附壁風(fēng)筒條縫參數(shù)對(duì)綜掘工作面控塵效果的影響

王建國，王 康，樊亦洋

（西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054）

煤礦井下綜掘工作面是重要的產(chǎn)塵點(diǎn)之一，粉塵隨著綜掘機(jī)的截割工作大量產(chǎn)生并在巷道擴(kuò)散，高濃度粉塵會(huì)污染巷道環(huán)境，使工人患上塵肺病，降低工作場(chǎng)所的能見度，加速井下掘進(jìn)設(shè)備的磨損，由于煤塵具有爆炸性，遇到高溫?zé)嵩磿r(shí)會(huì)引發(fā)爆炸，危及井下作業(yè)人員的生命安全[1-3]。目前國內(nèi)外學(xué)者們對(duì)氣幕控塵技術(shù)已有較深的研究，但多數(shù)研究集中在：①風(fēng)幕的形成及作用機(jī)理研究[4-6]；②加入風(fēng)幕控塵技術(shù)前后除塵系統(tǒng)的效果對(duì)比[7-8]；③附壁風(fēng)筒裝設(shè)位置參數(shù)優(yōu)化[9-11]。但是綜掘面有效風(fēng)幕的形成受諸多因素影響，鮮有對(duì)附壁風(fēng)筒條縫參數(shù)的研究及考慮綜掘機(jī)司機(jī)處粉塵濃度變化?；谏鲜隹紤]，在長壓短抽式通風(fēng)條件下，研究附壁風(fēng)筒條縫參數(shù)對(duì)綜掘工作面粉塵防治的影響。

1 模型建立

1.1 幾何模型

建立綜掘工作面巷道幾何模型，將巷道簡(jiǎn)化為長40 m，寬4.2 m，高4 m的長方體。綜掘工作面布置長壓短抽式通風(fēng)，壓風(fēng)筒長30 m、距掘進(jìn)迎頭10 m，抽風(fēng)筒長37 m、距掘進(jìn)迎頭3 m，壓、抽風(fēng)筒直徑均為0.8 m，2個(gè)風(fēng)筒中心軸線水平相距3 m，距底板均為3.4 m。附壁風(fēng)筒每節(jié)長1 m，共設(shè)6節(jié)，每節(jié)沿風(fēng)筒徑向開長0.8 m、寬0.05 m的出風(fēng)口，附壁風(fēng)筒用柔性風(fēng)筒連接。在最后1節(jié)附壁風(fēng)筒軸向出口處設(shè)1個(gè)風(fēng)閥，掘進(jìn)時(shí)進(jìn)行風(fēng)閥調(diào)節(jié)，使大部分風(fēng)流由附壁風(fēng)筒徑向出風(fēng)口噴出，變?yōu)樾鳉饽幌蚬ぷ髅婀╋L(fēng)，停機(jī)后，風(fēng)閥打開，恢復(fù)正常供風(fēng)。綜掘巷道及附壁風(fēng)筒的幾何模型如圖1。

圖1 綜掘巷道及附壁風(fēng)筒的幾何模型Fig.1 Geometric model of fully digging roadway and wall-attached air duct

1.2 邊界條件及求解設(shè)置

綜掘工作面在掘進(jìn)工作中粉塵主要產(chǎn)生于綜掘機(jī)破碎迎頭煤巖體時(shí)，將綜掘機(jī)截割時(shí)的塵源設(shè)定為面塵源。工作面粉塵顆粒粒度分布符合羅辛-拉姆勒（R-R）分布。粉塵在巷道中的實(shí)際擴(kuò)散速度主要是取決于綜掘機(jī)截割頭的轉(zhuǎn)速和圍巖的性質(zhì)等一系列因素，結(jié)合綜掘機(jī)實(shí)際的工作情況以及綜掘面的圍巖本身的性質(zhì)情況，粉塵運(yùn)動(dòng)的速度v近似的取值為1.5 m/s，離散相參數(shù)設(shè)置見表1，邊界條件及求解器設(shè)置見表2。

表1 離散相參數(shù)設(shè)置Table 1 Discrete phase parameter setting

表2 邊界條件及求解器設(shè)置Table 2 Boundary conditions and solver settings

質(zhì)量流率Qm計(jì)算如下：

式中：Qm為巷道粉塵的質(zhì)量流率，kg/s；c為巷道中粉塵濃度的平均值，kg/m3；v為巷道內(nèi)粉塵流動(dòng)的速度，m/s；s為巷道的斷面積，m2。

表2中水力直徑L計(jì)算如下：

式中：l為流體流過風(fēng)筒斷面的周長，m；S為流體流過風(fēng)筒斷面的面積，m2。

湍流強(qiáng)度I的計(jì)算如下：

式中：I為風(fēng)筒內(nèi)流體的湍流強(qiáng)度；Re為雷諾數(shù)，表征風(fēng)筒流體流動(dòng)情況的無量綱數(shù)。

2 模擬結(jié)果及討論

2.1 條縫與迎頭距離對(duì)控塵效果的影響

在長壓短抽式通風(fēng)下，分別對(duì)附壁風(fēng)筒條縫距迎頭10、13、15 m時(shí)進(jìn)行旋流風(fēng)幕控塵情況的模擬，取綜掘機(jī)司機(jī)所在位置y=6 m（司機(jī)距迎頭距離）及z=1.5 m（司機(jī)呼吸高度）剖面的粉塵濃度變化，條縫距迎頭不同距離時(shí)y=6 m的剖面粉塵濃度分布如圖2，條縫距迎頭不同距離時(shí)z=1.5 m剖面巷道兩側(cè)粉塵濃度沿程分布如圖3。

圖2 條縫距迎頭不同距離時(shí)y=6 m的剖面粉塵濃度分布Fig.2 Dust concentration distribution at the profile of y=6 m at different distances from head to head

由圖2可知，當(dāng)附壁風(fēng)筒條縫相對(duì)迎頭10 m時(shí)，在y=6 m剖面粉塵主要集中在巷道壓風(fēng)側(cè)上部，巷道空間粉塵彌漫，司機(jī)受粉塵干擾；當(dāng)條縫距迎頭13 m時(shí)，僅在綜掘機(jī)上方部分空間有低濃度粉塵擴(kuò)散，對(duì)綜掘機(jī)司機(jī)影響較小；當(dāng)條縫距迎頭15 m時(shí)，綜掘機(jī)被高濃度粉塵包圍，粉塵在整個(gè)巷道斷面擴(kuò)散，風(fēng)幕控塵效果極差。

從圖3可知，當(dāng)條縫距迎頭10 m時(shí)，巷道前半段兩側(cè)粉塵彌散，由壓風(fēng)筒噴射出的高速射流將大量粉塵集中在巷道吸風(fēng)側(cè)，高濃度粉塵在綜掘機(jī)四周彌漫包圍，貼壁風(fēng)流吹到工作面時(shí)不完整，塵源處粉塵擴(kuò)散至巷道中段，巷道前中段粉塵平均濃度高達(dá)1 g/m3，氣幕的旋流分風(fēng)效果較差；條縫距迎頭13 m時(shí)，旋流風(fēng)幕成功將粉塵控制在迎頭6 m范圍，綜掘機(jī)司機(jī)位置粉塵濃度下降到0.12 g/m3，在距迎頭6 m之后的巷道空間粉塵濃度呈陡坡式下降，粉塵擴(kuò)散現(xiàn)象消失，粉塵被成功阻隔在綜掘機(jī)司機(jī)之前，風(fēng)幕阻塵控塵起效；條縫距迎頭15 m時(shí)旋流風(fēng)幕吹向迎頭過程中能量消耗較大，達(dá)到迎頭時(shí)風(fēng)量微弱，難以將粉塵集中控制，綜掘機(jī)司機(jī)處粉塵濃度高達(dá)0.6 g/m3，整段巷道中高濃度粉塵彌漫嚴(yán)重，控塵失敗。

圖3 條縫距迎頭不同距離時(shí)z=1.5 m剖面巷道兩側(cè)粉塵濃度沿程分布Fig.3 The dust concentration on both sides of the roadway w ith z=1.5 m profile at different distances from head to head

2.2 條縫寬度對(duì)控塵效果的影響

固定附壁風(fēng)筒條縫距迎頭13 m，條縫長度0.8 m，條縫寬度為0.01、0.05、0.1 m時(shí)不同高度剖面的粉塵濃度分布分別如圖4～圖6。

對(duì)比圖4～圖6可知，當(dāng)條縫寬度為0.01 m時(shí)，綜掘機(jī)被高濃度粉塵包圍，濃度超過1.5 g/m3，控塵效果有待提高；條縫寬度為0.05 m時(shí)，粉塵被旋流風(fēng)幕有效控制在工作面，司機(jī)位置不受粉塵干擾，絕大部分粉塵被抽出巷道，綜掘工作面粉塵濃度顯著降低，控塵效果顯著；條縫寬度為0.1 m時(shí)，旋流風(fēng)幕將大部分粉塵控制在迎頭，綜掘工作面粉塵濃度有所下降，但巷道存在粉塵擴(kuò)散現(xiàn)象，巷道整體作業(yè)環(huán)境差，控塵效果不佳。

圖4 條縫寬度為0.01m時(shí)不同高度剖面的粉塵濃度分布Fig.4 Dust concentration distribution at different height profiles when the slit w idth is 0.01 m

圖5 條縫寬度為0.05m時(shí)不同高度剖面的粉塵濃度分布Fig.5 Dust concentration distribution at different height profiles when the slit w idth is 0.05 m

圖6 條縫寬度為0.1 m時(shí)不同高度剖面的粉塵濃度分布Fig.6 Dust concentration distribution at different height profiles when the slit w idth is 0.1 m

2.3 壓抽比對(duì)控塵效果的影響

確定附壁風(fēng)筒條縫距迎頭13 m、條縫寬度為0.05 m，改變壓抽比為0.8、1.0、1.2時(shí)，研究巷道粉塵濃度的變化規(guī)律。不同壓抽比時(shí)z=1.5 m剖面上粉塵濃度分布如圖7，壓抽比為1時(shí)壓、抽風(fēng)側(cè)粉塵濃度沿程分布如圖8。

從圖7可知，壓抽比為0.8時(shí)，抽風(fēng)筒風(fēng)速相對(duì)較大，條縫的徑向分風(fēng)被影響，旋流風(fēng)幕雖將粉塵集中在綜掘工作面，但仍有少量粉塵擴(kuò)散至掘進(jìn)機(jī)后方巷道；當(dāng)壓抽比增大到1.0時(shí)，壓風(fēng)筒吹出的射流可被抽風(fēng)筒全部吸收，粉塵被控制在迎頭極小范圍內(nèi)，集中在綜掘機(jī)頭處的大量粉塵被抽離巷道；壓抽比為1.2時(shí)，抽風(fēng)筒吸風(fēng)量相對(duì)較小，不能完全將綜掘工作面的粉塵抽出巷道，粉塵在掘進(jìn)機(jī)前端彌散嚴(yán)重，影響到綜掘司機(jī)位置。

圖7 不同壓抽比時(shí)z=1.5 m剖面上粉塵濃度分布Fig.7 Dust concentration distribution on z=1.5 m profile at different pressure extraction ratios

從圖8可知，壓抽比為1時(shí)，巷道抽風(fēng)側(cè)整體粉塵濃度高于壓風(fēng)側(cè)，壓風(fēng)側(cè)距迎頭13～20 m空間范圍內(nèi)粉塵濃度仍有波動(dòng)，因?yàn)樵摱问芨奖陲L(fēng)筒分風(fēng)影響，旋流分風(fēng)將頂板粉塵吹落。此外在巷道兩側(cè)頂、底板粉塵濃度沿巷道方向波動(dòng)，最后趨于0。巷道底板附近粉塵濃度整體最高，自底板向頂板方向粉塵濃度逐漸降低，即旋流風(fēng)幕在底板的流場(chǎng)屏蔽效果較差，但能將絕大部分粉塵控制在迎頭6 m范圍內(nèi)。

圖8 壓抽比為1時(shí)壓風(fēng)側(cè)和抽風(fēng)側(cè)粉塵濃度沿程分布Fig.8 Distribution of dust concentration along the pressure and extraction side when the pressure extraction ratio is 1

3結(jié)論

1）當(dāng)條縫距迎頭13 m時(shí)，貼壁風(fēng)流最強(qiáng)，旋流風(fēng)幕控塵起效，巷道內(nèi)粉塵濃度大幅下降，綜掘司機(jī)不受濃度粉塵干擾。

2）控制條縫寬度為0.05 m時(shí)，旋流風(fēng)幕風(fēng)速最佳，當(dāng)風(fēng)幕達(dá)到工作面時(shí)，可以有效將粉塵集中控制在迎頭小范圍內(nèi)，風(fēng)幕控塵效果明顯。

3）壓抽比為1時(shí)，壓、抽風(fēng)筒工作效率最佳，壓風(fēng)筒噴出的射流可被抽風(fēng)筒完全吸收，旋流風(fēng)幕可以將粉塵最大程度控制在迎頭處，控塵效果最佳。