综采割煤粉尘运移影响因素的数值模拟

第36卷第6期 北京科技大学学报 Vol.36 No.6 2014年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2014 综采割煤粉尘运移影响因素的数值模拟 谭聪，蒋仲安区，陈举师，王 佩 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:jzal963@263.nct 摘要为解决综采割煤粉尘质量浓度高的问题，获取粉尘控制的合理参数，改善作业环境，以邢东矿2225工作面为研究背 景，依据气固两相流理论，运用Fuet软件对综采工作面割煤粉尘运动规律进行数值模拟，并与现场实测的粉尘质量浓度分布 情况进行对比分析，模拟结果与实际数据基本一致.研究结果表明：工作面风速、采煤机滚筒转速、溜子速度以及壁面条件是 影响综采工作面粉尘质量浓度分布的几个重要因素.当工作面平均风速在1.4ms1,滚筒转速不超过2.5rad·s',溜子速度 不超过1.5ms1,防降尘效果最佳.同时洒水保持煤壁湿润也起到一定的捕尘作用 关键词煤尘：除尘；综采工作面：运动：影响因素：数值分析 分类号TD714·.2 Numerical simulation of influencing factors on dust movement during coal cutting at fully mechanized working faces TAN Cong,JIANG Zhong-an,CHEN Ju-shi,WANG Pei School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:jzal963@263.net ABSTRACT To resolve the problem of high dust concentration during the process of coal cutting at fully-mechanized working faces and obtain rational dust control parameters,as well as to meliorate working conditions,considering No.2225 working face in Xingdong Mine as a research background,numerical simulation was performed using FLUENT software to track dust movement laws during coal cutting at the fully-mechanized working face based on the theory of gas-solid two-phase flow.Compared with the actual dust concentra- tion distribution in the mine,the simulation results are basically consistent with the actual data.The wind velocity at the fully-mecha- nized working face,shearer drum rotation speed,valve speed,and wall condition mainly affect the dust concentration distribution at the fully-mechanized working face.It is concluded that the dust removal effect is better when the average wind velocity is 1.4m's,the drum rotation speed is no more than 2.5rads,and the valve speed is less than 1.5ms.Meanwhile,sprinkling water,which can keep the coal wall moist,plays a significant role in capturing dust. KEY WORDS coal dust;dust abatement:fully mechanized working faces:movement:influencing factors:numerical analysis 综采工作面是煤矿井下最大的产尘场所，粉尘 事情.工作面粉尘浓度分布受多种因素的综合作 质量浓度高达1000mg·m3以上，远远超过国家有 用，煤层的湿润性、生产工艺、防降尘措施等都是影 关卫生标准，不仅严重威胁着煤矿工人的身心健康， 响粉尘分布的重要因素.因此，深入研究生产工艺 还大大恶化了工作条件，加大了机械设备的磨损，甚 参数对粉尘分布规律的影响，通过调整相关参数，达 至还有煤尘爆炸的危险·-习.采取有效的降尘措 到降低粉尘浓度的目的，是一种有效的粉尘控制 施，降低综采工作面的粉尘浓度是一件刻不容缓的 方法 收稿日期：2013-08-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274024) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.002:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 6 期 2014 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 6 Jun． 2014 综采割煤粉尘运移影响因素的数值模拟 谭 聪，蒋仲安，陈举师，王 佩 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: jza1963@ 263． net 摘 要 为解决综采割煤粉尘质量浓度高的问题，获取粉尘控制的合理参数，改善作业环境，以邢东矿 2225 工作面为研究背 景，依据气固两相流理论，运用 Fluent 软件对综采工作面割煤粉尘运动规律进行数值模拟，并与现场实测的粉尘质量浓度分布 情况进行对比分析，模拟结果与实际数据基本一致． 研究结果表明: 工作面风速、采煤机滚筒转速、溜子速度以及壁面条件是 影响综采工作面粉尘质量浓度分布的几个重要因素． 当工作面平均风速在 1. 4 m·s － 1 ，滚筒转速不超过 2. 5 rad·s － 1 ，溜子速度 不超过 1. 5 m·s － 1 ，防降尘效果最佳． 同时洒水保持煤壁湿润也起到一定的捕尘作用． 关键词 煤尘; 除尘; 综采工作面; 运动; 影响因素; 数值分析 分类号 TD714 + . 2 Numerical simulation of influencing factors on dust movement during coal cutting at fully mechanized working faces TAN Cong，JIANG Zhong-an ，CHEN Ju-shi，WANG Pei School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: jza1963@ 263． net ABSTＲACT To resolve the problem of high dust concentration during the process of coal cutting at fully-mechanized working faces and obtain rational dust control parameters，as well as to meliorate working conditions，considering No． 2225 working face in Xingdong Mine as a research background，numerical simulation was performed using FLUENT software to track dust movement laws during coal cutting at the fully-mechanized working face based on the theory of gas-solid two-phase flow． Compared with the actual dust concentra￾tion distribution in the mine，the simulation results are basically consistent with the actual data． The wind velocity at the fully-mecha￾nized working face，shearer drum rotation speed，valve speed，and wall condition mainly affect the dust concentration distribution at the fully-mechanized working face． It is concluded that the dust removal effect is better when the average wind velocity is 1. 4 m·s － 1 ，the drum rotation speed is no more than 2. 5 rad·s － 1 ，and the valve speed is less than 1. 5 m·s － 1 ． Meanwhile，sprinkling water，which can keep the coal wall moist，plays a significant role in capturing dust． KEY WOＲDS coal dust; dust abatement; fully mechanized working faces; movement; influencing factors; numerical analysis 收稿日期: 2013--08--29 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51274024) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 06． 002; http: / /journals． ustb． edu． cn 综采工作面是煤矿井下最大的产尘场所，粉尘 质量浓度高达 1000 mg·m － 3 以上，远远超过国家有 关卫生标准，不仅严重威胁着煤矿工人的身心健康， 还大大恶化了工作条件，加大了机械设备的磨损，甚 至还有煤尘爆炸的危险［1 － 3］． 采取有效的降尘措 施，降低综采工作面的粉尘浓度是一件刻不容缓的 事情． 工作面粉尘浓度分布受多种因素的综合作 用，煤层的湿润性、生产工艺、防降尘措施等都是影 响粉尘分布的重要因素． 因此，深入研究生产工艺 参数对粉尘分布规律的影响，通过调整相关参数，达 到降低粉尘浓度的目的，是一种有效的粉尘控制 方法．

第6期 谭聪等：综采割煤粉尘运移影响因素的数值模拟 717· 数值模拟作为一种低成本、高效率的研究方法， 粒相与气体相都在欧拉坐标系下处理；第二种是在 在粉尘控制方面得到了广泛的应用.美国学者 欧拉坐标系下考察气体相的运动，而将粉尘颗粒作 Alam)利用Fluent模拟了巷道设备运行条件下的 为离散相，在拉格朗日坐标系下研究粉尘颗粒相的 粉尘分布及运动规律.澳大利亚Wt等可针对传输 运动：第三种是把流体作为拟颗粒，从单颗粒尺度上 装置产生的扬尘，利用计算机动态流体模型预测其 描述流体微团的运动特征，将气相和粉尘颗粒相都 运动轨迹.在国内，针对综采工作面粉尘运移规律 在拉格朗日坐标系下处理.本文采用第二种观点， 的数值模拟研究相对较多.不少学者都根据气固两 建立欧拉一拉格朗日模型，将工作面风流作为背景 相流理论，建立了模型，模拟研究了综采工作面粉尘 流体，用欧拉法进行求解：将粉尘看作为离散分布于 分布规律，取得了一定的成果6-0.但是，这些研究 风流中的颗粒，运用拉格朗日法对粉尘的运动轨迹 仅揭示了特定条件下的粉尘分布规律，未深入探讨 进行求解. 工作面生产工艺参数对粉尘浓度分布规律的影响. 1.2模型的建立 本文采用数值模拟的方法，研究工作面风速、采煤机 邢东矿2225综采工作面采高3.6m,净宽4.5 滚筒转速以及溜子运煤速度对工作面粉尘运动规律 m,走向长683m,倾斜长55~126m,工作面设计风 的影响，从而确定有利于粉尘控制的最佳工作条件， 量893m3·min-1.采用MXG500/1130-WD型双滚 获取通风除尘设计的合理参数，为现场防尘工作提 筒采煤机穿梭采煤，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤， 供理论指导. 滚筒旋转截齿机械落煤，采用SGZ-800/500型双中 1数学模型的建立 心链可弯曲刮板输送机运煤 根据现场实际简化模型，将采煤机机身、电缆槽 1.1气固两相模型的确定 视为规则的长方体，摇臂简化为与实际外形相近的 粉尘在空气流场中的运动，本质上属于气固两 规则状，滚筒简化为圆柱体加圆柱型截齿，液压支柱 相流运动.气固两相流动理论主要有三种观点：第 简化为规则圆柱体，建立一个长120m、宽4.5m、高 一种是把粉尘颗粒作为拟流体，假设其在空间中有 3.6m的长方体计算区域，利用GAMBIT建立采煤 连续的速度、温度分布及等价的输送性质，将粉尘颗 机割煤时的三维几何模型如图1所示 前滚筒 后滚 采煤机机身 采煤机 液压 机道空间 支 后方 采煤机 空间 液压 支柱 液压支柱 图1综采工作面三维几何模型 Fig.I 3D geometric model of the fully mechanized working face 1.3数值模拟参数的设定 s,溜子速度为1.3ms1,通过求解得到综采工作 将网格模型导入Fluent中，根据邢东矿2225综 面的流场模拟结果，工作面主要断面的流场速度云 采面的实际情况及相关实际测量数据，结合数值模 图如图2所示 拟方法及所建立的数学模型，设置相关参数如表1 由图2可以得出：(1)由于液压支架的阻碍作 所示.选择标准k一ε两方程模型和瞬时稳态求解 用，使得机道空间的流场风速较大，在整个流场占主 器，采用SIMPLEC算法，进行数值模拟计算1-1切. 导作用：液压支架后方空间风速较小，流场稳定性最 2数值模拟结果分析 差，也最不利于粉尘的控制.(2)流场在采煤机附近 出现了较大的扰动，这是由于受到采煤机摇臂滚筒 2.1工作面流场分布规律 的阻碍作用，以及滚筒转动的影响，风流产生绕流， 欧拉一拉格朗日模型中，用欧拉观点处理气相 引起了局部风速的较大变化.(3)溜子运煤过程中， 流场，用拉格朗日观点处理固体颗粒的运动.在此 由于煤块与空气的摩擦作用，对流场的分布也产生 工作面平均风速设为1.3ms-,滚筒转速为3.0rad· 了一定的影响

第 6 期 谭 聪等: 综采割煤粉尘运移影响因素的数值模拟 数值模拟作为一种低成本、高效率的研究方法， 在粉尘控制方面得到了广泛的应用． 美 国 学 者 Alam［4］利用 Fluent 模拟了巷道设备运行条件下的 粉尘分布及运动规律． 澳大利亚 Witt 等［5］针对传输 装置产生的扬尘，利用计算机动态流体模型预测其 运动轨迹． 在国内，针对综采工作面粉尘运移规律 的数值模拟研究相对较多． 不少学者都根据气固两 相流理论，建立了模型，模拟研究了综采工作面粉尘 分布规律，取得了一定的成果［6 － 10］． 但是，这些研究 仅揭示了特定条件下的粉尘分布规律，未深入探讨 工作面生产工艺参数对粉尘浓度分布规律的影响． 本文采用数值模拟的方法，研究工作面风速、采煤机 滚筒转速以及溜子运煤速度对工作面粉尘运动规律 的影响，从而确定有利于粉尘控制的最佳工作条件， 获取通风除尘设计的合理参数，为现场防尘工作提 供理论指导． 1 数学模型的建立 1. 1 气固两相模型的确定 粉尘在空气流场中的运动，本质上属于气固两 相流运动． 气固两相流动理论主要有三种观点: 第 一种是把粉尘颗粒作为拟流体，假设其在空间中有 连续的速度、温度分布及等价的输送性质，将粉尘颗 粒相与气体相都在欧拉坐标系下处理; 第二种是在 欧拉坐标系下考察气体相的运动，而将粉尘颗粒作 为离散相，在拉格朗日坐标系下研究粉尘颗粒相的 运动; 第三种是把流体作为拟颗粒，从单颗粒尺度上 描述流体微团的运动特征，将气相和粉尘颗粒相都 在拉格朗日坐标系下处理． 本文采用第二种观点， 建立欧拉--拉格朗日模型，将工作面风流作为背景 流体，用欧拉法进行求解; 将粉尘看作为离散分布于 风流中的颗粒，运用拉格朗日法对粉尘的运动轨迹 进行求解． 1. 2 模型的建立 邢东矿 2225 综采工作面采高 3. 6 m，净宽 4. 5 m，走向长 683 m，倾斜长 55 ～ 126 m，工作面设计风 量 893 m3 ·min － 1 ． 采用 MXG500 /1130--WD 型双滚 筒采煤机穿梭采煤，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤， 滚筒旋转截齿机械落煤，采用 SGZ--800 /500 型双中 心链可弯曲刮板输送机运煤． 根据现场实际简化模型，将采煤机机身、电缆槽 视为规则的长方体，摇臂简化为与实际外形相近的 规则状，滚筒简化为圆柱体加圆柱型截齿，液压支柱 简化为规则圆柱体，建立一个长 120 m、宽 4. 5 m、高 3. 6 m 的长方体计算区域，利用 GAMBIT 建立采煤 机割煤时的三维几何模型如图 1 所示． 图 1 综采工作面三维几何模型 Fig． 1 3D geometric model of the fully mechanized working face 1. 3 数值模拟参数的设定 将网格模型导入 Fluent 中，根据邢东矿 2225 综 采面的实际情况及相关实际测量数据，结合数值模 拟方法及所建立的数学模型，设置相关参数如表 1 所示． 选择标准 k--ε 两方程模型和瞬时稳态求解 器，采用 SIMPLEC 算法，进行数值模拟计算［11 － 17］． 2 数值模拟结果分析 2. 1 工作面流场分布规律 欧拉--拉格朗日模型中，用欧拉观点处理气相 流场，用拉格朗日观点处理固体颗粒的运动． 在此 工作面平均风速设为 1. 3 m·s － 1 ，滚筒转速为 3. 0 rad· s － 1 ，溜子速度为 1. 3 m·s － 1 ，通过求解得到综采工作 面的流场模拟结果，工作面主要断面的流场速度云 图如图 2 所示． 由图 2 可以得出: ( 1) 由于液压支架的阻碍作 用，使得机道空间的流场风速较大，在整个流场占主 导作用; 液压支架后方空间风速较小，流场稳定性最 差，也最不利于粉尘的控制． ( 2) 流场在采煤机附近 出现了较大的扰动，这是由于受到采煤机摇臂滚筒 的阻碍作用，以及滚筒转动的影响，风流产生绕流， 引起了局部风速的较大变化． ( 3) 溜子运煤过程中， 由于煤块与空气的摩擦作用，对流场的分布也产生 了一定的影响． ·717·

·718 北京科技大学学报 第36卷 表1计算模型参数设定 Table 1 Parameters setting for the calculation model 边界条件 参数设置 边界条件 参数设置 求解器 分离求解器 收敛标准 10-4 湍流模型 k一ε双方程模型 离散相模型 打开 移动坐标系 打开 喷射源类型 面喷射 滚简速度/(rad·sl) 2.0,2.5,3.0,3.5 离散相材质 低挥发度烟煤 溜子速度/(m·s) -1.1,-1.3,-1.5,-1.7 阻力特征 球形颗粒 入口边界类型 速度入口 粒径分布 R-R分布 入口速度1(ms) 0.8,1.1,1.4,1.7,2.0 最小粒径/μm 1.85 水力直径/m 3.0 最大粒径/μm 100 湍流强度/% 3.28 分布指数 1.93 出口边界类型 自由流出 喷射源质量流速/(kgs) 0.005 压力一速度耦合 SIMPLEC算法 湍流扩散模型 随机轨道模型 风速ms) 2.6 2.0 1.8 前滚筒位置 采煤机中部位置 后滚筒位置 采煤机下风侧位骨 12 横断面 横断面 横断面 横断面 1.0 0.6 0.2 呼吸带高度水平截面 图2综采工作面断面风速分布云图 Fig.2 Wind speed distribution nephogram of the section for fully mechanized working faces 2.2粉尘质量浓度分布规律 由图3可以看出：顺风割煤时，人行道粉尘质量 工作面平均风速设为1.3m·s-1,滚筒转速为 浓度在采煤机下风向3m(相当于后滚筒下风向8 3.0rads-1,溜子速度为1.3m·s时，顺风割煤和 m)处产生第一个峰值，在采煤机下风向15m处出 逆风割煤人行道呼吸带高度粉尘质量浓度沿程分布 现一个较大峰值.这主要是由于顺风割煤前滚筒割 如图3所示，图中横坐标原点为采煤机中部，横坐标 顶煤，煤块下落距离大，因而产尘量也大.逆风割煤 正方向为顺风向. 时，人行道粉尘质量浓度在采煤机中部出现一个峰 值，随后在采煤机下风向10m处达到最大值.这主 900 要是由于前滚筒割顶煤产生较大粉尘，在10m处与 750 ◆一源风割煤 逆风割煤 后滚筒产生的粉尘叠加，故粉尘质量浓度迅速增大 600 不论顺风还是逆风割煤，粉尘质量浓度在上升到最 450 大值后，在之后15m范围内又逐渐降低到200mg· 3 1四 m3以下，之后便维持在稳定状态.这主要是因为大 颗粒粉尘在重力作用下迅速沉降，而粒径较小的粉 20 4060 80 100 尘受风流的影响明显要大于重力的作用，故难以 距采煤机距离m 沉降 图3综采割煤粉尘质量浓度沿程分布 2.3不同风速对粉尘质量浓度分布的影响 Fig.3 Dust mass concentration distribution at the fully mechanized 以下均以逆风割煤为例进行数值模拟.滚筒转 working face 速为3.0ad·s1,溜子速度为1.3ms1,工作面风

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 表 1 计算模型参数设定 Table 1 Parameters setting for the calculation model 边界条件 参数设置 边界条件 参数设置 求解器 分离求解器 收敛标准 10 － 4 湍流模型 k--ε 双方程模型 离散相模型 打开 移动坐标系 打开 喷射源类型 面喷射 滚筒速度/( rad·s － 1 ) 2. 0，2. 5，3. 0，3. 5 离散相材质 低挥发度烟煤 溜子速度/( m·s － 1 ) － 1. 1，－ 1. 3，－ 1. 5，－ 1. 7 阻力特征 球形颗粒 入口边界类型 速度入口 粒径分布 Ｒ--Ｒ 分布 入口速度/( m·s － 1 ) 0. 8，1. 1，1. 4，1. 7，2. 0 最小粒径/μm 1. 85 水力直径/m 3. 0 最大粒径/μm 100 湍流强度/% 3. 28 分布指数 1. 93 出口边界类型 自由流出 喷射源质量流速/( kg·s － 1 ) 0. 005 压力--速度耦合 SIMPLEC 算法 湍流扩散模型 随机轨道模型 图 2 综采工作面断面风速分布云图 Fig． 2 Wind speed distribution nephogram of the section for fully mechanized working faces 2. 2 粉尘质量浓度分布规律 工作面平均风速设为 1. 3 m·s － 1 ，滚筒转速为 3. 0 rad·s － 1 ，溜子速度为 1. 3 m·s － 1 时，顺风割煤和 逆风割煤人行道呼吸带高度粉尘质量浓度沿程分布 如图 3 所示，图中横坐标原点为采煤机中部，横坐标 正方向为顺风向． 图 3 综采割煤粉尘质量浓度沿程分布 Fig． 3 Dust mass concentration distribution at the fully mechanized working face 由图 3 可以看出: 顺风割煤时，人行道粉尘质量 浓度在采煤机下风向 3 m ( 相当于后滚筒下风向 8 m) 处产生第一个峰值，在采煤机下风向 15 m 处出 现一个较大峰值． 这主要是由于顺风割煤前滚筒割 顶煤，煤块下落距离大，因而产尘量也大． 逆风割煤 时，人行道粉尘质量浓度在采煤机中部出现一个峰 值，随后在采煤机下风向 10 m 处达到最大值． 这主 要是由于前滚筒割顶煤产生较大粉尘，在 10 m 处与 后滚筒产生的粉尘叠加，故粉尘质量浓度迅速增大． 不论顺风还是逆风割煤，粉尘质量浓度在上升到最 大值后，在之后 15 m 范围内又逐渐降低到 200 mg· m － 3 以下，之后便维持在稳定状态． 这主要是因为大 颗粒粉尘在重力作用下迅速沉降，而粒径较小的粉 尘受风流的影响明显要大于重力的作用，故难以 沉降． 2. 3 不同风速对粉尘质量浓度分布的影响 以下均以逆风割煤为例进行数值模拟． 滚筒转 速为 3. 0 rad·s － 1 ，溜子速度为 1. 3 m·s － 1 ，工作面风 ·718·

第6期 谭聪等：综采割煤粉尘运移影响因素的数值模拟 ·719· 速分别取为0.8、1.1、1.4、1.7和2.0ms1,模拟得 900 到人行道呼吸带粉尘质量浓度沿程分布如图4 750 ◆一滚筒转速2.0ad·s 所示 滚简转速25rws 滚筒转速3.0rds 1800 450 滚简转速35s1 1500 一◆一工作面风速0.8m· 300 1200 工作面风速1.1ms 一◆一工作面风速14m·s 心 丁作面风速17ms 900 一◆一工作面风速2.0m,s 0 20 406080100 600 距采煤机距离m 300 图5不同滚简转速下粉尘质量浓度沿程分布 Fig.5 Dust mass concentration distribution at different shearer drum 20 20 40 60 80 100 距采煤机距离m speeds 图4不同风速下粉尘质量浓度沿程分布 2.5溜子速度对粉尘分布的影响 Fig.4 Dust mass concentration distribution at different wind veloci- 以逆风割煤为例，滚筒转速为2.5rads,工作 ties 面平均风速为1.4m·s时，溜子运行速度分别为 由图4可得：随着风速的增加，采煤机附近粉尘 1.1、L.3、1.5和1.7ms-1时，溜子上方0.5m处粉 高浓度区域空间变大，特别是当风速达到2.0m·s1 尘质量浓度沿程变化如图6所示 时，粉尘质量浓度峰值明显变大.这是由于随着风 900 速增加，扬尘作用愈加明显，粉尘质量浓度随之变 ◆ 溜子速度11ms 溜子速度13ms1 大.从0.8到1.4ms1,达到稳定状态时粉尘质量 750 溜子速度15ms1 浓度逐渐降低；1.4m·s1以上，稳定时粉尘质量浓 是600 溜子速度17m·s1 450 度又逐渐变大.这是由于当风速小于某一值时，随 着风速的增加，加快了工作面粉尘的排除：但风速超 300 过该值时，随着风速的增加，不仅大大增加了产尘 150 量，而且对粉尘沉降作用的影响愈加明显，造成粉尘 20 20 40 60 80 100 质量浓度又开始增大.故把该值定位工作面粉尘控 距采煤机距离m 制最优风速.该矿井为低瓦斯矿井，对于该工作面， 图6不同溜子速度粉尘质量浓度沿程分布 有利于排尘降尘的最优风速为1.4m·s1,满足瓦斯 Fig.6 Dust mass concentration distribution at different scraper- trough conveyer speeds 排放的要求.对于高温、高湿、高瓦斯等环境复杂的 综采面，最优排尘风速可作为工作面需风量计算的 分析图6可得：在工作面风速为1.4m·s-,滚 一个考量因素，从而为制定更加合理的通风量提供 筒转速为2.5rads-1时，溜子速度在1.5ms-1以下 理论参考 时，溜子运行对粉尘质量浓度的影响不是很明显 2.4滚筒转速对粉尘分布的影响 当溜子速度大于工作面风速时，影响较为明显.因 以逆风割煤为例，工作面平均风速为1.4m· 此，在满足生产需求的情况下，溜子的运行速度应尽 s-1,溜子速度为1.3ms1,滚筒转速分别取为2.0、 量与工作面风速一致，以最大限度的降低溜子运行 2.5、3.0和3.5rad·s-1时，人行道呼吸带高度粉尘 对流场的扰动，从而有利于粉尘的沉降 质量浓度沿程变化如图5所示. 2.6壁面捕捉对粉尘分布的影响 由图5可得：滚筒转速对综采工作面粉尘质量 为研究煤壁的湿润条件对粉尘质量浓度分布的 浓度分布的影响主要集中在采煤机附近，滚筒转速 影响，分别将煤壁设为捕捉壁面和反弹壁面，模拟工 越大，采煤机附近粉尘质量浓度越大.采煤机下风 作面平均风速为1.4ms-1,溜子速度为1.3ms1, 向粉尘质量浓度随着滚筒转速的增加而略有增加， 滚筒转速为2.5rad·s1时，人行道呼吸带高度粉尘 主要是由于滚筒转速增加后，尘源的产尘量也随之 质量浓度沿程变化如图7所示 增加.对于该工作面，在满足采煤生产需求的情况 分析图7可得：捕捉壁面与反弹壁面粉尘质量 下，滚筒转速不超过2.5rad·s-,最有利于粉尘 浓度分布规律相似，但捕捉壁面粉尘质量浓度较低， 防降 在采煤机下风向基本稳定在100mg"m-3左右.因

第 6 期 谭 聪等: 综采割煤粉尘运移影响因素的数值模拟 速分别取为 0. 8、1. 1、1. 4、1. 7 和 2. 0 m·s － 1 ，模拟得 到人行道 呼 吸 带 粉 尘 质 量 浓 度 沿 程 分 布 如 图 4 所示． 图 4 不同风速下粉尘质量浓度沿程分布 Fig． 4 Dust mass concentration distribution at different wind veloci￾ties 由图 4 可得: 随着风速的增加，采煤机附近粉尘 高浓度区域空间变大，特别是当风速达到 2. 0 m·s － 1 时，粉尘质量浓度峰值明显变大． 这是由于随着风 速增加，扬尘作用愈加明显，粉尘质量浓度随之变 大． 从 0. 8 到 1. 4 m·s － 1 ，达到稳定状态时粉尘质量 浓度逐渐降低; 1. 4 m·s － 1 以上，稳定时粉尘质量浓 度又逐渐变大． 这是由于当风速小于某一值时，随 着风速的增加，加快了工作面粉尘的排除; 但风速超 过该值时，随着风速的增加，不仅大大增加了产尘 量，而且对粉尘沉降作用的影响愈加明显，造成粉尘 质量浓度又开始增大． 故把该值定位工作面粉尘控 制最优风速． 该矿井为低瓦斯矿井，对于该工作面， 有利于排尘降尘的最优风速为 1. 4 m·s － 1 ，满足瓦斯 排放的要求． 对于高温、高湿、高瓦斯等环境复杂的 综采面，最优排尘风速可作为工作面需风量计算的 一个考量因素，从而为制定更加合理的通风量提供 理论参考． 2. 4 滚筒转速对粉尘分布的影响 以逆风割煤为例，工作面平均风速为 1. 4 m· s － 1 ，溜子速度为 1. 3 m·s － 1 ，滚筒转速分别取为 2. 0、 2. 5、3. 0 和 3. 5 rad·s － 1 时，人行道呼吸带高度粉尘 质量浓度沿程变化如图 5 所示． 由图 5 可得: 滚筒转速对综采工作面粉尘质量 浓度分布的影响主要集中在采煤机附近，滚筒转速 越大，采煤机附近粉尘质量浓度越大． 采煤机下风 向粉尘质量浓度随着滚筒转速的增加而略有增加， 主要是由于滚筒转速增加后，尘源的产尘量也随之 增加． 对于该工作面，在满足采煤生产需求的情况 下，滚筒 转 速 不 超 过 2. 5 rad·s － 1 ，最 有 利 于 粉 尘 防降． 图 5 不同滚筒转速下粉尘质量浓度沿程分布 Fig． 5 Dust mass concentration distribution at different shearer drum speeds 2. 5 溜子速度对粉尘分布的影响 以逆风割煤为例，滚筒转速为 2. 5 rad·s － 1 ，工作 面平均风速为 1. 4 m·s － 1 时，溜子运行速度分别为 1. 1、1. 3、1. 5 和 1. 7 m·s － 1 时，溜子上方 0. 5 m 处粉 尘质量浓度沿程变化如图 6 所示． 图 6 不同溜子速度粉尘质量浓度沿程分布 Fig． 6 Dust mass concentration distribution at different scraper￾trough conveyer speeds 分析图 6 可得: 在工作面风速为 1. 4 m·s － 1 ，滚 筒转速为 2. 5 rad·s － 1 时，溜子速度在 1. 5 m·s － 1 以下 时，溜子运行对粉尘质量浓度的影响不是很明显． 当溜子速度大于工作面风速时，影响较为明显． 因 此，在满足生产需求的情况下，溜子的运行速度应尽 量与工作面风速一致，以最大限度的降低溜子运行 对流场的扰动，从而有利于粉尘的沉降． 2. 6 壁面捕捉对粉尘分布的影响 为研究煤壁的湿润条件对粉尘质量浓度分布的 影响，分别将煤壁设为捕捉壁面和反弹壁面，模拟工 作面平均风速为 1. 4 m·s － 1 ，溜子速度为 1. 3 m·s － 1 ， 滚筒转速为 2. 5 rad·s － 1 时，人行道呼吸带高度粉尘 质量浓度沿程变化如图 7 所示． 分析图 7 可得: 捕捉壁面与反弹壁面粉尘质量 浓度分布规律相似，但捕捉壁面粉尘质量浓度较低， 在采煤机下风向基本稳定在 100 mg·m － 3 左右． 因 ·719·

·720· 北京科技大学学报 第36卷 900 4结论 750 ◆一反弹壁面 600 ◆一捕捉壁面 (1)工作面风速增大有利于排尘，但风速的增 450 加也会加大割煤产尘量，并且不利于粉尘的沉降. 300 在满足瓦斯排放等其他需风要求下，工作面平均风 速为1.4ms时，降尘效果最好. 150 (2)采煤机滚筒转速越低，粉尘的浓度越低.从 -20 0 20 406080 100 控制粉尘角度考虑，在满足生产要求的前提下，滚筒 距采煤机距离m 转速不宜超过2.5rads1 图7不同壁面条件下粉尘质量浓度沿程分布 (3)溜子的运行会对工作面流场形成扰动，影 Fig.7 Dust mass concentration distribution under different wall con- 响粉尘的沉降.模拟结果显示，当溜子的速度不超 ditions 过1.5m·s时，有利于粉尘的沉降. 此，在实际生产中，通过煤壁洒水，保持煤壁一定的 (4)壁面对粉尘的捕捉也是影响粉尘质量浓度 湿润性，从而加强对沉降粉尘的捕捉，也是控制粉尘 的一个关键因素，可通过向煤壁洒水等措施来保持 的一种有效方法 壁面湿润，达到辅助降尘的目的. 3 模拟结果与实测数据的对比分析 参考文献 根据GBZ/T192.1一2007《工作场所空气中粉 [1]Wang X Z,Jiang Z A,Wang S W,et al.Numerical simulation of 尘测定》及相关文献粉尘采样点布置方法，在2225 distribution regularities of dust concentration during the ventilation 工作面人行道呼吸带高度沿程布置多个测点，采用 process of coal roadway driving.JChina Coal Soe,2007,32(4): 386 AKFC92A粉尘采样仪对逆风割煤时粉尘质量浓度 (王晓珍，蒋仲安，王善文，等.煤巷据进过程中粉尘浓度分 进行测定，每个点测三次，结果取平均值.模拟结果 布的数值模拟.煤炭学报，2007,32(4)：386) 与实测数据对比如图8所示 ] Jiang Z A,Chen J S,Niu W,et al.Numerical simulation of dust 900 concentration distribution regularity in a belt conveyer roadway.J Unie Sci Technol Beijing,2012,34(9):976 750 ·一实测数据 (蒋仲安，陈举师，牛伟，等.皮带运输巷道粉尘质量浓度分 太模拟数据 00 布规律的数值模拟.北京科技大学学报，2012,34(9)：976) B] Shi C H,Ou S N,Jin LZ.Study and analysis on the law of mo- tion of the coal dust.J Unir Sci Technol Beijing,2007,29 (Suppl 2):1 150 大★ (施春红，欧盛南，金龙哲.矿井粉尘运移规律的试验研究 北京科技大学学报，2007,29（增刊2）：1) 20 20 4060 100 [4] 距采煤机距离m Alam MM.An Integrated Approach to Dust Control in Coal Mining Face Areas of a Continuous Miner and Its Computational Fluid Dy- 图8模拟与实测粉尘质量浓度对比 namics Modeling [Dissertation].Carbondale:Southern Illinois Fig.8 Comparison of dust concentration between the simulated mod- University Carbondale,2006 el and field measurement [5] Witt P J,Carey K G,Nguyen T V.Prediction of dust loss from conveyors using computational fluid dynamics modelling.Appl 从图8可以看出，模拟结果中人行道呼吸带高 Math Modell,2002,26:297 度粉尘质量浓度分布曲线与现场实测数据分布规律 [6 Liu Y,Jiang Z A,Cai W,et al.Numerical simulation of the dust 基本吻合，均为在采煤附近达到最大峰值后缓慢下 movement rule in fully-mechanized coal faces.I Univ Sci Technol 降，最终稳定在160mg·m-3左右，但二者峰值出现 Beijing,2007,29(4):351 的位置以及部分数值并不完全一致.这是由于在实 (刘毅，蒋仲安，蔡卫，等.综采工作面粉尘运动规律的数值 测中存在一定的误差，以及模拟中建立的模型不可 模拟.北京科技大学学报，2007,29(4)：351) [7] 能和现场完全一致.由于吻合度较高，误差较小，不 Yang S L.Numerical simulation of 3-dimensional dust distribution on long wall coal faces.China Saf Sci J,2001,11 (4):61 影响数值模拟的结果的可信性，说明用数值模拟的 (杨胜来.综采工作面粉尘运移和粉尘浓度三维分布的数值 方法研究相关参数对综采割煤粉尘运移的影响是可 模拟研究.中国安全科学学报，2001,11(4)：61) 行的 8] Niu W,Jiang Z A,Liu Y.Numerical simulation on dust move-

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 7 不同壁面条件下粉尘质量浓度沿程分布 Fig． 7 Dust mass concentration distribution under different wall con￾ditions 此，在实际生产中，通过煤壁洒水，保持煤壁一定的 湿润性，从而加强对沉降粉尘的捕捉，也是控制粉尘 的一种有效方法． 3 模拟结果与实测数据的对比分析 根据 GBZ /T192. 1—2007《工作场所空气中粉 尘测定》及相关文献粉尘采样点布置方法，在 2225 工作面人行道呼吸带高度沿程布置多个测点，采用 AKFC--92A 粉尘采样仪对逆风割煤时粉尘质量浓度 进行测定，每个点测三次，结果取平均值． 模拟结果 与实测数据对比如图 8 所示． 图 8 模拟与实测粉尘质量浓度对比 Fig． 8 Comparison of dust concentration between the simulated mod￾el and field measurement 从图 8 可以看出，模拟结果中人行道呼吸带高 度粉尘质量浓度分布曲线与现场实测数据分布规律 基本吻合，均为在采煤附近达到最大峰值后缓慢下 降，最终稳定在 160 mg·m － 3 左右，但二者峰值出现 的位置以及部分数值并不完全一致． 这是由于在实 测中存在一定的误差，以及模拟中建立的模型不可 能和现场完全一致． 由于吻合度较高，误差较小，不 影响数值模拟的结果的可信性，说明用数值模拟的 方法研究相关参数对综采割煤粉尘运移的影响是可 行的． 4 结论 ( 1) 工作面风速增大有利于排尘，但风速的增 加也会加大割煤产尘量，并且不利于粉尘的沉降． 在满足瓦斯排放等其他需风要求下，工作面平均风 速为 1. 4 m·s － 1 时，降尘效果最好． ( 2) 采煤机滚筒转速越低，粉尘的浓度越低． 从 控制粉尘角度考虑，在满足生产要求的前提下，滚筒 转速不宜超过 2. 5 rad·s － 1 ． ( 3) 溜子的运行会对工作面流场形成扰动，影 响粉尘的沉降． 模拟结果显示，当溜子的速度不超 过 1. 5 m·s － 1 时，有利于粉尘的沉降． ( 4) 壁面对粉尘的捕捉也是影响粉尘质量浓度 的一个关键因素，可通过向煤壁洒水等措施来保持 壁面湿润，达到辅助降尘的目的． 参 考 文 献 ［1］ Wang X Z，Jiang Z A，Wang S W，et al． Numerical simulation of distribution regularities of dust concentration during the ventilation process of coal roadway driving． J China Coal Soc，2007，32( 4) : 386 ( 王晓珍，蒋仲安，王善文，等． 煤巷掘进过程中粉尘浓度分 布的数值模拟． 煤炭学报，2007，32( 4) : 386) ［2］ Jiang Z A，Chen J S，Niu W，et al． Numerical simulation of dust concentration distribution regularity in a belt conveyer roadway． J Univ Sci Technol Beijing，2012，34( 9) : 976 ( 蒋仲安，陈举师，牛伟，等． 皮带运输巷道粉尘质量浓度分 布规律的数值模拟． 北京科技大学学报，2012，34( 9) : 976) ［3］ Shi C H，Ou S N，Jin L Z． Study and analysis on the law of mo￾tion of the coal dust． J Univ Sci Technol Beijing，2007，29( Suppl 2) : 1 ( 施春红，欧盛南，金龙哲． 矿井粉尘运移规律的试验研究． 北京科技大学学报，2007，29( 增刊 2) : 1) ［4］ Alam M M． An Integrated Approach to Dust Control in Coal Mining Face Areas of a Continuous Miner and Its Computational Fluid Dy￾namics Modeling ［Dissertation］． Carbondale: Southern Illinois University Carbondale，2006 ［5］ Witt P J，Carey K G，Nguyen T V． Prediction of dust loss from conveyors using computational fluid dynamics modelling． Appl Math Modell，2002，26: 297 ［6］ Liu Y，Jiang Z A，Cai W，et al． Numerical simulation of the dust movement rule in fully-mechanized coal faces． J Univ Sci Technol Beijing，2007，29( 4) : 351 ( 刘毅，蒋仲安，蔡卫，等． 综采工作面粉尘运动规律的数值 模拟． 北京科技大学学报，2007，29( 4) : 351) ［7］ Yang S L． Numerical simulation of 3-dimensional dust distribution on long wall coal faces． China Saf Sci J，2001，11( 4) : 61 ( 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． 中国安全科学学报，2001，11( 4) : 61) ［8］ Niu W，Jiang Z A，Liu Y． Numerical simulation on dust move- ·720·