综掘巷道长压短抽式通风除尘效果数值模拟
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇综掘巷道长压短抽式通风除尘效果数值模拟范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：为提高掘进巷道内通风除尘效果，本文采用实体相似建立3D模型，利用FLUENT数值模拟软件，首先进行了压风式和长压短抽式通风除尘的模拟对比分析，确定了长压短抽式通风除尘的优越性。从而进行长压短抽式通风中的压抽比的研究。研究结果表明：在低瓦斯巷道内，压抽比过小或过大都不利于除尘，在1.1~1.4左右时，掘进工作面会形成涡流，减弱了粉尘扩散和沉降效果，吸风口有效地将粉尘控制在抽吸作用范围内，并最大程度地将粉尘抽吸带走。研究结果与前人的研究有很好的吻合，对现场应用具有一定的参考价值。
关键字：综掘巷道 ；数值模拟；通风除尘；粉尘浓度；压抽比
中图分类号：C35文献标识码： A
Numericalresearch on removing the dust with pressing air-absorption air
ventilation in excavation roadway
Abstract： In order to improve theeffect ofremovingthe dust by ventilation, the similar 3D entity model is created . Firstly the paper studies the effect on removing the dust between the pressing ventilation system and far-pressing-near-absorption (FPNA) ventilation system with FLUENT software, and the simulation result shows it is excellence for the FPNA ventilation system to remove the dust. And then, the paper focuses on the ratio of pressing air volume to absorption air volume. The ratio is recommended as between 1.1 and 1.4 with which the ventilation system can weaken dust diffusion and sedimentation, and limit the dust within the range of absorption. And the result is in good agreement with previous one, which can provide a guidance and reference for applying FPNA ventilation system.
Key words：excavation roadway; numerical simulation；removing the dust by ventilation; dust concentration; ratio of pressing air volume to absorption air volume
随着井下机械化水平的不断提高，掘进巷道工作面的粉尘产量也越来越大。井下煤尘有引发尘肺病、煤尘爆炸、自燃和损坏设备、降低现场可见度等诸多危害[1,2]。因此，针对压风式通风和现常用的长压短抽式通风除尘，研究掘进巷道通风过程中粉尘的运移规律和浓度分布规律，确定最佳的通风方式和相关参数指标，对治理煤矿巷道内粉尘和减少其危害均具有重要的意义。本文根据某矿实际生产情况，充分考虑掘进机对风流及粉尘运移等的影响，建立了与现场掘进工作面较符合的巷道数值仿真模型，利用FLUENT软件对长压短抽通风中粉尘运移规律进行了仿真分析，确定其最佳的压抽比，为现场通风除尘的设计提供科学的依据[3,4]。
1、气固两相流模拟的数学模型
粉尘在风流中运动，本质上属于气固两相流其两相流计算模型包括欧拉模型、离散相模型、混合物模型、VOF模型等[5]。本文将采用离散相模型，其属于欧拉-拉格朗日模型，将矿井中风流作为背景流体，用欧拉法进行描述；将粉尘看作分布于背景流体中的颗粒，用用拉格朗日法对其运动轨迹进行描述[6~8]。
表1 数值模拟的数学模型参数
Solve（求解参数） Define（参数设定）
Pressure-Velocity Coupling
（压力-速度耦合方程式） SIMPLEC（SIMPLEC算法）
Discretization Scheme（离散格式） Second Order Upwind（二阶迎风）
Convergence Criterion（收敛标准） 10-3
2、巷道仿真模型的建立和网格划分
根据现场实际对长压短抽式通风巷道进行合理的简化，N3采区掘进巷道断面宽4.5m、高3m;掘进机采用的是EBJ-160TP型，简化机长10.2m、宽2.7m、高1.5m；压入式风筒直径0.8m，抽出式直径0.6m；通风巷道的压出抽出式风筒悬挂于靠近两侧煤壁，风筒轴线距煤壁0.6，距底板2m；压入式风筒出风口到掘进工作面的距离为5m;抽出式风筒风口到工作面的距离为3m。利用Gambit6.2建立的掘进巷道的三维模型如图1所示，网格划分如图2所示。
图1巷道三维几何模型示意图图2划分网格后的三维几何模型示意图
3、边界条件的设定及数值模拟
3.1 边界条件的设定
根据某矿N3采区工作面实际情况，结合数学模拟和FLUENT的模拟方法，确定数值模拟的主要参数及边界条件，如表2所示。
表2模型参数及边界条件设定表
Model（计算模型） Define（模型设定）
Viscous Model（湍流模型） k-epsilon（k ε双方程模型）
Inlet Boundary Type（入口边界类型） Velocity-inlet（速度入口）
Inlet Velocity Magnitude（入口速度） 10m/s
Hydraulic Diameter（水力直径） 0.8m
Turbulence Intensity（湍流强度） 3.1%
Outlet Boundary Type（出口2边界类型） Outflow（出流）
Injection Type（喷射源类型） Group（组喷射）
Turbulent Dispersion（湍流扩散模型） Stochastic tracking（随机轨道模型）
Number of Tries（跟踪次数） 50
Time Scale Constant（积分尺度） 0.15
DPM Condition（DPM边） trap（捕获）
Shear Condition（剪切边界） No Slip（无滑移）
注：。 为湍流强度； 为湍流脉动速度与平均速度，m/s； 为按水力直径计算的雷诺数。
3.2 压风式与长压短抽式通风除尘模拟结果对比分析
3.2.1 压入式与长压短抽式通风除尘对比分析
图3压入式通风风流流程模拟图4 压入式通风粉尘浓度变化模拟
压入式通风除尘扩散结果如图3.1所示。综掘工作面处由于离尘源较近，粉尘大量集中；因风流在工作面附近产生了涡流，不利于粉尘沉降；随着距离的增加，扩散作用占主导作用，粉尘逐渐扩散的整个断面。进风侧粉尘浓度明显低于回风侧粉尘浓度。
通过图5~6所示的长压短抽式通风除尘模拟结果，可见长压短抽式通风能够达到更好的除尘效果。是由于吸风风流在工作面附件破坏了漩涡作用，粉尘扩散的较为完全；强大的吸风作用使粉尘主要集中在吸风风筒口附近，一部分粉尘被吸入到风筒内，而少部分粉尘则贴附于吸风风筒运动。
3.2.2长压短抽式通风除尘数值模拟结果与分析
在控制压风速度为10m/s不变的条件下，通过变化抽风风速，完成压抽比分别为0.6、1、1.2、1.4、1.8五组数值模拟，如图5~9所示。对比分析巷道内风流和粉尘浓度的变化规律和范围，以确定最合理的压抽比。
（1）巷道风流流程变化规律分析
（a）压抽比0.6（b）压抽比1.0（c）压抽比1.2
（d）压抽比1.4 （e）压抽比1.8
图4 不同压抽比下风流流程模拟结果
通过风流矢量图分析，综掘工作面的风流形成了射流区、涡流区和回流区。由于压风出风口风速过高，加之掘进机扰乱了正常的风流流动，加强了空气微团间的冲击、有限空间的反射和附加摩擦等作用，导致了紊乱的涡流现象。
巷道中部位置风速较小，两侧风速较大。回风侧由于受到吸风和压风的双重作用，风速变化较大。压风侧风速在射流的作用下，衰减缓慢，在距工作面2m处，变化加大，而后逐渐减小，最终工作面区域趋于稳定状态。
当压抽比小于1时，吸风风筒风速过大，导致风流一部分贴附着风筒流动，是风速变化较大。
当压抽比大于1时，吸风风筒靠近侧壁附近，风流变化剧烈，是由于较大风流在风筒壁和侧壁间发生反弹作用，形成了小的涡流。
（2）巷道内粉尘浓度模拟结果分析
图5 压抽比0.6粉尘浓度变化模拟结果图6 压抽比1粉尘浓度变化模拟结果
图7 压抽比1.2粉尘浓度变化模拟结果图8 压抽比1.4粉尘浓度变化模拟结果
图9 压抽比1.8粉尘浓度变化模拟结果图10 不同压抽比高1.6m平面进风侧沿程粉尘浓度对比
通过5组模拟对比分析，得到压抽比较小时，吸风侧的涡流较为明显，粉尘越容易发生沉降，易被风流带走，粉尘不易控制，所以压抽比不易太小。
再重点考察压抽比大于1的情况下，在压抽比过大时，粉尘浓度扩散范围较大，是由于压风起到主导作用，使粉尘不易于吸风口带走，导致向巷道沿程扩散。
在压抽比为1.2时，粉尘浓度变化较为规律，粉尘集中在回风侧，比较稳定被吸风抽走，并到达掘进机人员位置时，粉尘浓度已很低。
总体效果上分析，巷道流区内粉尘浓度较低，涡流区和回流区粉尘浓度较高，是由于风流的冲击、涡流附带以及抽风卷吸的综合作用。
综上所诉，通过压抽比为0.6、1、1.2、1.4、1.8的五组模拟的结果分析，巷道内风速流程变化和粉尘浓度变化情况，确定最合理的压抽比为1.1~1.4左右，为煤矿掘进工作面的除尘的设计和安装提供科学的依据。
4、结论
（1）得出了长压短抽式通风巷道粉尘质量浓度的分布规律，在压风射流区内粉尘浓度较低，在回流区和涡流区粉尘浓度较大，回流的浓度达到最大。
（2）掘进巷道采用长压短抽通风方式，除尘效果要明显优于单一压风式通风效果。长压短抽通风的风流从风筒射出后按自由射流规律演变，由于受到煤壁的反射作用，以及吸风风流的卷吸作用，使风流改变了流动方向，向吸风口和反方向运移和发散，形成了回流区；加之掘进机的作用，在工作面形成了涡流区。
（3）长压短抽式通风的不同压抽比，对除尘效果影响较大，确定了最合理和压抽比在1.1~1.4左右，与文献[9]相似试验研究有较好的吻合。合理的压抽比在掘进工作面能够形成气流罩，将产生的粉尘紧紧吸附在吸风口的回流区，控制了粉尘运移范围，从而达到了除尘的目的。
参考文献：
[1]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.
[2]姚玉静，程卫民，聂文，吴立荣。综掘工作面粉尘浓度分布的数值模拟[J].矿业安全与环保.2011,38（3:21~23
[3]蒋仲安. 通风除尘中气固两相流动相似理论研究[J]. 煤炭工程师,1993,(4): 12-15, 42.
[4]蒋仲安,金龙哲,袁绪忠,等. 掘进巷道中粉尘分布规律的实验研究[J].煤炭科学技术, 2001, 29(3): 43-45.
[5]苗飞，赵磊磊，综放工作面粉尘运动规律数值模拟及现场实测[J].中州煤炭。2011.185:11-13
[6]牛 伟, 蒋仲安, 王晓珍, 田冬梅。综放工作面粉尘浓度分布规律的数值模拟[J]. 中国矿业. Vol1 17, No1 12:16~19
[7]王晓珍, 蒋仲安, 王善文, 刘 毅. 煤巷掘进过程中粉尘浓度分布规律的数值模拟[J].煤炭学报.200732(4):386~390
[8]杨胜来.综采工作面粉尘运移和粉尘浓度三维分布的数值模拟研究[J].中国安全科学学报.2001,11(4):61-64
[9]王 辉，蒋仲安，黄丽婷，廖贤鑫，王继冉. 掘进巷道 中长压短抽式通风合理压抽比实验研究[J]. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2011,32(40:168~171