綜掘工作面氣室降塵技術研究

張京兆， 蘇慧冬， 閆振國， 馬文杰， 熊帥， 張宸毓

（西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054）

0 引言

在巷道掘進過程中，掘進機破碎煤壁會產生大量粉塵[1-4]。粉塵在巷道內逸散，增加了礦工患呼吸道疾病的風險，飛揚的粉塵還可能引發礦塵爆炸[5-8]，嚴重危害井下人員的生命安全。提升掘進工作面的粉塵治理水平、消除粉塵職業危害隱患成為眾多學者研究的重點。杜永星[9]通過數值模擬及現場試驗，研制了一種新型液壓支架風力負壓噴霧降塵裝置和采煤機濕式噴霧降塵器。張凱等[10]采用Fluent軟件中的DPM（Discrete Phase Model，離散相模型）對工作面內的空氣和粉塵流動進行數值模擬，得到了抽出式通風方式下粉塵整體濃度和擴散范圍較低的最佳設置條件。Guo Lidian 等[11]將數值模擬與現場測量相結合，研究了單壓入通風條件下隧道內粉塵擴散的時空演化規律。陳云等[12]改進了粉塵治理裝備——霧炮機，在保證降塵效果的同時，降低了霧炮機噪聲。魏星等[13]利用Fluent 軟件分析了安設氣幕發生裝置前后綜掘工作面受限空間內流場變化情況，得到了多向旋流氣幕對控塵流場的影響規律。張恒[14]以陜煤集團銅川礦業公司玉華礦為工程背景，根據掘進工藝，選取5 個具有代表性的塵源點進行仿真模擬，結合現場實測，得出壓抽混合式通風策略降塵效果更好，且風筒距掘進工作面13 m 時降塵效果最佳。

上述學者通過數值模擬、現場試驗和相似性試驗等手段對降塵方法進行了大量研究，但大多針對單一種類的降塵技術，且傳統的通風降塵效率低。筆者所在團隊基于陜西延長石油巴拉素煤業有限公司（簡稱巴拉素煤礦）綜掘工作面實際情況，提出了氣室降塵的新思路。馬文杰[15]結合長壓短抽通風降塵與風幕降塵的優點，對正壓風筒進行適當改造，通過加裝直徑相同的風袖設計了氣室降塵技術，彌補了長壓短抽通風降塵技術粉塵擴散區域大、風幕降塵技術射流孔易堵塞等缺點，提高了綜掘工作面降塵效果。

本文從塵粒運動的角度來論證氣室降塵技術的有效性。根據綜掘工作面粉塵顆粒受力狀態建立其運動數學模型，得出降塵的關鍵因素是控制掘進巷道內風流場擾動范圍及降低粉塵顆粒運動時間；建立仿真模型，對氣室降塵技術參數進行優化；在巴拉素煤礦綜掘工作面進行現場試驗，驗證了氣室降塵技術較傳統降塵技術更有效。

1 綜掘工作面粉塵運動數學模型

1.1 粉塵擴散模型

掘進巷道內粉塵顆粒在氣體阻力作用下做加速運動，直到粉塵擴散速度與掘進巷道水平方向空氣流速相同時加速度為0[16]。其他外力對粉塵顆粒擴散運動的影響較小，可忽略不計。因此，結合牛頓第二定律可得[17]

式中：ds為球形粉塵顆粒直徑，mm； ρs為球形粉塵顆粒密度，kg/m3；vsx為球形粉塵顆粒擴散速度，m/s；t為時間，s；Cd為氣體阻力系數； ρg為巷道內空氣密度，kg/m3；vgx為巷道內水平方向空氣流速，m/s。

化簡式（1）可得

積分可得

式中C為常數。

當t=0 時，vsx=0，C=1，代入式（5）可得

由此可得球形粉塵顆粒的擴散速度：

式（7）即綜掘工作面粉塵擴散模型，可見粉塵擴散速度主要受巷道內水平方向空氣流速、球形粉塵顆粒直徑和運動時間影響。

1.2 粉塵沉降模型

粉塵顆粒在掘進巷道內的沉降運動主要受氣體阻力和重力的共同作用[18]，因此有

式中：g為重力加速度，m/s2；vsy為球形粉塵顆粒沉降速度，m/s；vgy為巷道內垂直方向空氣流速，m/s。

化簡積分可得

式（9）即綜掘工作面粉塵沉降模型，可見粉塵沉降速度受巷道內垂直方向空氣流速、球形粉塵顆粒直徑和運動時間的影響。由于粉塵顆粒直徑為不可控變量，控制掘進巷道風流場擾動范圍和減小粉塵顆粒運動時間，成為研究綜掘工作面降塵技術的關鍵。

2 氣室降塵技術

氣室降塵技術是在風幕降塵技術基礎上開發而來。風幕降塵技術在實際生產中存在動力不足、射流孔易堵塞等問題，因此對綜掘工作面正壓風筒進行改造，即在風筒末端安裝6 個風袖，風袖吹出的風流與風幕共同形成氣室封閉區域，通過除塵風機連接負壓風筒將氣室封閉區域內的粉塵抽出凈化，如圖1 所示。氣室降塵技術將長壓短抽通風降塵與風幕降塵的優勢相結合，通過在正壓風筒末端開啟風袖來降低粉塵擾動范圍，從而達到良好的降塵效果。

圖1 氣室降塵技術原理Fig. 1 Principle of air chamber dust reduction technology

3 綜掘工作面氣室降塵仿真建模

根據巴拉素煤礦2 號煤2 號回風大巷綜掘工作面現場情況，采用DesignModeler 軟件建立幾何模型，構建40 m×5.8 m×3.5 m（長×寬×高）的綜掘區域。掘進機設計為5 m×3.1 m×1.4 m（長×寬×高）的長方體。風筒布置在巷道兩側靠近巷道頂板位置，正壓風筒直徑為1 m，距綜掘工作面8 m。在正壓風筒上安裝6 個直徑為0.3 m 的風袖。負壓風筒直徑為0.8 m。距綜掘工作面3.5 m 處頂部安裝1 根風幕桿。

采用Meshing 對建立的幾何模型進行網格劃分。選取四面體網格，在風袖口、出風口和吸風口進行網格加密，計算得到幾何模型的非結構化網格，如圖2 所示。網格數量為587 764 個，平均質量為0.96。

圖2 綜掘工作面幾何模型網格劃分Fig. 2 Grid division of geometry model of fully mechanized mining face

完成網格劃分后，設定求解條件：采用標準K-ε雙方程湍流模型，重力加速度為-9.81 m/s2，空氣密度為1.225 kg/m3，動力黏度為1.81×10-5kg/（m·s），壁面設置為均勻無滑移壁面，收斂標準以各項監測指標達到穩定為止，其他采用默認設置或簡化。因研究粉塵在空氣中的運動，即離散相與連續相的耦合問題，可以將粉塵顆粒作為單獨的研究對象，以歐拉-拉格朗日方式構建DPM。該模型可以處理離散相耦合問題，計算粉塵運動分布。

4 綜掘工作面粉塵濃度分布模擬分析

4.1 長壓短抽通風降塵模擬

長壓短抽通風降塵是由壓入式通風機將外部新鮮風流經風筒送至工作面，同時將含有粉塵等雜質的污濁風流由抽風筒抽離工作面[19]，從而滿足工作面用風除塵要求。模擬只采用長壓短抽通風降塵技術時，綜掘工作面呼吸帶（距底板1.6 m）水平面及距工作面不同距離的巷道縱截面處粉塵濃度分布，如圖3 所示。

圖3 采用長壓短抽通風降塵時綜掘工作面粉塵濃度分布Fig. 3 Dust concentration distribution in fully mechanized mining face under longpressure and short suction ventilation for dust reduction

從圖3 可看出，正壓風筒在通風機的作用下將新鮮風流送達用風地點，綜掘工作面產生的粉塵隨風流運動，一部分含塵風流在抽風筒的負壓作用下抽出，致使回風側粉塵濃度較高，另一部分含塵風流繼續擴散到掘進巷道內，在掘進巷道作業區域產生渦流區，使得掘進機司機被包裹在較高濃度的粉塵中；距綜掘工作面25 m 之后，粉塵濃度降低。

4.2 風幕降塵模擬

風幕降塵是在長壓短抽通風降塵基礎上，在掘進機前平行于綜掘工作面安裝風幕裝置，風幕出口的高速風流垂直射向巷道底板，形成射流屏障，從而將污濁風流隔斷在風幕控制范圍內，在抽風筒的作用下，將污濁風流抽離凈化，降低巷道內粉塵濃度[20]。模擬只采用風幕降塵技術時，綜掘工作面呼吸帶水平面及距工作面不同距離的巷道縱截面處粉塵濃度分布，如圖4 所示。

圖4 采用風幕降塵時綜掘工作面粉塵濃度分布Fig. 4 Dust concentration distribution in fully mechanized mining face under air curtain dust reduction

從圖4 可看出，在綜掘工作面設置風幕能夠將大部分粉塵阻隔在風幕屏障之內，風幕后方工作區域粉塵濃度明顯降低；正壓風筒的出風口風流在經過風幕射流阻礙時發生偏移，同時受掘進機自身龐大體積的影響而發生紊亂，偏離原軌道，導致部分含塵風流沿負壓風筒無序逸散，造成巷道內粉塵濃度升高。

對比圖3、圖4 可看出，與長壓短抽通風降塵技術相比，風幕降塵技術可將綜掘工作面粉塵濃度由600 mg/m3降至480 mg/m3，風幕降塵區域粉塵濃度雖略有上升，但掘進巷道內其他區域粉塵濃度整體下降，驗證了風幕降塵技術效果更佳，但綜掘工作面粉塵濃度仍嚴重超標。

4.3 氣室降塵模擬

在風幕降塵基礎上，在正壓風筒末端中上部開啟風袖，風袖吹出的風流與風幕屏障共同作用，將粉塵控制在氣室封閉區域內。氣室降塵模擬結果如圖5 所示。

圖5 采用氣室降塵時綜掘工作面粉塵濃度分布Fig. 5 Dust concentration distribution in fully mechanized mining face under air chamber dust reduction

從圖5 可看出，氣室降塵技術對粉塵的控制作用明顯，高濃度粉塵集中在氣室封閉區域內，僅少量含塵風流逸散對巷道造成較小污染，絕大部分粉塵被負壓風筒抽出凈化；氣室封閉區域外呼吸帶粉塵濃度降至350 mg/m3以下，除塵效果較風幕降塵大幅改善，距工作面15 m 以外粉塵濃度明顯降低，未形成明顯的大范圍粉塵逸出，作業環境得到大幅改善。

5 氣室降塵技術參數優化

5.1 正壓風筒出風口位置

正壓風筒出風口位置對氣室降塵技術的效率影響顯著，出風口位置過遠或過近都會導致除塵效果不佳[21]。為確定氣室降塵技術最佳出風口位置，采用控制變量法設計不同方案，各方案中通風方式、風幕風袖開啟狀態下出風口風量等條件均相同，探究正壓風筒出風口位置距綜掘工作面不同距離時氣室降塵技術效果。

根據《煤礦安全規程》，風筒出風口到達風流射出的最遠距離稱為局部通風機風流有效射程[22]。

式中：L為風流有效射程，m；α為風流有效射程系數，α=4～5，風筒出口風速較小時為4，較大時為5；A為巷道斷面積，m2。

本文中風流有效射程L|m=5×（5.8×3.5）1/2≈23。結合現場技術人員的經驗，在風流有效射程之內選擇8，14，23 m 3 個出風口位置。其中距綜掘工作面8 m 的情況已在4.3 節中模擬，距綜掘工作面14，23 m時粉塵濃度分布如圖6 所示。

圖6 正壓風筒出風口距綜掘工作面不同距離時粉塵濃度分布Fig. 6 Dust concentration distribution under different distances of positive pressure air duct away from fully mechanized mining face

從圖6（a）可看出，正壓風筒出風口距綜掘工作面14 m 時，高濃度粉塵集中分布在距綜掘工作面10 m 范圍內，大部分粉塵被阻隔在氣室封閉區域，該區域粉塵濃度達800 mg/m3以上；氣室封閉區域外，隨著距綜掘工作面距離增大，粉塵濃度整體呈下降趨勢，距工作面20 m 之后，粉塵顆?；鞠?。

從圖6（b）可看出，正壓風筒出風口距綜掘工作面23 m 時，由于風筒距離風幕過遠，風筒及風袖吹出的風流未能完全到達風幕位置，未能與風幕共同作用形成明顯的氣室封閉區域，擾動的風流還會將原本已經沉降到壁面上的顆粒再度吹起，導致整個巷道內粉塵濃度處于較高范圍，呼吸帶大部分位置粉塵濃度達500 mg/m3以上，嚴重影響人員健康。

可見，正壓風筒出風口距綜掘工作面距離由8 m增加到14 m 時，由于出風口及風袖的風流到達風幕時風速變小，不會對風幕射流產生沖擊，增強了氣室的封閉性，除塵效果最好；出風口距綜掘工作面距離由14 m 增加到23 m 時，因距離較遠，較長的風流運動無法配合風幕射流形成氣室封閉區域，且會引發二次揚塵，導致降塵效率大幅降低。因此，將正壓風筒出風口距綜掘工作面距離14 m 作為最優參數。

5.2 負壓風筒末端直徑

負壓風筒可以有效地將污濁風流抽出，而其末端直徑是影響降塵效果的重要因素之一?？紤]研究的除塵器直徑為0.8 m，所連接負壓風筒直徑也為0.8 m，在此基礎上，將負壓風筒末端直徑設置為0.7，0.6，0.5 m 進行模擬分析，正壓風筒出風口距綜掘工作面距離采用最優參數14 m，其余參數均相同。負壓風筒末端直徑為0.8 m 的情況已在5.1 節模擬，末端直徑為0.7，0.6，0.5 m 時粉塵濃度模擬結果如圖7所示。

圖7 不同負壓風筒末端直徑下綜掘工作面粉塵濃度分布Fig. 7 Dust concentration distribution in fully mechanized mining face under different end diameter of negative pressure duct

從圖7（a）可看出，因設定的除塵風機吸風量不變，負壓風筒末端直徑由0.8 m 減小至0.7 m 時，吸風口風速增大，含粉塵風流迅速被負壓風筒連接的濕式除塵風機抽出凈化，增強了負壓風筒除塵效果；距綜掘工作面10 m 外，高濃度粉塵基本消失，氣室封閉區域內粉塵顆粒被負壓風筒快速抽出，降塵效率大幅提高。

從圖7（b）可看出，將負壓風筒末端直徑減小至0.6 m 時，在負壓風筒吸風量固定的情況下，其卷吸能力大幅提高，氣室封閉區域內隔絕的粉塵顆粒被快速抽出，呼吸帶粉塵得到了更大程度的凈化；距工作面5～10 m 范圍內粉塵濃度下降明顯，最小值為130 mg/m3。

從圖7（c）可看出，將負壓風筒末端直徑減小至0.5 m 時，由于風筒末端直徑過小，導致阻力損失過大，風壓下降，降塵效果較負壓風筒直徑為0.6 m 時差；距工作面5～10 m 范圍內，粉塵濃度由負壓風筒末端直徑為0.6 m 時的130 mg/m3上升至370 mg/m3，對掘進機司機的職業健康造成嚴重威脅。

可見，負壓風筒末端直徑由0.8 m 逐漸減小為0.6 m 過程中，負壓風筒的卷吸能力不斷加強，對綜掘工作面的粉塵控制效果增強，工作面粉塵濃度明顯下降；當負壓風筒末端直徑減小為0.5 m 時，降塵能力減弱，工作面粉塵濃度升高，且現場應用中還存在風機超壓風險。由此得出負壓風筒末端直徑最優參數為0.6 m。

6 現場試驗

在巴拉素煤礦2 號煤2 號回風大巷綜掘工作面進行現場試驗，測試氣室降塵技術效果。氣室降塵技術參數采用模擬所得的最優參數，同時設置長壓短抽通風降塵與風幕降塵為對照組，對綜掘工作面粉塵濃度進行采樣。為便于測試氣室封閉區域內粉塵濃度，將掘進機司機位置設于氣室封閉區域內。試驗選擇在掘進機司機處（點a）、壓風筒出風口處（點c）和風袖（點e）處，以及巷道中軸線上（點b、點d、點f、點g、點h、點i）布置測點，點b 距綜掘工作面3 m，點d-點h 兩兩間隔7 m，點i 距綜掘工作面50 m，如圖8 所示。

圖8 測點位置Fig. 8 Positions of measuring points

粉塵濃度測量結果如圖9 所示。

圖9 不同降塵方式下綜掘工作面粉塵濃度測量結果Fig. 9 Measured results of dust concentration distribution in fully mechanized mining face under different dust reduction methods

綜掘工作面只采用長壓短抽通風降塵時，距綜掘工作面10 m 內，大量粉塵沒有被負壓風筒抽離，粉塵濃度逐漸增大，距工作面10 m 處達到最大值498 mg/m3。距綜掘工作面10 m 之外，隨著距工作面距離增大，粉塵濃度整體呈下降趨勢，距工作面50 m 處下降至184 mg/m3?？梢婇L壓短抽通風降塵會對粉塵顆粒移動產生影響，但降塵效果有限，易在掘進巷道工作區域形成粉塵聚集，影響綜掘工作面正常生產與人員健康。

加入風幕降塵后，因氣流受風幕阻隔，高濃度粉塵控制在風幕外，風幕外粉塵濃度最高達473 mg/m3，現場能見度較低。距綜掘工作面31 m 處粉塵濃度最低，為156 mg/m3?？梢婏L幕降塵可將掘進過程中產生的大部分粉塵限制在狹小空間內，使得風幕外粉塵濃度較未開啟風幕時大，封閉區域內聚集的含塵風流被負壓風筒及時抽出，降低了工作面粉塵濃度。

采用氣室降塵后，風袖風流補充到風幕墻，將含塵風流最大程度地限制在氣室封閉區域內，負壓風筒迅速將氣室封閉區域內聚集的粉塵顆粒抽出凈化，巷道內粉塵濃度下降明顯，距綜掘工作面50 m處粉塵濃度降至118 mg/m3?？梢姎馐医祲m封閉效果良好，僅有少量含塵風流隨負壓風筒風流影響逃逸出封閉氣室，有效破壞了粉塵在綜掘工作面聚集，可極大改善工作環境。

以綜掘工作面僅使用長壓短抽通風降塵時的降塵效果為基準，繪制風幕降塵與氣室降塵在不同測點位置的降塵效率曲線，如圖10 所示。

圖10 不同降塵方式的降塵效率曲線Fig. 10 Dust reduction efficiency of different dust reduction methods

從圖10 可看出，采用風幕降塵或氣室降塵較采用長壓短抽通風降塵時，氣室封閉區域內的降塵效率均下降了17%以上，原因是風袖風流和風幕對截割產生的粉塵發揮有阻擋作用，阻礙粉塵在巷道內擴散，導致氣室封閉區域內粉塵濃度上升，降塵效率下降；在氣室封閉區域外，各測點位置的降塵效率均較長壓短抽通風降塵有所提升，氣室降塵效率平均提升54.8%，風幕降塵效率平均提升39.1%，風袖處氣室降塵效率達77.6%，較風幕降塵提高24%?？傮w來看，氣室降塵技術的降塵效率優于風幕降塵。

7 結論

1） 通過分析綜掘工作面粉塵受力情況，建立了粉塵運動數學模型，得出減少粉塵顆粒運動時間和控制風流范圍是降低工作面粉塵濃度的關鍵。

2） 采用Fluent 軟件對氣室降塵技術進行模擬研究，結果表明該技術能充分發揮風幕的效果，將綜掘工作面產生的含塵氣流控制在氣室封閉區域內，減少塵粒運動時間，避免工作區域產生渦流區。

3） 對氣室降塵技術參數進行優化，得出正壓風筒出風口距綜掘工作面14 m、負壓風筒末端直徑為0.6 m 時降塵效果最好。

4） 現場試驗表明，采用氣室降塵技術后，綜掘工作面粉塵濃度最小值控制在118 mg/m3，降塵效果和效率均優于長壓短抽通風降塵和風幕降塵。

5） 為進一步改善掘進機司機工作環境，下一步將著重研究降低氣室封閉區域內粉塵濃度的方法。