长压短抽式通风综掘工作面粉尘分布规律的数值模拟

D0I:10.13374/i.issnl001053x.2010.08.027 第32卷第8期 北京科技大学学报 Vo132 No 8 2010年8月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Aug 2010 长压短抽式通风综掘工作面粉尘分布规律的数值模拟 杜翠凤”王辉) 蒋仲安”何宗礼胡国勇) 1)北京科技大学士木与环境工程学院，北京1000832)平顶山天安煤业股份有限公司十一矿，平项山467000 摘要以平煤集团十一矿综掘工作面为研究背景，根据经验和实际情况，确定了与掘进机相配套的长压短抽式通风除尘系 统。运用数值分析和现场测试相结合的方法，对综掘工作面粉尘分布规律进行了研究.基于GMB技术建立工作面的几何 模型，应用计算流体力学FUNT软件对该工作面应用长压短抽式通风除尘系统前后的粉尘分布进行数值模拟.数值模拟结 果与现场粉尘质量浓度测试结果相近.结果表明，采用长压短抽式通风除尘系统除尘效率达9%以上，可使综掘工作面的粉 尘质量浓度接近或达到1.0X105kgm. 关键词综掘工作面：通风除尘系统：粉尘分布：数值模拟 分类号TD714R1363 Numerical simu lations of dust distribu tion in a fully m echan ized excavation face w ith far_pressing_near_absorp tion ventilation DU Cui feng WANGHu JIANG Zhag an.HE ZongR.HU Gua yong 1)ShoolofCivil and EnvirormenlEngineering University of Science and Technokgy Beijing Beijng 100083 China 2)Mne11.Pirgdingshan TananMining Co Ld.Pngdngshan467000 Chna ABSTRACT Based on experience and acual sitation a farpressng near absorp ton FPNA)ventilation system which matches w ih head ingmachneswas detemined with a fully mechan ized excavation ace n Mine 11 of Pingmei Group as he research back ground Dust distribu tons n a fillymechan ized excavation acewere sud ed by nuerical sinu atpns and n sium easuremen ts A ge ametric modelof he ace was built w ith GAMBIT technopgy and dust distributpns bepre and after app yng the vetilation syskm were respectiveyy sinu lted using com putatpnal flud dynamics software FIJENT The smu lation results of dust mass concentration are in agrem entwith the n situ measurment data It is shown that the dust collection effciency ismore than 95%w ith he use of the ven tiltpn system and he dust mass concentrations n he excavation face meetw ith or come close pL0X 105 kg m3. KEY WORDS fully mechanized excavation face ventiaton dust removal syste dustd istrbution numerical siulton 在煤矿的各个工作面中，综掘工作面是产尘量 1长压短抽式通风除尘系统 最大的尘源之一，现场数据表明，在不采取任何除 尘措施的情况下，综掘工作面的粉尘质量浓度能达 粉尘治理要从尘源治理入手，因此，合理的 到Q002-0.003kgm31·,而且独头的综掘巷道通 通风除尘系统，应能在粉尘颗粒扩散前有效地控制 风距离长，粉尘不易排除.职业病防治中心等机构 掘进机产生的粉尘，并把含尘空气吸入除尘器中加 对煤矿工人各工种尘肺病的患病率进行调查，数据 以净化，以提高除尘效率.目前国内外主要有三种 显示掘进工人的尘肺病患病率最高2-.因此，必须 通风除尘系统：长抽长压通风除尘系统、长抽短压通 对掘进过程中产生的粉尘予以重视.平煤集团十一 风除尘系统和长压短抽通风除尘系统.根据平煤十 矿丁5-6-22121综掘巷道的粉尘质量浓度高达 一矿丁5-6-22121综掘巷道通风方式的特点，选择 0.001~0.002kT,亟待采取有效的除尘降尘 长压短抽通风除尘系统一新鲜风流经压入式长风 措施. 筒送入工作面，工作面污风经抽出式通风除尘系统 收稿日期：2010-03-15 作者简介：杜翠风(1966)，女，副教授，博士，Ema1 ducui派n@126cm

第 32卷 第 8期 2010年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.8 Aug.2010 长压短抽式通风综掘工作面粉尘分布规律的数值模拟 杜翠凤 1) 王 辉 1) 蒋仲安 1 ) 何宗礼 2) 胡国勇 2 ) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2) 平顶山天安煤业股份有限公司十一矿, 平顶山 467000 摘 要 以平煤集团十一矿综掘工作面为研究背景, 根据经验和实际情况, 确定了与掘进机相配套的长压短抽式通风除尘系 统.运用数值分析和现场测试相结合的方法, 对综掘工作面粉尘分布规律进行了研究.基于 GAMBIT技术建立工作面的几何 模型, 应用计算流体力学 FLUENT软件对该工作面应用长压短抽式通风除尘系统前后的粉尘分布进行数值模拟.数值模拟结 果与现场粉尘质量浓度测试结果相近.结果表明, 采用长压短抽式通风除尘系统除尘效率达 95%以上, 可使综掘工作面的粉 尘质量浓度接近或达到 1.0 ×10 -5 kg·m-3. 关键词 综掘工作面 ;通风除尘系统;粉尘分布;数值模拟 分类号 TD714;R136.3 Numericalsimulationsofdustdistributioninafullymechanizedexcavationface withfar-pressing-near-absorptionventilation DUCui-feng1) , WANGHui1) , JIANGZhong-an1) , HEZong-li2) , HUGuo-yong2) 1) SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2) Mine11, PingdingshanTiananMiningCo.Ltd., Pingdingshan467000, China ABSTRACT Basedonexperienceandactualsituation, afar-pressing-near-absorption( FPNA) ventilationsystem whichmatches withheadingmachineswasdeterminedwithafullymechanizedexcavationfaceinMine11 ofPingmeiGroupastheresearchback￾ground.Dustdistributionsinafullymechanizedexcavationfacewerestudiedbynumericalsimulationsandinsitumeasurements.Age￾ometricmodelofthefacewasbuiltwithGAMBITtechnology, anddustdistributionsbeforeandafterapplyingtheventilationsystem wererespectivelysimulatedusingcomputationalfluiddynamicssoftwareFLUENT.Thesimulationresultsofdustmassconcentrationare inagreementwiththeinsitumeasurementdata.Itisshownthatthedustcollectionefficiencyismorethan95% withtheuseoftheven￾tilationsystemandthedustmassconcentrationsintheexcavationfacemeetwithorcomecloseto1.0 ×10 -5 kg·m-3. KEYWORDS fullymechanizedexcavationface;ventilationdustremovalsystem;dustdistribution;numericalsimulation 收稿日期:2010--03--15 作者简介:杜翠凤 ( 1966 ), 女, 副教授, 博士, E-mail:ducuifeng@126.com 在煤矿的各个工作面中, 综掘工作面是产尘量 最大的尘源之一.现场数据表明, 在不采取任何除 尘措施的情况下, 综掘工作面的粉尘质量浓度能达 到 0.002 ～ 0.003kg·m -3 [ 1] ;而且独头的综掘巷道通 风距离长, 粉尘不易排除.职业病防治中心等机构 对煤矿工人各工种尘肺病的患病率进行调查, 数据 显示掘进工人的尘肺病患病率最高 [ 2--3] .因此, 必须 对掘进过程中产生的粉尘予以重视.平煤集团十一 矿丁 5--6--22121 综掘巷道的粉尘质量浓度高达 0.001 ～ 0.002 kg·m -3 , 亟待采取有效的除尘降尘 措施. 1 长压短抽式通风除尘系统 粉尘治理要从尘源治理入手 [ 4] .因此, 合理的 通风除尘系统, 应能在粉尘颗粒扩散前有效地控制 掘进机产生的粉尘, 并把含尘空气吸入除尘器中加 以净化, 以提高除尘效率 .目前国内外主要有三种 通风除尘系统 :长抽长压通风除尘系统 、长抽短压通 风除尘系统和长压短抽通风除尘系统.根据平煤十 一矿丁 5--6--22121综掘巷道通风方式的特点, 选择 长压短抽通风除尘系统 ———新鲜风流经压入式长风 筒送入工作面, 工作面污风经抽出式通风除尘系统 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.08.027

·958 北京科技大学学报 第32卷 净化.被净化后的风流沿巷道排出. 实践经验，压入式通风风筒出风口到机掘工作 本文设计的长压短抽式通风除尘系统中，抽出 面的距离取14四吸风罩距综掘工作面的距离取 式通风包括自激式水浴水膜除尘器、吸风风机、吸风 5四置于掘进机司机前方.压入式风筒直径为 罩及配套的刚性骨架风筒，巷道内布置如图1所示， 0.8m出风量为200m。m江：吸风罩的大小为 由于综掘巷道的断面积为12.0，根据理论分析和 800mmX500m)抽风量为105ni。mr'. 1切割头：2吸风罩：3压入式风简：4司机位置：5吸风风简：6据进机：7皮带运输机：8自激 式水浴水膜除尘器：9风阀：10吸风风机：11压风局扇：12外部皮带机头：①图测尘点 图1通风除尘系统布置图 Fg I Layout of the ventilation and dust removal syswem 2数值模拟方法及边界条件的设定 拉拉格朗日方法是把气体相作为连续介质，在欧 拉坐标系下考察其运动，把颗粒相作为离散相，在拉 2.1数值模拟方法 格朗日坐标系下研究其运动的方法，可以跟踪颗粒 研究粉尘在气流中的运动属于气固两相流的范 在流场中随时间的运动经历，模型假设少，能更直接 畴.传统的研究方法包括理论研究和实验研究，但 地揭示颗粒相的运动规律， 由于受适用条件限制，两者均无法对更基本的多相 计算流体力学软件(compuutional fluid dynam 流运动规律（如各相流体的运动速度分布）进行深 ©SC℉D是近年来发展起来的流体力学模拟软件， 入研究9.20世纪80年代以来，数值模拟方法通 目前主流的CD商业软件包括FDAP FIUENT 过建立与实际情况类似的几何模型，并结合初始及 HHOENCS和STAR-CD等.其中，FLUENT软件基 边界条件，利用数值计算模型及方法，模拟再现真实 于有限元体积法，主要模拟和分析在复杂几何区域 过程各种场的分布，取得很好的效果，从而逐步得到 内的流体流动与热交换，可完成多种参考系下流场 了广泛应用1 模拟、定常与非定常流动分析、不可压缩流和可压缩 目前对气固两相流的模拟方法包括两种，即欧 流的计算、多相流分析等4 拉欧拉方法和欧拉拉格朗日方法.欧拉欧拉方 本文采用欧拉拉格朗日方法，借助计算流体 法即同在欧拉坐标系下，把颗粒相作为拟流体，认为 力学软件FLUENT运用SMPLE算法计算连续相流 颗粒相与气体是共同存在且相互渗透的连续介质进 场，利用ke模型模拟三维湍流，得到速度场等信 行研究.其优点是全面考虑了颗粒相的输运特性， 息：创建离散相喷射源，在拉格朗日坐标系下对离散 用统一的方法处理颗粒相及流体相，能进行大规模 相的各个颗粒进行轨道积分，颗粒质量浓度分布假 工程问题计算：但其颗粒连续性假设本质上削弱了 设服从高斯分布；用PLOI或D SPLAYT图形界面跟 模拟气固两相流中非均匀结构的真实性，计算中无 踪离散相，得出离散相的流场分布及质量浓度分布. 法体现颗粒大小、密度等物理性质的区别，模拟结果 2.2几何模型建立 无法揭示颗粒的复杂变化经历，而颗粒相随时间的 GAMBⅡ是面向CHD分析的高质量的前处理 经历又通常是研究两相流的重点及目的所在.欧 器，其主要功能包括几何建模和网格生成.本文根

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 净化, 被净化后的风流沿巷道排出. 本文设计的长压短抽式通风除尘系统中, 抽出 式通风包括自激式水浴水膜除尘器、吸风风机 、吸风 罩及配套的刚性骨架风筒, 巷道内布置如图 1所示 . 由于综掘巷道的断面积为 12.0m 2 , 根据理论分析和 实践经验 [ 5--9] , 压入式通风风筒出风口到机掘工作 面的距离取 14 m;吸风罩距综掘工作面的距离取 5 m, 置于掘进机司机前方.压入式风筒直径为 0.8 m, 出风量为 200 m 3 ·min -1 ;吸风罩的大小为 800 mm×500 mm, 抽风量为 105 m 3 ·min -1. 1 切割头;2 吸风罩;3 压入式风筒;4 司机位置;5 吸风风筒;6 掘进机;7 皮带运输机;8 自激 式水浴水膜除尘器;9 风阀;10 吸风风机;11 压风局扇;12 外部皮带机头;① ～ ⑧ 测尘点 图 1 通风除尘系统布置图 Fig.1 Layoutoftheventilationanddustremovalsystem 2 数值模拟方法及边界条件的设定 2.1 数值模拟方法 研究粉尘在气流中的运动属于气固两相流的范 畴 .传统的研究方法包括理论研究和实验研究, 但 由于受适用条件限制, 两者均无法对更基本的多相 流运动规律 (如各相流体的运动速度分布 )进行深 入研究 [ 10] .20世纪 80年代以来, 数值模拟方法通 过建立与实际情况类似的几何模型, 并结合初始及 边界条件, 利用数值计算模型及方法, 模拟再现真实 过程各种场的分布, 取得很好的效果, 从而逐步得到 了广泛应用 [ 11--12] . 目前对气固两相流的模拟方法包括两种, 即欧 拉 --欧拉方法和欧拉 --拉格朗日方法.欧拉 --欧拉方 法即同在欧拉坐标系下, 把颗粒相作为拟流体, 认为 颗粒相与气体是共同存在且相互渗透的连续介质进 行研究 .其优点是全面考虑了颗粒相的输运特性, 用统一的方法处理颗粒相及流体相, 能进行大规模 工程问题计算;但其颗粒连续性假设本质上削弱了 模拟气固两相流中非均匀结构的真实性, 计算中无 法体现颗粒大小 、密度等物理性质的区别, 模拟结果 无法揭示颗粒的复杂变化经历, 而颗粒相随时间的 经历又通常是研究两相流的重点及目的所在 .欧 拉--拉格朗日方法是把气体相作为连续介质, 在欧 拉坐标系下考察其运动, 把颗粒相作为离散相, 在拉 格朗日坐标系下研究其运动的方法, 可以跟踪颗粒 在流场中随时间的运动经历, 模型假设少, 能更直接 地揭示颗粒相的运动规律 [ 13] . 计算流体力学软件 ( computationalfluiddynam￾ics, CFD)是近年来发展起来的流体力学模拟软件, 目前主流的 CFD商业软件包括 FIDAP、FLUENT、 PHOENICS和 STAR--CD等.其中, FLUENT软件基 于有限元体积法, 主要模拟和分析在复杂几何区域 内的流体流动与热交换, 可完成多种参考系下流场 模拟 、定常与非定常流动分析 、不可压缩流和可压缩 流的计算 、多相流分析等 [ 14] . 本文采用欧拉 --拉格朗日方法, 借助计算流体 力学软件 FLUENT, 运用 SIMPLE算法计算连续相流 场, 利用 k--ε模型模拟三维湍流, 得到速度场等信 息;创建离散相喷射源, 在拉格朗日坐标系下对离散 相的各个颗粒进行轨道积分, 颗粒质量浓度分布假 设服从高斯分布;用 PLOT或 DISPLAY图形界面跟 踪离散相, 得出离散相的流场分布及质量浓度分布. 2.2 几何模型建立 GAMBIT是面向 CFD分析的高质量的前处理 器, 其主要功能包括几何建模和网格生成 .本文根 · 958·

第8期 杜翠凤等：长压短抽式通风综掘工作面粉尘分布规律的数值模拟 ·959 据平煤十一矿丁5-6-22121综掘巷道的实际情况， 义为位于综掘工作面回风侧一处的组喷射源粉尘 对其内部几何条件进行合理简化后，使用GAMBⅢ 颗粒流数量设为20个，粒径分布符合ROsn- 建立综掘巷道的几何模型，并划分计算网格，如图2 R anm ler吩布. 所示.其中，将综掘工作面巷道的横断面模拟成上 表1计算模型设定 底2.54四下底2.93m高44m的直角梯形：压入 Tab e1 Defining the cakulation model 式风筒直径为08四出风口距工作面14四抽出式 计算模型 模型设定 风筒直径为04四吸风口距工作面5四距地面2四 求解器 非耦合求解法 湍流模型 k-e 能量方程 关闭 离散相模型 打开 表2离散相模型设定 Table 2 Defning the discrete phase malel 高散相模型 模型设定 相间耦合频率/步1 5 计算步数步 20000 时间步长/s 001 阻力特征 球形颗粒 表3喷射源参数设定 Table 3 Defining injection parmeters 喷射源参数 参数设定 喷射源类型 组喷射 颗粒流数量 20 (b) 材质 高挥发性煤 图2综掘巷道的几何模型(3及网格划分( 粒径分布 RosnRam ers吩布 Fg 2 Geome tric model(两d mesh ing(ofte和y mecha 最小颗粒直径m 1.85×10厂6 nized excavation aneway 最大颗粒直径m 100X10厂6 2.3边界条件的设定 分布指数 193 在GAMBⅡ中初步设置该几何模型的边界条件 初始速度(ms1) 0 后，将该模型导入FUT进一步设置求解类型、湍 质量流率川k8s1) 全尘0006 流模型、离散相模型、喷射源参数及边界条件等，如 表4边界条件设定 表1~4所示.其中，由于气固两相流是不可压缩 Table 4 Defning boundary conditions 的，采用非耦合隐式求解法：为了准确描述流场特性 边界条件 参数设定 及粉尘颗粒的运动轨迹，采用离散相模型(discrete 入口边界类型 速度入口 phasemode)在拉格朗日坐标下模拟流场中的粉尘 入口速度/(m~1) 10 颗粒，采用kε湍流模型求解混合相的动量方程、 水力直径m 08 第2相的体积分数方程以及相对速度的代数表示. 相对湍流强度% 51 离散方法采用有限体积法(fn ite volmemethod.在 出口边界类型 出流 考虑湍流对离散相轨迹的影响时主要考虑颗粒运动 煤壁处离散相条件 捕获 的随机性，选择随机轨迹模型. 煤壁处剪切条件 无滑移 根据煤矿生产特点，粉尘源的位置可以归为三 湍流扩散类型 随机轨迹模型 类：位于巷道断面中央：位于巷道一侧；位于巷道一 侧且发尘面积很小，但是尘源的发尘面积大于巷道 湍流强度为上u元=0.16(R)18.其中，1 断面面积的12.本文在数值模拟中将喷射源定 为湍流强度：口、分别为湍流脉动速度与平均速

第 8期 杜翠凤等:长压短抽式通风综掘工作面粉尘分布规律的数值模拟 据平煤十一矿丁 5--6--22121综掘巷道的实际情况, 对其内部几何条件进行合理简化后, 使用 GAMBIT 建立综掘巷道的几何模型, 并划分计算网格, 如图 2 所示.其中, 将综掘工作面巷道的横断面模拟成上 底 2.54 m、下底 2.93 m、高 4.4 m的直角梯形 ;压入 式风筒直径为 0.8 m, 出风口距工作面 14 m;抽出式 风筒直径为 0.4 m, 吸风口距工作面 5 m, 距地面2 m. 图 2 综掘巷道的几何模型 ( a)及网格划分 ( b) Fig.2 Geometricmodel( a) andmeshing( b) ofthefullymecha￾nizedexcavationlaneway 2.3 边界条件的设定 在 GAMBIT中初步设置该几何模型的边界条件 后, 将该模型导入 FLUENT进一步设置求解类型、湍 流模型 、离散相模型 、喷射源参数及边界条件等, 如 表 1 ～ 4所示 .其中, 由于气固两相流是不可压缩 的, 采用非耦合隐式求解法 ;为了准确描述流场特性 及粉尘颗粒的运动轨迹, 采用离散相模型 ( discrete phasemodel)在拉格朗日坐标下模拟流场中的粉尘 颗粒, 采用 k--ε湍流模型求解混合相的动量方程 、 第 2相的体积分数方程以及相对速度的代数表示 . 离散方法采用有限体积法 ( finitevolumemethod), 在 考虑湍流对离散相轨迹的影响时主要考虑颗粒运动 的随机性, 选择随机轨迹模型. 根据煤矿生产特点, 粉尘源的位置可以归为三 类 :位于巷道断面中央 ;位于巷道一侧;位于巷道一 侧且发尘面积很小, 但是尘源的发尘面积大于巷道 断面面积的 1 /2 [ 15] .本文在数值模拟中将喷射源定 义为位于综掘工作面回风侧一处的组喷射源, 粉尘 颗粒 流数 量设为 20 个, 粒 径分 布符 合 Rosin-- Rammler分布 . 表 1 计算模型设定 Table1 Definingthecalculationmodel 计算模型 模型设定 求解器 非耦合求解法 湍流模型 k-ε 能量方程 关闭 离散相模型 打开 表 2 离散相模型设定 Table2 Definingthediscretephasemodel 离散相模型 模型设定 相间耦合频率 /步 1 5 计算步数 /步 20 000 时间步长 /s 0.01 阻力特征 球形颗粒 表 3 喷射源参数设定 Table3 Defininginjectionparameters 喷射源参数 参数设定 喷射源类型 组喷射 颗粒流数量 20 材质 高挥发性煤 粒径分布 Rosin-Rammler分布 最小颗粒直径 /m 1.85×10 -6 最大颗粒直径 /m 100×10 -6 分布指数 1.93 初始速度 /( m·s1 ) 0 质量流率 /( kg·s1 ) 全尘 0.006 表 4 边界条件设定 Table4 Definingboundaryconditions 边界条件 参数设定 入口边界类型 速度入口 入口速度 /(m·s-1 ) 10 水力直径 /m 0.8 相对湍流强度 /% 5.1 出口边界类型 出流 煤壁处离散相条件 捕获 煤壁处剪切条件 无滑移 湍流扩散类型 随机轨迹模型 湍流强度为 I=u′/u=0.16 ( ReH ) -1 /8 .其中, I 为湍流强度;u′、 u分别为湍流脉动速度与平均速 · 959·

。960 北京科技大学学报 第32卷 度，ms:R为按水力直径计算的雷诺数 3数值模拟结果及分析 各条件设置完毕后进行迭代计算，数值模拟结 果以PIOT或DISPLAY图像表示，并与相同条件下 应用压入式通风的模拟结果进行比较分析 3.1粉尘扩散模拟及结果分析 压入式通风粉尘扩散模拟结果如图3（马所示. 综掘工作面处由于离尘源较近，粉尘大量集中；由于 风流在工作面附近会产生涡旋，不利于粉尘沉降：随 着距离不断增大，扩散作用占据主导作用，粉尘逐渐 扩散到整个断面. 长压短抽式通风粉尘扩散模拟结果如图3(b 所示.吸风风流破坏了综掘工作面附近的涡旋作 用，粉尘扩散较为完全：由于强大的吸风作用，吸风 0.0014r E0.0012 红色一应用通风除尘系统前 风筒口位置的粉尘较为集中，而部分未被吸入风筒 00010 黑色一皮用通风除尘系统后 的粉尘则贴附于吸风风筒运动 g0.0008 0.0006 00004 200002 0 -80 60 -40 -20 位置m 图4粉尘质量浓度分布模拟结果（单位：k8T3).(号压入式 通风：（长压短抽式通风：(9综据工作面回风侧高L5m粉 尘质量浓度曲线 Fg4 Smulation results of dust mass concentation unit k r3)片（号aitpressngventilatop(by far pressing.nearabsorptin ventiltion (g dustmass concentratons at1.5m hh in the eum air sie of the fullym echan ized excavation face 长压短抽式通风粉尘质量浓度分布模拟结果如 图4(b所示.整个综掘巷道的粉尘质量浓度普遍 偏低，并无显著高质量浓度区域：由于受吸风风流的 影响，粉尘聚拢在吸风风筒口周围，导致质量浓度相 对较大，但在运动一定距离后即发生沉降，质量浓度 逐渐降低并趋于稳定. 综掘工作面回风侧高1.5粉尘质量浓度分布 图3粉尘扩散模拟结果（单位：k一3）.（压入式通风： 曲线如图4(9所示.从图中可以看出：对于压入式 (山长压短抽式通风 Fg3 Smultion ets of dust diffus知(unit k8m3片（两a证 通风（即图中红色曲线所示），回风侧高1.5m的粉 pressing ventil tiop (b farpressing.nea rabsoption ventilation 尘质量浓度初始值很大，达到了125×103k r3,在急剧下降至40×104km3后又迅速升 3.2粉尘质量浓度分布模拟及结果分析 压入式通风粉尘质量浓度分布模拟结果如 高至9.0X104km3以上，随后逐渐下降至20X 图4(9所示.综掘工作面进风侧的粉尘质量浓度 104k8m3左右（距工作面20m处），并趋于稳定； 较低，回风侧尘源位置及附近的粉尘质量浓度最大， 对于长压短抽式通风（即图中黑色曲线所示），回风 然后沿回风方向粉尘质量浓度逐渐减小，在达到一 侧高15m的粉尘质量浓度初始值降低到1.8× 定距离后，综掘巷道的粉尘质量浓度趋于稳定，不再 104k8nr3,随后下降至8.0×10k怒mr3(距工 发生明显变化 作面5m处)，其后缓慢下降至20×105kr3

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 度, m·s -1 ;ReH为按水力直径计算的雷诺数 . 3 数值模拟结果及分析 各条件设置完毕后进行迭代计算, 数值模拟结 果以 PLOT或 DISPLAY图像表示, 并与相同条件下 应用压入式通风的模拟结果进行比较分析 . 3.1 粉尘扩散模拟及结果分析 压入式通风粉尘扩散模拟结果如图 3( a)所示 . 综掘工作面处由于离尘源较近, 粉尘大量集中 ;由于 风流在工作面附近会产生涡旋, 不利于粉尘沉降;随 着距离不断增大, 扩散作用占据主导作用, 粉尘逐渐 扩散到整个断面 . 长压短抽式通风粉尘扩散模拟结果如图 3( b) 所示.吸风风流破坏了综掘工作面附近的涡旋作 用, 粉尘扩散较为完全 ;由于强大的吸风作用, 吸风 风筒口位置的粉尘较为集中, 而部分未被吸入风筒 的粉尘则贴附于吸风风筒运动 . 图 3 粉尘扩散模拟结果 (单位:kg· m-3 ) .( a) 压入式通风; ( b) 长压短抽式通风 Fig.3 Simulationresultsofdustdiffusion(unit:kg·m-3 ):( a) air￾pressingventilation;( b) far-pressing-near-absorptionventilation 3.2 粉尘质量浓度分布模拟及结果分析 压入式通风粉尘质量浓度分布模拟结果如 图 4( a)所示 .综掘工作面进风侧的粉尘质量浓度 较低, 回风侧尘源位置及附近的粉尘质量浓度最大, 然后沿回风方向粉尘质量浓度逐渐减小, 在达到一 定距离后, 综掘巷道的粉尘质量浓度趋于稳定, 不再 发生明显变化. 图 4 粉尘质量浓度分布模拟结果 (单位:kg·m-3 ) .( a) 压入式 通风;( b) 长压短抽式通风;( c) 综掘工作面回风侧高 1.5m粉 尘质量浓度曲线 Fig.4 Simulationresultsofdustmassconcentration( unit:kg· m-3 ) :( a) air-pressingventilation;( b) far-pressing-near-absorption ventilation;( c) dustmassconcentrationsat1.5mhighinthereturn airsideofthefullymechanizedexcavationface 长压短抽式通风粉尘质量浓度分布模拟结果如 图 4( b)所示.整个综掘巷道的粉尘质量浓度普遍 偏低, 并无显著高质量浓度区域;由于受吸风风流的 影响, 粉尘聚拢在吸风风筒口周围, 导致质量浓度相 对较大, 但在运动一定距离后即发生沉降, 质量浓度 逐渐降低并趋于稳定. 综掘工作面回风侧高 1.5 m粉尘质量浓度分布 曲线如图 4( c)所示 .从图中可以看出:对于压入式 通风 (即图中红色曲线所示 ), 回风侧高 1.5 m的粉 尘质量浓度初始值很大, 达到了 1.25 ×10 -3 kg· m -3 , 在急剧下降至 4.0 ×10 -4 kg·m -3后又迅速升 高至 9.0 ×10 -4 kg·m -3以上, 随后逐渐下降至 2.0 × 10 -4 kg·m -3左右 (距工作面 20m处 ), 并趋于稳定; 对于长压短抽式通风 (即图中黑色曲线所示 ), 回风 侧高 1.5 m的粉尘质量浓度初始值降低到 1.8 × 10 -4 kg·m -3 , 随后下降至 8.0 ×10 -5 kg·m -3 (距工 作面 5 m处 ), 其后缓慢下降至 2.0 ×10 -5 kg·m -3 · 960·

第8期 杜翠凤等：长压短抽式通风综掘工作面粉尘分布规律的数值模拟 ·961° (距工作面20m处)，并最终稳定在1.0×10k怒 后的粉尘质量浓度接近或达到《煤矿安全规程》规 m3左右，除尘效率可达到95%. 定的1.0X105ksm3标准. 4现场实验结果及分析 (3)长压短抽式通风通过吸风风流将粉尘抽 走，有效地破坏粉尘在综掘工作面的富集，能极大地 依照图1将通风除尘系统布置在丁5-6-22121 改善工人的工作环境，但引起的粉尘贴附吸风风筒 综掘巷道中，测尘点如图1中①⑧所示，其中①点 运动也值得重视. 距工作面15四其后各点按间距5m布置.采用滤 (4)长压短抽式通风粉尘质量浓度分布的数值 膜采样器对综掘工作面应用长抽短压通风除尘系统 模拟结果与现场实际情况基本一致，可见数值模拟 前后的粉尘质量浓度进行测量.每个测尘点均进行 方法具有一定的可靠性：而且与传统研究方法相比， 不少于三次的数据测定，并取平均值，整理后得到如 其具有成本低、风险小、速度快和流场可视化等优 图5所示的曲线. 点，因此可将数值模拟方法得到的结论作为粉尘控 000030 制研究的参考. 三000025 ■一应用通风除尘系统前 ◆应用通风除牢系忧后 参考文献 兰0.0020 [1]Sun M B Dong YX Study and application of dust poof techrop 是001s gy durng modemized mine cutting Saf Coal Mines 2004 35 0.0m010L (1):18 空00005上 (孙明波，董曰喜.现代化矿井采掘防尘技术的研究与应用. ◆ 煤矿安全，200435(1)：18) ①234568 [2]Sun BK An epdem ppgical survey ofpnemocmniosis during coal 测尘点 workers0pHa]6207,23(6):410 图5应用通风除尘系统前后的粉尘质量浓度曲线 (孙丙坤.某矿区煤工尘肺流行病学调查.职业与健康， Fg 5 Dust mass concentration bepre and after applying he far 2007.23(6):410) Pressing nearabsorption ventilation systm [3 Liao YK ZouX M Lin LX et al Superv ision on the Physical candition of248 coalmneswih Pnemoconiosis n Meihou City 计算各测点的除尘效率数据如表5所示.从 Ocap He路1M2005.21(1片1 表5中可知：①点位于掘进司机处，除尘效率可以达 (廖云开，邹兴梅，林立新，等梅州市248名煤尘肺工人体 到97%，而其他各测点的除尘效率均稳定在85% 质监护结果分析.职业与健康，200521(1)：1) Yang SI,Numnerical smultion of3-di ensonal dust distrbutin 以上. on png wall coal aoes Chna Saf Sci」200L,11(4片6l 表5使用除尘装置后各测点的除尘效率 (杨胜来.综采工作面粉尘运移和粉尘浓度三维分布的数值 Table5 Dust removal mtes after applying the dust removal device 模拟研究.中国安全科学学报，200111(4：61) 测点 ①②③④⑤⑥①⑧ 5] Jing ZA Wet Dust Techrokgy and its Applica tions Beijng Chin Coal Industry Publishing House 1999 除尘效率%970组589.485085.587.3887931 (蒋仲安.湿式除尘技术及其应用.北京：煤炭工业出版社， 1999) 将此结果与数值模拟结果比较，可以发现数值 [6]LiZ B Zhu CY Lu RZ et al Desgn and research about wet 模拟结果（即图4）中距工作面15m后的粉尘质量 ting dusproofsystm in driving face Coal 2007 16(1):15 浓度分布曲线基本符合现场实际情况，两者呈现相 (李志斌，朱长义，刘仁智，等.掘进工作面湿式除尘系统设 似规律性. 计研究.煤，2007.16(1)：15) Niu B I Chen YX Qu H J et al Expermentl sudy of dust 5结论 removal technobgy with combined ventilatin in heading face n GushuyuanMne Min SafEnvion Prot 2006 33(6):41 (1)长压短抽式通风与压入式通风相比，综掘 (牛保炉，陈颖兴，邱海江，等。古书院矿掘进工作面混合式 巷道的粉尘扩散更为完全，粉尘质量浓度普遍较低， 通风除尘技术的实验研究.矿业安全与环保200633(6)： 除尘效果更好. 41) X ingD X Pobing no bcation of rational exhausting and forced (2)压入式通风时，综掘工作面的初始粉尘质 ductmouh n combined ventilation Min SafEnviron Prot 2005 量浓度和稳定后的粉尘质量浓度都很大，并且变化 32(4):25 剧烈：应用长压短抽式通风后，综掘工作面的粉尘质 (幸大学。掘进混合式通风合理抽压风简口位置的探讨.矿业 量浓度大大降低，除尘效率达95%以上，并且稳定 安全与环保，200532(4)：25)

第 8期 杜翠凤等:长压短抽式通风综掘工作面粉尘分布规律的数值模拟 (距工作面 20 m处 ), 并最终稳定在 1.0 ×10 -5 kg· m -3左右, 除尘效率可达到 95%. 4 现场实验结果及分析 依照图 1将通风除尘系统布置在丁 5--6--22121 综掘巷道中, 测尘点如图 1中① ～ ⑧所示, 其中 ①点 距工作面 15 m, 其后各点按间距 5 m布置.采用滤 膜采样器对综掘工作面应用长抽短压通风除尘系统 前后的粉尘质量浓度进行测量 .每个测尘点均进行 不少于三次的数据测定, 并取平均值, 整理后得到如 图 5所示的曲线 . 图 5 应用通风除尘系统前后的粉尘质量浓度曲线 Fig.5 Dustmassconcentrationbeforeandafterapplyingthefar￾pressing-near-absorptionventilationsystem 计算各测点的除尘效率, 数据如表 5所示 .从 表 5中可知 :①点位于掘进司机处, 除尘效率可以达 到 97%, 而其他各测点的除尘效率均稳定在 85% 以上. 表 5 使用除尘装置后各测点的除尘效率 Table5 Dustremovalratesafterapplyingthedustremovaldevice 测点 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 除尘效率 /% 97.0 93.5 89.4 85.0 85.5 87.3 88.7 93.1 将此结果与数值模拟结果比较, 可以发现数值 模拟结果 (即图 4) 中距工作面 15 m后的粉尘质量 浓度分布曲线基本符合现场实际情况, 两者呈现相 似规律性. 5 结论 ( 1) 长压短抽式通风与压入式通风相比, 综掘 巷道的粉尘扩散更为完全, 粉尘质量浓度普遍较低, 除尘效果更好. ( 2) 压入式通风时, 综掘工作面的初始粉尘质 量浓度和稳定后的粉尘质量浓度都很大, 并且变化 剧烈;应用长压短抽式通风后, 综掘工作面的粉尘质 量浓度大大降低, 除尘效率达 95%以上, 并且稳定 后的粉尘质量浓度接近或达到 《煤矿安全规程 》规 定的 1.0 ×10 -5 kg·m -3标准. ( 3) 长压短抽式通风通过吸风风流将粉尘抽 走, 有效地破坏粉尘在综掘工作面的富集, 能极大地 改善工人的工作环境, 但引起的粉尘贴附吸风风筒 运动也值得重视. ( 4) 长压短抽式通风粉尘质量浓度分布的数值 模拟结果与现场实际情况基本一致, 可见数值模拟 方法具有一定的可靠性 ;而且与传统研究方法相比, 其具有成本低、风险小、速度快和流场可视化等优 点, 因此可将数值模拟方法得到的结论作为粉尘控 制研究的参考 . 参 考 文 献 [ 1] SunMB, DongYX.Studyandapplicationofdustprooftechnolo￾gyduringmodernizedminecutting.SafCoalMines, 2004, 35 ( 1 ) :18 (孙明波, 董曰喜.现代化矿井采掘防尘技术的研究与应用. 煤矿安全, 2004, 35 ( 1) :18) [ 2] SunBK.Anepidemiologicalsurveyofpneumoconiosisduringcoal workers.OccupHealth, 2007, 23( 6 ) :410 (孙丙坤.某矿区煤工尘肺流行病学调查.职业与健康, 2007, 23( 6 ) :410 ) [ 3] LiaoYK, ZouXM, LinLX, etal.Supervisiononthephysical conditionof248 coalminerswithpneumoconiosisinMeizhouCity. OccupHealth, 2005, 21( 1 ):1 (廖云开, 邹兴梅, 林立新, 等.梅州市 248名煤尘肺工人体 质监护结果分析.职业与健康, 2005, 21 ( 1) :1 ) [ 4] YangSL.Numericalsimulationof3-dimensionaldustdistribution onlongwallcoalfaces.ChinaSafSciJ, 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) [ 5] JiangZA.WetDustTechnologyanditsApplications.Beijing: ChinaCoalIndustryPublishingHouse, 1999 (蒋仲安.湿式除尘技术及其应用.北京:煤炭工业出版社, 1999) [ 6] LiZB, ZhuCY, LiuRZ, etal.Designandresearchaboutwet￾tingdustproofsystemindrivingface.Coal, 2007, 16( 1) :15 (李志斌, 朱长义, 刘仁智, 等.掘进工作面湿式除尘系统设 计研究.煤, 2007, 16( 1 ) :15 ) [ 7] NiuBL, ChenYX, QiuHJ, etal.Experimentalstudyofdust removaltechnologywithcombinedventilationinheadingfacein GushuyuanMine.MinSafEnvironProt, 2006, 33 ( 6) :41 (牛保炉, 陈颖兴, 邱海江, 等.古书院矿掘进工作面混合式 通风除尘技术的实验研究.矿业安全与环保, 2006, 33( 6 ): 41) [ 8] XingDX.Probingintolocationofrationalexhaustingandforced ductmouthincombinedventilation.MinSafEnvironProt, 2005, 32( 4 ) :25 (幸大学.掘进混合式通风合理抽压风筒口位置的探讨.矿业 安全与环保, 2005, 32 ( 4) :25) · 961·

。962 北京科技大学学报 第32卷 【身GuM Y Dust catching with waⅡattaching chmneys and wet dust (刘毅，蒋仲安，蔡卫，等。综采工作面粉尘运动规律的数值 catchers in unnels of conpwhensive unneling Shanxi Sci Techn 模拟.北京科技大学学报，200229(4)：351) 02008(3:128 【l3L和K J Shil XuX C Activities of dense panicl题swo (谷明彦.综掘巷道湿式除尘器配合附壁风简除尘的实践.山 Phase fbw modeling in EulerianLagrangian approach Chin J 西科技，2008(3：128) C0 n putMe吨2007242：166 10]ZhangZ XieZI Fuid solid wophase fow numerical smuk (刘向军，石磊，徐旭常.稠密气固两相流欧拉一拉格郎日 tin JChem nd Eng China 2001 52(1):1 法的研究现状.计算力学学报，200724(2)：166 (张政，谢灼利.流体一固体两相流的数值模拟.化工学报， [14 Zharg MX ChenH Y YanC P et a]Applicaton ofFIUENT 200152(1):1) code in dust collec tion field J JinanUni SciTechno]2006 20 11]WangX Z JingZA Wang SW.et al Numerical smultion (2片160 of distrbution egularities of dust ooncentraton durng the coal (张明星，陈海焱，颜翠平，等.FIUENT软件在除尘领域中 drift driving J China ConlSo 2007 32(4):386 的应用.济南大学学报：自然科学版。200620(2)：160) (王晓珍，蒋仲安，王善文，等。煤巷掘进过程中粉尘浓度分 15]Xu JD Zhau XQ The expermenalsudy on dust tanspont and 布规律的数值模拟.煤炭学报，2007,32(4片386) concent惯ti知distrbut知n airva心swith dust source JX angtan 12]Liu Y JiangZA Caiw.etal Expermentalstudy on dust dis Mnmt1999,14(21 trbution regulrit of fully mechanized mining faoe J Univ Sci (徐景德，周心权.有源巷道中粉尘运移与浓度分布规律的 TechnolBeiig 2007 29(4):351 实验研究.湘潭矿业学院学报，19994(2)：1)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 [ 9] GuMY.Dustcatchingwithwallattachingchimneysandwetdust catchersintunnelsofcomprehensivetunneling.ShanxiSciTechn￾ol, 2008( 3) :128 (谷明彦.综掘巷道湿式除尘器配合附壁风筒除尘的实践.山 西科技, 2008 ( 3) :128) [ 10] ZhangZ, XieZL.Fluid-solidtwo-phaseflownumericalsimula￾tion.JChemIndEngChina, 2001, 52( 1) :1 (张政, 谢灼利.流体 -固体两相流的数值模拟.化工学报, 2001, 52( 1) :1) [ 11] WangXZ, JiangZA, WangSW, etal.Numericalsimulation ofdistributionregularitiesofdustconcentrationduringthecoal driftdriving.JChinaCoalSoc, 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 ) [ 12] LiuY, JiangZA, CaiW, etal.Experimentalstudyondustdis￾tributionregularityoffullymechanizedminingface.JUnivSci TechnolBeijing, 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) [ 13] LiuXJ, ShiL, XuXC.Activitiesofdenseparticle-gastwo￾phaseflowmodelinginEulerian-Lagrangianapproach.ChinJ ComputMech, 2007, 24( 2) :166 (刘向军, 石磊, 徐旭常.稠密气固两相流欧拉 -拉格郎日 法的研究现状.计算力学学报, 2007, 24 ( 2) :166) [ 14] ZhangMX, ChenHY, YanCP, etal.ApplicationofFLUENT codeindustcollectionfield.JJinanUnivSciTechnol, 2006, 20 ( 2 ):160 (张明星, 陈海焱, 颜翠平, 等.FLUENT软件在除尘领域中 的应用.济南大学学报:自然科学版, 2006, 20( 2 ) :160 ) [ 15] XuJD, ZhouXQ.Theexperimentalstudyondusttransportand concentrationdistributioninairwayswithdustsource.JXiangtan MinInst, 1999, 14 ( 2 ):1 (徐景德, 周心权.有源巷道中粉尘运移与浓度分布规律的 实验研究.湘潭矿业学院学报, 1999, 14 ( 2) :1 ) · 962·