任志峰，李远知，武建君，王兵建，鲁忠良

（1.晋能控股煤业集团 轩岗煤电公司，山西 原平 034114；2.盘江精煤股份有限公司 土城矿，贵州 六盘水 553529；3.晋能控股煤业集团 装备制造中央机厂，山西 大同 037000；4.河南理工大学，河南 焦作 454003）

煤矿井下粉尘是矿井七大灾害之一，综采面内工作人员因长期接触煤尘，采煤机司机及工作面工作人员成为煤矿生产中易患尘肺病的受害群体，造成巨大经济损失和严重的社会影响[1-3]。根据《“健康中国2030”规划纲要》精神，依据《职业病防治法》，轩岗煤电公司刘家梁矿对2214综采工作面采煤机截割产尘治理进行试验。现场测试结果显示，采煤机割煤产尘是工作面第一大尘源，采煤机司机工作区域内粉尘浓度最高可达到5 000 mg/m3以上[4]，距离煤矿工人职业病防治的达标要求相差甚远，是采煤机司机易患尘肺病的决定原因。近年来，数值模拟计算成功地被应用于井下采掘工作面采掘机械附近风流流场分布的模拟，时训先、蒋仲安等[5]通过实验模拟工作面巷道分析得出综采工作面粉尘运动规律；周刚等[6]针对大采高综采面开展了呼吸性粉尘运移规律的数值模拟分析研究；Ting Ren,Zhongwei Wang等人[7]分析采掘工作面、煤仓顶部运输长廊中的风流场和煤尘行为，较传统分析方法更为直观、形象、易于理解。因此，应用fluent软件[8]的数值模拟方法进行分析，掌握刘家梁煤矿2214综采面截割产尘运移及分布。

1 综采工作面采煤机割煤时的产尘运移模型

1.1 模型及网格划分

粉尘靠气流运动而运动的，风流流动携带着粉尘进行运移。忽略了除重力外的其它力的作用，采煤机滚筒出来的粉尘是一次尘化气流作用，工作面的通风是二次尘化作用的气流，二次尘化作用的气流是粉尘运移的主体[9]，故假设通风气流为定常三维不可压缩黏性流动；工作面内设备众多且布置密集，风流呈现高湍流效应流动，是导致粉尘横向运移的主导因素，为充分考虑近壁面及湍流漩涡情况，选取RNG k-ε型湍流模型；利用Reynolds时均化的方法使湍流模型封闭，将通风的气流速度变量转化为时均分量和瞬时脉动量，展现湍流运动[10-12]。采煤机割煤时产尘在工作面内运动，属气固两相流问题，需考虑通风气流对粉尘颗粒运移的影响，着重分析相间耦合，选择离散相模型，在Euler坐标系下计算风流场获得其速度、压力、湍流动能等信息，在Lagrange坐标系下进行耦合计算，对颗粒进行积分，得到综采面粉尘运移及分布情况。

刘家梁矿2214综采面平均走向长560 m，平均倾斜长130 m，煤层厚度4.79～5.85 m，采用“U”型全负压通风。利用SolidWorks软件建立刘家梁矿2214综采面采煤机直行割煤至中部时的瞬态物理模型，模型总尺寸为60.00 m×4.32 m×3.50 m，根据不同网格划分技术特点，进行组合网格划分[13]，92%的网格其质量达到0.8以上，可较好的显示物理模型几何征，满足离散相计算要求。

1.2 主要边界条件设定

合理的边界条件能够防止流场发散，加速计算速度，同时保证计算结果的合理性，主要边界条件设置有入口风速及粉尘源。

1）入口风速。综采面实际风速受风流阻碍作用自机道、检修道、人行道依次减小，自顶底板向工作面中间区域风速不断增大[14-15]，为保证采煤机截割产尘点处空气流动状态与实际相符，在2214综采面采煤机上风侧25 m处机道、检修道、人行道内均匀取点，高度分别为1.5、2.0、2.5 m进行风速测量，并根据现场测量数据编制入口风速的Profile文件。

2）粉尘源。粉尘颗粒是数值模拟中主要观察及研究部分，其影响参数有质量流率、粉尘粒度、尘源初始速度等。根据采煤机落煤量、产尘量及粉尘飞扬量，可得采煤机截割产尘量为0.042 kg/m3。粉尘粒度不同，受力后运动行为表现出明显差异，其中Rosin-Rammler分布在工程上应用最为广泛，经验证明该模型适用于煤的自然破碎情况[16-19]，对2214综采工作面割煤工序粉尘分散度进行测定，2214工作面采煤机割煤工序分散度测定见表1，将粒径范围设定为1～100μm，粉尘粒度的中位径为8.75μm。

表1 2214工作面采煤机割煤工序分散度测定Table 1 Distribution of cutting coal in 2214 working face

采煤机滚筒为螺旋叶片结构，生产时高速旋转形成涡旋风流，将粉尘不断地甩向工作面空间，将涡旋风流在滚筒处的旋转线速度和轴向速度视为粉尘颗粒离开尘源的初始速度[17]，且为一次尘化气流速度。前后滚筒旋转方向不同，产生的涡旋风流切向速度相反，且同一滚筒不同位置的切向速度不同，故将滚筒简化为4个具有不同速度分量的粉尘源，以前滚筒为例，采煤机前滚筒尘源示意图如图1。图中：A、B、C、D为位于滚简处的4个喷射源；ν1为粉尘颗粒旋转线速度；ν2为粉尘颗粒轴向速度。

图1 采煤机前滚筒尘源示意图Fig.1 Dust source in front of shearer drum

2 采煤机割煤产生粉尘的数值模拟

2.1 采煤机割煤产生粉尘的运移分析

截割产尘离开滚筒后即一次气流与工作面通风的二次气流相扰动，同时存在横向运移及纵向运移，截割产尘运动轨迹俯视图如图2。

图2 截割产尘运动轨迹俯视图Fig.2 The top view of cutting dust particle lines

由图2可知，大部分集中在煤壁附近和机道空间运动，部分运移至检修道和人行道；对比图2（a）和图2（b），前、后滚筒产尘横向运移分布范围差异较大，后滚筒产尘短距离内无明显横向运移，但前滚筒产尘在机身范围内已经完成向采煤机司机工作区域及人行道空间的横向运移，其原因在于前滚筒割顶煤而后滚筒割底煤，前滚筒割煤下落高度较大，产尘受风流影响也较大，更易迅速横向运移至采煤机司机工作区域。

选取综采工作面采煤机附近各空间中心截面，分析截割产尘的浓度分布，各空间截割产尘粉尘浓度分布云图如图3。

图3 各空间截割产尘粉尘浓度分布云图Fig.3 Different sections of cutting dust concentration distribution from rib to gob

因采煤机对风流的阻碍作用，在机身前断面处出现风流分流及湍流效应加剧情况，前滚筒产尘在此处大量向采煤机司机工作区域运移，导致粉尘浓度急剧增高；至机身中部过程中风流分流及横向湍流效应减弱，粉尘纵向扩散加剧，且距尘源越远粉尘扩散范围越大，粉尘逐渐均匀分布于整个作业空间；一次气流与工作面通风的二次气流相扰动横向上逐渐减弱，呈现自煤壁向人行道空间粉尘浓度逐渐降低的趋势。

2.2 不同粒度的粉尘运移规律

综采面截割粉尘对工人患尘肺病的影响因素不仅与粉尘浓度较高有关，而且受粉尘粒度差异的影响。分散度高、细微粉尘所占比重大导致其长期漂浮于作业空间，使作业人员长时间接尘，大幅度增加尘肺病发病率。粒径10μm以上粉尘粒度越大粉尘沉降越快，而10μm以下粉尘粒度减小沉降速度急剧下降，尤其在采煤机机身附近，一次气流与工作面通风的二次气流作用流场复杂、湍流现象严重，粉尘既有横向运动又有纵向运动，很难表现出沉降趋势。

统计了前滚筒产尘在机身附近各空间不同粒径粉尘颗粒数量的比例，机身附近各空间不同粒径粉尘颗粒数量变化如图4。

图4 机身附近各空间不同粒径粉尘颗粒数量变化Fig.4 Proportion change of slight cutting dust particle in shearer vicinity

各粒径粉尘运移与分布情况如下：

1）受一次尘化气流作用割煤产生的涡旋风流将不同粒径粉尘以相同速度抛出，细微粉尘呈现横向运移现象。粒径越小的粉尘因其动能较小，受二次尘化气流影响较大，导致采煤机附近自煤壁至人行道空间细微粉尘数量急剧减小，大部分集中于煤壁及机道空间内，粒径<2μm、2～5μm、5～10μm的粉尘颗粒数量均超过70%。

2）粉尘在二次尘化气流作用下沿工作面运移，粉尘粒径与受湍流影响呈现的扩散趋势呈反比，细微粉尘离开尘源后逐渐扩散，沿程粒径<2μm、2～5 μm的粉尘所占比例均呈现升高趋势，说明扩散逐渐加剧，采煤机司机工作区域所占比重最高达到15%左右，危害即为严重。

3）细微粉尘在机身前端面至机身中心的运移过程中，机道及煤壁空间各粒径粉尘数量降幅均超过10%，因受湍流效应影响极难沉降，采煤机司机工作区域成为主要扩散空间；对比机道空间各粒径粉尘数量比重变化幅度，机身中心处降幅最大为15%，说明产尘点至机身中心为粉尘快速扩散区。

采煤机司机工作区域不同地点粉尘分散度变化如图5。可以看出：在前机身端面处粒径10μm以上粉尘所占比例较高，经快速扩散区后，粒径10μm以上粉尘比例迅速下降，粒径5μm以下粉尘比例快速上升，危害逐渐加剧；至后端面时粒径小于5 μm粉尘占比超过50%，其中粒径2μm以下致病重的粉尘占比超过20%，整体看来，粉尘分散度不断升高，治理难度逐渐加大。

图5 采煤机司机工作区域不同地点粉尘分散度变化Fig.5 Cutting dust dispersion change of different locations in shearer operator zone

3 粉尘浓度现场测量及对比

结合2214工作面现场实际，对检修道呼吸带高度粉尘浓度进行测量，选取前滚筒中心、前端面、机身中心、后端面、后滚筒中心及下风侧5～25 m等共10个测点，每个测点3个样本数据的平均值与数值模拟结果进行对比，检修道空间呼吸带高度粉尘浓度对比如图6。

图6 检修道空间呼吸带高度粉尘浓度对比Fig.6 Dust concentration comparison in sidewalk breathing zone

从图6可知，在机身前端面处，采煤机司机工作区域粉尘浓度迅速升高，至机身中心达到最大值，至后滚筒中心处粉尘浓度降至最低，浓度峰值影响范围较广；粉尘在采煤机后方沿程运动时，后滚筒截割产尘不断扩散，浓度逐渐升高。总体来看，采煤机机身附近粉尘浓度分布规律的数值模拟与现场实测结果的误差在可接受范围内，说明数值模拟2214综采工作面截割产尘形成的一次尘化气流在采煤机机身附近的运移一定程度上可以描述和代表现场实际。但是，在采煤机下风侧的现场实测粉尘浓度明显大于数值模拟结果，原因在于紧随采煤机后方的支架移架产尘运移的影响增大，而数值模拟中未考虑移架产尘。

4 结论

1）截割产尘离开尘源后主要沿着风流方向运移，同时存在横向运移。由于双滚筒采煤机割煤时都采用前滚筒割顶煤后滚筒割底煤的工艺，造成前滚筒割煤下落高度较后滚筒大，产尘受设备布置和强湍流风流的影响也较大，更易迅速横向运移至采煤机司机工作区域，应是粉尘控制的重点。

2）前滚筒产尘在机身前端面处迅速运移至工作面整个通风断面，在采煤机司机工作区域形成浓度峰值，且在向后滚筒运移过程中，不断向整顶底板方向运移，在机身附近完成从局部向整个工作面的运移扩散。

3）前滚筒产尘在机身附近运移时，10μm以下粉尘向采煤机司机工作区域运移现象明显，5μm以下致病粉尘运移现象严重，是导致采煤机司机易患尘肺病的重要因素。

4）工作面通风的二次气流是粉尘运移的主要能源，采取采煤机割煤处除尘是今后除尘的重中之重，即采用采煤机滚筒处的除尘可使滚筒的一次气流与工作面通风的二次气流分开，避免滚筒的一次气流与工作面通风的二次气流相互作用，又避免了工作面通风的二次气流将带到下风流的场所。