表风速大小。如图2(a)可知，在原始风流情况下，从进风口进入的新鲜风流，以1 m/s的速度沿巷道运移。沿煤壁侧风流受到采煤机阻碍，逐渐向人行道侧偏移，导致人行道区风速略高于煤壁侧，平均风速达到1.86 m/s。在采煤机下风侧，受采煤机前滚筒割煤的影响，部分携尘风流向人行道扩散，工人作业区平均风速达到2.15 m/s，对作业员造成不好影响。

在增设“阻隔–封闭”装置后，图2(b)所示，新鲜风流改变原始运移方向，在距离采煤机后滚筒3 m处，近95%的风流提前发生横向偏移。在人行道司机处风速达到2.15 m/s，较原始状态提高1.3倍，增加了人行道一侧的压能，造成煤壁侧与人行道侧的风流压能差。在采煤机下风侧，人行道侧风速明显高于煤壁侧，最高风速达到3.6 m/s，配合多孔挡板作用，抑制了割煤产生的携尘风流偏移，保证作业人员的环境安全。

4.1.2. 粉尘场运移结果

两种不同情况影响下综采工作面粉尘颗粒场扩散结果如图3所示，采用云图表示粉尘浓度大小。在原始状态下，如图3(a)所示，煤壁侧粉尘浓度最高达825.5 mg/m³。随携尘风流向人行道侧迁移，司机处粉尘达到300 mg/m³以上。随着扩散距离的增加，较大的粉尘颗粒发生沉降，小颗粒粉尘继续污染人员呼吸带区域，在采煤机附近30 m范围内人行道区域形成了平均粉尘浓度在200 mg/m³以上的高浓度污染区，威胁工人的身心健康。

在增设“阻隔–封闭”装置后，如图3(b)所示，在调风板的作用下新鲜风流提前3 m发生横向偏移，增加了人行道侧的风流压能，延缓采煤机割煤产生的携尘风流的迁移。采煤机后侧设置的多孔挡板，在保证司机视线不受影响的同时，抑制煤尘向人行道侧扩散。司机处的粉尘浓度降低至50 mg/m³以下，较原始状态下降了83.3%，采煤机附近30 m范围内人行道区域平均粉尘浓度为85 mg/m³以下，工人作业区几乎无粉尘污染，新方法控尘效果显著。

Figure 3. Cross-sectional concentration distribution diagram near the coal shearer

图3. 采煤机附近截面浓度分布图

4.2. 新技术运移规律分析

Figure 4. Dust diffusion diagram

图4. 粉尘扩散图

采用CFD-DEM耦合模型计算采用新技术后下粉尘场的扩散情况。为更好的研究巷道内粉尘浓度的扩散规律，选取10 s、20 s、30 s、40 s、50 s、60 s、70 s四个不同的时间节点，对粉尘的扩散特点进行分析，如图4所示。

在“阻隔–封闭”装置的影响下，由采煤机滚筒割煤产生的大量粉尘被阻挡在煤壁侧，司机处几乎无粉尘污染。当T = 20 s时，受人行道反向煤壁侧风流和多孔挡板阻挡作用，粉尘沿煤壁侧运移，高浓度粉尘集聚采煤机后滚筒20.1 m范围内，少量粉尘扩散至液压支架附近。T = 50 s，粉尘扩散到58.4 m，随巷道距离增加，“阻隔–封闭”装置隔尘效果减弱，少量粉尘进入人行道侧。当T = 70 s时，巷道内粉尘扩散完全，煤壁侧粉尘浓度远高于人行道侧，大量粉尘在重力作用下沉降至低板，在风速降低的情况下，人行道侧粉尘浓度随巷道距离增加而逐渐升高。

4.3. 粒径分析

为研究新方法应用后不同粒径的扩散规律，通过Post后处理分析导出近100万粉尘颗粒场数据，并通过MATLAB软件进行处理，绘制巷道内颗粒分布图及不同粒径占比图。

采用“阻隔–封闭”新方法后，研究采煤机下风侧X = 25.0~100.0 m范围内，7.07 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm、60 μm六种类粉尘粒径占比，如图5(a)~(f)所示 [6] 。在巷道X = 25.0~100.0 m范围内，7.07 μm和20 μm的小颗粒粉尘始终悬浮在空中，占比在95.5%以上。采煤机附近X = 26.5~55.5 m范围内，受采煤机割煤携尘风流的影响，大部分中、大颗粒仍悬浮的空中。随巷道距离的增加，中、大颗粒逐渐沉降，40 μm以上的中大颗粒粉尘在巷道不同距离范围内占比呈稳定下降的趋势，沿程下降幅度达到54.4%以上，其中60 μm大颗粒粉尘沿程降幅达到75%以上。针对人行道处仍存在中小颗粒污染的问题，可采用湿式捕尘帘对粉尘颗粒进行捕捉，进一步净化工人作业区环境。

Figure 5. Particle size distribution chart

图5. 粒径分布图

5. 结论

1) 采用“阻隔–封闭”新方法后，新鲜风流向人行道一侧的横向偏移空间位置较原始状态提前3 m，人行道侧风速较原始状态增加1.3 m/s左右，造成煤壁空间与人行道空间的横向压能差，工人作业区粉尘浓度随风量的增加呈下降趋势。工作区平均粉尘浓度控制在50 mg/m³以内，控尘效率达到83.3%。

2) 受“阻隔–封闭”阻挡作用，约80%的粉尘颗粒聚集在采煤机一侧，司机处粉尘污染趋于0。7.07 μm和20 μm的粉尘粒径较小，受重力在作用不明显，巷道内始终占比95%左右，40 μm以上的中大颗粒粉尘受重力作用明显，沿巷道距离增加呈稳定下降状态。鉴于“阻隔–封闭”方法的降尘效率高、可操作性强，在不久的将来，该方法在综采面控除尘中将具有广泛的应用。