綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)控塵機(jī)理

劉榮華, 朱必勇, 王鵬飛，石佚捷，高潤澤，鄔高高

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害治理安全生產(chǎn)實驗室，湖南 湘潭 411201；3.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司 金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室, 湖南 長沙 410012)

煤炭是我國的主體能源，約占一次能源消費總量的60%[1]。目前，地下開采仍是煤炭開采的主要方法，隨著煤礦開采深度的加大和機(jī)械化程度的提高，作業(yè)區(qū)域粉塵災(zāi)害愈發(fā)突出，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)和工人的身體健康[2-5]。綜掘工作面是煤礦井下主要作業(yè)場所之一。據(jù)現(xiàn)場實測，在未采取防塵措施時，綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度可達(dá)1 200～1 500 mg/m3。即使采取了措施，多數(shù)綜掘工作面的作業(yè)環(huán)境依舊不容樂觀，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工作地點粉塵質(zhì)量濃度最大可達(dá)900 mg/m3。依據(jù)國家衛(wèi)健委發(fā)布的全國職業(yè)病統(tǒng)計報告，2019年共報告職業(yè)病19 428例，其中，職業(yè)性塵肺病15 947例。從行業(yè)分布來看，報告職業(yè)病病例主要分布在煤炭開采和有色金屬礦采選業(yè)，約占職業(yè)病報告總數(shù)的50%。

為解決綜掘工作面的粉塵污染問題，國內(nèi)外研究學(xué)者開展了大量的理論研究與實踐工作。目前，長壓短抽混合式通風(fēng)是綜掘工作面最常用的一種通風(fēng)控塵方式，但該種通風(fēng)方式下，掘進(jìn)端頭處粉塵會在送風(fēng)流的帶動下向作業(yè)區(qū)域大范圍擴(kuò)散，造成司機(jī)處粉塵嚴(yán)重超標(biāo)[6-10]。附壁旋流通風(fēng)是基于傳統(tǒng)長壓短抽式通風(fēng)上的一種改進(jìn)的通風(fēng)方式。德國科學(xué)家最先開發(fā)了該項技術(shù)，即在壓入式風(fēng)筒的末端安裝附壁風(fēng)筒使壓入風(fēng)流變?yōu)檩S向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)流，在巷道斷面形成一道旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕，封堵工作面粉塵，初步解決了掘進(jìn)端頭處粉塵在送風(fēng)流的帶動下向作業(yè)區(qū)域大范圍擴(kuò)散的缺陷[11-15]。實踐表明，附壁旋流通風(fēng)是一種能夠阻隔掘進(jìn)端頭粉塵擴(kuò)散的有效方法，但該通風(fēng)方式仍存在以下2個方面缺陷：① 附壁風(fēng)筒形成的風(fēng)幕強(qiáng)度不夠理想，難以完整封堵巷道斷面，粉塵容易從風(fēng)幕中心區(qū)域穿過，仍然會導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處粉塵質(zhì)量濃度超標(biāo)；② 位于掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處后方的轉(zhuǎn)載點處揚塵在吹吸風(fēng)流作用下向掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處擴(kuò)散，嚴(yán)重污染掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工作環(huán)境[16-18]。

針對附壁旋流通風(fēng)存在上述不足，筆者提出一種綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)前后各設(shè)置一道屏蔽風(fēng)幕，并通過設(shè)置合理的吹吸流量比，將掘進(jìn)產(chǎn)塵、掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)載點揚塵分別與掘進(jìn)機(jī)司機(jī)區(qū)域隔離，為掘進(jìn)機(jī)司機(jī)提供一個良好的作業(yè)環(huán)境。同時，該系統(tǒng)所形成的徑向旋流風(fēng)幕是通過在出風(fēng)口設(shè)置弧形導(dǎo)風(fēng)板產(chǎn)生的，相較于依靠巷道的貼附作用所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)風(fēng)流流場，徑向旋流屏蔽風(fēng)幕徑向風(fēng)速更大且分布均勻，具有更理想的風(fēng)流速度場，屏蔽效果更好。綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)是一種新型通風(fēng)方式，其控塵機(jī)理尚不明確。筆者借助計算流體力學(xué)軟件Fluent，研究該新型通風(fēng)方式的風(fēng)流流場結(jié)構(gòu)和粉塵分布規(guī)律，從而揭示其控塵機(jī)理，以期為該種通風(fēng)控塵系統(tǒng)的現(xiàn)場工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)控塵原理

1.1 系統(tǒng)組成

圖1為綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)系統(tǒng)包括除塵風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、送風(fēng)筒Ⅰ、送風(fēng)筒Ⅱ、吸風(fēng)筒、風(fēng)閥及風(fēng)幕發(fā)生裝置等。送風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口通過柔性風(fēng)管Ⅱ與送風(fēng)筒Ⅰ的進(jìn)口連接，送風(fēng)筒Ⅰ的出口處設(shè)有風(fēng)閥；除塵風(fēng)機(jī)通過柔性風(fēng)管Ⅲ與吸風(fēng)筒連接；吸風(fēng)筒的進(jìn)口端設(shè)有吸塵罩。送風(fēng)筒Ⅱ套在吸風(fēng)筒外側(cè)，送風(fēng)筒Ⅱ與送風(fēng)筒Ⅰ間通過柔性風(fēng)管Ⅰ連接。送風(fēng)筒Ⅱ與吸風(fēng)筒之間設(shè)有2個風(fēng)閥，2風(fēng)閥分別位于送風(fēng)筒Ⅱ上的柔性風(fēng)管Ⅰ管口的兩側(cè)。送風(fēng)筒Ⅱ的兩端各設(shè)有1個風(fēng)幕發(fā)生裝置。

1—除塵風(fēng)機(jī)；2—送風(fēng)機(jī)；3—柔性風(fēng)管Ⅱ；4—送風(fēng)筒Ⅰ；5—吸風(fēng)筒；6—風(fēng)幕發(fā)生裝置；7—吸塵罩；8—風(fēng)閥Ⅰ；9—掘進(jìn)機(jī)；10—掘進(jìn)機(jī)第1輸送機(jī)；11—帶式輸送機(jī)；12—掘進(jìn)機(jī)司機(jī)室；13—送風(fēng)筒Ⅱ；14—柔性風(fēng)管Ⅰ；15—風(fēng)閥Ⅱ；16—風(fēng)閥Ⅲ；17—柔性風(fēng)管Ⅲ

1.2 工作原理

綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)系統(tǒng)有2種工作狀態(tài)。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)停止作業(yè)時，此時巷道內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度較低，僅開啟送風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)閥使風(fēng)流均從巷道一側(cè)的送風(fēng)筒前端送出，在巷道內(nèi)形成普通壓入式通風(fēng)。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)開機(jī)工作時，巷道內(nèi)粉塵污染嚴(yán)重。此時，啟動除塵風(fēng)機(jī)與送風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)閥將風(fēng)流全部輸送至壓套筒，并從套筒兩端的風(fēng)幕發(fā)生裝置徑向出風(fēng)。在風(fēng)幕發(fā)生裝置的作用下，工作面形成2道旋轉(zhuǎn)的徑向?qū)嵭娘L(fēng)幕?？拷蜻M(jìn)端頭的1號風(fēng)幕將掘進(jìn)產(chǎn)塵控制在掘進(jìn)端頭的有限區(qū)域內(nèi)，并在吸風(fēng)筒作用下將粉塵排出，有效地阻止了掘進(jìn)產(chǎn)塵向司機(jī)區(qū)域擴(kuò)散。位于轉(zhuǎn)載點前方的2號風(fēng)幕將轉(zhuǎn)載點揚塵與司機(jī)區(qū)域隔離，防止轉(zhuǎn)載點揚塵進(jìn)入司機(jī)區(qū)域。1號風(fēng)幕和2號風(fēng)幕的協(xié)同作用，有效地將綜掘工作面的兩大主要塵源與掘進(jìn)機(jī)司機(jī)區(qū)域隔離，為掘進(jìn)司機(jī)提供一個良好的作業(yè)環(huán)境。圖2為掘進(jìn)機(jī)正常工作時，綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)示意。

圖2 綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)示意

2 計算模型的建立

2.1 物理模型

以廣西百色百礦集團(tuán)某煤礦綜掘工作面為原型，選擇掘進(jìn)工作面前端30 m巷道進(jìn)行研究，采用Solidworks軟件按照1∶1比例建立數(shù)值仿真幾何模型。綜掘工作面斷面形狀為半圓拱，寬為4.6 m，高為4.5 m，使用EBZ160掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)。圖3為巷道模型，其中，送風(fēng)筒Ⅰ的直徑為0.8 m，筒長25 m，貼附在巷道一側(cè)壁面，其中軸線距巷道的地面2.7 m，其末端出風(fēng)口距離掘進(jìn)端面5 m。送風(fēng)筒Ⅱ與吸風(fēng)筒組成的套筒，送風(fēng)筒Ⅱ在外吸風(fēng)筒在內(nèi)，套筒中軸線距巷道的地面2.7 m。送風(fēng)筒Ⅱ兩端設(shè)有寬度為0.09 m環(huán)形條縫，環(huán)形條縫外側(cè)布置有風(fēng)幕發(fā)生裝置。吸風(fēng)筒的直徑為0.6 m，其末端吸風(fēng)口距掘進(jìn)端面2.3 m。在套筒的下方設(shè)有1.8 m高的掘進(jìn)機(jī)、第1輸送機(jī)以及第2輸送機(jī)。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位于距離掘進(jìn)端面5 m的位置。

圖3 數(shù)值計算物理模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

采用歐拉-拉格朗日相結(jié)合的方法描述流場與粉塵運動。其中，氣流被視為連續(xù)相，利用歐拉坐標(biāo)系下的k-ε模型進(jìn)行描述；粉塵顆粒被視為離散相，由拉格朗日坐標(biāo)系中的離散相模型(DPM)進(jìn)行描述[19-21]。另外，在計算過程中考慮了氣固兩相流耦合作用。

2.2.1 湍流方程

湍流出現(xiàn)在速度發(fā)生變化的地方。湍流模型中可實現(xiàn)k-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在漩渦、強(qiáng)流線彎曲和旋轉(zhuǎn)等方面具有更高的仿真程度，且可實現(xiàn)k-ε模型在眾k-ε模型中，在復(fù)雜二次流與流動分離等方面具有很好的效果。因此，本項研究中選擇Realizablek-ε模型實現(xiàn)風(fēng)流運動的描述[22-23]。Realizablek-ε模型的傳輸方程由k方程和ε方程組成。

k方程：

(1)

ε方程：

(2)

式中，ρ為密度；t為時間；k和ε分別為湍動能和湍流耗散率；xi，xj和uj為張量坐標(biāo)；u為X方向上的速度；v為Y方向上的速度；η=Sk/ε，S為用戶自定義系數(shù)；μ為流體黏度；μt為黏性系數(shù)；Gk為由平均速度梯度引起的湍流動能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能；C1，C2，σk和σε為默認(rèn)常數(shù)(C1=1.44，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.2)。

2.2.2 離散相方程

Fluent在拉格朗日參考系下，通過對離散顆粒的力平衡進(jìn)行積分來預(yù)測顆粒運動軌跡，這種力平衡可描述為

(3)

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

在Mesh中采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對所建立的計算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，全局網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.4 m。同時，對于弧形導(dǎo)流板以及環(huán)形條縫使用0.01 m尺寸網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，對其他較為復(fù)雜結(jié)構(gòu)處使用0.05 m網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，共生成了932 351個網(wǎng)格。根據(jù)礦井巷道風(fēng)量的相關(guān)規(guī)定，將送風(fēng)量設(shè)置為300 m3/min。在Fluent軟件中將吸風(fēng)口、2條環(huán)形條縫均設(shè)置為速度入口邊界條件，將掘進(jìn)機(jī)表面、巷道壁面以及第1輸送機(jī)、第2輸送機(jī)等外表面等均定義為wall。為了便于表達(dá)，用γ表示風(fēng)筒的吹吸流量比，用β表示1號條縫和2號條縫出風(fēng)量比。計算模型風(fēng)量、風(fēng)速參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 計算模型風(fēng)量和風(fēng)速設(shè)置

根據(jù)綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度現(xiàn)場實測和試驗室分析結(jié)果，設(shè)置計算模型粉塵相關(guān)參數(shù)。使用CCF-7000直讀式粉塵質(zhì)量濃度測量儀對掘進(jìn)端頭和轉(zhuǎn)載點區(qū)域粉塵進(jìn)行采樣和濃度測量。將CCF-7000直讀式粉塵質(zhì)量濃度測量儀所收集的粉塵帶回試驗室，通過激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分析試驗，獲取巷道內(nèi)粉塵粒度分布。根據(jù)試驗結(jié)果設(shè)置數(shù)值模擬中粉塵源的產(chǎn)塵量和粉塵粒徑分布參數(shù)。將掘進(jìn)端面設(shè)置為第1發(fā)塵面。將第1輸送機(jī)的上表面設(shè)為第2發(fā)塵面，發(fā)塵量為第1發(fā)塵面的20%。表2為第1發(fā)塵面主要參數(shù)設(shè)置。

表2 離散型模型設(shè)置

3 模型有效性驗證

為了使數(shù)值仿真得到正確的結(jié)論，在進(jìn)行計算和分析時，必須保證模型能夠準(zhǔn)確反映實際。因此，必須對模型的有效性進(jìn)行評估。本次模型有效性驗證包括流場和粉塵質(zhì)量濃度分布2部分，通過對比數(shù)值模擬和模型試驗結(jié)果，驗證模型有效性。

3.1 試驗系統(tǒng)與方案

3.1.1試驗系統(tǒng)

根據(jù)實際巷道，采用幾何相似比1∶10搭建試驗?zāi)Ｐ?，模型全長為3 000 mm，寬為460 mm，高為450 mm。巷道端面與一側(cè)壁面開有直徑為100 mm的圓孔，可與粉塵發(fā)生器連接模擬掘進(jìn)產(chǎn)塵以及轉(zhuǎn)載點揚塵。巷道內(nèi)部設(shè)有送風(fēng)筒、吸風(fēng)筒、風(fēng)幕發(fā)生裝置、送風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、模擬掘進(jìn)機(jī)、模擬輸送機(jī)等。送風(fēng)筒和吸風(fēng)筒的直徑分別為80 mm和60 mm，其中軸線距底部270 mm。套筒(由送風(fēng)筒和吸風(fēng)筒套裝而成)兩端設(shè)有2條寬度為9 mm的環(huán)形條縫，條縫外側(cè)設(shè)有風(fēng)幕發(fā)生裝置。套筒的下方設(shè)置高為180 mm的模擬掘進(jìn)機(jī)與模擬輸送機(jī)。吸風(fēng)筒末端吸風(fēng)口距掘進(jìn)端面230 mm，司機(jī)位于距離掘進(jìn)端面500 mm的位置。選用德國生產(chǎn)的PIV(Particle Image Velocimetry)粒子圖像測試系統(tǒng)對不同截面進(jìn)行流場記錄，得出流場空間結(jié)構(gòu)與流動特性，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比。開展粉塵相似驗證試驗時，采用德國AG420氣溶膠發(fā)生器發(fā)塵，從掘進(jìn)端頭及巷道一側(cè)壁面上的圓孔處將粉塵輸送至巷道模型中，模擬掘進(jìn)產(chǎn)塵以及轉(zhuǎn)載點揚塵。使用FCC—25型防爆粉塵采樣器進(jìn)行粉塵采樣，測量測點位置的粉塵質(zhì)量濃度。

3.1.2試驗方案

選取3個具有代表性的流場測試面，利用PIV系統(tǒng)進(jìn)行流場記錄，測試面布置如圖4(a)所示。在模型巷道中沿巷道長度方向(X軸)在掘進(jìn)端頭處(X=5 cm)、掘進(jìn)機(jī)司機(jī)室處(X=50 cm)和轉(zhuǎn)載點后(X=100 cm)分別布置粉塵采樣點，測塵點布置如圖4(b)所示。

流場分析試驗中，將吹吸流量比固定為1.5，即將送風(fēng)機(jī)和吸風(fēng)機(jī)的風(fēng)量分別設(shè)置為300 m3/min和200 m3/min。使用特效煙霧機(jī)向模型巷道中散播特效煙霧作為示蹤粒子，待系統(tǒng)運行30 s至流場穩(wěn)定后，利用PIV系統(tǒng)拍攝記錄研究測試面流場?？貕m效果試驗中，保持送風(fēng)機(jī)風(fēng)量不變，通過改變吸風(fēng)機(jī)風(fēng)量，共測定6個不同吹吸流量比下的粉塵質(zhì)量濃度分布情況。采用AG420氣溶膠發(fā)生器發(fā)塵，并控制掘進(jìn)端頭和轉(zhuǎn)載點發(fā)塵速率分別為6 g/min和1.2 g/min。使用粉塵采樣器對6個工況下的3個測點位置的粉塵進(jìn)行采樣，設(shè)置采樣時間為2 min，采樣流量為15 L/min。

3.2 測試結(jié)果

由數(shù)值模擬和PIV試驗分別可得流場測試面的速度矢量圖，如圖5所示。通過對比圖5中的速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，對于所選取的測試面，數(shù)值計算所獲得的流場與PIV實測流場的結(jié)構(gòu)和速度基本吻合。在測試面上選擇部分測點進(jìn)行速度大小分析，并與數(shù)值模擬同比例位置測點進(jìn)行比較，平均誤差均小于10%。

圖5 試驗與數(shù)值模擬流場對比

圖6(a)為吹吸流量比1.5時，數(shù)值模擬和模型試驗2種情況下的3個測點的粉塵質(zhì)量濃度。由圖中試驗數(shù)據(jù)可知，3個測點中，A測點即掘進(jìn)端頭區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度最高，B測點即掘進(jìn)機(jī)司機(jī)室處粉塵質(zhì)量濃度最低。在綜掘工作面徑向旋流屏蔽通風(fēng)控塵系統(tǒng)作用下，掘進(jìn)產(chǎn)塵被聚集在掘進(jìn)端頭區(qū)域，轉(zhuǎn)載點處粉塵也被屏蔽在司機(jī)室處以外區(qū)域，雙徑向旋流風(fēng)幕能有效的防止各塵源的粉塵擴(kuò)散。圖6(b)模型試驗與數(shù)值模擬得出的B測點在不同吹吸流量比下粉塵質(zhì)量濃度變化曲線。數(shù)值模擬和模型試驗結(jié)果均顯示，司機(jī)處粉塵質(zhì)量濃度隨著吹吸流量比的增大呈現(xiàn)先降低后增大的變化趨勢，并在吹吸流量比為1.5時達(dá)到最低值，粉塵控制效果最理想。綜合對比相似試驗與數(shù)值模擬的結(jié)果，可知相似試驗和數(shù)值模擬所得出的粉塵質(zhì)量濃度在數(shù)值上雖有差異，但在不同工況下的變化趨勢以及在同一工況下的粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律基本一致。

圖6 數(shù)值計算與相似試驗粉塵質(zhì)量濃度變化

通過上述對比分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬與相似試驗得出近似的結(jié)果以及基本一致的變化趨勢，因此本次研究所建立的計算模型可以滿足綜掘工作面風(fēng)流流場及粉塵質(zhì)量濃度分布的數(shù)值計算研究。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)流場結(jié)構(gòu)

圖7，8分別為巷道三維流線圖和巷道中心縱切面流場矢量圖。從圖7，8可以看出，在風(fēng)幕發(fā)生裝置的作用下，工作面形成2道旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕，將掘進(jìn)巷道分隔成3個區(qū)域，即掘進(jìn)端頭區(qū)域、司機(jī)區(qū)域及轉(zhuǎn)載點后方區(qū)域。1號風(fēng)幕從環(huán)形送風(fēng)口射出后，在吸風(fēng)筒的抽吸作用下流線向內(nèi)收縮，使得旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕具有傘狀特征。同時，由于除塵風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量大于1號風(fēng)幕的出風(fēng)量，旋轉(zhuǎn)射流從送風(fēng)口射出與巷道壁面沖擊后，射流的整體運動方向朝向掘進(jìn)端頭。由此可見，雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)的1號風(fēng)幕可以在工作面前方形成一個完整的具有一定抗干擾能力的傘形風(fēng)幕，將掘進(jìn)產(chǎn)塵屏蔽在掘進(jìn)端頭有限區(qū)域。而且，通過控制合理的吹吸流量比，使得1號風(fēng)幕送氣流整體朝掘進(jìn)端頭運動，進(jìn)一步阻止粉塵往外擴(kuò)散[24-25]。

圖7 巷道三維流線

2號風(fēng)幕設(shè)置在轉(zhuǎn)載點前方，其作用是阻止轉(zhuǎn)載點揚塵進(jìn)入司機(jī)區(qū)域。從圖9風(fēng)幕處巷道斷面速度矢量圖可以看出, 環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流在巷道橫斷面上形成穩(wěn)定旋風(fēng)，而且整個斷面速度分布較均勻，具有較強(qiáng)的粉塵阻隔效果。

圖9 徑向風(fēng)幕處斷面速度示意

從圖8還能發(fā)現(xiàn)，由于除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量小于1號風(fēng)幕和2號風(fēng)幕出風(fēng)量的總和(送風(fēng)機(jī)的總送風(fēng)量)，故在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)室與轉(zhuǎn)載點之間的2號風(fēng)幕在吹吸風(fēng)流作用下分成2個部分，一部分風(fēng)流向掘進(jìn)端頭方向移動，一部分風(fēng)流向輸送機(jī)方向移動。其中，向掘進(jìn)端頭區(qū)域流動的一股風(fēng)流可以為司機(jī)區(qū)域提供新鮮風(fēng)流，使司機(jī)處于新鮮風(fēng)流區(qū)域，滿足作業(yè)人員衛(wèi)生健康的需求。從圖8，9還能發(fā)現(xiàn)，由于掘進(jìn)機(jī)的外部形狀，導(dǎo)致1號風(fēng)幕靠近地面區(qū)域的風(fēng)幕受到較大的干擾，形成的傘形風(fēng)幕在近地區(qū)域的包裹效果較弱。同時，由于巷道一側(cè)壁面上送風(fēng)筒I的存在，導(dǎo)致2號風(fēng)幕部分風(fēng)流經(jīng)過送風(fēng)筒I壁面阻擋后形成的風(fēng)流具有較大的沿X方向的速度分量，對風(fēng)幕形成產(chǎn)生一定干擾。

圖8 巷道縱斷面速度示意

4.2 粉塵質(zhì)量濃度分布

綜掘工作面粉塵質(zhì)量濃度分布模擬結(jié)果如圖10所示。圖10中曲線為風(fēng)流跡線，粉塵質(zhì)量濃度分布在Fluent后處理中由體渲染呈現(xiàn)。從圖10可以發(fā)現(xiàn)，位于1號風(fēng)幕和2號風(fēng)幕之間的司機(jī)區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度明顯低于其他區(qū)域。從圖11中司機(jī)呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度沿程分布曲線也能看出該現(xiàn)象。這主要是由于風(fēng)幕發(fā)生裝置的作用下，形成的1號和2號風(fēng)幕分別將掘進(jìn)產(chǎn)塵與轉(zhuǎn)載點揚塵有效地屏蔽在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工作區(qū)域以外。從圖中還能發(fā)現(xiàn)，1號風(fēng)幕形成的傘形空氣幕將掘進(jìn)產(chǎn)塵包裹在掘進(jìn)端頭的一小塊區(qū)域。

圖10 巷道粉塵質(zhì)量濃度三維分布

圖11 粉塵質(zhì)量濃度沿程分布

1號風(fēng)幕產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)射流在掘進(jìn)端頭區(qū)域縱切面上形成穩(wěn)定旋風(fēng), 使得工作面的粉塵被卷吸到巷道的中心, 并在巷道中心橫向風(fēng)的作用下被帶到吸風(fēng)口附近，提高了吸風(fēng)筒對粉塵的收集能力，有利于降低掘進(jìn)端頭區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度，防止掘進(jìn)端頭的粉塵向司機(jī)室處擴(kuò)散。1號風(fēng)幕形成的旋轉(zhuǎn)射流能夠很好地控制綜掘工作面掘進(jìn)端頭粉塵擴(kuò)散, 大幅提高了工作面的粉塵捕集效率。由于掘進(jìn)機(jī)的外部形狀，導(dǎo)致1號風(fēng)幕靠近地面區(qū)域的風(fēng)幕受到較大的干擾，形成的傘形風(fēng)幕在近地區(qū)域的包裹效果較弱，導(dǎo)致掘進(jìn)端頭區(qū)域的部分粉塵在近地面的區(qū)域聚集，甚至有沿著巷道底部突破1號風(fēng)幕封堵向掘進(jìn)機(jī)司機(jī)室處擴(kuò)散的趨勢。

從圖10中還能發(fā)現(xiàn)，2號風(fēng)幕將轉(zhuǎn)載點處揚塵與掘進(jìn)機(jī)司機(jī)區(qū)域分隔，保證司機(jī)區(qū)域不被轉(zhuǎn)載點粉塵污染。由于除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量小于2條縫出風(fēng)量的總和，故在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)室與轉(zhuǎn)載點之間的2號風(fēng)幕在吹吸風(fēng)流作用下分成2個部分，一部分風(fēng)流向掘進(jìn)端頭方向移動，一部分風(fēng)流向遠(yuǎn)離掘進(jìn)端頭方向移動。向掘進(jìn)端頭運動的氣流由于卷吸效應(yīng)，將轉(zhuǎn)載點的少量粉塵卷入司機(jī)區(qū)域，造成司機(jī)區(qū)域風(fēng)管附近聚集部分粉塵。同時，由于巷道一側(cè)壁面上送風(fēng)筒Ⅰ的存在，對2號風(fēng)幕產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致巷道內(nèi)布置有送風(fēng)筒Ⅰ的一側(cè)區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度偏高，如圖12所示。

圖12 司機(jī)處巷道斷面粉塵質(zhì)量濃度徑向分布

雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)作為綜掘工作面的一種新的通風(fēng)方法，其工作原理與附壁旋流通風(fēng)有一定的相似，也是在巷道斷面形成徑向的風(fēng)幕對風(fēng)塵擴(kuò)散進(jìn)行封堵。雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)在綜掘工作面形成的旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕通過弧形導(dǎo)風(fēng)板產(chǎn)生，對比附壁旋流通風(fēng)依靠巷道的貼附作用所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕，該種屏蔽風(fēng)幕的徑向風(fēng)速更大，分布均勻且具有一定厚度，故雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)在防止粉塵擴(kuò)散方面具有更好的效果。同時，雙風(fēng)幕的設(shè)計可有效地將綜掘工作面的兩大主要塵源(掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)塵和轉(zhuǎn)載點揚塵)與掘進(jìn)機(jī)司機(jī)區(qū)域隔離，為掘進(jìn)司機(jī)提供一個良好的作業(yè)環(huán)境。

5 結(jié) 論

(1)綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)控塵時，在工作面形成2道徑向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕，將掘進(jìn)巷道分隔成3個區(qū)域，即掘進(jìn)端頭區(qū)域、司機(jī)區(qū)域及轉(zhuǎn)載點后方區(qū)域。

(2)雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)可在工作面前方形成一個完整的具有一定抗干擾能力的傘形空氣幕(1號風(fēng)幕)，將掘進(jìn)產(chǎn)塵屏蔽在掘進(jìn)端頭有限區(qū)域。同時，2號風(fēng)幕可將轉(zhuǎn)載點處揚塵與掘進(jìn)機(jī)司機(jī)區(qū)域分隔，保證司機(jī)區(qū)域不被轉(zhuǎn)載點粉塵污染。

(3)綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)所產(chǎn)生的環(huán)形徑向旋轉(zhuǎn)射流在巷道橫斷面上形成穩(wěn)定旋風(fēng)，而且整個斷面速度分布較均勻，相較于附壁旋流通風(fēng)形成的徑向風(fēng)幕具有更高的強(qiáng)度，具有較高的粉塵阻隔效率。

(4)司機(jī)處粉塵質(zhì)量濃度隨著吹吸流量比的增大呈現(xiàn)先降低后增大的變化趨勢，并在吹吸流量比為1.5時達(dá)到最低值，粉塵控制效果最理想。