綜掘工作面附壁風(fēng)筒通風(fēng)控塵試驗(yàn)研究

李衛(wèi)軍,周偉,劉開新,茍尚旭,朱必勇

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司張集煤礦,安徽 淮南市 232171;2.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭市 411201)

0 引言

工業(yè)革命以來,煤在我國國民經(jīng)濟(jì)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。在導(dǎo)致礦井安全事故頻發(fā)的眾多因素中,粉塵是主要因素之一。目前我國實(shí)際的嚴(yán)重塵肺病患者有120萬之多[3],每年因塵肺病造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億元[4]。

通風(fēng)除塵是綜掘工作面粉塵防治的主要技術(shù)手段之一[5-7],其中長壓短抽式通風(fēng)是綜掘工作面最常用的一種通風(fēng)控塵方式[8-10]。國外學(xué)者提出在普通長壓短抽式通風(fēng)的基礎(chǔ)上增加一附壁風(fēng)筒,形成附壁旋流通風(fēng)[11]。我國在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的理論研究。例如,王海橋、駱偉等發(fā)現(xiàn)獨(dú)頭巷道附壁射流通風(fēng)流場可分為附壁區(qū)、沖擊區(qū)、回流區(qū)和渦流區(qū)4個(gè)區(qū)域[12-15]。劉榮華等研究了壓入通風(fēng)工作面的粉塵分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)卷吸風(fēng)量越大,粉塵分布越均勻[16-17]。程衛(wèi)民等對綜掘工作面附壁旋流通風(fēng)控除塵方法開展了數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測,發(fā)現(xiàn)該通風(fēng)方式可形成覆蓋巷道全斷面的徑向旋流風(fēng)幕[18-21]。王昊等通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),風(fēng)幕發(fā)生器位置是影響控塵效果的重要因素[22-23]。聶文等采用高分子材料開發(fā)了一種輕便型附壁風(fēng)筒,得出壓抽風(fēng)量比越小,控塵風(fēng)幕效果越好的結(jié)論[24-26]。王寬等開發(fā)了一種柔性附壁風(fēng)筒,并取得了良好的輔助降塵效果[27]。

本文針對綜掘工作面斷面大、塵源多且分散的特點(diǎn),采取長壓短抽的通風(fēng)方式,結(jié)合附壁旋流通風(fēng)控塵原理,建立附壁旋流通風(fēng)控塵試驗(yàn)?zāi)Ｐ?采用粒子圖像測速系統(tǒng)(PIV 系統(tǒng))分析綜掘工作面附壁旋流通風(fēng)流場,考察基于變送風(fēng)量的吹吸流量比對該種通風(fēng)方式流場的影響。同時(shí),采用粉塵采樣器和粒度分析儀實(shí)測不同吹吸流量比情況下的通風(fēng)控塵效果,并確定最佳吹吸流量比,以期為該通風(fēng)方式的現(xiàn)場應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 附壁風(fēng)筒通風(fēng)控塵原理

綜掘工作面附壁旋流通風(fēng)方式是在原本長壓短抽通風(fēng)方式的基礎(chǔ)上,通過在送風(fēng)筒側(cè)壁開設(shè)若干方形條縫或直接安裝附壁風(fēng)筒(亦稱康達(dá)風(fēng)筒)[28],將原本通過送風(fēng)筒直吹掘進(jìn)面迎頭的送風(fēng)方式改為徑向旋轉(zhuǎn)式風(fēng)流[29],對工作面不會形成直吹,螺旋風(fēng)流使巷道全斷面得到清洗。與此同時(shí),在吸風(fēng)筒的抽吸作用所產(chǎn)生的軸向速度下,以一定的旋轉(zhuǎn)速度充滿巷道斷面,同時(shí)向迎頭方向推進(jìn),形成一股有較高動(dòng)能的螺旋狀氣流團(tuán),從而在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)和迎頭粉塵之間形成一道旋轉(zhuǎn)氣塞,封堵粉塵擴(kuò)散,進(jìn)一步壓縮含塵氣流空間,便于粉塵向吸風(fēng)口附近集中,使含塵空氣流始終處于抽出風(fēng)筒口的吸入場作用范圍內(nèi)(見圖1)。由于附壁風(fēng)筒將普通風(fēng)筒向巷道軸向供風(fēng)方式改變?yōu)閺较虺鲲L(fēng)向工作面方向螺旋前進(jìn)的供風(fēng)方式,利用附壁效應(yīng)大大地降低了沿巷道軸向的風(fēng)流速度,增大巷道邊沿區(qū)域風(fēng)流速度,從而使巷道斷面上的風(fēng)流分布趨于均勻[30]。

圖1 綜掘工作面附壁風(fēng)筒通風(fēng)控塵原理

通過調(diào)節(jié)送風(fēng)與吸風(fēng)量的比例,同時(shí)合理引入部分循環(huán)風(fēng),解決工作面含塵氣流外溢,風(fēng)筒重疊段風(fēng)速過低問題。結(jié)合旋流風(fēng)幕,在二者耦合作用下,不僅控塵效果更好,而且有利于防止瓦斯在風(fēng)筒重疊段的局部積聚。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)產(chǎn)塵與排塵處在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。若以吸風(fēng)筒為研究對象,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,則同一時(shí)刻進(jìn)入吸風(fēng)筒的粉塵與離開吸風(fēng)筒的粉塵質(zhì)量相等[31]。對于像圖1中送風(fēng)筒開設(shè)有若干條縫口的系統(tǒng)來說,不同位置段的粉塵濃度也不同。吸風(fēng)經(jīng)過除塵風(fēng)機(jī),處理掉一定比例的粉塵,由于存在循環(huán)風(fēng),處理過的仍然含有一定比例粉塵的循環(huán)風(fēng)會向迎頭方向運(yùn)動(dòng),然后再次被吸進(jìn)吸風(fēng)筒開始下一次循環(huán),從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[32]。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備

2.1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本次試驗(yàn)依托自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱ㄔ囼?yàn)平臺。所采用的綜掘面物理模型為長×寬×高=3750 mm×450 mm×440 mm、斷面為0.242 m2的半圓拱形巷道,采用6 mm 厚的透明有機(jī)玻璃制作,在巷道模型側(cè)壁及頂部開設(shè)有若干φ=8 mm 的測量孔,可測量內(nèi)部速度及壓力分布。內(nèi)部布置送風(fēng)筒、吸風(fēng)筒、模擬掘進(jìn)機(jī)、模擬傳送皮帶、電除塵器、吸風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)。送風(fēng)筒與吸風(fēng)筒的直徑均為100 mm,送風(fēng)筒置于模型邊緣下側(cè),吸風(fēng)筒中心高度為180 mm;巷道迎頭開有φ=100 mm 的圓孔,開孔連接粉塵發(fā)生器或示蹤粒子發(fā)生器;送風(fēng)筒靠近掘進(jìn)端面的一端設(shè)置吹風(fēng)口,吹風(fēng)口處設(shè)置有風(fēng)量調(diào)節(jié)閥,送風(fēng)筒另一端通過伸縮軟管與設(shè)置在巷道外部的壓風(fēng)機(jī)相連,送風(fēng)筒側(cè)壁上設(shè)置有條縫口;模擬傳送皮帶的端部設(shè)有轉(zhuǎn)載點(diǎn),轉(zhuǎn)載點(diǎn)與粉塵發(fā)生器相通。系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)系統(tǒng)當(dāng)需要測量除塵效率時(shí),可在迎頭開孔連接粉塵發(fā)生器,通過設(shè)置的變頻風(fēng)機(jī)和風(fēng)量調(diào)節(jié)閥改變通風(fēng)量。吹吸流量比小于1時(shí),經(jīng)過一次降塵處理的風(fēng)會隨著補(bǔ)給風(fēng)流返回掘進(jìn)面,產(chǎn)生可控循環(huán)風(fēng),通過調(diào)節(jié)壓風(fēng)量和吸風(fēng)量的大小以及條縫口的位置,模擬井下在不同工作環(huán)境下的通風(fēng)控塵效果。設(shè)置的條縫口能夠產(chǎn)生附壁旋流效果,形成一道旋轉(zhuǎn)的“氣塞”,在壓風(fēng)和吸風(fēng)的共同作用下,有效封堵粉塵運(yùn)移,壓縮含塵氣流空間,提高吸風(fēng)筒排風(fēng)效率。

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用AG420氣溶膠發(fā)生器發(fā)塵,并用空氣壓縮機(jī)提供的壓縮空氣作為輸送動(dòng)力,從掘進(jìn)端頭圓孔送入掘進(jìn)工作面,模擬掘進(jìn)機(jī)截割頭截割產(chǎn)生。在模型巷道內(nèi)掘進(jìn)端頭區(qū)域與掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處分別布置FCC-25型防爆粉塵采樣器1臺,對不同工況條件下的粉塵進(jìn)行采樣并稱重。采用LS 13320激光衍射粒度分析儀對粉塵樣品進(jìn)行粒度分析。

選用德國La Vision公司生產(chǎn)的PIV 系統(tǒng)對綜掘工作面附壁旋流通風(fēng)流場進(jìn)行測定。PIV 系統(tǒng)由CCD 相機(jī)、雙腔激光器、片狀激光成型器、計(jì)算機(jī)工作站及應(yīng)用軟件組成。選擇跟隨性相對較好的煙霧作為示蹤粒子,采用特效煙霧機(jī)制造煙霧,并通過管道由端頭圓孔送至模型巷道內(nèi)部。

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 通風(fēng)參數(shù)

本次試驗(yàn)參考工況為一煤礦綜掘工作面,除塵風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量為200 m3/min,根據(jù)相關(guān)相似準(zhǔn)則,本次模型試驗(yàn)固定抽風(fēng)量Qe為3.14 m3/min。通過改變送風(fēng)量Qf來考察壓抽風(fēng)量比β對通風(fēng)流場及控塵效果的影響。軸向送風(fēng)口、吸風(fēng)口與迎頭距離分別為720 mm、400 mm,送風(fēng)口出來的風(fēng)處于穩(wěn)定狀態(tài),各點(diǎn)的流速、流量、壓力、密度為定常參數(shù),不隨時(shí)間變化。本文主要研究吹吸流量比小于1的情況,因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中,采取吹吸流量比小于1才能阻止掘進(jìn)頭含塵氣流向作業(yè)區(qū)域擴(kuò)散,所以分別取吹吸流量比為0.6,0.7,0.8,0.9,1.0和1.1。通過附壁風(fēng)筒前端風(fēng)量調(diào)節(jié)閥將送風(fēng)比δ設(shè)置為8∶2。通風(fēng)試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 綜掘工作面附壁旋流通風(fēng)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2.2.2 測點(diǎn)位置

對試驗(yàn)系統(tǒng)建立三維坐標(biāo)系,設(shè)定掘進(jìn)迎頭反方向?yàn)椋珃,巷道高度方向?yàn)椋珁,水平面上吸風(fēng)筒垂直指向送風(fēng)筒方向?yàn)椋玿,根據(jù)所建坐標(biāo)系標(biāo)定測點(diǎn)位置。

(1)測風(fēng)點(diǎn):第一條縫口前端100 mm 處豎向斷面(z=1280 mm),關(guān)注旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕卷吸封堵效果及渦流分布情況;吸風(fēng)口截面豎向斷面(z=400 mm),關(guān)注以吸風(fēng)口為圓心,卷吸風(fēng)流徑向速度及切向速度分布;吸風(fēng)口前后區(qū)域軸向豎向斷面(x=200 mm,z=200～650 mm),關(guān)注吸風(fēng)口前后煙霧控制效果及掘進(jìn)機(jī)末端司機(jī)位置處煙霧擴(kuò)散和風(fēng)流運(yùn)動(dòng);風(fēng)筒重疊段中間位置,坐標(biāo)(100,200,1800)。

(2)測塵點(diǎn):①端頭粉塵較為集中區(qū)域內(nèi)一點(diǎn),坐標(biāo)(200,180,300);②吸風(fēng)口后方掘進(jìn)機(jī)司機(jī)呼吸帶區(qū)域,坐標(biāo)(100,200,750);③風(fēng)筒重疊段中間位置,坐標(biāo)(100,200,1800)。

測風(fēng)時(shí)依次使用變頻調(diào)速器改變送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,同時(shí)用熱線風(fēng)速儀測得管道風(fēng)速,向系統(tǒng)內(nèi)散播示蹤滑石粉或特效煙霧,待系統(tǒng)運(yùn)行30 s至流場穩(wěn)定后,利用PIV 拍攝研究位置斷面流場。測塵時(shí)采用SAG 型發(fā)塵器在迎頭位置散發(fā)粉塵,待通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,使用粉塵采樣器采集研究位置樣品氣流兩分鐘,收集樣品粉塵,分析控塵效率,迎頭處粉塵散發(fā)速度為10 g/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 PIV流場測試

本試驗(yàn)主要應(yīng)用PIV 系統(tǒng)進(jìn)行流場檢測,首先通過壓風(fēng)機(jī)向研究區(qū)域均勻散播示蹤粒子滑石粉,選取待研究斷面、拍攝斷面上粒子運(yùn)動(dòng)軌跡,近似替代該區(qū)域粉塵跟隨風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)情況。使用特效煙霧機(jī)從迎頭發(fā)煙,模擬掘進(jìn)面產(chǎn)塵,觀察煙霧在巷道中的擴(kuò)散情況,從而分析并確定送風(fēng)最優(yōu)吹吸流量比,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同吹吸流量比下煙霧擴(kuò)散情況

從圖3可以看出,吹吸流量比較小時(shí),煙霧擴(kuò)散范圍越小,被限制在掘進(jìn)端頭有限區(qū)域內(nèi),但相對煙霧會更濃。由于送風(fēng)筒前端出口風(fēng)速較小,風(fēng)流對掘進(jìn)端頭區(qū)域擾動(dòng)小。隨著吹吸流量比的提高,送風(fēng)口送風(fēng)速度增大,導(dǎo)致煙霧擴(kuò)散范圍逐漸增大。對比圖3(c)和圖3(d)可以發(fā)現(xiàn),吹吸流量比為0.8時(shí),吸風(fēng)口附近煙霧濃度高于吹吸流量比為0.9的情況,而吹吸比為0.9時(shí),煙霧擴(kuò)散范圍比吹吸比為0.8時(shí)略大。當(dāng)吹吸流量比增大至0.9以后,由于送風(fēng)筒前端出口射流風(fēng)速增大,對掘進(jìn)端頭煙霧擾動(dòng)過大,且軸向風(fēng)幕強(qiáng)度減弱,造成部分煙霧向巷道后方運(yùn)移。通過試驗(yàn),可以得出最佳吹吸流量比為0.8。

通過改變相應(yīng)的吹吸流量比,分別在豎向斷面、吸風(fēng)口截面、排風(fēng)口軸向豎斷面等平面研究流場的變化規(guī)律。本文對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了整理,結(jié)合上述試驗(yàn)已得到的最佳吹吸流量比,對其進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。圖4(a)中,最佳吹吸流量比下斷面整體速度變化相對均勻,射流都能充分到達(dá)壁面并向下方運(yùn)動(dòng),由于射流衰減,在巷道右下方區(qū)域風(fēng)速較小;圖4(b)中,在吸風(fēng)口周圍風(fēng)流呈旋轉(zhuǎn)狀進(jìn)入吸風(fēng)筒,在旋轉(zhuǎn)中部形成負(fù)壓區(qū),在壓差的作用下粉塵更易向旋流中部聚集,有利于粉塵及時(shí)排出,提高了排塵效率,同時(shí),卷吸風(fēng)流可以提高巷道頂板附近的平均風(fēng)速,可以有效避免頂部瓦斯聚集,消除了安全隱患;圖4(c)中,排風(fēng)口軸向豎斷面上風(fēng)流均呈向排風(fēng)口匯集趨勢,尤其排風(fēng)口上方區(qū)域,處于旋轉(zhuǎn)風(fēng)流的主體段,速度較快,匯聚趨勢更加明顯,區(qū)別在于排風(fēng)口高度位置及其下方區(qū)域,當(dāng)吹吸流量比為0.8時(shí),該區(qū)域風(fēng)流初始方向已經(jīng)轉(zhuǎn)向右下方。

圖4 最佳吹吸流量比下不同斷面速度場矢量圖

3.2 控塵試驗(yàn)

為了驗(yàn)證控塵效果,需要分析附壁旋流通風(fēng)對控塵效果的影響。試驗(yàn)時(shí)從迎頭處使用發(fā)塵器以固定速率10 g/min散發(fā)粉塵,選定流場分析中得出的最優(yōu)通風(fēng)工況,啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng),粉塵采樣器設(shè)定進(jìn)氣流量為20 L/min,采樣時(shí)間為90 s,使用粉塵采樣器在選定測點(diǎn)位置收集粉塵并稱重,測量前后測點(diǎn)收塵質(zhì)量,計(jì)算粉塵濃度,對比分析控塵效果優(yōu)劣。在相同通風(fēng)工況下,只改變送風(fēng)方式,對比附壁旋流通風(fēng)與直吹式通風(fēng)控塵效果對比,此處先假設(shè)風(fēng)機(jī)除塵效率為100%,結(jié)果見表2。

表2 旋流通風(fēng)與直吹通風(fēng)除塵效果對比

圖5為粉塵濃度分布曲線,圖6為濾膜收集的粉塵情況對比。由表2和圖5、圖6可知,同樣通風(fēng)量的情況下,附壁旋流送風(fēng)方式司機(jī)區(qū)和重疊段的控塵效率分別為96.43%、99.35%,高于直吹式送風(fēng)的80.41%、95.10%,控塵效果明顯提升。與之相對應(yīng)的直吹式送風(fēng)在迎頭區(qū)域則有816.67 mg/m3,司機(jī)處仍有160.00 mg/m3,控塵效率只有80.41%,風(fēng)筒重疊段為40.00 mg/m3,此時(shí)控塵效率升至95.10%,這是因?yàn)樾魉惋L(fēng)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)流持續(xù)向迎頭方向推進(jìn),進(jìn)一步壓縮含塵氣流運(yùn)動(dòng)空間,可以將粉塵更好地集中、封堵在迎頭區(qū)域,從而便于吸風(fēng)筒及時(shí)有效排出。此外,直吹式送風(fēng)會在一定程度上吹散迎頭粉塵,使粉塵擴(kuò)散偏離吸風(fēng)口,阻礙了粉塵迅速排出,這也是該通風(fēng)方式下迎頭區(qū)粉塵濃度低于旋流送風(fēng)的原因。

圖5 粉塵濃度分布曲線

圖6 濾膜收集的粉塵情況對比

在附壁旋流通風(fēng)下,最佳吹吸流量比為0.8,風(fēng)機(jī)除塵效率為100%時(shí),理論上在風(fēng)筒重疊段氣流不含粉塵,而實(shí)際測得空氣粉塵濃度仍有6.67 mg/m3,結(jié)合實(shí)際情況,考慮是因?yàn)橄锏佬D(zhuǎn)風(fēng)流會吹散巷道側(cè)壁、頂部及地面少量粉塵彌散在氣流中,所以實(shí)際粉塵濃度不為0。

4 結(jié)論

本文使用PIV 系統(tǒng)對綜掘工作面旋流通風(fēng)流場特性進(jìn)行了考察,借助煙霧和粉塵試驗(yàn),分析了吹吸流量比對風(fēng)流流場的影響,確定了最佳吹吸流量比。在此基礎(chǔ)上,考察了附壁旋流通風(fēng)對綜掘工作面粉塵分布的影響。

(1)附壁旋流通風(fēng)控塵效果取決于軸向風(fēng)幕與徑向風(fēng)幕的協(xié)同作用。增大吹吸流量比,一方面會導(dǎo)致掘進(jìn)端頭區(qū)域流場擾動(dòng)加大和軸向風(fēng)幕強(qiáng)度減弱,另一方面會提高附壁旋流通風(fēng)徑向風(fēng)幕強(qiáng)度和粉塵阻隔能力。

(2)流場分析試驗(yàn)中,吹吸流量比過小,在巷道斷面條縫口射流氣流衰減明顯,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易受相鄰射流影響產(chǎn)生擾動(dòng),整體斷面流場并不均勻;吹吸流量比過大,則會導(dǎo)致吸風(fēng)口附近粉塵被送風(fēng)吹散,使得粉塵逃逸,偏離吸風(fēng)口,抑制了排塵效果。

(3)控塵試驗(yàn)中,采取附壁旋流送風(fēng)的方式能大幅度改善系統(tǒng)控塵能力,粉塵絕大部分被集中在吸風(fēng)口附近,司機(jī)處及巷道可以得到很大程度的凈化。

(4)當(dāng)吹吸流量比為0.8時(shí),附壁旋流通風(fēng)控塵效果最好。