李 勇，张 凯，史纪飞，闫 涛，王 亮
（1.国能亿利能源有限责任公司黄玉川煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000；
2.山东科技大学，山东 青岛 266590）
随着科学技术的进步与发展，煤矿井下机械化、自动化作业程度不断提高，采煤效率也得到进一步提高，但随之而来的便是粉尘污染问题的加剧，据相关研究表明，采煤面在割煤过程中不采取任何降尘措施的情况下，全尘浓度可达到1 400 mg/m3，掘进面附近甚至高达4 000 mg/m3,呼吸性粉尘浓度可达800～91 000 mg/m3[1]。在采煤过程中，煤岩颗粒的破碎以及落煤、运煤等过程都会产生煤尘，粉尘颗粒主要会带来两方面的危害，一方面煤尘颗粒会加速井下设备的磨损速度，使得井下设备要经常性的维修、保养，煤矿生产效率大大降低；
另一方面煤尘会使得工人身体健康受到严重损害，特别是呼吸性粉尘会随着工人的呼吸作用进入到肺泡中，长年累月积累会使得肺部纤维化，产生严重的尘肺病，根据国家卫生部门统计，在统计报告的所有职业病例中，尘肺病的占比高达94.21%，其中煤矿工人占主要部分。同时高浓度的粉尘会产生煤尘爆炸的危险，煤尘爆炸一旦发生，会带来一系列连锁反应，因此煤尘爆炸破会性极强，是煤矿重大灾害之一[2-3]。
近几年来，随着人们对于防患意识的提高，学者专家对于煤矿粉尘运移规律的研究也慢慢增多，杨胜来[4]等人对综采工作面的粉尘分布规律进行了研究，将风流以及粉尘颗粒分别作为气固两相，通过程序编辑模拟了气流粉尘的分布状况。左前明[5]等人运用数值模拟的方法对大采高工作面的粉尘分布进行了分析，发现在割煤过程中，采煤机的前滚筒上方会聚集大量粉尘，高浓度粉尘团出现在采煤机滚筒附近。蒋仲安[6]等人运用流体仿真软件FLUENT对掘进工作面的粉尘进行了仿真分析，研究得出了掘进面不同条件下的粉尘分布规律。齐庆杰[7]等人对东荣煤矿采煤面进行实际粉尘浓度测量，总结出来了顺风割煤时粉尘颗粒的扩散规律。
周刚[8]等人运用气固两相流理论，对巷道内部的风流和粉尘进行了研究，得出了大采高综采工作面的呼吸性粉尘的分布规律。程卫民[9]等人根据流体力学三大守恒定律对风流场中的粉尘运移过程进行方程的建立。刘亚力[10]对粉尘运移过程继续模型的建立，并且根据建立的模型对风流中的粉尘运动状态进行了相关研究。
粉尘污染已经成为煤矿作业时急需要解决的问题，因此本文运用FLUENT流体仿真软件，基于双向耦合的气固两相流模型，对采煤工作面不同通风速度情况下的风流及粉尘分布状况进行研究，确当其最佳通风风速，分析其防尘重点区域，给与现场降尘设备的安装提供一定的理论指导意义。
1.1 采煤面物理模型构建
本文以某矿的综采面为背景进行物理模型建立，由于其井下作业场所环境的复杂性，因此对其模型进行简化处理，保留其主要的影响模拟结果的机械设备--采煤机和液压支架，运用三维建模软件Solidwork对采煤机进行简化建模，液压支架简化为均匀分布的圆柱体，采煤面长度为50 m，进风巷和回风巷均为25 m，其采煤面简化模型如图1所示。
图1 采煤面模型简图
1.2 气固两相流数学模型构建
本文运用气固两相流模型也称作为DPM模型进行仿真模拟，该模型下假设粉尘数量级小，粉尘主要受自身重力、空气阻力以及自身浮力等的作用，其余影响作用小的因素可以忽略不计，其在运移过程遵循的方程如下式所示[11-12]。
其扩散方程为：
式中：ρ为粉尘平均质量浓度，mg/m3；
v为平均速度，m/s；
K为综合扩散系数；
t为扩散时间，s。
根据牛顿力学定律，粉尘在空气中的运动方程可列为：
式中：mP为粉尘总质量，kg；
v为粉尘与空气相对速度，m/s；
t为时间，s；
ρP为粉尘密度，kg/m3；
ρg为气体密度，kg/m3；
dp为粉尘的粒径，m；
g为重力加速度，m/s2；
CP为阻力系数。
2.1 网格划分
在仿真模拟之前需要对模型进行离散化处理，也即是对模型进行网格划分，划分网格常见的有结构化网格和非结构化网格，对于结构简单的模型采用结构化网格计算结果更为精准，而结构复杂的模型，结构化网格划分困难甚至无法划分，且计算时间大大延长，而对于非结构化网格来说，对复杂模型网格的划分具有更好的适用性，因此本文选择适应性更强的非结构化网格，网格数量约1 449 283个左右，平均质量为0.84，完全可达到计算精度要求[13]。
2.2 边界条件设定
网格划分结束后，将网格导入到计算仿真软件FLUENT，然后进行模型参数以及边界条件设定，准确的边界条件设定是达到精确仿真结果的前提，根据现场实际以及相关资料查询对边界条件以及粉尘源参数进行设定。
此次仿真模拟模型选择气固双向耦合的DPM模型，该模型将空气视作为连续相，粉尘颗粒视作为离散相，先将连续相计算收敛后，在加入离散相颗粒，开启双向耦合，此时由于粉尘颗粒的加入，导致连续相动能的改变，反过来继续作用于离散相，直至计算收敛稳定。该模型计算结果更符合实际情况，其具体设置见表1、表2。
表1 边界条件设置
3.1 风流分布结果分析
由于煤矿井下粉尘颗粒的运动主要受风流作用的影响，研究其风流的分布规律有助于对下一步粉尘分布规律的研究，因此对于风流分布的研究是非常有必要的。分别设置进入进风巷的风速为0.5、0.8、1.2、1.6、2 m/s，通过仿真得出整个进风巷-采煤面-回风巷的风流分布状况，不同进风速度下的风流分布大致相同，因此取进风速度为1.2 m/s时，距地板高度为1.5 m（呼吸带）高度的速度云图分析速度分布状况，如图2所示。
表2 尘源参数设置
图2 距底板1.5 m速度分布云图
由图2可以看出，进风巷由于其结构简单，风流以一定的速度进入后，速度基本保持不变；
当风流到达进风巷与采煤面90°拐角处，风流难以到达拐角处，因此此处速度基本保持0.15 m/s左右；
当风流进入采煤面后，由于采煤机的阻挡作用，在采煤机前方形成高速湍流区，在此处风速达到采煤面风速的最大值；
风流沿着采煤机侧面继续前进，风流速度有一定下降直至达到风速稳定状态；
然后风流进入回风巷道，风速再一次加大，并且在回风巷道形成一侧风速大，一侧风速小的分布状况。
由图3采煤面沿程速度分布图可以看出，不同速度的风速，在进入采煤面后，速度会出现增大-减小-增大-稳定的分布状况，在X为5 m左右也就是风流从进风巷进入采煤面时，风速出现第一个峰值，在此处速度增大到进风巷风速的1.8倍左右，然后风速发生急剧衰退，当X为7 m左右时，风速到达第二个峰值点，此时风速增大到整个采煤面风速的最大值，在此处风速约为进风巷风速的2.1倍左右。在X为18 m左右时，风速基本保持稳定在进风巷风速的1.2倍左右。
图3 沿采煤面沿程不同进风速度速度分布
3.2 粉尘分布结果分析
分别取不同进风速度下的距离底板0.5、1、1.5 m高度平面的粉尘分布云图，分别如图4所示:
图4 不同进风速度下的粉尘分布云图
从图4可以清楚的看出，割煤过程产生的粉尘会顺风扩散，并且主要沿着煤壁面进行运移，由于液压支架的阻挡作用，风流在液压支架一侧速度较小，粉尘主要被风流带到液压支架另一侧，导致液压支架一侧粉尘浓度相对较低；
距离底板附近，粉尘浓度较大，随着高度的增加，粉尘浓度也在逐渐减小，粉尘浓度最大的区域在采煤机前方的高速湍流区，此处风流速度大，风流较为复杂，同时由于割煤过程的持续，导致此处粉尘浓度最大。
煤矿工人工作时的呼吸高度大约为1.5 m，由图4可知，在1.5 m高度的粉尘浓度随着进风速度的增大，粉尘浓度呈现先减小后增大的趋势。当进风速度为1.2 m/s时，此时1.5 m高度粉尘浓度最低，当风速大于1.2 m/s时，粉尘浓度出现一定的增大趋势，这是由于风速的增大导致已经沉降的粉尘再次被扬起，出现了粉尘的二次扬起的现象，因此进风速度为1.2 m/s时是最佳的排尘风速。
图5 粉尘粒子分布图
图5为进风速度为1.2 m/s时的粉尘粒子分布图，由图5可以看出粒径较大的粉尘颗粒，在产生后运移25 m左右就基本全部沉降，靠近回风巷道以及回风巷道以内主要是粒径较小的呼吸性粉尘，由于粒径较小难以沉降，随风流一直漂浮在作业空间，并且随着采煤机的运动，采煤机越靠近回风巷，回风巷的粉尘浓度越大，因此，可以在回风巷道布置一些高压喷雾装置，对呼吸性粉尘进行沉降。
1）不同速度的风流进入采煤面后，由于采煤机以及液压支架等的存在，风速会出现增大-减小-增大-稳定的分布，其中在风流从进风巷转入采煤面时，速度增大到进风速的1.8倍左右，然后速度发生骤降，风流越过采煤机后出现风速的最大值，此时风速增大到进风速的2.1倍左右，随后风速衰落稳定在进风速的1.2倍左右。
2）采煤面的粉尘随着进风速度的增大出现先减小后增大的趋势，当进风速度为1.2 m/s时，整个采煤面粉尘浓度较低，并且此时风速处于二次扬尘的临界状态，此时风速既有利于带走粉尘，又防止风流过大再次将沉降的粉尘扬起。
3）粒径较大的粉尘颗粒基本在产生后25 m左右就已全部沉降，粒径较小的呼吸性粉尘会随风流一直漂浮在作业区及回风巷道，因此可以给与现场回风巷加装高压喷雾装置，对呼吸性粉尘进行沉降。
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