综掘面压抽组合式通风参数优化研究.pdf
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1、综掘面压抽组合式通风参数优化研究张凯铭1,贾雄伟1,张强2,马胜利2(1.西安交通工程学院 机械工程学院,陕西 西安 7 1 0 3 0 0;2.西安科技大学 机械工程学院,陕西 西安 7 1 0 0 5 4)摘 要:为改善煤矿综掘面粉尘问题,根据气固两相流理论,建立综掘面两相流瞬态模型,对压抽组合式通风方式下综掘面粉尘扩散过程进行分析,研究了压抽风口安装位置、压抽比对综掘面粉尘分布规律的影响。研究结果表明:当压风口距工作面距离为1 4m、抽风口距工作面为5m、压抽比为1.1 5时,粉尘扩散距离最短,巷道后方粉尘浓度明显降低,实验与仿真均表明,在该最佳参数运行的压抽组合式通风相较优化前能显著降
2、低回风侧和司机位置粉尘浓度及粉尘扩散距离。关键词:综掘工作面;压抽混合式通风;气 固两相流;粉尘场参数优化0 前言2 1世纪以来,随着我国煤炭行业不断发展以及机械化装备技术水平的提高,产煤效率提高的同时煤矿粉尘问题也日益严重13。而综掘面是煤矿井下主要的产尘地,在没有任何防尘、降尘措施的情况下,综掘面粉尘浓度可高达3 0 0 0 5 0 0 0m g/m34。为改善煤矿综掘面粉尘问题,本文以玉华矿2 4 1 0综掘面为研究对象,运用F l u e n t软件对产尘源变化下压、抽组合通风时粉尘运移分布规律进行了模拟研究,得到了该通风方式下粉尘场最优的参数配比,从而提高综掘面的除尘效率,为井下施工
3、提供一定的技术指导。1 综掘面概况及模型的建立1.1 粉尘场数学模型由于粉尘颗粒的体积分数比较小,粉尘之间的相互作用力通常可忽略不计5,采用D P M离散相模型求解粉尘颗粒的微分方程67。粉尘的平衡方程如下:dupdt=FD(u-up)+gx(p-)p+Fx(1)FD=12CDu-upu-up d2p(2)式中,up为粉尘粒子的运动速度,m/s;dupdt为粉尘惯性力;FD(u-up)为粉尘粒子的单位质量曳力,N/k g;u为气相速度,m/s;p为粉尘粒子的密度,k g/m3;Fx为其他作用力;CD为阻力系数;dp为粉尘粒子的直径,m。1.2 几何模型的建立以玉华矿2 4 1 0综掘面为研究对
4、象,采用自下而上弓形截割方式,属半煤岩巷道,普氏系数较高,产尘 量 大。现 场 采 用 压 抽 混 合 式 通 风,利 用S o l i d w o r k s软件建立综掘面物理模型,对巷道进行适当简化,如图1所示。巷道模型尺寸长为5 0m,宽为4.4m,高为3.6m。压风筒直径为1m,抽风筒直径为0.8m。图1 综掘面物理模型2 数值模拟分析2.1 网格划分本文采用非结构化网格,如图2所示,利用W o r k b e n c hm e s h进行网格划分8,设置网格尺寸值为0.2m,增长率为1.0 1,曲率法向角为1 2,缺省尺寸0.1m,网格数为9 6.2万个。图2 网格划分2.2 模型参
5、数及边界条件设定对风流进行稳态计算,对粉尘采用瞬态和稳态结合的计算方法91 0。当风流场计算稳定后,依据I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3截割方式对粉尘场采用瞬态计算,迎头面截割头处为产尘源,设置其为离散相面喷射源,根据采样粉尘粒径分析结果,定义材料为中挥发煤粉,具体参数见表1。设置风幕出口、压风口和抽风口均为速度入口,巷道末端出口流动符合完全发展条件故设置为O u t f l o w
6、,其他面设置为无滑移的固壁边界,其余参数见表1、表2。表1 计算模型设定计算模型设定S o l v e r风场S t e a d y,粉尘场T r a n s i e n tA b s o l u t eV e l o c i t yG r a v i t y(y=-9.8 1m/s2)V i s c o u sM o d e lR e a l i z a b l ek-N e a r-w a l lT r e a t m e n tS t a n d a r dW a l l F u n c t i o n sD i s c r e t eP h a s eM o d e lO nE n e
7、 r g yE q u a t i o nO f f表2 离散相粉尘场主要参数设置离散相材料最大粒径/m最小粒径/m中径/m质量流率/(k g/s)分布指数C o a l-m v 3.6 1 e-0 7 2.6 7 e-0 46.1 e-0 50.0 0 7 21.8 22.3 尘源动态变化下的粉尘运移规律根据前面所建立的综掘面物理模型,引入动态粉尘颗粒作为离散相,形成耦合流场进行数值模拟。得到不同时刻下粉尘扩散的仿真结果,进行后处理分析,图3为尘源动态变化下粉尘颗粒在巷道中的扩散情况,图4为粉尘颗粒随时间变化的扩散距离曲线。图3 不同时刻的粉尘扩散分布粉尘扩散速度随产尘点距离增加而衰减,掘进
8、开始3s内粉尘迅速扩散至掘进机附近,8 0s后粉尘基本蔓延至整个巷道;粉尘在风流的带动下,一部分进入抽风筒,一部分进入综掘机上方的涡流场,随风流向巷道后方扩散。t=3s时,受压风口高速射流的影响,粉尘迅速扩散至掘进机附近。t=1 0s时,一部分粉尘受涡流场边界气流的影响,在掘进机附近聚 集,形 成 粉 尘 聚 集 区,局 部 粉 尘 浓 度 达 到7 6 0m g/m3,另一部分快速向回风侧扩散。t=2 0s时,部分粉尘从掘进机前方涡流场的约束下释放,此时粉尘扩散距离接近2 5m。t=5 0 s时,粉尘扩散到距工作面4 0m左右,此时粉尘受风机出口高速气流的影响,驱动粉尘快速扩散,使得粉尘的扩
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