掘進(jìn)工作面附壁風(fēng)筒控塵特性研究

陸新曉，霍雨佳，韓宇，薛雪，周全濤

1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；2. 安陽(yáng)鑫龍煤業(yè)(集團(tuán))龍山煤業(yè)公司龍山煤礦，河南安陽(yáng) 455000

礦塵是煤礦的主要災(zāi)害之一[1]。隨著機(jī)械化采掘強(qiáng)度增大，掘進(jìn)工作面產(chǎn)塵量激增，粉塵濃度可達(dá)2 000 mg/m3以上[2]。礦塵危害體現(xiàn)在惡化作業(yè)環(huán)境、產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)性、減少儀器壽命和精度、誘發(fā)塵肺病[3-4]。統(tǒng)計(jì)顯示，2000—2015年全國(guó)共發(fā)生煤塵爆炸事故14起，死亡483人[5]。此外，僅2014 年全國(guó)報(bào)告職業(yè)病29 972 例，其中煤炭等工業(yè)行業(yè)占52.73%[6]，而大多數(shù)的礦工塵肺病是在掘進(jìn)作業(yè)中造成的。因此，必須對(duì)掘進(jìn)過(guò)程的礦塵分布及運(yùn)移特性進(jìn)行研究，并進(jìn)行有效防控。

目前井下掘進(jìn)工作面普遍采用壓入式通風(fēng)，具有出口風(fēng)向單一、迎頭斷面速度分布不均勻的特點(diǎn)[7]，增大了掘進(jìn)工作面粉塵防治的難度，為此須采取相應(yīng)的控塵措施，改變掘進(jìn)工作面的風(fēng)流狀態(tài)。利用附壁風(fēng)筒形成的氣幕控塵，是一種防治粉塵擴(kuò)散的有效手段[8]。通過(guò)在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工作區(qū)前方形成隔斷空氣幕，可將掘進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生的高濃度粉塵控制在前端狹小空間，減少粉塵擴(kuò)散，達(dá)到控塵的目的，然后利用粉塵自重沉降或其他手段實(shí)現(xiàn)高效除塵。王樹德[9]通過(guò)計(jì)算附壁風(fēng)筒與普通風(fēng)筒的出流速度，提出了附壁風(fēng)筒與長(zhǎng)壓短抽通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合提高控塵效果方法；聶文等[10]采用Fluent分析了壓抽比、風(fēng)筒直徑、風(fēng)量等參數(shù)對(duì)綜掘面控塵氣幕形成規(guī)律的影響；張義坤等[11]對(duì)加入附壁風(fēng)筒前后的迎頭風(fēng)流場(chǎng)和粉塵空間分布進(jìn)行模擬解算和對(duì)比，得到附壁風(fēng)筒旋流分風(fēng)作用下降低風(fēng)流速度可使流場(chǎng)分布更加穩(wěn)定的結(jié)論。

上述文獻(xiàn)對(duì)附壁風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)及通風(fēng)系統(tǒng)條件進(jìn)行了綜合研究，對(duì)煤礦粉塵防治具有很大的指導(dǎo)作用，但現(xiàn)有研究未考慮附壁風(fēng)筒布置位置對(duì)控塵效果的影響。為此，本文旨在通過(guò)研究壓入式通風(fēng)掘進(jìn)過(guò)程巷道縱向及橫向的粉塵運(yùn)移規(guī)律，對(duì)比分析附壁風(fēng)筒對(duì)巷道風(fēng)流及粉塵運(yùn)移路徑的影響，確立附壁風(fēng)筒的控塵效率，明確附壁風(fēng)筒距掘進(jìn)工作面位置對(duì)控塵效果的影響，得出附壁風(fēng)筒的最佳布置方位，以提高附壁風(fēng)筒控塵效率，為附壁風(fēng)筒現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)化實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 掘進(jìn)工作面附壁風(fēng)筒控塵模型

1.1 氣塵耦合物理模型

掘進(jìn)過(guò)程的附壁風(fēng)筒控塵涉及空氣與粉塵作用，為典型的非定常不可壓縮氣-固兩相流流動(dòng)，為簡(jiǎn)化模型計(jì)算，本文做以下幾方面假設(shè)[12]：①掘進(jìn)巷道為平整長(zhǎng)方體，無(wú)彎道和凸起；②掘進(jìn)機(jī)及風(fēng)筒為規(guī)則幾何體組合；③忽略作業(yè)巷道中線纜、水管等物體的影響；④模擬過(guò)程中的空氣視為不可壓氣體，無(wú)能量交換；⑤顆粒作用于流體的質(zhì)量、動(dòng)量及能量源等價(jià)地分布于氣相單元?；谝陨霞僭O(shè)，建立氣塵耦合物理模型。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

式中，ρ為流體密度，kg/m3；v為流體速度，m/s；S為源相，kg/( m3·s)；p為流體壓力，Pa；t為時(shí)間，s；τ為剪切力，N /m3。

考慮懸浮粉塵流動(dòng)黏性時(shí)，需設(shè)置N-S方程：

(5)

·

v

=0

(6)

式中，μ為流體運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；為哈密頓算子；v為流體矢量速度，m/s。

1.2 幾何模型

煤礦井下掘進(jìn)工作面設(shè)備較為復(fù)雜，主要有掘進(jìn)機(jī)、風(fēng)筒、帶式輸送機(jī)等，建模時(shí)將它們簡(jiǎn)化為掘進(jìn)機(jī)和風(fēng)筒的組合體，忽略其他附屬設(shè)備所帶來(lái)的影響。模型尺寸如下：掘進(jìn)巷道(長(zhǎng)×寬×高)為80 m×4 m×3 m；掘進(jìn)機(jī)機(jī)身(長(zhǎng)×寬×高)為10 m×2.5 m×1.5 m；掘進(jìn)機(jī)搖臂半徑0.3 m，高1.2 m；滾筒半徑0.6 m，高0.3 m；壓風(fēng)風(fēng)筒半徑0.4 m，高76 m；風(fēng)筒軸線距巷道底板2.1 m，距巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)巷幫0.7 m；出風(fēng)口距掘進(jìn)工作面4 m；附壁風(fēng)筒簡(jiǎn)化為在普通壓風(fēng)風(fēng)筒的前端打開條縫狀開口，且前端封口。將幾何模型導(dǎo)入至Gambit，采用TGrid模型劃分方法[13]，風(fēng)筒部分網(wǎng)格間距為0.2 m，巷道空間、掘進(jìn)機(jī)等其他部分網(wǎng)格間距為0.5 m，普通壓風(fēng)風(fēng)筒模型共劃分網(wǎng)格114 539個(gè)，附壁風(fēng)筒模型共劃分網(wǎng)格138 956個(gè)，如圖1所示。

1.3 邊界條件

在模擬中，將掘進(jìn)工作面視為產(chǎn)塵面，忽略其他產(chǎn)塵過(guò)程，Model選用k-ε湍流模型，Boundary Conditions設(shè)置為速度入口，速度為13.2 m/s，水力直徑為風(fēng)筒直徑0.8 m，湍流強(qiáng)度為2.2%，出口為自由出流，塵源為煤巖混合物，求解器模式選擇Pressure based和隱式Implicit。為保證模擬的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，模擬參數(shù)來(lái)自于掘進(jìn)工作面實(shí)際情況，并參考前人對(duì)掘進(jìn)過(guò)程濃度模擬設(shè)定[14]。

2 掘進(jìn)工作面附壁風(fēng)筒控塵效果

2.1 附壁風(fēng)筒對(duì)掘進(jìn)工作面風(fēng)速的影響

圖2為常規(guī)壓入式風(fēng)筒與附壁風(fēng)筒作用下的斷面速度等值線圖?？梢钥闯觯Ｒ?guī)壓入式風(fēng)筒的出風(fēng)流沿軸向壓入掘進(jìn)巷道，風(fēng)流速度分布不均勻，呈現(xiàn)出典型的風(fēng)筒出口附近風(fēng)速大，斷面其他位置風(fēng)速低的分布形態(tài)，風(fēng)筒出口最大風(fēng)速達(dá)13.0 m/s，最小風(fēng)速僅為0.4 m/s；而當(dāng)風(fēng)流由附壁風(fēng)筒條縫進(jìn)入掘進(jìn)巷道時(shí)，風(fēng)速矢量沿徑向呈輻射狀分布，風(fēng)速分布不均的狀況明顯改善，附壁風(fēng)筒附近風(fēng)速為5.5～8.0 m/s，斷面其他位置風(fēng)速為1.5～3.1 m/s。

圖2 巷道斷面風(fēng)速等值線Fig.2 Contour map of wind velocity in the tunnel cross section

巷道風(fēng)速的橫向分布如圖3所示。常規(guī)壓入式風(fēng)筒產(chǎn)生的高速風(fēng)流沿軸向直接撞擊掘進(jìn)工作面，在掘進(jìn)工作面前方一定范圍內(nèi)形成了氣流高速區(qū)，而掘進(jìn)工作面是巷道塵源產(chǎn)生的唯一區(qū)域，因而，部分沉積粉塵極有可能被高速氣流吹起，形成二次揚(yáng)塵，粉塵濃度急劇增大。附壁風(fēng)筒風(fēng)流由條縫流出，相當(dāng)于提前分風(fēng)降速，將掘進(jìn)工作面附近的高速區(qū)轉(zhuǎn)移到附壁風(fēng)筒附近，同時(shí)在斷面處形成了一個(gè)具有隔斷作用的空氣幕?？諝饽慌c掘進(jìn)工作面之間為低速風(fēng)流—高粉塵濃度區(qū)；空氣幕之后是低速風(fēng)流—低粉塵濃度區(qū)；空氣幕位置為高速風(fēng)流—粉塵濃度過(guò)渡區(qū)。

圖3 附壁風(fēng)筒作用下的巷道風(fēng)速橫向分布Fig.3 The lateral distribution of wind velocity by the wall attachment fan drum

2.2 附壁風(fēng)筒斷面控塵效率

附壁風(fēng)筒出風(fēng)流狀態(tài)的改變決定了掘進(jìn)過(guò)程巷道的粉塵分布規(guī)律。圖4為距底板1.6 m處(人員平均高度)回風(fēng)側(cè)粉塵濃度分布的情況，對(duì)比附壁風(fēng)筒與常規(guī)風(fēng)筒的控塵效果。常規(guī)壓入式風(fēng)筒巷道粉塵濃度降低很慢，20 m處粉塵濃度仍高達(dá)142 mg/m3；使用附壁風(fēng)筒后，附壁風(fēng)筒前端為高濃度粉塵區(qū)，最高粉塵濃度在緊貼掘進(jìn)工作面處為2 386 mg/m3，是常規(guī)風(fēng)筒的5.65倍(422 mg/m3)。使用附壁風(fēng)筒后，粉塵濃度低于70 mg/m3；距離掘進(jìn)工作面5 m內(nèi)的粉塵濃度明顯增大，體現(xiàn)了附壁風(fēng)筒出色的控塵能力。風(fēng)幕使得粉塵無(wú)法逸散出掘進(jìn)迎頭，將粉塵主要控制在了附壁風(fēng)筒風(fēng)幕前端，使得在風(fēng)幕后的工作人員免受粉塵危害，控塵及隔塵效果顯著優(yōu)于常規(guī)壓入式風(fēng)筒。

圖4 附壁風(fēng)筒與常規(guī)風(fēng)筒在巷道回風(fēng)側(cè)的控塵效果Fig.4 The dust control effect of the conventional fan drum and wall attachment fan drum in the return side

附壁風(fēng)筒的控塵作用體現(xiàn)在其對(duì)風(fēng)筒前后濃度的對(duì)比上，圖5為距底板1.6 m處巷道內(nèi)粉塵濃度分布云圖，圖6為對(duì)應(yīng)的附壁風(fēng)筒前、中、后三處的巷道斷面粉塵濃度，可以看出附壁風(fēng)筒對(duì)粉塵濃度的抑制效果很明顯。

圖6 附壁風(fēng)筒對(duì)巷道斷面粉塵的濃度控制Fig.6 The dust concentration control of wall attachment fan drum in the tunnel cross section

圖5 距底板1.6 m處巷道內(nèi)粉塵濃度分布云圖Fig.5 The dust concentration distribution cloud in the tunnel 1.6 m away from the floor

根據(jù)附壁風(fēng)筒前后端粉塵濃度可確定巷道斷面上不同位置處的附壁風(fēng)筒控塵效率，計(jì)算公式如下：

(7)

式中，ξ為附壁風(fēng)筒控塵效率，%；c1，c2為使用附壁風(fēng)筒前、后粉塵濃度，mg/m3。

計(jì)算結(jié)果如圖7所示，附壁風(fēng)筒在巷道斷面右上側(cè)的控塵率最高，最高效率可達(dá)99%；右側(cè)進(jìn)風(fēng)側(cè)自上而下控塵率逐漸降低，底板附近控塵率僅為32%；左側(cè)回風(fēng)側(cè)控塵率變化則呈現(xiàn)相反的規(guī)律，控塵率自上而下由24%逐漸增大至底板附近的92%，而后又有所降低。這主要是由于回風(fēng)側(cè)風(fēng)速低，粉塵濃度遠(yuǎn)高于進(jìn)風(fēng)側(cè)，附壁風(fēng)筒對(duì)高濃度粉塵的控制效果更為明顯，對(duì)于底板附近粉塵存在大顆粒重力沉降，濃度出現(xiàn)降低，控塵率有所降低。

圖7 附壁風(fēng)筒在巷道斷面不同位置控塵效率Fig.7 The dust control efficiency of wall attachment fan drum in the tunnel cross section

2.3 附壁風(fēng)筒最佳出風(fēng)位置

因煤巷和半煤巖巷掘進(jìn)工作面風(fēng)筒距掘進(jìn)工作面不得大于5 m[15]，為此對(duì)風(fēng)筒距掘進(jìn)工作面距離不同工況進(jìn)行模擬，分別研究了風(fēng)筒距掘進(jìn)工作面0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m的工況，通過(guò)對(duì)比控塵范圍，確定風(fēng)筒布置的最佳位置。距離底板1.6 m處的粉塵濃度如圖8所示，選取掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處(A點(diǎn))和掘進(jìn)機(jī)后方回風(fēng)側(cè)5 m處(B點(diǎn))作為觀察點(diǎn)，考察附壁風(fēng)筒的控塵效果。

由圖8(a)(b)模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)風(fēng)筒距掘進(jìn)工作面小于2.0 m時(shí)，附壁風(fēng)筒控塵作用發(fā)揮不明顯，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處(A點(diǎn))的粉塵濃度始終大于150 mg/m3，回風(fēng)側(cè)5 m處(B點(diǎn))粉塵濃度最高達(dá)386 mg/m3，附壁風(fēng)筒沒(méi)有起到保護(hù)作業(yè)人員的作用。原因是風(fēng)筒出風(fēng)位置距離掘進(jìn)工作面太近，掘進(jìn)工作面空間小，風(fēng)速高達(dá)3.8 m/s，遠(yuǎn)超揚(yáng)塵風(fēng)速1.5 m/s，部分已沉積粉塵再次成為浮塵，形成二次揚(yáng)塵，同時(shí)在回風(fēng)側(cè)處形成小范圍的渦流團(tuán)(圖9)，未被控制的粉塵再次積聚，造成回風(fēng)側(cè)5 m附近再次出現(xiàn)高濃度粉塵區(qū)。

圖8 風(fēng)筒出口距掘進(jìn)工作面不同位置的粉塵濃度分布Fig.8 The dust distribution cloud of wall attachment fan drum at different distance

隨著附壁風(fēng)筒距離增大，掘進(jìn)工作面風(fēng)速逐漸降低，回風(fēng)側(cè)旋渦區(qū)逐漸消失，距離大于3 m后，粉塵被有效地控制在距掘進(jìn)工作面一定范圍內(nèi)，如圖8(c)(d)(e)所示。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處粉塵濃度維持在80 mg/m3以內(nèi)，回風(fēng)側(cè)5 m處粉塵濃度低于50 mg/m3，如圖10所示。基于對(duì)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處和回風(fēng)側(cè)濃度控制效果考慮，附壁風(fēng)筒與掘進(jìn)工作面的最佳距離為3～5 m，在此范圍內(nèi)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)和回風(fēng)側(cè)粉塵濃度都最低，可確保人員的安全。

圖10 附壁風(fēng)筒距工作面距離與粉塵濃度關(guān)系Fig.10 The relationship between the heading face distance and dust concentration

3 附壁風(fēng)筒控塵與除塵風(fēng)機(jī)聯(lián)合除塵實(shí)踐

附壁風(fēng)筒未改變掘進(jìn)工作面的總風(fēng)量，僅改變了掘進(jìn)工作面的風(fēng)流分配，降低了風(fēng)筒末端風(fēng)速。通過(guò)控風(fēng)將掘進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生的高濃度粉塵集中控制在迎頭附近，縮小粉塵污染范圍，降低了掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處的粉塵濃度，提高了機(jī)掘工作面的收塵效率。

為驗(yàn)證附壁風(fēng)筒的實(shí)際控塵效果，設(shè)計(jì)了軸向出口附壁風(fēng)筒，并進(jìn)行了掘進(jìn)工作面試驗(yàn)，應(yīng)用地點(diǎn)為半煤巖巷掘進(jìn)工作面，通風(fēng)方式為壓入式通風(fēng)，配風(fēng)量為400 m3/min，并配備有完整的風(fēng)機(jī)除塵系統(tǒng)，巷道斷面面積14 m2(寬×高為4 m×3.5 m)，附壁風(fēng)筒布置在距掘進(jìn)工作面4 m處。

在采用附壁風(fēng)筒和除塵風(fēng)機(jī)之前，掘進(jìn)工作面粉塵濃度為528 mg/m3，司機(jī)處粉塵濃度為435 mg/m3，掘進(jìn)機(jī)回風(fēng)側(cè)5 m處粉塵濃度為238 mg/m3。開啟除塵風(fēng)機(jī)和附壁風(fēng)筒之后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)3次粉塵濃度取均值。結(jié)果表明，采用附壁風(fēng)筒后掘進(jìn)工作面粉塵濃度可達(dá)2 623 mg/m3，將原始粉塵濃度提高了近5倍，司機(jī)處和回風(fēng)側(cè)5 m處的粉塵濃度均明顯降低，控塵形成的小范圍高濃度粉塵區(qū)提高了除塵風(fēng)機(jī)的除塵效率?？貕m效率計(jì)算表明，單獨(dú)使用除塵風(fēng)機(jī)，司機(jī)處和回風(fēng)側(cè)的除塵效率分別為67.6%和60.5%，二者聯(lián)用后除塵風(fēng)機(jī)的除塵效率分別提高了29.4%和36.1%，控除塵聯(lián)用效果優(yōu)于單獨(dú)使用除塵風(fēng)機(jī)的除塵效果。

4 結(jié) 論

基于掘進(jìn)工作面氣塵耦合物理模型，研究壓入式通風(fēng)掘進(jìn)過(guò)程粉塵運(yùn)移規(guī)律，分析了附壁風(fēng)筒在中小斷面內(nèi)的控塵效應(yīng)，獲得了如下結(jié)論：

(1) 附壁風(fēng)筒通過(guò)分風(fēng)降速，將單一軸向出風(fēng)改為周向出風(fēng)，最大風(fēng)速由13.0 m/s降至1.5～3.1 m/s，在掘進(jìn)工作面前方形成隔斷空氣幕，在附壁風(fēng)筒前端形成高濃度粉塵區(qū)，最高粉塵濃度為緊貼掘進(jìn)工作面處的2 386 mg/m3，是常規(guī)風(fēng)筒粉塵濃度的5.65倍，附壁風(fēng)筒后方粉塵濃度顯著降低。

(2) 附壁風(fēng)筒對(duì)巷道橫向粉塵濃度分布影響顯著。使用附壁風(fēng)筒后，巷道平均粉塵濃度小于100 mg/m3，附壁風(fēng)筒在風(fēng)筒出口附近控塵率最高，進(jìn)風(fēng)側(cè)自上而下控塵率逐漸降低，回風(fēng)側(cè)控塵率呈現(xiàn)相反的規(guī)律，控塵率自上而下由24%逐漸增大至底板附近的92%，而后又有所降低。

(3) 附壁風(fēng)筒控塵效果由其與掘進(jìn)工作面的距離決定。當(dāng)附壁風(fēng)筒距掘進(jìn)工作面小于2.5 m時(shí)，附壁風(fēng)筒控塵發(fā)揮不明顯，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處的粉塵濃度始終大于100 mg/m3，回風(fēng)側(cè)5 m粉塵濃度最高達(dá)386 mg/m3；當(dāng)附壁風(fēng)筒距離掘進(jìn)工作面3～5 m時(shí)，控塵效果最佳，掘進(jìn)工作面二次揚(yáng)塵及后方的旋渦區(qū)均逐漸消失，巷道內(nèi)粉塵濃度最終維持在10 mg/m3左右。