王德强 ，滕海旭 ，王明钦 ，刘正军 ，桂长庚 ，曹 帅 ，李世航

（1.兖矿能源集团股份有限公司 东滩煤矿，山东 邹城 273512；2.中国矿业大学 低碳能源与动力工程学院，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 碳中和研究院，江苏 徐州 221008；4.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116）

提升井作为煤炭从井下进入地面的首站，是连接井上、井下的关键场所，承担着提升煤炭的作用，是煤炭生产过程中的关键一环，也被称作煤矿生产过程中的“咽喉要道”[1-8]。煤炭开采量的持续增加使煤矿提升井的提升量也同步上升，箕斗卸煤过程造成井塔内的粉尘浓度迅速增加。

主提升井自身独特的结构造成粉尘在井塔内大量扩散，高浓度的粉尘颗粒会随着气流迁移至井塔外，对环境造成污染。粉尘作为矿井的“六害”之一，工人长期在高浓度的粉尘环境下工作会诱发严重的职业尘肺病[9-10]。残留在井塔内部的粉尘不仅会对在井塔内工人的身心健康造成严重的损害，还会对井塔内的精密机械设备及电气设备造成严重磨损，甚至会导致提升装置的停运，影响煤矿的安全生产[11-13]。

东滩煤矿是山东能源集团的设计年产400 万t的特大型现代化矿井，位于兖州煤田中部的东面。东滩煤矿主井标高49 m，井深垂直710 m，安装2 台同型号的塔式摩擦轮提升机，提升速度最大为14 m/s，箕斗设计容量为18 t。提升井井塔的通风方式为混合式通风，井塔俯视图呈现“回”字形。

为研究井塔内部的粉尘扩散规律，解决井塔内的粉尘污染问题，对东滩煤矿主提升井的主体结构进行几何简化，分析粉尘的悬浮及沉积特点，为分类治理井塔内的粉尘污染提供了理论依据。

1 研究方法

1.1 几何模型

对东滩矿提升井井塔尺寸进行结构简化，按照现场尺寸建立了几何模型，并构建计算网格，网格划分前后物理模型如图1。井塔共10 层，总高度为49 m。

图1 网格划分前后物理模型Fig.1 Physical model before and after grid division

塔内中间区域有箕斗通道在1～7 层之间运动；8～10 层的中心区域有2 个缆绳通道。楼层高4 m，宽8 m，其中7～8 层长8 m，其余楼层长10 m；运煤箕斗卸煤时位于3、4 层之间，箕斗可以最高可以运动至7 层，箕斗通道长宽分别为正常工作时箕斗底面距离地面约10.5 m，箕斗依靠提升机利用钢丝绳将箕斗从井下提升至井塔，其中钢丝绳在井塔内的通道长宽皆为1 m，箕斗通道的长宽为6 m 和5 m；将卸煤口视为尘源，位于3 楼几何中心两侧。塔内通风方式为混合式通风，进回风口均位于8 层，进风口位于8 层的北侧、回风口位于南侧。进、回风口长宽分别为4 m 和2 m。井塔数值计算参数见表1。

表1 井塔数值计算参数Table 1 Numerical calculation parameters of hoisting shaft

1.2 数学模型

气固两相运动基于下列假设的前提进行：①假设尘粒的形状为球形；②模拟中忽略了传热传质；③考虑了耦合两相流与相间交换项。

当流体改变颗粒运动状态的同时，颗粒也会与流体产生动量交换，进而影响流体的运动状态。

考虑到井塔内的粉尘占比，粉尘属于稀相，因此将空气视作连续相，粉尘视作离散相，采用欧拉-拉朗日方法建立主井井塔内两相流数学模型，采用CFD-DPM 模型，同时考虑相间耦合作用，忽略粉尘颗粒之间的碰撞。粉尘颗粒在流场中受到的力有很多，例如马格努斯旋转提升力、萨夫曼剪切提升力、压力梯度力、热作用力、虚拟质量力。由于不考虑传热，而粉尘颗粒占比小，主要分析粉尘受到的曳力和重力，其他力忽略。

对于定常不可压缩的气相，其连续性与动量守恒方程如下：

2 结果与讨论

式中： ρ为气相密度，kg/m3；t为时间，s；u为气体速度，m/s；i为张量符号，取1，2，3；p为气相压力，Pa；xi为x、y、z方向的坐标，m；F为连续相与离散相的相互作用力，N。

采用的Realizablek-ε模型为：

式中：Gk为由平均运动速度梯度引起的紊流流动能生成项；C1、C2为常数；k为单位质量的湍流动能，J/kg；ε为湍流动能的耗散速度，m2/s3；Γk、Γε分别为k方程和ε方程的有效扩散系数；Sε为源项；ν 为运动黏度。

采用拉格朗日法求解粉尘运动轨迹，主要考察曳力与重力作用，根据牛顿第二定律可知：

式中：up为粉尘颗粒的速度，m/s；mp为粉尘颗粒的质量，kg；FD为粉尘颗粒受到的曳力，N；Fg为粉尘颗粒的重力，N；dp为粉尘颗粒的直径，m；CD为阻力系数；a1、a2、a3为常数；Re为雷诺准则数。

采用伯努利方程研究井塔内部气流压力的沿程变化，方程如下：

式中：g为重力加速度，m/s2；h为高度，m。

2.1 井塔内气流速度变化

由于粉尘主要受到气流曳力的作用，因此分析井塔内重点楼层内的气流变化至关重要。不同楼层内气流矢量场分布如图2。

图2 不同楼层内气流矢量场分布Fig.2 Distribution of airflow vector in different floors

1 层为东滩矿配电室所在位置，也是运转工区维修工人进入最频繁的区域之一；但是根据现场观测，地面粉尘的沉积仅次于3 楼卸煤区域。由图2（a）可知，1 楼区域内的速度最大可达0.5 m/s，速度最大区域位于井塔中心区域，即井塔箕斗运动区域。

井下含尘气流被箕斗及钢丝绳扰动向上运动，在进入1 层后流通面积与环境压力发生剧烈变化，导致箕斗通道以外的区域气流运动轨迹显著变化。在该区域内，部分气流离开主流向井塔墙壁四周方向运动，气流运动方向开始向下偏移，当气流遇到壁面后，大部分气流沿着墙面法线方向反射回主流中，少部分气流会在井塔内形成漩涡。

由图2（b）可知，当气流流入3 楼后，气流矢量场变得更加紊乱。这是由于3 楼箕斗在卸煤过程中产生的气流与井塔底层气流互相融合，不同含尘率的气流发生摩擦使卸煤区域内的气流速度减小，而井塔中心区域内的气流速度小幅增加。而此时产生气流漩涡的区域不仅像1 楼局限于墙壁拐角处，在井塔中心区域也会产生涡流现象。

由图2（c）可知，当箕斗在3 楼卸煤时，此时箕斗的顶端到达井塔6 楼处，与3 楼相比，气流运动变得更加平稳，说明此时气流的扰动能力变弱；6 楼的气流运动速度开始下降，此时相较于3 楼下降了20%以上，卸煤区域一侧的气流速度方向大部分向下。

进回风口位于井塔8 楼，因此8 楼的气流矢量场与其他楼层明显不同。由图2（d）可知，气流的速度核心已经不再位于井塔中心，与其他楼层相比，8 楼整个楼层内的气流运动最紊乱。进风口和从井塔底层流入的气流发生碰撞，根伯努利方程，从底部流进井塔上层的气流速度会进一步衰减，而进风口的气流速度比井塔下方气流速度大，因此8 楼内的气流速度方向大部向出风口偏移。

2.2 井塔内压力变化

井塔内的压力与大气压力基本持平，以进风口所在区域为分界面，8 层及其以上区域内的静压低于大气压力，维持着一种微负压状态。井塔中心截面压力分布如图3。井塔内的静压大小可以反映该区域对粉尘的携带能力，静压越小，说明该空间气流的运动阻力减小[14]，对粉尘的携带能力越强。因此，从图3 可以观察出，从静压角度，8楼及以上楼层区域内的粉尘较7 层及以下区域更易从相应楼层内的窗户飘出井塔。

图3 井塔中心截面压力分布Fig.3 Diagrams in the center section of hoisting shaft

井塔内的动压主要与井塔内气流的运动速度有关，根据上节速度矢量图可知，在7 层及以下楼层内的最大速度仅为0.5 m/s 左右，因此该区域内的动压较小，在7 楼与8 楼之间的缆绳通道内，由于流通面积突然减小，气流运动的流动速度会突然增大，因而，该区域内动压也会显著增加。动压越大，气流的运动速度也就越大，对粉尘的携带能力也就越强。由此可见，从动压角度，8 楼区域内的粉尘较其他楼层也更容易流出井塔。由上述分析可知，在井塔内流通阻力小的区域内，气流的运动能力会明显提升，也就是说环境内的静压减小与动压增加对粉尘的运动是促进的，这也与伯努利定律相符合（图3（b））。

全压力梯度是气流运动的主要动力来源[15]，决定了气流的运动方向。由图3（c）可知，整个井塔的压力呈现出底部压力较大，楼层高的区域内压力较小，因此井塔内的气流主流流动方向从下向上，将大量粉尘携带至井塔顶部楼层。所以井塔内的气流对粉尘的携带能力与流动方向应该从静压、动压以及全压这3 种因素来分析。

2.3 井塔内粉尘浓度变化

为了降低井塔内的粉尘浓度，试图在不加装任何设备的前提下，仅通过改变井塔内混合式通风的通风参数来研究其对井塔内粉尘浓度的影响。不同送风速度下测线粉尘浓度变化如图4。

图4 不同送风速度下测线粉尘浓度变化Fig.4 Dust concentration on the measuring line under different air supply velocities

在井塔内部卸煤侧取1 条测线，从3 楼卸煤处到6 楼顶板处，通过改变井塔进风口的气流速度来判断进口气流速度对粉尘浓度的影响。在卸煤时刻，3 楼的粉尘浓度依然最大，送风速度无法改变粉尘浓度沿高度方向的变化趋势，但是可以改变粉尘浓度的大小。当送风速度增加时，卸煤区域内的粉尘浓度开始升高；当送风速度从1.8 m/s增加至2.3 m/s 后，3 楼卸煤侧的粉尘浓度增幅较为显著，粉尘浓度最高可达2 500 mg/m3；然而，在5 楼及5 楼以上的区域内，粉尘浓度随着送风速度的增加却开始减小，但从总体来说，从井塔底部至井塔顶部，送风速度对井塔内卸煤侧粉尘浓度的影响力逐渐减小。

为了解井塔内粉尘浓度分布的均匀性，研究了井塔4～7 层整体的平均浓度；不同送风速度下4～7 层粉尘浓度变化如图5。

图5 不同送风速度下4～7 层粉尘浓度变化Fig.5 Dust concentration at different air supply velocities in floors 4 to 7

4 楼的平均全尘浓度为60 mg/m3，远小于4 楼测线位置处的粉尘浓度，说明粉尘在井塔内分布极不均匀，主要集中在卸煤侧，其他位置处的粉尘浓度远小于60 mg/m3，因此井塔内的粉尘防治应集中治理井塔卸煤侧。

井塔内卸煤仓以上楼层内的平均全尘粉尘浓度以及PM2.5 粉尘浓度均随着送风速度的增加而逐渐减小，与相应楼层卸煤侧粉尘浓度的变化趋势保持一致。同时根据图5 可以看出低楼层内的PM2.5 占比较低，随着楼层的升高，PM2.5 占比逐渐升高，特别是在7 层区域内，PM2.5 占比高达90%以上，因此，粉尘的防治需要根据不同楼层的粉尘分散度制定相应的防尘方案，以期达到最佳的除尘效果。

2.4 实验验证

为了研究主提升井粉尘浓度分布规律，掌握不同区域内粉尘浓度特征，对东滩煤矿主井每层特定区域内的粉尘浓度进行现场实测，测点布置如图1。分别在井塔1～5 层布置测点A（3，1.55，7）、B（3，6.55，7）、C（3，11.55，7）、D（3，16.55，7）、E（3，21.55，7）、F（3，26.55，7），测定井塔风速使用TSI-9545 手持式风速仪，该风速仪基于多个传感器的测量探头可以有效记录测点气流速度，量程范围为0～30 m/s，分辨率为0.01 m/s。

根据GB/T 18204.15—2000《公共场所室内空气流速测定方法》规定，结合现场情况，采用风速仪对东滩煤矿主井塔内特定区域的空气流速进行测定。每个测点测试3～5 组，每组测试15 min，模拟结果可靠性验证如图6。

图6 模拟结果可靠性验证Fig.6 Reliability verification of simulation results

经测量后，测点位置的气流速度的测量值与模拟值的误差均小于5%，验证了计算模型的可靠性。

3 结 语

1）井下含尘气流进入井塔内发生强烈扰动，在井塔内的拐角处产生强大的气流漩涡；当箕斗卸煤时，3 楼气流扰动力度开始增大，随着气流继续流入较高楼层后，气流扰动减弱，在8 楼气流交换空间内，气流最紊乱，漩涡数量减少。

2）井塔内的压力基本与大气压力持平，8 楼及以上区域内的静压为微负压，含尘气流的运动阻力最小，此区域内的动压最大，表明气流运动速度最大，该区域内粉尘运动能力最强。

3）在卸煤时刻，3 楼卸煤处的粉尘浓度最大，送风速度的增加会使3 层以及4 层部分区域内的卸煤侧的粉尘浓度升高，而会降低4 层及其他区域内的粉尘全尘浓度及PM2.5 粉尘浓度。