回風(fēng)巷斷面突然變化降塵方法的研究

郁鐘銘，莫 樊，吳桂義

(1.貴州民族學(xué)院建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

隨著煤礦開采機械化水平的日益提高，礦井粉塵的產(chǎn)生量也越來越多。這不僅引起作業(yè)環(huán)境的污染，影響礦井工人的身心健康，造成塵矽病，而且若粉塵積聚濃度達到爆炸下限，將可能帶來爆炸的危險。其中，綜采工作面是煤礦產(chǎn)塵量最大的作業(yè)場所之一，生產(chǎn)時粉塵濃度超過國家衛(wèi)生標準數(shù)十倍甚至上百倍，嚴重的威脅到井下職工的身體健康和生命安全。粉塵防治已成為當(dāng)前煤礦安全工作的難題之一[1-10]。

1 煤礦井下粉塵的防治

1.1 煤礦井下粉塵的來源及特征

由于煤礦在生產(chǎn)、貯存、運輸及巷道掘進等各個環(huán)節(jié)中，都會向井下空氣中排放大量的粉塵，尤其在掘進頭和采煤機割煤的作業(yè)場所，粉塵排放量猛增。從產(chǎn)塵量與落煤量關(guān)系看，據(jù)資料統(tǒng)計，20世紀20～30年代，蘇聯(lián)統(tǒng)計煤礦井下每晝夜所產(chǎn)生的粉塵量，一般只相當(dāng)于晝夜產(chǎn)煤量的0.25%～1%，最高才達3%。1982年，黑龍江雙鴨山礦務(wù)局調(diào)查表明，綜采工作面割煤時的產(chǎn)塵量，相當(dāng)于落煤量的5.6%～9.0%，最高達9.6%[11]。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，礦井新鮮風(fēng)流從進風(fēng)到回風(fēng)的過程中，風(fēng)流中的粉塵含量為“拋物線”的發(fā)展趨勢，且其升降急緩與生產(chǎn)工序、生產(chǎn)強度密切相關(guān)。一般情況下，進入采區(qū)風(fēng)流的粉塵含量，在打眼放炮、機組割煤、放煤等工序時達到高峰，隨之即呈有規(guī)律的衰減趨勢[12]。

煤礦井下粉塵具有如下特性[13]：①粉塵表面會吸附一層空氣薄膜，阻礙粉塵的凝聚沉降；②粉塵的分散度增大，吸附在其表面的氧分子增多，加快粉塵氧化分解過程；③細微巖塵粒徑小、表面積大，其中游離二氧化硅容易溶解于人體肺細胞中；④采掘工作面產(chǎn)生的新鮮粉塵容易帶電。

由于粉塵的特性，對井下采煤工作的開展造成了以下危害：易引起塵肺病；降低礦井下工作面的可見度；引起自燃和爆炸；高濃度粉塵會加速機械磨損，縮短精密儀器的使用壽命，造成經(jīng)濟損失等。

1.2 礦井防塵技術(shù)研究現(xiàn)狀

針對我國煤礦幾十年來積累的防塵經(jīng)驗，大體可將煤礦粉塵防塵措施分為減塵措施、降塵措施、排塵措施、除塵措施和個體防護措施五大類[14]。

1)減塵措施。減塵就是減少和抑制塵源產(chǎn)塵。減塵措施是防塵工作根本性措施，它包括兩個方面：一是減少各個產(chǎn)塵工序的產(chǎn)塵總量和產(chǎn)塵強度，從產(chǎn)塵源頭上把關(guān)；二是減少對人體危害最大的呼吸性粉塵所占的比例，提高降塵質(zhì)量。煤層注水、采空區(qū)灌水預(yù)濕煤體、濕式鑿巖和濕式煤電鉆打眼、水封爆破和水炮泥、改革截齒和鉆具、尋求采煤機最佳工作參數(shù)等，都屬于減塵措施。減塵措施是實現(xiàn)粉塵濃度達到國家標準的根本途徑，在礦井防塵技術(shù)措施中應(yīng)優(yōu)先考慮采用。

2)降塵措施。降塵措施是減少浮游粉塵濃度的防治性措施，是使懸浮于礦井風(fēng)流中的粉塵盡早的沉降下來。常采用的煤礦降塵，主要是利用噴霧灑水、風(fēng)流凈化水幕、噴射泡沫和其他辦法(如在水中添加濕潤劑)加速粉塵的凝結(jié)，靠自身重力增加沉降。

3)排塵措施。排塵是指加強通風(fēng)對除塵的作用，利用新鮮風(fēng)流稀釋并排出采用前述防塵措施尚未沉降的那部分粉塵。

4)除塵措施。除塵是利用吸塵器和捕塵器將空氣中浮游粉塵聚集起來一起處理的一項聚殲性降塵措施。

5)個體防護措施[15]。個體防護措施是指通過佩戴各種防護面具，以減少吸入人體粉塵量的一項補救性措施，這是防止塵害的最后一道關(guān)卡。

1.3 貴州省六盤水礦區(qū)礦井防塵技術(shù)存在的問題

回風(fēng)巷作為綜采工作面的一部分，同時也是粉塵產(chǎn)生后第一時間經(jīng)過的巷道。粉塵隨著風(fēng)流擴散后，彌漫整個巷道中。筆者通過對貴州省六盤水礦區(qū)煤礦進行資料的收集及現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，風(fēng)流凈化水幕濕式除塵是綜采工作面回風(fēng)巷最普遍的降塵方式，勞動強度雖然不大，但需要專人負責(zé)，造成了許多不便。而目前采取的降塵方法是僅在回風(fēng)巷中安設(shè)兩道水幕，甚至有時由上班工人觀察粉塵量來控制灑水降塵。雖然也有一些礦井采用了自動控制方式，但存在一定弊端，降塵效果也較差，不能解決粉塵污染的實際問題。其噴霧壓力、噴頭組數(shù)的選擇，基本也僅是依靠經(jīng)驗值進行設(shè)置。

貴州省內(nèi)部分煤礦，底板存在粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤等軟弱巖層，力學(xué)強度很低，在底板遇水后有膨脹、底鼓的現(xiàn)象，對巷道支護及工作面的推進極其不利。且煤層空隙率低，不易注水，故大部分煤礦對于煤層注水和噴霧降塵方法的使用非常慎重。因此，研制新型、方便的降塵方法是急需解決的一個問題。

2 回風(fēng)巷斷面突然變化降塵機理的研究

管道風(fēng)流中變徑的主要目的是改變流速，讓介質(zhì)速度降下來，防止沖壞設(shè)備。但是，將其利用在煤礦井下，把巷道斷面突然擴大進行除塵方法，是將兩個學(xué)科進行相結(jié)合的科學(xué)研究，在國內(nèi)外尚屬首次，是一種新方法、新方向的探索。

2.1 二元旋渦的速度和壓強分布

由流體微團形成的旋渦，可看作一個如同剛體轉(zhuǎn)動的渦核。由于流體的黏性作用的影響，渦核(線)在靜止流體中旋轉(zhuǎn)時，將會把周圍的流體帶動并圍繞渦核做圓周運動。顯然，剛開始時，由于速度梯度大，黏性作用比較大，然后逐漸減小。當(dāng)周圍運動穩(wěn)定后，黏性作用就變得很小，這時流體黏性作用可以略去不計，把流體微團看作為理想流體[16]。

周圍的流體在渦核的轉(zhuǎn)動下感生出速度，使整個流域形成感生速度場(這種感生的流場是二元流動，流體只有由渦核感生的圓周運動)，所以流場內(nèi)某點(r>r0)的速度為：

(1)

當(dāng)渦核旋轉(zhuǎn)角速度一定時，感生流場作恒定運動，旋渦外任意點的壓強，可由拉格朗日積分式確定。當(dāng)略去質(zhì)量力后，有：

(2)

常數(shù)C對流場中任意各點都相同，可以由邊界條件決定。當(dāng)r=∞時，ν∞=0，P=P∞，得C=P∞，于是式(2)變?yōu)椋?/p>

(3)

由式(3)可見，愈接近渦核，速度v按雙曲線規(guī)律增長，壓力P0按拋物線規(guī)律降低，渦核邊界上壓力為：

(4)

渦核外部的壓力分布如圖1所示。

渦核內(nèi)流體作有旋運動，旋渦區(qū)內(nèi)流線是以原點為圓心的同心圓簇，采用歐拉運動微分方程積分求解。

圖1 渦核外部的壓力分布示意圖

對于二元流動，歐拉運動微分方程有(在旋渦區(qū)內(nèi)旋轉(zhuǎn)角速度ω=常數(shù),略去質(zhì)量力)：

(5)

通過積分計算，得到旋渦中任意點的壓強：

(6)

設(shè)在渦核中心處壓強P=PC，νC=0，經(jīng)推導(dǎo)，故：

(7)

由結(jié)果可以看出，渦核中心處的壓強比無窮遠處靜止流體中的壓強小，他們之間壓力的差值為渦核邊界上速度頭的兩倍，而旋渦區(qū)外勢邊界上的壓力降等于旋渦內(nèi)的壓力降。旋渦內(nèi)外的壓強分布，均按拋物線規(guī)律變化。整個流場的壓強分布如圖1所示。由圖1可見，在旋渦區(qū)內(nèi)愈靠近中心，壓強P急劇降低，因此在旋渦中心處產(chǎn)生吸力，對旋渦區(qū)外的流體具有抽吸作用。

2.2 回風(fēng)巷斷面突然變化降塵原理

根據(jù)流體動力學(xué)中通風(fēng)管道斷面突變理論的原理，在回風(fēng)巷中設(shè)置一斷面突然變化段，使風(fēng)流在慣性的作用下與壁面脫離。圖2所示為巷道斷面突然擴大時，巷道內(nèi)風(fēng)流的實際狀況。當(dāng)巷道斷面突然擴大時，由于風(fēng)流的慣性作用，風(fēng)流質(zhì)點的運動不可能依巷道兩幫形狀而突然改變運動方向，即流線只能如圖2所示平緩、圓滑過渡。在流束擴大部分外表面和巷道兩幫之間，存在著一部分不隨主流向前流動的風(fēng)流。由于這部分風(fēng)流中，靠近主流流束表面的風(fēng)流質(zhì)點，在黏性作用下將沿主流流動方向運動；又由于主流區(qū)流速斷面不斷擴大使流速逐漸降低，壓力出現(xiàn)了沿流動方向的正向壓力梯度，其作用將使該區(qū)內(nèi)風(fēng)流出現(xiàn)沿巷道兩幫逆主流方向的運動趨勢。兩者共同作用的結(jié)果，使這部分流體不停地、劇烈地在該區(qū)做旋渦運動。因此，這個區(qū)域常稱為旋渦區(qū)。由于黏性作用，流體作旋渦運動時，將消耗流動的能量，產(chǎn)生能量損失。

同時，旋渦區(qū)中的風(fēng)流質(zhì)點不斷地被主流帶走，而主流區(qū)內(nèi)將有新風(fēng)流給予補充，這一過程必將引起撞擊和摩擦損失。另外，巷道斷面擴大，必然引起流束的擴張，由此勢必產(chǎn)生徑向速度分量。這個分量在流束擴大完了時，在碰撞的過程中消失，完成速度的重新分布。顯然，這個過程也將消耗流動的能量，引起能量損失。

上述幾種原因產(chǎn)生的能量損失，集中在風(fēng)流進入突然擴大巷道的局部地區(qū)內(nèi)，經(jīng)過較短的距離以后，流動又重新穩(wěn)定下來，流動所受的各種阻礙也將隨之消失。

圖3所示為流體在突然收縮管道中的流動狀態(tài)。由圖3可以看出，風(fēng)流在收縮部位鄰近的下方將出現(xiàn)一個收縮的趨勢，形成所謂“頸縮”現(xiàn)象。

圖2 斷面突然擴大風(fēng)流示意圖

圖3 斷面突然縮小風(fēng)流示意圖

顯然，在這種流動情況下，將出現(xiàn)如圖3所示的兩個旋渦區(qū)。上面對突然擴大流動狀態(tài)的分析中的各種損失原因，仍存在于這種流動中。由于在收縮部位出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象，也將造成劇烈的流體質(zhì)點轉(zhuǎn)向、撞擊和動量交換，由此也將引起能量損失。二者出現(xiàn)的旋渦區(qū)，在相隔距離不大的情況下相互結(jié)合，將形成新的一個旋渦區(qū)域。

通過巷道斷面突然擴大和縮小，在慣性的作用下，風(fēng)流與壁面脫離，在斷面變化區(qū)域形成風(fēng)流的旋渦區(qū)，并利用旋渦區(qū)對外流體的抽吸作用，將旋渦區(qū)附近的粉塵吸入該旋渦區(qū)中心。同時，由于能量的損失，風(fēng)速降低，清洗過綜采工作面的污風(fēng)中所含的粉塵顆粒，依靠旋渦處的循環(huán)風(fēng)流和自身重量，在巷道運動時沉降，以保證往后的工作區(qū)的衛(wèi)生條件。

3 結(jié)語

1) 在流體動力學(xué)中通風(fēng)管道斷面突變理論的基礎(chǔ)上，首次結(jié)合兩個學(xué)科，探索性地提出利用回風(fēng)巷斷面突然變化段對巷道粉塵進行自然沉降的方法，既是理論的創(chuàng)新，又是科研探索的新方向。

2) 將巷道斷面突然擴大段用在采煤工作面的回風(fēng)巷處，在巷道中形成一道“無形透明屏障”，其降塵的方法并不是像固體壁一樣阻擋粉塵的穿透，而是利用風(fēng)流的不斷旋轉(zhuǎn)和風(fēng)速的突然降低，讓粉塵顆粒自動沉降或撞在巷道兩幫后失去能量后沉降，使得塵粒不能繼續(xù)前移，以達到降低粉塵濃度的目的。

3) 該降塵方法，針對貴州特定的地質(zhì)條件特征提出(不能注水防塵，噴霧灑水后巷道變形的情況)，有效的降低巷道內(nèi)由于降塵時噴霧所留下的積水，防止底板底鼓，避免了巷道的變形及維修，并且改善了井下作業(yè)的工作難度及工人的工作環(huán)境，更有利于煤礦的安全生產(chǎn)。

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