近年来,随着科技的飞速发展,国内外对于能源的需求不断增大,煤炭作为我国能源组成之一,煤炭消费总量占能源消费总量的60%左右,推动着煤矿开采向更深层次迈进
综采面的粉尘多产生于截割煤岩、运输煤块以及装载煤体等过程中,所产生的粉尘浓度、粒径各不相同,导致造成的危害和预防措施各不相同
通过对综采面风流场特性研究,发现其内部某些局部区域雷诺数高于106,因此,选择一个恰当的风流湍流模型至关重要。而Realizable k-ε模型被多次验证能够准确的描述复杂流场,广泛应用于各种流动中,因此,本文选择了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)
k方程——湍流动能方程
(1)
ε方程——湍流能量耗散率方程
(2)
式中,k为湍流动能,单位为J;ε为湍流动能耗散率,单位为W/m3;Gk为由平均运动速度梯度引起的紊流动能生成项,Gb为由于浮力引起的湍动能k的产生项,单位为J;YM为可压湍流中脉动扩张的影响,C1ε,C2ε和C3ε为经验常数,Sk和Sε为用户定义的源项,σk和σε分别是湍动能k和湍动耗散率ε对应的普朗特数,C1为 , ;C2为常数。上述方程实际计算过程中取C2 = 1.9,σk = 1.0,σε = 1.2。
为了模拟粉尘颗粒在风流中的运移状况,本文选择了DPM (Discrete Phase Model)模型
(3)
(4)
式中,mp为颗粒质量;
为空气瞬时速度;
为颗粒速度;tp为颗粒运动时间;G为重力;Ff为浮力;Fp为曳力;Fd为压力梯度力;FM为Magnus升力;FVm为虚假质量力;
为雾滴粒子的松弛时间,计算方法为
(5)
式中,dp为颗粒直径; 为颗粒密度;Cd为曳力系数; 为气体的粘度系数;Re为相对雷诺数:
某煤矿综采面现场采用U型通风,为了确保模拟结果的可靠性,对模型进行适当的简化,着重对采煤机滚筒截齿、液压支架梁与梁之间的连接构造、刮板输送机、张紧装置以及钢丝绳等关键部件进行了适度的简化处理。建立了几何模型,如
利用ICEM-CFD对于已构建的几何模型进行非结构化网格划分
名称 | 类型 | 参数 |
模型 | k-epsilon | Realizable |
边界 | 进风口(m/s) | 1.1 |
吸风口1 (m3/min) | 600 | |
吸风口2 (m3/min) | 620 | |
进风口边界类型 | Velocity-inlet | |
出风口边界类型 | Pressure-outlet | |
采煤机滚筒 | Dust Source | |
运算方法 | Scheme | SIMPLEC |
壁面 | DPM | Escape |
粉尘颗粒 | 粒径分布 | Rosin-Rammler |
总流量(kg/s) | 0.003 | |
粉尘发射类型 | Surface |
新方法的原理如下:当新鲜风流通过进风巷道流向综采工作面时,遇到隔尘板的阻挡,大部分风流会改变原本的路径,提前涌入人行道区域,从而减少了直接流向采煤机滚筒的风量。有效限制了滚筒附近粉尘的弥散,使得粉尘主要集中在滚筒附近区域。与此同时,人行道内因大量风流的涌入导致风速加快,高速风流形成了一道屏障,有效阻止了滚筒附近携带粉尘的气流侵入人行道,保持了人行道的相对清洁。通过采煤机滚筒上方设置吸风口,利用负压原理,通过吸风口产生的强大吸力,将滚筒截割过程中产生的高浓度粉尘迅速吸入并排出,从而显著降低了作业区域的粉尘浓度,提升了整体的除尘效率。
在局部负压作用下,通过综采面风流流线图以及在采煤机下风侧10 m、20 m、30 m、40 m、50 m处共设5处截面,得到综采面内风流具体分布情况,如
如
本文通过对于粒径为1 μm、5 μm、15 μm、25 μm、35 μm和45 μm的综采工作面粉尘颗粒进行研究,在采煤机下风侧20 m、距地面高度1.5 m处设置测点,不同粒径的粉尘浓度分布情况如
在煤壁侧粉尘浓度较高,但随着距离的增加,大粒径粉尘逐渐沉降,而小粒径粉尘仍悬浮在空中,浓度较高,当粉尘粒径为1 μm时,煤壁侧的粉尘浓度为41.67 mg/m3,而随着粉尘粒径的增大,采煤机下风侧20 m处的粉尘浓度逐渐降低,在粉尘粒径为45 μm时,粉尘浓度为35.72 mg/m3。因此进行综采面控尘时,针对中小粒径的粉尘问题,建议采用湿式捕尘等除尘方式对粉尘颗粒进行捕捉,进一步控制粉尘污染问题。
为进一步研究局部负压对综采面内粉尘弥散的影响,本文对45 μm粒径粉尘场的动态变化进行研究。现截取10 s、20 s、30 s、40 s、50 s、60 s、70 s、80 s、90 s和100 s十个时间点的粉尘浓度,如
在局部负压作用下,在T = 10 s时,由于人行道内的风速高以及吸风口产生的负压,大部分粉尘被限制在采煤机滚筒处,导致采煤机滚筒周围区域内粉尘浓度高,而人行道粉尘浓度较低。随着携尘风流的运移,在T = 30 s时,由于粉尘数量的增多,部分携尘风流脱离负压的影响,向采煤机下风侧运移,随着距离的增加,控尘效率开始下降,部分携尘风流开始渗透至人行道。当T = 100 s时,工作面内的粉尘弥散完全,随着距离的增加,粉尘逐渐沉降,45 μm粒径的粉尘浓度呈下降趋势,在回风巷道内粉尘浓度极低。
为得到局部负压作用下煤壁侧与人行道侧沿程粉尘浓度的分布状况,在距回风巷道5 m、煤壁1.5 m、地面1.5 m处的煤壁侧空间内以及在距回风巷道5 m、煤壁1.5 m、地面1.5 m处的人行道侧空间内,沿逆风方向每隔1 m各设置一个测点,每侧空间内设置60个测点,且第60个测点位于采煤机下风侧一米处。两侧空间内各测点粉尘浓度对比如
通过分析不同粒径粉尘在煤壁侧和人行道侧的沿程粉尘浓度,在局部负压的作用下,煤壁侧各粒径粉尘浓度均高于人行道侧。如
1) 在局部负压作用下,通过设置隔尘板和吸风口,新鲜风流提前运移至人行道,在采煤机下风侧30 m处,煤壁一侧风速为0.60 m/s,人行道内风速为1.57 m/s,携尘风流难以弥散至人行道内,采煤机附近由于吸风口作用产生负压,大量粉尘被吸风口抽出,有效的降低了粉尘污染。
2) 在局部负压作用下,人行道侧不同粒径粉尘浓度均小于煤壁侧,人行道侧采煤机下风侧15 m处粉尘浓度小于15.0 mg/m3,煤壁侧粉尘浓度较高,由于粉尘受重力作用影响,粉尘浓度沿巷道距离增加呈下降状态。通过对于45 μm粒径的粉尘不同时间段内的研究,进一步证实煤壁侧大粒径粉尘浓度在回风巷附近平均浓度低于15.0 mg/m3,本方法对于大粒径粉尘的控除尘效果显著。