长压短抽通风系统风筒参数对除尘效率的影响

续英杰

（山西焦煤霍州煤电紫晟煤业，山西 霍州 031412）

煤矿开采中粉尘的产生和治理越来越难以控制，给井下人员的身体健康带来了威胁。高效率的粉尘治理主要在于通风系统的效率和除尘器粉尘处理的效率，煤矿通风系统不合理，采用的除尘器除尘率低下，粉尘量仍不能达到规定的指标要求，所以应围绕通风系统和除尘器进行研究，运用数值分析是研究除尘的常用方法。本文结合霍州煤电紫晟煤业掘进巷道实际通风系统参数，建立了长压短抽通风系统的实体模型，针对不同风筒参数进行模拟仿真研究，得出了各项通风参数对于巷道除尘效率的影响程度。

1 通风系统模型建立

数值模拟是对工程问题通过离散化有限元分析，将计算模型分块化，依靠对相关范围节点的模拟分析，接近于原有的连续空间，减小计算结果与实际水平的误差，本文采用ICEM软件建立长压短抽通风系统的巷道数值模型，并通过Fluent软件进行模拟仿真。

本文研究的巷道瓦斯相对涌出量为0.06m3/t，属于对开采安全影响较小的瓦斯含量，危险粉尘指数大于0.1，除尘措施不良极有可能引起爆炸事故，所以采用长压短抽的通风方式、掘进面长距离通风、短距离负压抽风来达到除尘目的。抽风筒和压风筒直径分别为0.8m和0.6m，抽风口和压风口距离掘进面分别为3m和8m，巷道高度和宽度分别为3.8m和5.9m。本文重点研究风筒参数的影响，所以可将模型进行简化，比如将掘进机建模省略，创建模型如图1所示。为了计算快速，网格划分采用四面体非结构化网格，加密风筒网格。

图1 长压短抽通风系统巷道模型

利用ICEM进行网格划分后将文件导入Fluent软件，设置求解过程，计算单向风流场迭代时间为30s，风流场平稳之后添加粉尘源，再完成耦合计算过程。针对模型可能存在的误差，假设巷道内是不可压流动，整个除尘过程是恒温状态，使用非稳态求解器来应对浮动物理量，根据实际情况采用湍流模型RNGk-ε，设置抽风量和压风量分别为580m3和740m3，算法采用SIMPLE算法，动能耗散情况为二阶迎风，残差设定为0.001，流场初始化后进行迭代，时间步长0.05s，每步最大200次。离散相采用DPM模型，将颗粒之间相互作用忽略，流场运行20s之后运行DPM，选择面射流源粉尘类型，粉尘粒径最大和最小分别为22.75μm和0.75μm，分布指数是2.68，质量流率0.005kg/m3，混合计算设定为50s。

2 风筒参数影响仿真

2.1 风筒出口距离掘进面的影响

吹风风筒和掘进面之间距离过短，可能会将其他粉尘吹入巷道，但距离过长又会风速过小影响除尘效果，所以对于风筒出口距离的设计需要进行不同参数的模拟仿真实验，通过Fluent软件对风筒出口与掘进面距离是7m、8m、9m和10m的模型进行仿真，得出作业人员呼吸位置、司机位置、进风位置和巷道中部的粉尘分布浓度（如图2所示）以及作业人员呼吸位置的沿线浓度分布对比（如图3所示）。

由图2、图3可以看出，吹风风筒与掘进面的距离为8m时，人员呼吸位置粉尘浓度以及扩散水平都要比其他三个方案低，巷道中部浓度最低，司机位置浓度也明显低于其他方案。

2.2 风筒出口距离底板的影响

按照以上分析方法，设定风筒与掘进面距离为8m，分别对风筒距底板不同高度进行模拟仿真，结果如图4、图5所示。

由图4可以看出，当吹风风筒出口与底板距离为2.2m时，各位置断面粉尘分布浓度均低于其他方案，由图5可以看出在与掘进面距离为5m位置粉尘浓度均较低，在5m之内，风筒距离底板2.2m的时候粉尘浓度较低，有利于井下作业人员呼吸。

2.3 长压短抽式通风除尘效果分析

图6为长压短抽式通风巷道中距地面3.5m和1.5m 截面内粉尘浓度分布的模拟分析图，从图中可以看出除掘进面附近回风侧粉尘居多外其他位置空气都较清洁，说明长压短抽式通风方式可以有效降低掘进工作面粉尘浓度。

图2 不同距离通风出口断面粉尘浓度对比

图3 不同距离通风出口人员呼吸位置沿线粉尘分布

3 结论

针对霍州煤电紫晟煤业井下掘进工作面粉尘问题展开研究，通过Fluent软件建立了长压短抽通风系统的几何模型，结合该矿实际情况和简化分析需要，设置了模型参数及边界条件，通过模拟分析，对比研究了不同风筒横向距离与纵向距离下的粉尘浓度分布情况，结果表明长压短抽通风系统风筒位置不同引起的粉尘分布变化情况也不同，针对该煤矿通风系统，当风筒距离掘进面8m、距离底板2.2m时，系统粉尘浓度最低，通风效率最高。通过仿真，提高了工作面巷道通风效果，为井下粉尘防治提供了参考依据。

图4 不同风筒高度的粉尘浓度分布

图5 不同距离通风出口人员呼吸位置沿线粉尘分布

图6 长压短抽式通风巷道内粉尘分布云图