綜掘工作面風幕阻塵效果影響因素研究

夏丁超， 呂品， 杜朋， 王金月

（安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

近年來綜掘技術快速發展，機械化程度逐步提高，掘進速度加快，綜掘工作面產塵量隨之增加[1-3]，不僅加大了綜掘工作面的粉塵治理難度，也嚴重危害井下作業人員的職業健康?，F階段國內外綜掘工作面粉塵防治手段有通風除塵、噴霧降塵、泡沫降塵等[4-6]。對于通風除塵技術，壓抽混合式通風雖能將大量含塵氣流吸入除塵設備并凈化，但未被除塵設備及時抽離的含塵氣流會從巷道回風側向綜掘機后方作業區域擴散[7]，導致降塵效果不理想。

為進一步改善綜掘工作面環境，國內外學者提出了壓風分流技術[8]，通過附壁風筒徑向風流在綜掘工作面前端形成一道風幕屏障，以阻控粉塵在巷道內擴散，并利用除塵設備進行高效抽塵凈化，以解決綜掘工作面粉塵污染問題。聶文等[9]通過數值模擬和工程應用方法，研究得出壓風氣幕的形成取決于壓風距離，并確定了高濃度粉塵擴散距離與壓風距離之間的數學關系式。Liu Qiang 等[10]分析了附壁風筒安裝位置對粉塵擴散的影響，得出附壁風筒與綜掘工作面距離為25 m 時，風幕阻塵性能最佳。陳芳等[11]研究了附壁風筒軸徑向出風比對控塵效果的影響，結果表明，當軸徑向出風比為1∶3 時，風幕控塵效果最好。王建國等[12]利用Fluent 進行數值模擬，分析附壁風筒條縫參數對綜掘工作面控塵效果的影響，得到了控制綜掘工作面粉塵擴散的最佳條縫參數。王昊等[13]發現壓抽風量比越小，越有利于形成分布較為均勻的阻塵風幕，并通過現場實測驗證了數值模擬的有效性。

以上成果在一定程度上推動了風幕阻塵的研究進程。然而，目前的研究多集中于單一因素對綜掘工作面風幕阻塵效果的影響，而未充分考慮各因素間的交互作用，使得壓風分流技術的工程應用效果欠佳。為此，本文以淮南礦業（集團）有限責任公司潘集第三煤礦（簡稱潘三礦）810 西翼機巷綜掘工作面為研究對象，通過數值模擬技術，對比分析附壁風筒徑向出風距離和徑向出風比（徑向出風量與壓風總量之比）、軸向出風距離對風流運移及粉塵分布規律的影響，得出不同徑向出風距離下粉塵擴散距離隨徑向出風比變化的數學關系式，獲得最佳風幕阻塵工藝參數，并采用現場實測的方法，驗證數值模擬的有效性，為壓風分流風幕阻塵技術的應用提供理論指導。

1 數學模型的建立

巷道內粉塵擴散屬于多相流運動，在研究粉塵運移規律時，常采用氣-固兩相流數學模型[14]，將風流視為連續相，粉塵顆粒視為離散相。

1.1 風流運動方程

巷道內風幕運移屬于附壁射流和強旋流形成的復合湍流流場[15]，Reynolds 平均法是目前應用最為廣泛的湍流數值模擬方法，Realizablek-ε湍流模型對于附壁射流和強旋流具有很好的表現[16]，因此選用該模型開展風流場的數值模擬。

k方程-湍流動能方程和ε方程-湍流動能耗散率方程分別為

式中： ρ為空氣密度；k為湍流動能；t為時間；ui，uj分別為i，j（i，j分別為x，y，z3 個方向）方向的時均速度；(wi，wj)為流場中任意一點在各自方向上的坐標位置； μ為流體黏度； μt為流體湍動黏度；σk，σε分別為k方程和 ε方程的紊流普朗特數；Gk為由平均運動速度梯度引起的紊流動能生成項； ε為湍流動能耗散率；c1，c2為常數，c1=1.4，c2=1.9； ν為平均速度。

1.2 粉塵顆粒受力方程

在計算粉塵顆粒運移時，Fluent 是通過積分拉格朗日坐標系下粒子間相互作用的微分方程來求解離散相顆粒擴散軌跡[17]。在風流作用下，巷道內粉塵顆粒主要受到重力、浮力、曳力及薩夫曼升力的影響[18-20]，粉塵顆粒受力方程為

式中：up為顆粒速度；FD為曳力；u為流體速度；g為重力加速度； ρp為顆粒密度；FS為薩夫曼升力；dp為顆粒直徑；CD為曳力系數；Re 為雷諾數。

2 幾何模型的構建及參數設置

2.1 模型構建

潘三礦810 西翼機巷為巖石巷道，綜掘巷道內設有綜掘機、轉載機、帶式輸送機、供風裝置、除塵設備等，現場情況復雜，故對綜掘工作面的幾何模型進行適當簡化。利用Design Modeler 建模軟件構建810 西翼機巷綜掘工作面等比例幾何模型，如圖1 所示，其中Q1為壓風總量，Q2為吸風量，Qr為徑向出風量，Qa為軸向出風量，Qc為循環風量，Lr為徑向出風距離，La為軸向出風距離。附壁風筒出風條縫如圖2 所示。

圖1 巷道模型Fig. 1 Roadway model

圖2 附壁風筒出風條示意圖Fig. 2 Wall-attached duct outlet air strip seam

自綜掘工作面起取60 m 長巷道作為計算區域，巷道寬5.6 m，高4.4 m，巷道斷面為直墻半圓拱結構，正壓風筒、附壁風筒、整流風筒及負壓風筒直徑均為0.8 m，風筒中軸線距巷道底板2.5 m，負壓風筒吸塵口距綜掘工作面4.3 m。附壁風筒筒體開有2 類出風方向不同的徑向條縫：一類是將附壁風筒半圓筒體按60°劃分為3 等份，開有上、下2 條出風條縫，另一類是將附壁風筒半圓筒體按36°劃分為5 等份，開有上、中、下3 條出風條縫。每類徑向出風條縫有5 組，條縫寬度均為0.05 m，且2 類徑向出風條縫交替布置，條縫之間間隔為0.05 m。

2.2 邊界條件及參數設置

810 西翼機巷綜掘工作面基本邊界條件設置：風筒出風口及吸塵口邊界為Velocity Inlet，巷道出口邊界為Outflow，綜掘工作面為Dust Source，其他邊界均為Standard Wall，湍流動能為0.8 m2/s2，湍流動能耗散率為0.8 m2/s3。

現已測定810 西翼機巷綜掘工作面壓風總量為300 m3/min，吸風量為400 m3/min。顆粒粒徑遵循Rosin-Rammler 分布，以3.5 g/s 質量流率從綜掘工作面噴射，數值模擬中塵源顆粒主要參數設置：最小粒徑為0.58 μm，最大粒徑為21.8 μm，中位粒徑為4.32 μm，顆粒分布指數為1.78，粉塵材料密度為2.6 g/cm3。離散相壁面邊界條件設置：巷道出口為Escape，巷道底板及吸塵口為Trap，其他壁面為Reflect。

3 數值模擬結果分析

綜掘機在截割巖體時的產塵量占綜掘工作面總產塵量的80%～95%[21-22]，是綜掘工作面第一產塵源。因此，在進行數值模擬時，為更好地研究阻塵風幕對綜掘機前端粉塵的阻控效果，不考慮其他產塵源。

3.1 徑向出風距離對風流分布的影響

當徑向出風比φ=0.9，軸向出風距離La=8 m時，數值模擬徑向出風距離Lr分別取10，15，20，25 m工況下的風流分布情況。綜掘工作面主要作業人員為綜掘機司機，其位置距離工作面約7 m，呼吸帶高度約為2.1 m。對不同工況下各斷面內風幕形態進行對比分析，結果如圖3 所示。

圖3 不同Lr 條件下各斷面內風速矢量分布Fig. 3 Wind speed vector distribution in each section under different radial air outlet distances Lr conditions

由圖3 可看出，附壁風筒將壓風風流分為徑向風流和軸向風流，徑向風流在巷道壁面阻擋和附壁效應的作用下沿巷道壁面做環繞運動，形成徑向渦流風幕，且徑向渦流風幕在吸塵口抽風負壓的作用下不斷向工作面方向運移，在運移過程中，其渦流特性沿程不斷衰減，風流速度方向逐步由徑向轉為軸向，綜掘作業區域風流分布趨于均勻，形成了軸向阻塵風幕[23-24]。徑向出風距離Lr越大，徑向渦流風幕在巷道內的轉變越充分，綜掘機司機前端的風流分布越均勻，越有利于形成風速方向均指向工作面的軸向阻塵風幕。當Lr=10 m 時，距工作面7 m 斷面內渦流特性明顯，風速方向紊亂。當Lr=25 m 時，距工作面7 m 斷面內風流分布趨于均勻，風速方向均指向工作面，形成了能夠覆蓋全斷面的軸向阻塵風幕。

3.2 徑向出風比對風流分布的影響

研究徑向出風比φ對風流分布的影響時，設置徑向出風距離Lr=20 m，軸向出風距離La=8 m，φ分別為0.6，0.7，0.8，0.9 時綜掘工作面風流分布如圖4所示。

圖4 不同φ 條件下綜掘工作面風流分布Fig. 4 Air flow distribution of excavation face under different ratios of radial air outlet φ conditions

由圖4 可看出，隨著徑向出風比φ增大，整流風筒軸向風流風量減小，軸向風流風速和射流強度降低，軸向風流對綜掘工作面前端氣流的擾動減弱；φ越大，越有利于形成風流方向指向工作面且能覆蓋全斷面的軸向阻塵流場，即軸向阻塵風幕，在φ增大過程中，所形成的軸向阻塵流場的寬度不斷增大，由φ=0.6 時的0.9 m 增大至φ=0.9 的3.4 m，軸向阻塵流場右邊界與綜掘工作面的距離不斷減小，由φ=0.6 時的9.4 m 減小至φ=0.9 時的6.4 m。

3.3 徑向出風距離及出風比對粉塵擴散的影響

由于徑向出風距離Lr和徑向出風比φ在實際生產過程中會對粉塵擴散產生交互影響，為了考慮各參數對粉塵擴散的綜合影響，進而得到最佳的參數匹配，對軸向出風距離La=8 m，徑向出風距離Lr分別為10，15，20，25 m，徑向出風比φ分別為0.6，0.7，0.8，0.9 時的粉塵運移擴散情況進行對比分析。部分Lr及φ條件下綜掘機司機呼吸帶處粉塵質量濃度分布如圖5 所示，不同Lr及φ條件下粉塵擴散距離Ld見表1，不同Lr條件下φ與Ld間的擬合曲線及擬合公式如圖6 所示。

表1 不同Lr 及φ 條件下粉塵擴散距離LdTable 1 Dust diffusion distance Ld under different Lr and φ condition

圖5 不同Lr 及φ 條件下綜掘機司機呼吸帶處粉塵質量濃度分布Fig. 5 Distribution of dust mass concentration in the breathing zone of excavator driver under different Lr and φ conditions

圖6 不同Lr 條件下φ 與Ld 之間擬合曲線及擬合公式Fig. 6 The fitting curve and formula between φ and Ld under different Lr conditions

由圖5、圖6 及表1 可看出：① 徑向渦流風幕的阻塵能力隨著φ增大先增強后減弱，如Lr=10，15 m時，工作面內均存在徑向渦流風幕，當Lr=10 m 時，Ld由φ=0.6 時的9.1 m 先減小為φ=0.7 時的8.9 m，再增大為φ=0.9 時的10.5 m；當Lr=15 m 時，Ld由φ=0.6 時的8.3 m 先減小為φ=0.8 時的7.1 m，再增大為φ=0.9 時的8.2 m。② 軸向阻塵風幕的阻塵能力隨著φ增大而不斷增強，當Lr=20 m，φ=0.6，0.7，0.8，0.9 時，均在綜掘工作面內形成軸向阻塵流場，即軸向阻塵風幕，同時隨著φ增大，Ld不斷減小。③ 當Lr=25 m，φ=0.9 時，徑向風流才可在綜掘工作面內形成軸向阻塵風幕，此時Ld=6.8 m；當φ=0.6，0.7，0.8 時，由于附壁風筒距離工作面過遠，導致其徑向風流到達工作面時風速過低，此時粉塵受軸向風流的影響從巷道右側逸散。④ 當Lr=20 m，φ=0.8，0.9 或Lr=25 m，φ=0.9 時，在綜掘工作面形成的軸向阻塵風幕均能將高濃度粉塵阻控在綜掘機司機前端空間范圍內，但考慮到Lr過大易導致綜掘工作面壓入風量不足，風速過低，選定Lr=20 m，φ=0.9 為最佳工藝參數。

3.4 軸向出風距離對風流分布及粉塵擴散的影響

設置附壁風筒徑向出風距離Lr=20 m，徑向出風比φ=0.9，數值模擬整流風筒軸向出風距離La為6，8，10，12 m 工況下的風流分布及粉塵擴散情況，確定整流風筒最佳位置。綜掘機司機呼吸帶處速度云圖及粉塵質量濃度分布云圖分別如圖7、圖8 所示。

圖7 不同La 條件下綜掘機司機呼吸帶處速度云圖Fig. 7 Speed cloud at the breathing zone of excavator driver under different axial outlet distance La conditions

圖8 不同La 條件下綜掘機司機呼吸帶處粉塵質量濃度分布Fig. 8 Distribution of dust mass concentration at the breathing zone of the driver under different La conditions

由圖7 可看出，當La=6 m 時，軸向風流抵達綜掘工作面時風速較大，對工作面前端氣流的擾動較大；當La=8～12 m 時，軸向風流會在吸塵口與綜掘工作面之間產生一個低速渦流區，同時渦流區的面積隨La增大而減小。

由圖8 可看出，當Lr=20 m，φ=0.9，La=6～12 m時，高濃度粉塵均被有效阻控在綜掘機司機前端。當La=6 m 時，由于軸向風流抵達綜掘工作面時風速較大，粉塵受軸向風流的影響在巷道右側聚集，導致粉塵無法被除塵風機及時抽離；當La=8～10 m 時，在綜掘機前方形成渦流區，使得大部分粉塵聚集在吸塵口附近，并被負壓風筒吸入；當La=12 m 時，渦流區面積變小，控塵能力再次變弱。

針對810 西翼機巷綜掘工作面，在采取壓風分流風幕阻塵技術后，當壓風總量Q1=300 m3/min，吸風量Q2=400 m3/min，附壁風筒徑向出風距離Lr=20 m，徑向出風比φ=0.9，整流風筒軸向出風距離La=8～10 m時，能很好地將粉塵聚集在吸塵口附近，達到高效控塵除塵的目的。

4 現場實測

為了驗證數值模擬最佳阻塵參數的有效性，對徑向出風距離為20 m、徑向出風比為0.9、軸向出風距離為8 m 條件下，810 西翼機巷綜掘工作面內風速及粉塵質量濃度進行實測分析。選取距工作面5，10，20 m 斷面為測風斷面，測風點A，B 位于工作面進風側和回風側人員呼吸帶高度（距底板高度1.5 m）處，分別距巷道左壁面0.5，5.1 m；選取距工作面3，5，7 m 斷面為測塵斷面，測塵點C 位于工作面進風側司機呼吸帶高度處，距巷道左壁面0.5 m。各斷面不同測點風速與粉塵質量濃度見表2、表3。

表2 各斷面測點風速Table 2 Wind speed at measuring points of each section

表3 各斷面測點粉塵質量濃度Table 3 Dust concentration measuring value of each section

由表2 及表3 可看出，各測風斷面風速實測值與模擬值基本一致，相對誤差較小，說明數值模擬結果較為準確。各測塵點粉塵質量濃度實測值由距工作面3 m 時的208.8 mg/m3降低至距工作面5 m 時的63.3 mg/m3和距工作面7 m 時的33.6 mg/m3，說明高濃度粉塵在軸向阻塵風幕的作用下被有效阻控在綜掘機司機前端，與數值模擬結果一致。

5 結論

1） 在不同徑向出風距離Lr情況下，綜掘工作面內存在的風幕形態不同，且隨著Lr及徑向出風比φ增大，徑向渦流風幕在巷道內向軸向阻塵風幕的轉變更充分。在φ不斷變大的過程中，所形成的軸向阻塵流場的寬度不斷增大，軸向阻塵流場右邊界與綜掘工作面距離不斷減小。

2） 不同的風幕形態下，風幕的阻塵能力受φ的影響不同。當Lr＜20 m 時，綜掘工作面內存在徑向渦流風幕，其阻塵能力隨著φ增大先增強后減弱；當Lr=20 m 時，綜掘工作面內形成徑向阻塵風幕，其阻塵能力隨著φ增大而不斷增強。

3） 當軸向出風距離La過小時，軸向風流到達綜掘工作面的速度過大，會對工作面前端氣流產生較大擾動，導致粉塵在巷道右側聚集，降塵效率不佳；當La過大時，會使吸塵口正前方的渦流區面積減小，不利于粉塵積聚。根據數值模擬結論可知，當Lr=20 m，φ=0.9，La=8～10 m 時，高濃度粉塵被有效阻隔在距綜掘工作面6.4 m 空間范圍內，并在吸塵口附近聚集，810 西翼機巷綜掘工作面通風除塵系統降塵效果最佳。

4） 在810 西翼機巷綜掘工作面進行現場實測，測點風速與粉塵質量濃度實測值與模擬值基本一致，驗證了數值模擬的有效性。