巷道水膜除尘技术除尘效果模拟*

黄欣

(陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 现代煤炭开采技术研究所，陕西 西安 710065)

摘要：为了有效控制巷道内煤尘的运移扩散，降低矿井煤尘危害，设计了巷道水膜除尘装置，通过水膜的吸附和阻挡作用达到净化风流的目的。同时根据铜川徐家沟煤矿530运输机巷内水膜实际布置情况，建立了数学模型，对该装置的除尘效果进行了模拟研究，结果表明：网帘孔径是影响除尘效果的关键因素，孔径越小，除尘效果越好，但对巷道内风阻的影响越大。因此，需根据巷道实际情况确定合理的孔径尺寸，针对实验巷道的实际情况，确定了最佳孔径为1.6 mm，水膜除尘装置对应除尘率高达94.9%，能够有效降低巷道内煤尘浓度，且水膜前后风速变化仅为0.042 m/s，对巷道内风阻变化影响较小。

关键词：巷道；煤尘；水膜除尘；数值模拟；孔径；风阻

0引言

煤尘危害一直是煤矿生产主要危害之一，特别是在高强度、高机械化开采的条件下，粉尘浓度越高、粒径越细，其造成的危害也越严重[1-2]。首先，煤尘微粒随呼吸系统进入作业人员体内，附着于肺部，引起尘肺病等一系列病变；其次，分布于井巷空间的高浓度粉尘存在爆炸危险性，危及井下作业人员的生命安全[3-5]。针对巷道距离长、尘源多等特点[6]，文中提出了水膜除尘技术控制巷道内粉尘的运移和扩散，并对其除尘效果进行了模拟研究。

1巷道水膜除尘装置设计

巷道空间内，上风侧风流携带尘源处煤尘运移扩散；同时，巷道底板及皮带运输机表面附着的煤尘又在风流作用下二次扬尘，逐渐扩散运移至整个巷道空间[7-8]。由于巷道空间内尘源较多，若从尘源着手控制煤尘扩散较为困难，因此，文中设计了一种水膜除尘装置，通过在巷道断面悬挂网帘，通过网帘顶部的喷淋装置，使网帘上不断形成水膜，伴随着水膜的形成-破裂-再形成的循环过程，阻挡吸附巷道风流内的煤尘。水膜除尘装置示意图如图1所示，该装置的关键为网帘孔径的大小，孔径过大，不易形成水膜，则不利于巷道降尘；孔径过小，水膜形成较多，虽能达到较佳的降尘效果，但对巷道内风速影响较大，无形中增加了巷道通风阻力。因此，需根据巷道实际情况选择合理的孔径尺寸。为了确定最佳网帘孔径，通过建立数学模型，通过数值计算确定最佳孔径，并对不同孔径除尘效果的模拟效果进行对比分析。

图1　封闭式水幕除尘装置示意图Fig.1　Sealed drencher dust-collecting equipment

2数学模型的建立

2.1　基本假设

考虑到工程实际问题的复杂性，建立数学模型时，需做一定条件的假设，以便较使所建模型较好的反映需解决问题的关键点[8]

1)视颗粒相为连续介质；

2)视气流为定常流动；

3)视煤尘颗粒为规则形状颗粒。

2.2　气-固两相流数学模型

2.2.1空气场

空气场采用k-ε湍流模型，其数学模型如下[9]

(1)

动量方程-μ·U+U·.

(2)

式中U为风流速度，m/s； μ为空气动力粘滞系数，Pa·s；ρ为空气密度，kg/m3；P为大气压强，Pa；F为体积力，N.

2.2.2浓度场

视煤尘颗粒为连续介质，其浓度扩散方程为[10]

(3)

(4)

式中C为煤尘浓度，mg/m3；U为巷道断面风速，m/s；Ex为煤尘弥散系数；Jxi为煤尘所受阻滞力，N；α为井巷摩擦阻力系数；D为巷道断面宽度，m.

2.2.3通风阻力

气流在巷道内运动过程中，受巷帮、构筑物等阻滞作用下会产生能量损失，即通风阻力。在巷道内加设水膜除尘装置后，水膜装置也会对风流产生通风阻力，计算式如下[11]

(5)

(6)

(7)

S1v1=S2v2.

(8)

式中h1为局部通风阻力，Pa；S1为巷道有效断面面积，m2；S2为巷道断面面积，m2；d为网帘孔径，m；dL为网帘线宽，m；v1为网帘断面风速，m/s；v2为巷道断面风速，m/s．

2.2.4煤尘所受水膜阻力

水膜除尘装置主要通过所形成水膜的阻滞作用净化风流中的煤尘。而水膜的阻滞作用主要受水膜与网帘之间的表面张力所决定，因此，煤尘所受水膜阻力计算公式为

F阻=FL-Fσ,

(9)

其中Fσ=σ·d.

(10)

式中FL为水膜临界表面张力，N；Fσ为水膜表面张力，N；σ为水膜表面张力系数，N/m.

2.3　边界条件和初始条件

2.3.1边界条件

为了求得所建模型的最优解，根据井下条件及模型假设条件，确定边界条件

1)在巷道边壁气体相和颗粒相的速度均满足无滑移条件。

u|边=v|边=0，

(11)

2)在流场入口边界，给出各参数(速度、压力、煤尘浓度等)的平均值。

(12)

3)在出口边界上，给出各参数(速度、压力、煤尘浓度等)的平均值。

P|出=P.

(13)

2.3.2初始条件

定常流动时不给初始条件。

3水膜除尘效果模拟研究

3.1　几何模型的建立

以陕煤铜川徐家沟煤矿主要输煤巷道为例，根据该巷道实际情况建立模型并进行模拟研究。其具体几何参数为：选取30m水平输煤巷道为研究对象，巷道内设置一条输送皮带，输送带到巷道顶板约1.5m，巷道断面积为9m2，水膜除尘装置安装在巷道入口后方25m处，巷道入口处风速为0.63m/s.几何模型如图2所示。

图2　几何模型Fig.2　Geometric model

3.2　水膜除尘模拟结果分析

水膜除尘效果的好坏主要取决于网帘孔径，将式(5)与式(10)联立求得最优解，得出当网帘孔径为1.6 mm时，既能达到较好的除尘效果，同时对巷道风阻影响也最小。因此，首先模拟网帘孔径为1.6 mm时巷道内风速及粉尘浓度变化情况。

图3　巷道内水膜前后风速分布云图Fig.3　Distribution of water film backward-forward wind speed in tunnels interior

图4　距皮带垂距1 m水平方向上风速变化曲线Fig.4　Variation curve of wind speed in thehorizontal direction of distancingbelt perpendicular distance 1 m

由图4可知，巷道测点上风侧25 m位置处悬挂水膜，在悬挂水膜后，水膜前后风速发生了相应变化。提取软件内部数据，水膜前风速最大值为0.638 m/s，水膜后风速为0.596 m/s，降低了0.042 m/s，风速降低百分比为6.58%.由此可知，水膜对巷道风速影响较小。

图5　巷道内水膜前后煤尘体积质量分布云图Fig.5　Distribution of water film backward-forwardcoal dust concentration in tunnels interior

图6　距皮带垂距1 m水平方向上煤尘体积质量变化曲线Fig.6　Variation curve of coal dust concentration inthe horizontal direction of distancingbelt perpendicular distance 1 m

由图6可知，悬挂水膜后，煤尘得到了有效控制，网帘后煤尘体积质量大大降低。网帘后方煤尘体积质量为2.867 mg/m3，而网帘前方煤尘体积质量最大值为56.544 mg/m3，煤尘体积质量降低了94.9%.由此可知，水膜能够有效降低巷道内煤尘。

3.3　不同孔径网帘除尘效果模拟研究

为了考察不同网帘孔径下水膜除尘装置的除尘效果及水膜前后风速变化情况，本节以运输巷道水膜除尘装置为例，分别模拟了网帘孔径为1，1.6，2 mm情况下，水膜前后煤尘体积质量变化曲线及水膜前后风速变化曲线如图7,8所示。

图7　不同孔径条件下水膜前后煤尘体积质量变化曲线Fig.7　Variation curve of coal dust concentrationof water film backward-forward underdifferent aperture conditions

图8　不同孔径条件下水膜前后风速变化曲线Fig.8　Variation curve of wind speed of waterfilm backward-forward underdifferent aperture conditions

由图7可知，网帘孔径越小，水膜对煤尘的阻滞作用就越明显，除尘效果越好。由图8可知，帘孔径的减小，水膜前后风速变化越大，即所形成风阻越大。提取软件内部数据，网帘孔径分别为1，1.6，2 mm的水膜除尘后粉尘体积质量对应为2.429，2.967，3.305 mg/m3，而水膜后风速分别减小了0.178，0.042，0.022 m/s.由此可知，随着网帘孔径的递减，煤尘体积质量变化梯度为0.438 mg/m3，但是当网帘孔径由1.6 mm降至1 mm时，水膜后风速变化较大，降低了0.178 m/s，表明此时除尘效果虽得到一定程度的提升，但对巷道风速影响较大，不宜继续减小网帘孔径。

4结论

1)输煤巷道内煤尘颗粒随着风流在巷道中逐渐扩散开来，且颗粒分布在整个巷道中逐渐变得均匀，即气-固两相流由开始的非均质流向均质流转化；

2)经模拟分析可知，水膜除尘装置能够有效降低巷道内煤尘体积质量，且该装置对巷道内风阻影响较小，具有广泛的推广应用价值；

3)不同孔径的网帘对成膜率、除尘效果及巷道风速均有影响。随着网帘孔径的减小，水膜后煤尘体积质量呈递减趋势，但网帘孔径不易过小，否则会引起较大风阻变化，影响正常通风。因此，应根据巷道实际情况确定合理的网帘孔径，既达到较高的除尘效果，又不影响巷道内正常通风。

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本刊入选RCCSE中国核心学术期刊

近日，收到武汉大学中国科学评价研究中心通知，我校《西安科技大学学报》(自然科学版)在第四届《中国学术期刊评价研究报告(武汉大学版)2015—2016》中，被评为“RCCSE中国核心学术期刊(A)”(简称RCCSE)。《中国学术期刊评价研究报告(武汉大学版)2015—2016》是中国科学评价研究中心和武汉大学图书馆等单位研发(由科学出版社出版发行)，是国内外最重要的中国学术期刊分类分级排行榜与权威期刊、核心期刊指南之一。

Effect simulation of water film dust removal in tunnel

HUANG Xin

(ModernCoalMiningInstituteofTechnology，ShaanxiCoalChemicalIndustryTechnology

ResearchInstituteCo.，Ltd.，Xi’an710065China)

Abstract：In order to effectively control the diffusion of roadway dust and reduce the hazards of mine coal dust，the author has designed a water film dust removal device.Utilize the adsorbed and blocking effect of the water film to purify the wind flow.According to actual situation of Xujiagou-Tongchuan coal mine roadway 530，establishing a mathematical model.Study on the dust collector effect of the device by a simulation.The simulation results show that：The pore size of the net curtain is a key factoraffecting the dedusting effect.The smaller the aperture，the better dust removal.But，the drag of roadway is greater.So，determine areasonable aperture size by the actual situation.According to experimental roadway，the best aperture is 1.6 mm.And the dust removal rate is 94.9%.The concentration of coal dust in the roadway is reduce effectively.And the change of wind speed is only 0.042 m/s.The drag of the roadway has less impact.

Key words：roadway；coal dust；water film dust removal；numerical simulation；pore size；wind resistance

中图分类号：TD 714

文献标志码：A

作者简介：黄欣(1987-)，女，新疆克拉玛依人，硕士，助理工程师，E-mail：huangxin@sxccti.com

收稿日期：*2015-12-12责任编辑：刘洁

文章编号：1672-9315(2016)01-0055-05

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0109