长压短抽通风除尘巷道粉尘和风速的数值模拟

樊艳红; 康志武; 马乐; 刘志奇; 袁利才; 荔军; 张雷

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2500279

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (1) :103-111 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2500279

矿冶工程

长压短抽通风除尘巷道粉尘和风速的数值模拟

樊艳红 ¹ ,
康志武 ¹ ,
马乐 ² ,
刘志奇 ² ,
袁利才 ³ ,
荔军 ³ ,
张雷 ⁴

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Numerical Simulation of Dust and Wind Speed in Long Pressure Short Suction Ventilation Dust Removal Roadway

FAN Yan-hong ¹ ,
KANG Zhi-wu ¹ ,
MA Le ² ,
LIU Zhi-qi ² ,
YUAN Li-cai ³ ,
LI Jun ³ ,
ZHANG Lei ⁴

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摘要

煤矿掘进巷道中的粉尘污染是影响矿工健康和安全生产的重要因素。长压短抽通风系统在除尘、安全、节能和操作方面具有显著优势,是煤矿掘进巷道中常用的通风方式。为了优化煤矿掘进巷道中长压短抽通风除尘系统,求解雷诺平均 N-S 方程及k-ε湍流模型,应用FLUENT进行流场分析,通过数值模拟,分析了附壁风筒与迎头距离、不同径轴向出风比、压风量、抽风量及压抽比对粉尘浓度和分布的影响。结果表明:分风比8∶2、附壁风筒距工作面30 m、压抽比0.53时,通风除尘效果最优,粉尘影响最小,抽风口后方粉尘浓度不超过3.2 mg/m³,符合安全标准。研究结果可以有效地指导长压短抽通风系统在掘进巷道下的布置,改善巷道内掘进环境。

Abstract

Dust pollution in coal mine roadways is an important factor, which affects health and safety production of miners. The long-pressure and short-pulse ventilation system has significant advantages in dust removal, safety, energy saving and operation, and it is a commonly used ventilation method in coal mine roadways. In order to optimize the medium-long pressure short-shot ventilation and dust removal system of coal mine roadways, the Reynolds-averaged N-S equations and the k-ε turbulence model were solved by using FLUENT for flow field analysis. Through numerical simulation, the influence of the wall-attached air duct and the head-on distance, different the radial and axial air outlet ratio, pressure air volume, exhaust air volume and pressure pump ratio on dust concentration and distribution were analyzed. The results show that when the air duct is divided into 8∶2, the air duct is 30 m away from the working surface and the pressure pump ratio is 0.53, the ventilation and dust removal effect is the best, the dust influence is the smallest, and the dust concentration behind the air vent does not exceed 3.2 mg/m³, which meets safety standards. The research results can effectively guide the layout of long-pressure and short-shot ventilation systems under the excavation roadway and improve the excavation environment in the roadway.

Graphical abstract

关键词

长压短抽通风除尘 / 掘进 / 粉尘 / 附壁风筒

Key words

long pressure short suction ventilation dust removal / excavating / dust / wall attached air duct

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樊艳红, 康志武, 马乐, 刘志奇, 袁利才, 荔军, 张雷. 长压短抽通风除尘巷道粉尘和风速的数值模拟[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(1): 103-111 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500279

FAN Yan-hong, KANG Zhi-wu, MA Le, LIU Zhi-qi, YUAN Li-cai, LI Jun, ZHANG Lei. Numerical Simulation of Dust and Wind Speed in Long Pressure Short Suction Ventilation Dust Removal Roadway[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(1): 103-111 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500279

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近年来全球煤炭市场五大趋势不变,需求仍可能出现幅度增长,带动部分国内生产总值(gross domestic product,GDP)的增长^[1]。然而,各类井下安全事故频发,主要是因为煤炭的高额产量与掘进机的应用会产生大量粉尘^[2],工人在粉尘条件下长期工作会引发尘肺病(矽肺病)等疾病^[3],严重威胁职工身心安全与企业安全生产。因此,粉尘防控与治理^[4]不仅是保护人类健康和自然环境的基本需求,也是促进企业可持续发展的重要举措。

通风降尘技术^[5-10]是保障矿井安全和矿工健康的重要措施。因此,准确预测粉尘的浓度及其分布对除尘系统的设计至关重要。国内煤矿企业在长压短抽通风除尘系统的应用实践中取得显著成效:神东矿区^[11]31煤回风联络巷采用智能监控系统,实现压抽比动态调节和多参数实时监测;兰花宝欣煤矿^[12]通过优化附壁风筒参数,使得司机位粉尘浓度得到了有效控制;樟村煤矿^[13]则针对大风量工况开发了双压风筒混合通风方案,有效改善了综掘巷道作业环境。这些案例展示了该技术在不同矿井条件下的成功应用。乔金林等^[11]利用数值模拟分析了长压短抽除尘系统中有无控尘条件下,压抽比、风筒出风口与迎头距离、径轴向出风比等因素对粉尘的影响,其研究成果对现场实践具有重要的指导意义,但并未考虑附壁风筒距迎头距离的协同优化;郑磊^[14]利用数值模拟研究了附壁风筒对巷道流场的影响;张晓婷^[15]分析得出采用附壁风筒涡流控尘技术后,同传统的长压短抽除尘技术相比,降尘率提高到80%以上,但仅分析了附壁风筒距迎头距离变量。

现以长压短抽通风除尘巷道为研究对象,在前人研究基础上补充附壁风筒距迎头距离与其他参数耦合效应对粉尘分布的交互影响,通过数值模拟,求解雷诺平均 N-S 方程及k-ε湍流模型,应用FLUENT进行流场分析,分析不同径轴向出风比(以下简称为分风比)、附壁风筒与迎头距离、压风量、抽风量及压抽比对粉尘浓度和分布的影响,确定最优的巷道通风布局及其参数设置。以期在显著提升通风降尘效率的同时,为矿用巷道的粉尘控制提供坚实的科学依据和技术支持。

1 粉尘运动

1.1 粉尘颗粒的运动规律

粉尘颗粒在空气中运动主要是受到气流的推动作用,粉尘颗粒受力运动遵循的平衡微分方程满足牛顿第二定律,其形式为

(1)${{F}_{f}}+{{F}_{g}}+{{F}_{d}}+{{F}_{x}}={{m}_{p}}\frac{\text{d}{{U}_{\text{p}}}}{\text{d}t}$

式(1)中:F_f为粉尘颗粒受到的浮力,N;F_g为粉尘颗粒受到的重力,N;F_d为粉尘颗粒受到的阻力,N;F_x为粉尘颗粒受到的其他作用力,N;U_p为粉尘颗粒的运动速度,m/s;m_p为粉尘颗粒的质量,kg;t为时间,s。

1.2 黏性流体运动方程

由推导理想流体运动微分方程的方法,取流体质点为对象,推导质量力(重力)、惯性力、压强和黏性应力表示的运动微分方程式,即可得到不可压缩黏性流体的运动微分方程为

(2)$\rho \left( \frac{\partial u}{\partial t}+u\cdot \nabla u \right)=-\nabla p+\mu {{\nabla }^{2}}u+f$

式(2)中:u为速度向量场;t为时间;p为压力;f为作用在流体上的体积力;${{\nabla }^{2}}$为拉普拉斯算子,即

(3)${{\nabla }^{2}}=\frac{{{\partial }^{2}}}{\partial {{x}^{2}}}+\frac{{{\partial }^{2}}}{\partial {{y}^{2}}}+\frac{{{\partial }^{2}}}{\partial {{z}^{2}}}$

(4)$\nabla \cdot u=0$

一般地,将式(3)和式(4)连续性方程放在一起使用,这样便组成了不可压缩黏性流体的基本微分方程组。

2 巷道模型的建立与边界条件

2.1 工作面概况

根据某工程掘进巷道(图1)剖面建立模型,如图2所示,该巷道全长100 m,巷道断面为宽6 m、高4 m的类矩形巷道面,巷道中由掘进机(图3)、带有除尘设备的抽风筒和带有附壁风筒的压风筒组成。其中抽风筒的直径为800 mm,位于巷道左侧,距水平中心面高1 m,竖直中心轴2.4 m处。吸风口距离巷道工作面5 m,吸风风量为400 m³/min和600 m³/min。压风筒和附壁风筒的直径为1 000 mm,位于巷道右侧,距水平中心面高1 m,竖直中心轴-2.4 m处,压风口距离工作面的距离为8 m,压风筒的风量为320、460、620 m³/min;附壁风筒分风比分别为:2∶8、5∶5、8∶2。分风比与压风筒总风量的计算公式为

(5)$\left\{\begin{array}{l}R={Q}_{\mathrm{J}}/{Q}_{\mathrm{Z}}\\ Q={Q}_{\mathrm{J}}+{Q}_{\mathrm{Z}}\end{array}\right.$

式(5)中:R为分风比;Q为压风筒总风量;Q_J为径向出风量;Q_Z为轴向出风量。

2.2 模型及边界条件

2.2.1 几何模型的建立

结合实际情况,最终将巷道模型简化为长度65 m、宽6 m、高4 m的长方体;抽风风筒简化为直径为800 mm的圆柱体,长度35 m,置于巷道右上侧,距离地面高4 m,离壁面0.6 m的位置,吸风口距离巷道工作面5 m;压风筒简化为直径为1 000 mm的圆柱体,位于巷道左上侧,距离地面高度4 m,离壁面0.6 m的位置,压风口距离巷道工作面8 m,附壁风筒距离工作面分别为10、20、30 m(建立不同的3个模型);掘进机简化为长14 m、宽3.5 m、高2.8 m的长方体,处于巷道中心,前端位于距工作面2 m处。Z方向为掘进巷道的长度,Z=0距离巷道工作面50 m处,Y为巷道高度,X为巷道宽度。物理模型如图4所示,对物理模型进行网格划分,采用六面体为主导,四面体填充的方式,并且对于巷道中的压风口、抽风口处以及掘进机前端进行了局部加密。经网格质量检查显示,网格质量满足此物理模型的计算需求。

2.2.2 边界条件及参数设置

在不考虑风量的损失的前提下,根据不同的径轴分风比可以得到压风风筒中风速的平均速度分别为6.79、9.77、13.16 m/s。采用瞬态的计算方式,首先选取k-ε湍流模型稳态进行单项流场的计算,待流场稍稳定时采用瞬态计算并加入离散相模型(discrete phase model,DPM)^[16-18]进行耦合计算,每隔10 s记录一次粉尘颗粒状态,共记录50 s。

DPM采用双R分布,其他主要参数设定及粉尘颗粒参数设定如表1和表2所示。

根据表1和表2,数值模拟采用更为精准的二阶迎风格式^[19]、梯度选取格林高斯基于网格点(Green-Gauss node based)、压力选择PRESTO,以及SIMPLEC算法进行Fluent求解。

3 模拟结果分析

3.1 不同分风比及附壁风筒位置对粉尘颗粒浓度的影响

设定压风风筒总风量为320 m³/min,抽风风筒风量为400 m³/min,均于粉尘颗粒运动50 s时刻测量。

3.1.1 分风比为2∶8时的粉尘运移情况及浓度

由图5可得,在 2∶8的分风比下,改变附壁风筒的位置会对粉尘颗粒沉降产生较大的影响。当附壁风筒距离迎头10 m和20 m时,风流会在掘进机前端产生湍流和循环风,粉尘颗粒易沉降在掘进机前端以及被循环风带至压风口下方,且在附壁风筒的影响下,散乱的风流会把粉尘带向巷道后方,造成后方的二次污染;当附壁风筒距离迎头30 m时,附壁风筒对掘进机前端的影响减弱,但较快的风流将粉尘颗粒带向巷道后方,此时附壁风筒可有效阻挡粉尘向巷道后端扩散的趋势。

3.1.2 分风比为5∶5时的粉尘运移情况及浓度

由图6可得,在5∶5的分风比下,掘进机前端面上的平均粉尘浓度受附壁风筒的影响较大,随着附壁风筒距离的增加,粉尘容易堆积沉降在掘进机前端,不易被抽风机抽走。附壁风筒距离迎头10 m时,虽然掘进机前端几乎无粉尘颗粒,但是在经过抽风机风口后,平行的风流将绝大多数的粉尘颗粒带向抽风口一侧,由于后方没有附壁风筒的阻挡,粉尘会被风流带的更远,沉积在离抽风口更远的地方;附壁风筒距离迎头20 m时,风流速度相对减弱,因此有部分粉尘沉积在掘进机前端面行人道处,同时也有少量粉尘被带至离抽风口更远的地方;附壁风筒距离迎头30 m时,此时附壁风筒对于掘进机前端的影响几乎没有,所以大量粉尘被掘进机阻挡,沉积于此且压风口处出现循环风,会将粉尘带向压风口一侧。

3.1.3 分风比为8∶2时的粉尘运移情况及浓度

由图7~图9可得,随着粉尘颗粒的继续移动,附壁风筒位置的改变可以阻止粉尘颗粒向后扩散。在8∶2的分风比下,当附壁风筒距离迎头10 m时,粉尘被掘进机阻挡的程度最大,平均浓度为240 mg/m³,粉尘颗粒易沉降在掘进机上方,且有污染压风口一侧的趋势,在抽风口后方,掘进机行人道处的粉尘浓度平均为7 mg/m³;壁风筒距离迎头20 m时,粉尘颗粒在掘进机前端面的聚集程度减弱,平均浓度为62 mg/m³,且最高粉尘浓度出现在抽风口后方3 m处,说明粉尘易聚集沉降在该位置,此时最高浓度为240 mg/m³,而后方巷道粉尘浓度降低为3.2 mg/m³,达到安全标准;附壁风筒距离迎头30 m时,附壁风筒不会对掘进机前端面产生影响,而其送出的风,对粉尘起到一定的阻挡作用,将粉尘推向抽风口,粉尘浓度在抽风口处达到最高255 mg/m³,说明除尘效率较高,且抽风口后方3 m处的平均浓度降低为82 mg/m³,6 m处已降低到3.4 mg/m³,达到安全标准。

综上,分风比在8∶2时,巷道前端聚集沉降的粉尘颗粒相比其他分风比总体显著减少,这与乔金林等^[11]的研究结果一致,适当增加径轴分风比可使粉尘得到有效控制。因此,8∶2分风比为最优分风比。当附壁风筒距离迎头30 m,且分风比为8∶2时为此巷道最优布局,此时粉尘分布较密集,且后方安全范围更大。

3.2 最优附壁风筒位置下压、抽风量对粉尘浓度的影响

设置压风量为320、460、620 m³/min,抽风量为400 m³/min和600 m³/min,共计6种配比。均选择50 s时刻的测量结果做分析。不同压风量、抽风量下的压抽比如表3所示,不同压抽比时掘进机前端面浓度变化如图10所示,不同压抽比时粉尘浓度的变化如图11所示。

由图10(a)和图10(b)可得,当压风量一定时,增大抽风量使得粉尘更容易被抽风口捕获,抽尘效率更高,且巷道后方安全范围更广;由图10(a)、图10(c)和图10(e)可得,当抽风量一定时,仅增加压风总量对于掘进机前端面无影响,但会增加流场中各点的速度,加快粉尘流向抽风口,且由于抽风流量一定,粉尘不能及时捕获,使得粉尘在抽风口处的漩涡增大,粉尘发散。

由图10和图11可得,在不同压抽比的组合下,大部分的浓度均低于1 g/m³,压抽比为0.53下的粉尘聚集于距掘进机前端面后3 m左右位置,此处为吸风口处且平均浓度为0.8 g/m³,说明吸尘效率较好,粉尘较聚集对后端巷道及司机位置处的影响范围小;且在距掘进机前端面后6 m处时已降低到3.2 mg/m³,达到安全标准。

为了进一步验证本文研究的结果,将数值模拟实验结果与乔金林等^[11]的研究进行了对比。根据乔金林等^[11]的研究,司机位置及掘进机后方区域粉尘浓度降低至147.9 mg/m³;相比之下,本文研究中,当压风风量为320 m³/min,抽风风量为600 m³/min时,掘进机前端面的粉尘浓度显著降低至约100 mg/m³。这一结果表明,在较高的压抽风量比和更大的通风风量下,粉尘控制效果更佳。

4 结论

主要针对特定巷道特定情况下的通风除尘系统布局与通风参数设定进行了分析,得出了较为合理的配置方案,并结合实际情况给出了最佳选择。通过对巷道流场的分析,得出以下结论。

(1)当分风比为8∶2时,粉尘阻挡程度最低,平均浓度为60~240 mg/m³,粉尘分布较集中,抽风口抽尘效果好,掘进机两侧的安全范围较大,平均浓度为3 mg/m³,且不会污染后方。

(2)在8∶2分风比下,附壁风筒距离迎头20 m和30 m时,粉尘颗粒不易积聚在掘进机前端,掘进机前端平均粉尘浓度为75 mg/m³左右,且粉尘在抽风口后方两侧行人道的平均浓度最高为7 mg/m³达到安全标准。

(3)当分风比为8∶2,附壁风筒的位置距离巷道工作面为30 m,压抽比为0.53时,巷道中通风除尘效果最好,粉尘影响范围最小,抽风口后方浓度最高为3.2 mg/m³,符合安全标准,为该巷道最佳合理布局。为矿用巷道的粉尘控制提供了科学依据和技术支持。

(4)由于长压短抽通风除尘技术的自身局限性,因此未来应重点发展智能调控装备,实现多参数精准监控;建立分区技术标准,开发适应不同地质条件的定制化方案;通过多技术融合与参数量化调控,构建普适、高效除尘系统。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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