D0L:10.13374/.issn1001-053x.2011.07.008 第33卷第7期 北京科技大学学报 Vol.33 No.7 2011年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2011 综掘工作面粉尘运移的数值模拟及压风分流降尘方式 研究 秦跃平四 张苗苗崔丽洁刘江月 中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:qp_0127@163.com 摘要针对综掘工作面产生尘量高，煤尘浓度大，降尘效率低的现状，结合流体力学、气固两相流理论和射流理论等相关理 论，采用FLUENT模拟技术，研究“长压短抽”式除尘通风时掘进巷道中粉尘运移和分布规律，对比分析了压入风量、抽吸比及 抽、压风筒口位置等通风参数对粉尘浓度及分布范围的影响，提出了压风分流通风方式，并对其降尘效果进行了模拟分析. 关键词煤矿开采；煤尘：通风：数值模拟 分类号TD714 Numerical simulation of dust migration and study on dust removal modes with the forced ventilation shunt in a fully mechanized workface QIN Yue-ping,ZHANG Miao-miao,CUI Li-jie,LIU Jiang-yue State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining,China University of Mining and Technology (Beijing,Beijing 100083 China Corresponding author,E-mail:qyp_0127@163.com ABSTRACT Large concentration of coal dust exists in the fully mechanized workface due to high dust production and low dust remov- al efficiency.Based on fluid dynamics,the gas-solid two-phase flow theory and the jet theory,the dust migration mechanism and distri- bution in a roadway under far-pressing-near-suction ventilation were studied with the FLUENT software.The effects of ventilation pa- rameters such as the air quantity of forced ventilation,the ratio of blowing to suction and the position of the force-ventilated outlet on the concentration and distribution of the dust were analyzed comparatively.A forced ventilation shunt mode was proposed,and its dust removal efficiency was simulated. KEY WORDS coal mines and mining:coal dust:ventilation;numerical simulation 在煤矿生产过程中，粉尘是困扰着安全生产的 压入风筒风量之比)以及抽压风筒距迎头距离等对 重大灾害之一，粉尘的防治是一项至关重要的工作. 除尘效果有明显影响.本文应用FLUENT软件， 在综掘工作面掘进机作业时，如未采取任何降尘措 采用离散相模型对长压短抽通风方式的掘进巷道中 施时，粉尘质量浓度会达到1000mg·m-3以上，经过 粉尘分布进行模拟，通过改变通风系统的参数，模拟 常规的降尘措施后（如喷雾降尘），工作面粉尘的质 不同通风参数下粉尘的运移情况，分析模拟结果，对 量浓度也会达到300~400mg·m30.粉尘具有引 比不同通风参数下的粉尘浓度分布，得出降尘效果 起职业病、燃烧或爆炸以及恶化工作环境等危 较佳的风量、抽吸比以及抽压风筒距迎头距离范围 害)，研究综掘工作面粉尘的运移规律对粉尘的 1数学模型的建立 防治工作的开展具有指导意义. 掘进工作面常采用除尘风机降尘，采用长压短 1.1模型的假设条件 抽通风方式，在抽出风筒中安装除尘器。实践证明， 由于实际条件的复杂性，在不影响模拟结果规 掘进工作面的总风量、抽吸比（即抽出风筒风量与 律性的前提下对模拟作以下的假设：(1)假设空气 收稿日期：20100708 基金项目：王宽诚教有基金会资助项目
第 33 卷 第 7 期 2011 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 7 Jul． 2011 综掘工作面粉尘运移的数值模拟及压风分流降尘方式 研究 秦跃平 张苗苗 崔丽洁 刘江月 中国矿业大学( 北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: qyp_0127@ 163． com 摘 要 针对综掘工作面产生尘量高，煤尘浓度大，降尘效率低的现状，结合流体力学、气固两相流理论和射流理论等相关理 论，采用 FLUENT 模拟技术，研究“长压短抽”式除尘通风时掘进巷道中粉尘运移和分布规律，对比分析了压入风量、抽吸比及 抽、压风筒口位置等通风参数对粉尘浓度及分布范围的影响，提出了压风分流通风方式，并对其降尘效果进行了模拟分析． 关键词 煤矿开采; 煤尘; 通风; 数值模拟 分类号 TD714 Numerical simulation of dust migration and study on dust removal modes with the forced ventilation shunt in a fully mechanized workface QIN Yue-ping ，ZHANG Miao-miao，CUI Li-jie，LIU Jiang-yue State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，China University of Mining and Technology ( Beijing) ，Beijing 100083 China Corresponding author，E-mail: qyp_0127@ 163． com ABSTRACT Large concentration of coal dust exists in the fully mechanized workface due to high dust production and low dust removal efficiency． Based on fluid dynamics，the gas-solid two-phase flow theory and the jet theory，the dust migration mechanism and distribution in a roadway under far-pressing-near-suction ventilation were studied with the FLUENT software． The effects of ventilation parameters such as the air quantity of forced ventilation，the ratio of blowing to suction and the position of the force-ventilated outlet on the concentration and distribution of the dust were analyzed comparatively． A forced ventilation shunt mode was proposed，and its dust removal efficiency was simulated． KEY WORDS coal mines and mining; coal dust; ventilation; numerical simulation 收稿日期: 2010--07--08 基金项目: 王宽诚教育基金会资助项目 在煤矿生产过程中，粉尘是困扰着安全生产的 重大灾害之一，粉尘的防治是一项至关重要的工作． 在综掘工作面掘进机作业时，如未采取任何降尘措 施时，粉尘质量浓度会达到 1 000 mg·m － 3 以上，经过 常规的降尘措施后( 如喷雾降尘) ，工作面粉尘的质 量浓度也会达到 300 ～ 400 mg·m － 3［1］． 粉尘具有引 起职 业 病、燃烧或爆炸以及恶化工作环境等危 害［2--3］，研究综掘工作面粉尘的运移规律对粉尘的 防治工作的开展具有指导意义． 掘进工作面常采用除尘风机降尘，采用长压短 抽通风方式，在抽出风筒中安装除尘器． 实践证明， 掘进工作面的总风量、抽吸比( 即抽出风筒风量与 压入风筒风量之比) 以及抽压风筒距迎头距离等对 除尘效果有明显影响［4］． 本文应用 FLUENT 软件， 采用离散相模型对长压短抽通风方式的掘进巷道中 粉尘分布进行模拟，通过改变通风系统的参数，模拟 不同通风参数下粉尘的运移情况，分析模拟结果，对 比不同通风参数下的粉尘浓度分布，得出降尘效果 较佳的风量、抽吸比以及抽压风筒距迎头距离范围． 1 数学模型的建立 1. 1 模型的假设条件 由于实际条件的复杂性，在不影响模拟结果规 律性的前提下对模拟作以下的假设: ( 1) 假设空气 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.07.008
第7期 秦跃平等：综掘工作面粉尘运移的数值模拟及压风分流降尘方式研究 ·791 为不可压缩流体，密度取1.225kg·m-3;(2)不考虑 div (ugradu )+B+V (2) 巷道中空气温度的变化及其对流场的影响：(3)流 场中各变量均认为不随时间变化，为稳态流场. 式中，西为在j方向上的速度分量，μ为动力黏度， ax 1.2气固两相流的描述方法 为在j方向上的压力梯度，B为在j方向上的体积 研究巷道空气中粉尘的分布规律是属于气固两 相流，所以对粉尘浓度分布及运移规律的研究采用 力，V为除div(μgradu,)外的那些黏性力项. 气固两相流的数学模型.研究气固两相流动有两种 1.3.3N-S方程a 适用于不可压缩黏性流体的运动方程： 方法，一种是欧拉一欧拉法，或称多相流方法：另一 种是欧拉一拉格朗日法，也称为颗粒轨道法.本文 Du (3) ax 采用离散型模型(discrete phase model,DPM)模拟粉 De （828v.av1 尘在气场中的运动，它属于欧拉一拉格朗日模型，用 2/ (4) 欧拉观点描述气相流场，而用拉格朗日观点描述颗 Dw 粒的运动.粉尘颗粒为离散相，空气为连续相，考 de? (5) 虑离散相与连续相之间的耦合作用. 所有方程中的因变量都服从守恒原理，可以用 离散相问题求解时首先采用SIMPLE算法计算 一组控制方程进行描述： 连续相的流场速度、湍流动能等参数；其次创建离散 a(pΦ) at +div (uux)=div (Igradx)+ (6) 相喷射源，确定射流源的位置、尺寸、颗粒粒径的大 小和初速度等；然后在拉格朗日坐标下对颗粒群中 式中，Φ为通用变量，「为广义扩散系数，S为广义 的各个颗粒进行轨道积分，在随机轨道模型中，应用 源项 随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影 2几何模型的建立及边界条件设定 响吻 1.3数学模型的控制方程 2.1几何模型的建立 流体流动过程中，遵循质量守恒定律、动量守恒 本文选用4m×3.45m的半圆拱形掘进巷道， 定律和能量守恒定律.这些定律在流体力学中的体 宽4m,高3.45m,拱半径取2.2m,自掘进头起取 现就是相应的连续性方程、动量方程和NS方程. 50m长巷道作为计算区域，如图1所示，图中左侧为 1.3.1连续性方程 掘进头.抽压风筒的直径均为0.6m,压入风筒中心 对任何控制体系，体系内的质量增加率等于外 处距底板距离为1.5m,抽出风筒中心距底板距离 界进入体系的净质量流率。因此，连续性方程表达 为1m,巷道截面积为13.35m2. 了质量守恒原理 由此导出流体连续性方程的积分形式圆： ■0 是骨pddt止+等Sp=-0 (1) 图1巷道模型 Fig.I Model of the tunnel 式中：vol为控制体；A为控制面；t为流体流动时间， sp为流体密度，kgm3;v为速度矢量，msl;n为 利用Gambit建立几何模型，将模型的计算区域 单位向量.等式左边第1项表示控制体vol内部质 划分为多个互不重叠的子区域，即进行网格的划分 量的增量，第2项表示通过控制体表面流入控制体 本文采用Tgd方法生成非结构四面体网格，网格 尺寸取0.2m 的净通量 1.3.2动量方程回 2.2边界条件设定 本文模拟中的边界类型及条件设置如下 动量方程是牛颜第二定律在流体力学中的应 用，可以表达为单位体积内流体在某方向上的动量 速度边界：压入风筒中风量为给定值，图1中右 增加率等于该方向动量的净流入率和作用于它的在 侧风筒内风速己知. 该方向上所有外力之和.对于牛顿流体来说： 壁面边界：所有壁面均为无滑移固体边界条件， 垂直于壁面上的压力梯度和气体速度分量均为零. 是ogy)+dir(om)= 压力边界：流动出口边界上，即图1中右侧巷道
第 7 期 秦跃平等: 综掘工作面粉尘运移的数值模拟及压风分流降尘方式研究 为不可压缩流体，密度取 1. 225 kg·m － 3 ; ( 2) 不考虑 巷道中空气温度的变化及其对流场的影响; ( 3) 流 场中各变量均认为不随时间变化，为稳态流场． 1. 2 气固两相流的描述方法 研究巷道空气中粉尘的分布规律是属于气固两 相流，所以对粉尘浓度分布及运移规律的研究采用 气固两相流的数学模型． 研究气固两相流动有两种 方法，一种是欧拉--欧拉法，或称多相流方法; 另一 种是欧拉--拉格朗日法，也称为颗粒轨道法［5］． 本文 采用离散型模型( discrete phase model，DPM) 模拟粉 尘在气场中的运动，它属于欧拉--拉格朗日模型，用 欧拉观点描述气相流场，而用拉格朗日观点描述颗 粒的运动［6］． 粉尘颗粒为离散相，空气为连续相，考 虑离散相与连续相之间的耦合作用． 离散相问题求解时首先采用 SIMPLE 算法计算 连续相的流场速度、湍流动能等参数; 其次创建离散 相喷射源，确定射流源的位置、尺寸、颗粒粒径的大 小和初速度等; 然后在拉格朗日坐标下对颗粒群中 的各个颗粒进行轨道积分，在随机轨道模型中，应用 随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影 响［7］． 1. 3 数学模型的控制方程 流体流动过程中，遵循质量守恒定律、动量守恒 定律和能量守恒定律． 这些定律在流体力学中的体 现就是相应的连续性方程、动量方程和 N--S 方程． 1. 3. 1 连续性方程 对任何控制体系，体系内的质量增加率等于外 界进入体系的净质量流率． 因此，连续性方程表达 了质量守恒原理． 由此导出流体连续性方程的积分形式［8］: t vol ρdxdydz + A ρv·ndA = 0 ( 1) 式中: vol 为控制体; A 为控制面; t 为流体流动时间， s; ρ 为流体密度，kg·m － 3 ; ν 为速度矢量，m·s － 1 ; n 为 单位向量． 等式左边第 1 项表示控制体 vol 内部质 量的增量，第 2 项表示通过控制体表面流入控制体 的净通量． 1. 3. 2 动量方程［9］ 动量方程是牛顿第二定律在流体力学中的应 用，可以表达为单位体积内流体在某方向上的动量 增加率等于该方向动量的净流入率和作用于它的在 该方向上所有外力之和． 对于牛顿流体来说: t ( ρuj ) + div( ρuuj ) = div( μgraduj ) － p xj + Bj + Vj ( 2) 式中，uj为在 j 方向上的速度分量，μ 为动力黏度，p xj 为在 j 方向上的压力梯度，Bj为在 j 方向上的体积 力，Vj为除 div( μgraduj ) 外的那些黏性力项． 1. 3. 3 N--S 方程［10］ 适用于不可压缩黏性流体的运动方程: ρ Du Dt = ρfx － p x + μ ( 2 μ x 2 + 2 μ y 2 + 2 μ z 2 ) ( 3) ρ Dv Dt = ρfy － p y + μ ( 2 v x 2 + 2 v y 2 + 2 v z 2 ) ( 4) ρ Dw Dt = ρfz － p z + μ ( 2 w x 2 + 2 w y 2 + 2 w z 2 ) ( 5) 所有方程中的因变量都服从守恒原理，可以用 一组控制方程进行描述［11］: ( ρΦ) t + div( μux) = div( Γgradx) + S ( 6) 式中，Ф 为通用变量，Г 为广义扩散系数，S 为广义 源项． 2 几何模型的建立及边界条件设定 2. 1 几何模型的建立 本文选用 4 m × 3. 45 m 的半圆拱形掘进巷道， 宽 4 m，高 3. 45 m，拱半径取 2. 2 m，自掘进头起取 50 m长巷道作为计算区域，如图 1 所示，图中左侧为 掘进头． 抽压风筒的直径均为 0. 6 m，压入风筒中心 处距底板距离为 1. 5 m，抽出风筒中心距底板距离 为 1 m，巷道截面积为 13. 35 m2 ． 图 1 巷道模型 Fig． 1 Model of the tunnel 利用 Gambit 建立几何模型，将模型的计算区域 划分为多个互不重叠的子区域，即进行网格的划分． 本文采用 Tgrid 方法生成非结构四面体网格，网格 尺寸取 0. 2 m． 2. 2 边界条件设定 本文模拟中的边界类型及条件设置如下． 速度边界: 压入风筒中风量为给定值，图 1 中右 侧风筒内风速已知． 壁面边界: 所有壁面均为无滑移固体边界条件， 垂直于壁面上的压力梯度和气体速度分量均为零． 压力边界: 流动出口边界上，即图 1 中右侧巷道 ·791·
·792· 北京科技大学学报 第33卷 风流的静压为给定值，湍流强度取3.2% 风机：在抽出式风筒中风机提供的压力为设定 值，风机面设为粉尘捕获面，以模拟除尘风机的 作用 风量200m/mim 本文选择掘进头壁面作为粉尘颗粒的产出源， 风量250m/min 并假定粒径服从Rosin-Rammler分布规律，最小粒 径范围10~60um,中位粒径32μm,分布指数3.05， 风量310m/min 质量流率0.0268kgs1 风量360m/min 3模拟结果及分析 巷道中风流流场取决于压入风量大小、抽吸比 图2不同风量条件下距底板1.5m水平面上粉尘质量浓度分布 及风筒距掘进面的距离等因素.粉尘在掘进巷道中 状况 的运移直接受风流流场的影响.因此，本文对压入 Fig.2 Dust mass concentration distribution on the 1.5 m level from 风量大小、抽吸比及风筒距掘进头的距离等三个参 the floor under different air quantity conditions 数变化时粉尘浓度的分布进行了模拟计算，从而分 析这三个参数对粉尘浓度的影响规律 3.1风量对粉尘分布的影响 研究压入风量对粉尘分布的影响时，设定抽吸 比为0.7，抽、压风筒距离掘进面分别为3m和10m. 压入风量分别取200、250、310和360m3·min-1. 风量200m3/min 风量250m/min 图2和图3分别为不同压入风量时，距离掘进 巷道底板1.5m(y=1.5m)的水平截面上和距离掘 进头10m(x=10m)巷道断面上粉尘质量浓度分布 图.由图可以看出：(1)在长压短抽式通风方式且压 风量310m/min 凤量360m/min 入风量大于抽出风量的条件下，粉尘是随着压入风 kg-m-3 流向抽出风筒一侧，在抽出风筒一侧粉尘浓度很高， 图3不同风量条件下x=10m面上粉尘质量浓度分布状况 巷道中粉尘浓度沿风流流动方向逐渐降低.（(2)由 Fig.3 Dust mass concentration distribution on the surface of x=10m 于抽吸比小于1，部分风流未经过除尘风筒，粉尘受 under different air quantity conditions 涡流区分流的影响在巷道中扩散，其中一部分又受 射流风流作用回到掘进工作面.(3)未经过抽出式 风筒和除尘风机的含尘风流在巷道中向外流动.随 着压入风流的流速增大，其引射作用增强，风筒重叠 压人风简距离为15m 段巷道中粉尘浓度减小.(4)随着风量增大，粉尘在 巷道中沉降速度变慢，从掘进工作面向外沿程传播 压入风筒距离为12m 的距离增大 3.2抽压风筒位置的影响 压入风筒距离为10m 在研究风筒位置对粉尘分布的影响时，设定压 入风量250m3·min1,抽吸比0.7不变.共进行了 压入风筒距离为5m 两组模拟试验：第一组设定抽出风筒入口至迎头的 距离为3m,将压入式风筒出口至迎头的距离分别 图4不同压入风简距离条件下距底板1.5m水平面上粉尘质量 选为5、10、12和15m;第2组设定压入风筒出口至 浓度分布状况 迎头的距离为10m,抽出式风筒入口至迎头的距离 Fig.4 Dust mass concentration distribution on the 1.5 m level from the floor at different positions of foreing air duet 分别取值为2、3、4和5m.不同抽压风筒距离模拟 结果如图4和图5所示. 越近，到达掘进面的速度增大使得粉尘扩散越严重， 分析模拟结果得出：(1)压入风筒距离掘进面 工作人员活动区域内的高浓度粉尘的影响范围也越
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 风流的静压为给定值，湍流强度取 3. 2% ． 风机: 在抽出式风筒中风机提供的压力为设定 值，风机面设为粉尘捕获面，以模拟除尘风机的 作用． 本文选择掘进头壁面作为粉尘颗粒的产出源， 并假定粒径服从 Rosin--Rammler 分布规律，最小粒 径范围10 ～ 60 μm，中位粒径32 μm，分布指数3. 05， 质量流率 0. 026 8 kg·s － 1 ． 3 模拟结果及分析 巷道中风流流场取决于压入风量大小、抽吸比 及风筒距掘进面的距离等因素． 粉尘在掘进巷道中 的运移直接受风流流场的影响． 因此，本文对压入 风量大小、抽吸比及风筒距掘进头的距离等三个参 数变化时粉尘浓度的分布进行了模拟计算，从而分 析这三个参数对粉尘浓度的影响规律． 3. 1 风量对粉尘分布的影响 研究压入风量对粉尘分布的影响时，设定抽吸 比为0. 7，抽、压风筒距离掘进面分别为 3 m 和10 m． 压入风量分别取 200、250、310 和 360 m3 ·min － 1 ． 图 2 和图 3 分别为不同压入风量时，距离掘进 巷道底板 1. 5 m( y = 1. 5 m) 的水平截面上和距离掘 进头 10 m( x = 10 m) 巷道断面上粉尘质量浓度分布 图． 由图可以看出: ( 1) 在长压短抽式通风方式且压 入风量大于抽出风量的条件下，粉尘是随着压入风 流向抽出风筒一侧，在抽出风筒一侧粉尘浓度很高， 巷道中粉尘浓度沿风流流动方向逐渐降低． ( 2) 由 于抽吸比小于 1，部分风流未经过除尘风筒，粉尘受 涡流区分流的影响在巷道中扩散，其中一部分又受 射流风流作用回到掘进工作面． ( 3) 未经过抽出式 风筒和除尘风机的含尘风流在巷道中向外流动． 随 着压入风流的流速增大，其引射作用增强，风筒重叠 段巷道中粉尘浓度减小． ( 4) 随着风量增大，粉尘在 巷道中沉降速度变慢，从掘进工作面向外沿程传播 的距离增大． 3. 2 抽压风筒位置的影响 在研究风筒位置对粉尘分布的影响时，设定压 入风量 250 m3 ·min － 1 ，抽吸比 0. 7 不变． 共进行了 两组模拟试验: 第一组设定抽出风筒入口至迎头的 距离为 3 m，将压入式风筒出口至迎头的距离分别 选为 5、10、12 和 15 m; 第 2 组设定压入风筒出口至 迎头的距离为 10 m，抽出式风筒入口至迎头的距离 分别取值为 2、3、4 和 5 m． 不同抽压风筒距离模拟 结果如图 4 和图 5 所示． 分析模拟结果得出: ( 1) 压入风筒距离掘进面 图 2 不同风量条件下距底板 1. 5 m 水平面上粉尘质量浓度分布 状况 Fig． 2 Dust mass concentration distribution on the 1. 5 m level from the floor under different air quantity conditions 图 3 不同风量条件下 x = 10 m 面上粉尘质量浓度分布状况 Fig． 3 Dust mass concentration distribution on the surface of x = 10 m under different air quantity conditions 图 4 不同压入风筒距离条件下距底板 1. 5 m 水平面上粉尘质量 浓度分布状况 Fig． 4 Dust mass concentration distribution on the 1. 5 m level from the floor at different positions of forcing air duct 越近，到达掘进面的速度增大使得粉尘扩散越严重， 工作人员活动区域内的高浓度粉尘的影响范围也越 ·792·
第7期 秦跃平等：综掘工作面粉尘运移的数值模拟及压风分流降尘方式研究 ·793 散，使得抽出风筒入口前后的粉尘浓度较高，但由于 巷道中风流方向是从外部向工作面流动，含尘空气 最终均进入抽出风筒和除尘风机，使得巷道中粉尘 抽出风简距离为5m 浓度大大降低.(4)粉尘在空间的运移受两方面因 素的制约，一是风流的流动，二是粉尘在风流中的扩 抽出风简距离为4m 散.当抽吸比小于1时，巷道中的风流从工作面向 外部流动，扩大了粉尘的分布范围：当抽吸比大于1 抽出风筒距离为3m 时风流方向相反，使巷道中的粉尘扩散范围和粉尘 浓度得到控制. 抽出风筒距离为2m kg.m 上述模拟计算结果与现场实测粉尘浓度分布的 定性规律一致，说明程序的运算结果是可靠的.数 图5不同抽出风筒距离条件下距底板1.5m水平面上粉尘质量 浓度分布状况 值模拟计算得到的各因素对粉尘浓度的影响规律， Fig.5 Dust mass concentration distribution on the 1.5 m level from 对于优化掘进工作面除尘通风设计有重要的参考 the floor at different positions of suctioning air duct 价值. 3.4采用压风分流降尘方法的模拟研究 大，排尘效果越差.因此在满足冲淡瓦斯条件下，应 上述模拟研究表明，抽吸比对巷道中粉尘浓度 尽量增大压入风筒到掘进头的距离.(2)抽出风筒 的影响最大.抽吸比变化对粉尘浓度影响的根本原 距离掘进面越近，粉尘越易于集中在抽出风筒侧的 因在于改变风筒重叠段巷道中风流的方向和大小 巷道，工作人员的活动区域范围内高浓度粉尘存在 在实际条件下，由于除尘风机功率的限制和除尘风 范围和巷道中的粉尘浓度也越小. 机阻力较大的原因，提高抽吸比比较困难。因此，在 3.3抽吸比对粉尘分布的影响 不影响冲淡和排放瓦斯的前提下，可考虑采用压风 在研究不同抽吸比对粉尘浓度分布影响时，风 分流的方法，即在压入风筒上距掘进面一定距离处， 量取为250m3·min-1,抽压风筒距掘进面距离分别 将压入风进行分流，大部分风流会通过风筒吹向掘 取为3m和10m.模拟计算结果如图6所示. 进工作面，小部分风流从分风器进入巷道，通过这部 分风流使风筒重叠段巷道中风流的方向从外部向工 作面流动，起到与增大抽吸比相同的降尘效果. 抽吸比0.5 模拟时选用抽、压风筒口距离迎头分别为3m 和10m的模型，压入风量选用310m3·min.分别 抽吸比0.7 对抽吸比为0.8和1.3两种情况进行了模拟.模拟 结果如图7和图8所示. 抽吸比L1 抽吸比13 未分风量 图6不同抽吸比条件下距底板1.5m水平面上粉尘质量浓度分 布状况 分风量15% Fig.6 Dust mass concentration distribution on the 1.5 m level from the floor at different ratios of blowing to suction 分风量25% 分析不同抽吸比的模拟结果可知：（1)在送风 量一定条件下，随着抽吸比的增大，整个巷道中粉尘 图7抽吸比为0.8时不同分风量条件下距底板1.5m水平面上 浓度都随之减小.(2)在抽吸比小于1时，由于部分 粉尘质量浓度分布状况 含尘风流未通过抽出风筒和除尘风机，使巷道中粉 Fig.7 Dust mass concentration distribution on the 1.5 m level from 尘浓度明显提高：随着抽吸比的减少，高浓度粉尘范 the floor at different shunted air quantities(the ratio of blowing to suc- 围增大.(3)抽吸比大于1时，虽然由于粉尘的扩 tion is 0.8)
第 7 期 秦跃平等: 综掘工作面粉尘运移的数值模拟及压风分流降尘方式研究 图 5 不同抽出风筒距离条件下距底板 1. 5 m 水平面上粉尘质量 浓度分布状况 Fig． 5 Dust mass concentration distribution on the 1. 5 m level from the floor at different positions of suctioning air duct 大，排尘效果越差． 因此在满足冲淡瓦斯条件下，应 尽量增大压入风筒到掘进头的距离． ( 2) 抽出风筒 距离掘进面越近，粉尘越易于集中在抽出风筒侧的 巷道，工作人员的活动区域范围内高浓度粉尘存在 范围和巷道中的粉尘浓度也越小． 3. 3 抽吸比对粉尘分布的影响 在研究不同抽吸比对粉尘浓度分布影响时，风 量取为 250 m3 ·min － 1 ，抽压风筒距掘进面距离分别 取为 3 m 和 10 m． 模拟计算结果如图 6 所示． 图 6 不同抽吸比条件下距底板 1. 5 m 水平面上粉尘质量浓度分 布状况 Fig． 6 Dust mass concentration distribution on the 1. 5 m level from the floor at different ratios of blowing to suction 分析不同抽吸比的模拟结果可知: ( 1) 在送风 量一定条件下，随着抽吸比的增大，整个巷道中粉尘 浓度都随之减小． ( 2) 在抽吸比小于 1 时，由于部分 含尘风流未通过抽出风筒和除尘风机，使巷道中粉 尘浓度明显提高; 随着抽吸比的减少，高浓度粉尘范 围增大． ( 3) 抽吸比大于 1 时，虽然由于粉尘的扩 散，使得抽出风筒入口前后的粉尘浓度较高，但由于 巷道中风流方向是从外部向工作面流动，含尘空气 最终均进入抽出风筒和除尘风机，使得巷道中粉尘 浓度大大降低． ( 4) 粉尘在空间的运移受两方面因 素的制约，一是风流的流动，二是粉尘在风流中的扩 散． 当抽吸比小于 1 时，巷道中的风流从工作面向 外部流动，扩大了粉尘的分布范围; 当抽吸比大于 1 时风流方向相反，使巷道中的粉尘扩散范围和粉尘 浓度得到控制． 上述模拟计算结果与现场实测粉尘浓度分布的 定性规律一致，说明程序的运算结果是可靠的． 数 值模拟计算得到的各因素对粉尘浓度的影响规律， 对于优化掘进工作面除尘通风设计有重要的参考 价值． 3. 4 采用压风分流降尘方法的模拟研究 上述模拟研究表明，抽吸比对巷道中粉尘浓度 的影响最大． 抽吸比变化对粉尘浓度影响的根本原 因在于改变风筒重叠段巷道中风流的方向和大小． 在实际条件下，由于除尘风机功率的限制和除尘风 机阻力较大的原因，提高抽吸比比较困难． 因此，在 不影响冲淡和排放瓦斯的前提下，可考虑采用压风 分流的方法，即在压入风筒上距掘进面一定距离处， 将压入风进行分流，大部分风流会通过风筒吹向掘 进工作面，小部分风流从分风器进入巷道，通过这部 分风流使风筒重叠段巷道中风流的方向从外部向工 作面流动，起到与增大抽吸比相同的降尘效果． 图 7 抽吸比为 0. 8 时不同分风量条件下距底板 1. 5 m 水平面上 粉尘质量浓度分布状况 Fig． 7 Dust mass concentration distribution on the 1. 5 m level from the floor at different shunted air quantities( the ratio of blowing to suction is 0. 8) 模拟时选用抽、压风筒口距离迎头分别为 3 m 和 10 m 的模型，压入风量选用 310 m3 ·min － 1 ． 分别 对抽吸比为 0. 8 和 1. 3 两种情况进行了模拟． 模拟 结果如图 7 和图 8 所示． ·793·
·794· 北京科技大学学报 第33卷 (孔健，李国庆.协庄煤矿综掘工作面煤尘防治技术研究.科 技信息，2008(25)：652) 2]Zhang G S.Ventilation and Safety.Xuzhou:China University of Mining Technology Press,2007:268 未分风量 (张国枢.通风安全学.徐州：中国矿业大学出版社，2007： 268) [B] Shi C H,Ou S N,Jin L Z.Study and analysis on the law of mo- 分风量15% tion of the coal dust.J Unir Sci Technol Beijing,2007,29(Suppl 2):1 分风量25% (施春红，欧盛南，金龙哲.矿井粉尘运移规律性的试验研究 北京科技大学学报，2007,29（增刊2）：1) kg.m3 [4] Niu B H,Chen Y X,Qiu H J,et al.Experimental study on dust removal technique with combined ventilation in heading face of 图8抽吸比为1.3时不同分风量条件下距底板1.5m水平面上 Gushuyuan Coal mine.Min Saf Enriron Prot,2006,33(6):41 粉尘质量浓度分布状况 (牛保护，陈颖兴，邱海江，等.古书院矿掘进工作面混合式通 Fig.8 Dust mass concentration distribution on the 1.5 m level from 风降尘技术的试验研究.矿业安全与环保，2006,33(6)：41) the floor at different shunted air quantities(the ratio of blowing to suc- Wu Y H.Research on Tunnel Dust Settlement Rule and Reprinting tion is 1.3) Spraying Dust Removing System [Dissertation].Taiyuan:Taiyuan 模拟结果分析可得：(1)采用压风分流的方法 University of Technology,2007 (吴应豪.巷道粉尘沉降规律与转载点喷雾降尘系统研究[学 可以明显降低巷道中的粉尘浓度及粉尘的沿程扩散 位论文].太原：太原理工大学，2007) 距离.(2)无论抽吸比大于1还是小于1，随着分风 [6] Liu Y,Jiang Z A,Cai W,et al.Numerical simulation of the dust 量的增大，巷道中粉尘浓度及存在范围都随之减小. movement rule in fully-mechanized coal faces.I Unin Sci Technol Beijing,2007,29(4):351 4结论 (刘毅，蒋仲安，蔡卫，等.综采工作面粉尘运动规律的数值模 (1)在长压短抽式通风方式下，掘进工作面产 拟.北京科技大学学报，2007,29(4)：351) Wang X Z,Jiang ZA,Wang S W,et al.Numerical simulation of 生的粉尘会在风流场的作用下向抽出风筒一侧的巷 distribution regularities of dust concentration during the ventilation 道运动，多数粉尘将聚集于抽出风筒所在的巷道 process of coal roadway driving.J China Coal Soc,2007,32(4): 一侧. 386 (2)随着风量增大，其引射作用增强，风简重叠 (王晓珍，蒋仲安，王善文，等.煤巷掘进过程中粉尘浓度分布 段巷道中粉尘浓度减小，但粉尘在巷道中传播的距 规律的数值模拟.煤炭学报，2007,32(4)：386) [8] Han ZZ,Wang J,Lan X P.Simulation Examples and Application 离增大 of FLUENT.Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2004: (3)压入风筒距离掘进面越近，高浓度粉尘的 14 影响范围也越大，排尘效果越差；抽出风筒距离掘进 (韩占忠，王敬，兰小平.LUENT一流体工程仿真计算实例与 面越近，高浓度粉尘存在范围和巷道中粉尘浓度 应用.北京：北京理工大学出版社，2004：14) 越小 [9]Dai I W.Study on Coal Dust Catching Technology and Mechanism Using Ultrasonic Atomization in Drilling [Dissertation].Xuzhou: (4)在送风量一定条件下，随着抽吸比的增大， China University of Mining Technology,2008:23 整个巷道中粉尘浓度都随之减小；抽吸比大于1时， (代君伟.钻孔粉尘超声雾化除尘技术及机理研究[学位论 由于巷道中风流方向是从外部向工作面流动，使得 文].徐州：中国矿业大学，2008：23) 巷道中粉尘浓度大大降低. [10]Lin JZ,Ruan X D,Chen B G,et al.Fluid Mechanics.Beijing: (⑤)采用压风分流的方法可以明显降低巷道中 Tsinghua University Press,2005:88 (林建忠，阮晓东，陈邦国，等.流体力学.北京：清华大学出 的粉尘浓度及粉尘的沿程扩散距离. 版社，2005：88) [1]Fu J W.Numerical Simulation and Experimental Research of Spi- 参考文献 ral Ventilation in the Mechanized Heading Face [Dissertation]. [Kong J,Li G Q.Study on dust control technology in fully mecha- Xiangtan:Hunan University of Science and Technology,2008:27 nized workface of Xiezhuang coal mine.Sci Technol Inf,2008 (符建文·机掘工作面旋流通风数值模拟及实验研究[学位 (25):652 论文].湘潭：湖南科技大学，200827)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 8 抽吸比为 1. 3 时不同分风量条件下距底板 1. 5 m 水平面上 粉尘质量浓度分布状况 Fig． 8 Dust mass concentration distribution on the 1. 5 m level from the floor at different shunted air quantities( the ratio of blowing to suction is 1. 3) 模拟结果分析可得: ( 1) 采用压风分流的方法 可以明显降低巷道中的粉尘浓度及粉尘的沿程扩散 距离． ( 2) 无论抽吸比大于 1 还是小于 1，随着分风 量的增大，巷道中粉尘浓度及存在范围都随之减小． 4 结论 ( 1) 在长压短抽式通风方式下，掘进工作面产 生的粉尘会在风流场的作用下向抽出风筒一侧的巷 道运动，多数粉尘将聚集于抽出风筒所在的巷道 一侧． ( 2) 随着风量增大，其引射作用增强，风筒重叠 段巷道中粉尘浓度减小，但粉尘在巷道中传播的距 离增大． ( 3) 压入风筒距离掘进面越近，高浓度粉尘的 影响范围也越大，排尘效果越差; 抽出风筒距离掘进 面越近，高浓度粉尘存在范围和巷道中粉尘浓度 越小． ( 4) 在送风量一定条件下，随着抽吸比的增大， 整个巷道中粉尘浓度都随之减小; 抽吸比大于 1 时， 由于巷道中风流方向是从外部向工作面流动，使得 巷道中粉尘浓度大大降低． ( 5) 采用压风分流的方法可以明显降低巷道中 的粉尘浓度及粉尘的沿程扩散距离． 参 考 文 献 ［1］ Kong J，Li G Q． Study on dust control technology in fully mechanized workface of Xiezhuang coal mine． Sci Technol Inf，2008 ( 25) : 652 ( 孔健，李国庆． 协庄煤矿综掘工作面煤尘防治技术研究． 科 技信息，2008( 25) : 652) ［2］ Zhang G S． Ventilation and Safety． Xuzhou: China University of Mining ＆ Technology Press，2007: 268 ( 张国枢． 通风安全学． 徐州: 中国矿业大学出版社，2007: 268) ［3］ Shi C H，Ou S N，Jin L Z． Study and analysis on the law of motion of the coal dust． J Univ Sci Technol Beijing，2007，29( Suppl 2) : 1 ( 施春红，欧盛南，金龙哲． 矿井粉尘运移规律性的试验研究． 北京科技大学学报，2007，29( 增刊 2) : 1) ［4］ Niu B H，Chen Y X，Qiu H J，et al． Experimental study on dust removal technique with combined ventilation in heading face of Gushuyuan Coal mine． Min Saf Environ Prot，2006，33( 6) : 41 ( 牛保护，陈颖兴，邱海江，等． 古书院矿掘进工作面混合式通 风降尘技术的试验研究． 矿业安全与环保，2006，33( 6) : 41) ［5］ Wu Y H． Research on Tunnel Dust Settlement Rule and Reprinting Spraying Dust Removing System［Dissertation］． Taiyuan: Taiyuan University of Technology，2007 ( 吴应豪． 巷道粉尘沉降规律与转载点喷雾降尘系统研究［学 位论文］． 太原: 太原理工大学，2007) ［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］ 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 规律的数值模拟． 煤炭学报，2007，32( 4) : 386) ［8］ Han Z Z，Wang J，Lan X P． Simulation Examples and Application of FLUENT． Beijing: Beijing Institute of Technology Press，2004: 14 ( 韩占忠，王敬，兰小平． FLUENT--流体工程仿真计算实例与 应用． 北京: 北京理工大学出版社，2004: 14) ［9］ Dai J W． Study on Coal Dust Catching Technology and Mechanism Using Ultrasonic Atomization in Drilling ［Dissertation］． Xuzhou: China University of Mining ＆ Technology，2008: 23 ( 代君伟． 钻孔粉尘超声雾化除尘技术及机理研究［学位论 文］． 徐州: 中国矿业大学，2008: 23) ［10］ Lin J Z，Ruan X D，Chen B G，et al． Fluid Mechanics． Beijing: Tsinghua University Press，2005: 88 ( 林建忠，阮晓东，陈邦国，等． 流体力学． 北京: 清华大学出 版社，2005: 88) ［11］ Fu J W． Numerical Simulation and Experimental Research of Spiral Ventilation in the Mechanized Heading Face ［Dissertation］． Xiangtan: Hunan University of Science and Technology，2008: 27 ( 符建文． 机掘工作面旋流通风数值模拟及实验研究［学位 论文］． 湘潭: 湖南科技大学，2008: 27) ·794·