基于氣幕屏蔽的掘進工作面通風除塵參數(shù)優(yōu)化研究

劉會景

（烏魯木齊職業(yè)大學，新疆烏魯木齊 830023）

近年來，為滿足能源需求量[1-2]，自動化采掘設備被廣泛應用于煤炭行業(yè)[3]。然而，采掘設備的更新在推動企業(yè)發(fā)展的同時，也帶來了較大的粉塵污染問題[4-6]。掘進機工作狀態(tài)導致大量粉塵污染掘進工作面工作區(qū)，并且現(xiàn)有通風方式使粉塵在氣流作用下由掘進巷道進入已開挖區(qū)域，對現(xiàn)場工作人員身體健康造成嚴重威脅，增加作業(yè)人員患職業(yè)病的概率。針對掘進工作面粉塵污染問題，學者做出了大量研究，但現(xiàn)有的研究方式大多不考慮掘進機對氣流及粉塵的影響，同時也忽略了掘進機操作臺位置的粉塵控制。由近年來國家衛(wèi)生委對職業(yè)病患病人數(shù)的統(tǒng)計可以得出，塵肺病患病人數(shù)仍然較多[7-9]，現(xiàn)有的粉塵控制措施仍繼續(xù)進一步改進。因此，采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測手段，對提出的氣幕阻塵聯(lián)合長壓短抽除塵方案參數(shù)進行研究分析，以期降低掘進工作面粉塵污染危害。

1 掘進面風流-粉塵運動數(shù)學模型

為保證模擬邊界條件的合理性，按照實際情況建立數(shù)學模型。但現(xiàn)場條件復雜，模型建立時應滿足以下假設：①掘進工作面巷道內空氣被理想化為不可壓縮連續(xù)流體，內部工作人員移動不影響氣流分布；②空氣中溫度變化不大，因而不考慮溫度影響；③粉塵顆粒體積較小，忽略顆粒間相互作用力，僅考慮粉塵重力；④掘進工作面有大型掘進機，考慮掘進機對風流及粉塵運移規(guī)律的影響[10-11]。粉塵粒子在空氣中運動滿足守恒定律。根據(jù)固有的平衡方程對粉塵運動及氣流在復雜環(huán)境中的流動建立模型。采用Fluent 軟件中DPM 模型對氣固兩相流分析，連續(xù)的氣相介質采用Euler 計算方法。連續(xù)相的運動方程采用三維不可壓縮Navier-Stokes 方程[12-14]。

1）連續(xù)方程。

式中：ρ 為隧道內環(huán)境氣體密度，kg/m3；t 為時間，s；xi為x 方向上的坐標，m；ui為流體在x 方向上的速度，m/s。

2）動量守恒方程。

式中：uj為流體在y 方向上的速度，m/s；p 為壓力，pa；xj為y 方向上的坐標，m；τij為應力張量；g 為重力加速度，m/s2；Fi為控制體平均的顆粒流體阻力，N。

3）k-ε 湍流動能方程[15]。

2 數(shù)值模型及邊界條件

為實現(xiàn)數(shù)值模擬反映現(xiàn)場實際情況的效果，根據(jù)某煤礦掘進工作面的實際情況，使用Solidworks軟件按照1∶1 尺寸進行仿真建模。建立的掘進工作面掘進模型，主要包括以下3 部分：掘進機、抽出式除塵風機和壓入式風機。掘進巷道簡化為長、寬、高為35 m×4.2 m×4.0 m ；掘進機尺寸為長、寬、高為6.3 m×2.8 m×2.2 m，壓入式及抽出式風機直徑為0.8 m，中心軸與地面距離為3.7 m，距離巷道壁0.3 m。

模型使用Solidworks 軟件建好后，另存為.x_t 格式文，然后采用ICEM 軟件對模型進行網(wǎng)格劃分。由于模型中掘進機部分較為復雜，使用結構型網(wǎng)格劃分較為困難，因此在不影響計算精度的情況下對模型采用非結構化劃分，風機壓風口設置為速度入口；巷道進口邊界為壓力出口，巷道及風筒壁均設置為wall。模型建立及網(wǎng)格劃分情況如圖1。巷道斷面設置為塵源點邊界塵源。計算參數(shù)設置見表1。

圖1 模型建立及網(wǎng)格劃分情況Fig.1 Model establishment and grid division

表1 計算參數(shù)設置Table 1 Calculation parameters settings

選用掘進機截割頭處作為集中產(chǎn)塵源進行分析，為了確定出掘進過程中準確的產(chǎn)塵量，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用公式計算出產(chǎn)塵流量Qdust：

式中：C 為現(xiàn)場測試的巷道斷面的平均粉塵濃度值，mg/m3；v 為粉塵運動速度，m/s；s 為巷道斷面大小，m2。

3 網(wǎng)格質量及模擬結果的可靠性

3.1 網(wǎng)格質量

在進行數(shù)值模擬的過程中，模型劃分的網(wǎng)格質量很大程度上影響了模擬的準確性，評定網(wǎng)格質量的標準較多，主要包含以下方面：網(wǎng)格的節(jié)點壓扁程度、三角形和四面體節(jié)點的歪斜程度、多面體網(wǎng)格的面壓扁程度以及網(wǎng)格橫縱比。由于模型復雜，劃分結構性網(wǎng)格難度大，因此采用非結構網(wǎng)格劃分。并應用雅可比行列式值分析網(wǎng)格質量，一般來說值越大網(wǎng)格質量越好，模型網(wǎng)格質量分析如圖2。

圖2 模型網(wǎng)格質量分析Fig.2 Model grid quality analysis

由圖2 可以看出：比值在0.75～0.95 范圍內的網(wǎng)格占比較大，網(wǎng)格質量比值整體在0.35 以上，網(wǎng)格可以滿足模擬的基本需求。

3.2 模擬結果的可靠性

通過對網(wǎng)格質量的分析，初步確定了能夠采用劃分的網(wǎng)格進行分析，為了進一步確定模擬結果與現(xiàn)場實測結果的吻合長度，按照現(xiàn)場單一壓入式通風降塵情況設置邊界條件，并沿隧道中軸線距離地面1.5 m 高度設置粉塵濃度及風速監(jiān)測點，監(jiān)測點間距4 m，監(jiān)測距離掌子面20 m 范圍。采用激光粉塵濃度儀及多參數(shù)風速儀進行監(jiān)測，讀取流場穩(wěn)定狀態(tài)下數(shù)值，模擬結果與實測結果對比如圖3。

圖3 模擬結果與實測結果對比Fig.3 Comparison between simulation results and measured results

由圖3 可以看出：粉塵濃度隨著與測點與掘進工作面距離的增加逐漸降低，在距離掘進工作面15 m 時維持在180 mg/m3；由于遠離掘進工作面后距離風筒出風口距離減小，風速呈現(xiàn)先增加趨勢，當通過風筒口后隨著距離的增加風速降低，巷道內監(jiān)測點模擬值與實測值吻合度較高，可以達到90 %以上，模擬結果基本反映了現(xiàn)場粉塵的產(chǎn)生及擴散規(guī)律，可以采用相應模型進行模擬分析。

4 掘進面控塵方案的數(shù)值分析

對掘進工作面現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)工作面以壓入通風居多。壓入式通風為工作面提供了新鮮風流，但是粉塵由工作面隨風流經(jīng)過掘進機操作區(qū)進入后續(xù)巷道，工作面粉塵擴散面積較大。為改善這一現(xiàn)象，引入長壓短抽并聯(lián)合氣幕屏蔽控塵技術。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗設定初始通風條件為：掘進面壓風量270 m3/min、壓入式風機距離工作面10 m、除塵風機口距離巷道斷面5 m。

4.1 單一壓入式通風粉塵運移規(guī)律

以現(xiàn)有風機安裝狀態(tài)為參考，采用FLUENT 軟件計算出壓風量為270 m3/min 掘進工作面處風流及粉塵運移狀態(tài)。選取掘進機操作臺高度為粉塵檢測面高度，繪制出粉塵濃度云圖，不同流量下巷道內粉塵云圖如圖4。

由圖4（a）可知：風量為270 m3/min 時，大量粉塵在風流作用下，由斷面涌出；掘進機操作區(qū)位于壓入式筒側，但仍有大量粉塵積聚，粉塵濃度可以達到50 mg/m3以上。并且區(qū)域內粉塵一直通過人員操作區(qū)，對人體傷害極大。

圖4 不同流量下巷道內粉塵云圖Fig.4 Dust diagrams in roadway under different flow rates

以270 m3/min 為基礎，分別選取210、270、330、390 m3/min，并通過改變壓風量，確定出受掘進機影響下壓風機的最佳壓風量。由圖4（b）～圖4（d）可知：隨著壓入式風機壓風量的增加，巷道內粉塵濃度擴散范圍增大；當風量小于等于270 m3/min 時，距離工作面5 m 范圍內90 %以上的區(qū)域粉塵濃度高于50 mg/m3。由于風量不足及掘進機存在導致工作面粉塵積聚，沒有形成排塵氣流；但是壓風量過大又導致粉塵快速擴散，不利于抽出式風機除塵，因此為滿足排塵要求，最佳壓風量設置為330 m3/min。

為了充分反映出巷道不同位置的粉塵濃度值的變化，在距離地面高度1.5 m 的呼吸帶水平面，由掘進工作面沿巷道軸線方向設置長度為15 m 的粉塵濃度監(jiān)測線a、b、c，其中b 為巷道軸線位置，a 為靠近風筒的位置，c 為靠近抽出式風筒的位置，監(jiān)測線水平間距1 m，不同風量下巷道內粉塵濃度分布規(guī)律如圖5。

圖5 不同風量下巷道內粉塵濃度分布規(guī)律Fig.5 Distribution law of dust concentration in roadway under different air volume

由圖5 可以看出：相同風量下靠近壓風筒越近粉塵濃度越低，距離地面1.5 m 高度的水平面內，粉塵濃度分布排序為測線a＜測線b＜測線c，掘進工作面處粉塵濃度約為400～500 mg/m3；隨壓風量的增加，掘進工作面處粉塵積聚量減小，逐漸向外擴散，當壓風量為330 m3/min 時，產(chǎn)生的粉塵主要集中在距離掘進工作面1～4 m 的范圍內。

4.2 長壓短抽式控塵參數(shù)

通過對單一壓入式通風不同風量下，巷道內粉塵云圖分析可知為防止粉塵濃度擴散過快，影響區(qū)域增加，選取最佳壓入風量為330 m3/min。長壓短抽式通風除塵方案中對于壓抽比的研究較多，根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗確定壓抽比為0.75。掘進機對工作面粉塵運移及風流運動產(chǎn)生一定的影響，在壓抽比確定時，改變抽出式風機距工作面的距離，確定最佳除塵點。以抽出式除塵機進風口距工作面5 m 為基礎，設置2、3、4、5、6 m 共5 個參數(shù)分別進行通風控塵效果分析，分別提取出呼吸帶高度粉塵云圖，不同控塵距離下粉塵濃度變化如圖6。

圖6 不同控塵距離下粉塵濃度變化Fig.6 Variation of dust concentration under different dust control distances

由圖6 可以看出：在抽出式除塵風機距離掘進工作面2～6 m 的范圍內，隨著吸風口距掘進工作面長度增加，粉塵擴散距離呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，在距離為3～4 m 時粉塵控制效果最好，掘進機操作區(qū)粉塵濃度最低達到15 mg/m3以下。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是抽出式除塵風機距掘進工作面距離太小時（<3 m），粉塵在壓入式風流的作用下直接吹出掘進工作面附近范圍，抽出式風機來不及對粉塵控制。但是，當抽出式除塵風機距離掘進工作面過遠時（>4 m），粉塵擴散范圍過大，不容易被捕捉，降低了除塵風機的效率。

分析吸風口距離掘進工作面不同距離下對巷道內粉塵部分的影響，沿巷道軸線布置粉塵濃度監(jiān)測線，不同除塵風機位置下的降塵效果如圖7。

圖7 不同除塵風機位置下的降塵效果Fig.7 Dust reduction effect under different dust removal fan positions

由圖7 可以看出：在壓入式風機及抽出式除塵風機的作用下，掘進工作面產(chǎn)生的粉塵濃度迅速降低，從300～400 mg/m3降低至150 mg/m3；抽出式風機口距離掘進工作面的距離大于4 m 時，大量粉塵未能進入除塵式風機內，導致巷道一定距離內粉塵濃度維持在100～150 mg/m3，與模擬云圖得出的結果一致。

4.3 氣幕控塵參數(shù)

長壓短抽除塵方案已經(jīng)對工作面粉塵擴散起到了較好的控制，但是在掘進機操作區(qū)域距離掘進工作面較近，仍有粉塵通過操作區(qū)。為更好提高操作區(qū)域環(huán)境，提出在操作區(qū)前加設風幕的控塵方案。根據(jù)操作區(qū)域的大小，設置風幕發(fā)生器長1.5 m，距離操作臺前方0.5 m。風幕發(fā)生器方向指向工作面，水平夾角30°。調節(jié)出風口風流大小阻止粉塵擴散至操作臺。根據(jù)經(jīng)驗設置風幕出口風速為5、10、15、20、25 m/s，根據(jù)5 個風速值分析最佳風幕參數(shù)。空氣幕不同控塵風速下流場云圖如圖8。

圖8 空氣幕不同控塵風速下流場云圖Fig.8 Cloud diagrams of flow field under different dust control wind speeds of air curtain

由圖8 可以看出: 在10 m/s 風速下氣幕已經(jīng)形成，但通過對粉塵濃度變化的檢測看出，當風速達到15 m/s 后控塵效果穩(wěn)定，不隨風速增加而提高?？諝饽话l(fā)生器在鄰近掘進工作面處形成了1 道氣流屏障，壓入式風機提供的氣流到達掘進工作面后反向運動與空氣幕形成的氣流屏障相抵消，有效阻止了壓入式通風攜帶的含塵氣流向遠離掘進工作面的方向運動，為抽出式風機凈化巷道內氣流提供了有效時間。同時空氣幕發(fā)生器產(chǎn)生的氣流具有向靠近掘進工作面一側運動的趨勢，提供的新鮮氣流可以源源不斷進入掘進工作面處，改善了掘進工作面及掘進機操作臺處的空氣質量，確保了作業(yè)人員具有良好的工作環(huán)境。

為了分析不同空氣幕風速下巷道內的粉塵濃度變化，布置多個測點，粉塵濃度檢測測點布置如圖9。按照圖9 中測點的布置情況，監(jiān)測內粉塵濃度變化，沿巷道軸向粉塵濃度變化曲線如圖10。同時提取出最佳風速為15 m/s 時，呼吸性粉塵及全塵濃度變化情況，最佳幕參數(shù)粉塵濃度檢測曲線如圖11。

圖9 粉塵濃度檢測測點布置Fig.9 Layout of dust concentration detection points

由圖10 和圖11 可以看出：掘進機操作臺前方設置風速15 m/s 的氣幕時，人員操作臺位置全塵濃度可以控制到100 mg/m3以下，呼吸性粉塵的濃度可以控制到75 mg/m3以下。相比單一壓入式通風方式全塵及呼吸性粉塵濃度控制率分別為78%、63%。

圖10 沿巷道軸向粉塵濃度變化曲線Fig.10 Variation curves of dust concentration along the axial direction of roadway

圖11 最佳幕參數(shù)粉塵濃度檢測曲線Fig.11 Dust concentration detection curves of optimal curtain parameters

5 現(xiàn)場應用

按照數(shù)值模擬確定出的最佳壓抽除塵參數(shù)，布置煤礦掘進巷道；并在掘進機操作臺前方0.5 m 處設置氣幕裝置。掘進機工作前，首先啟動氣幕發(fā)生器，調整至最佳參數(shù)值。按照3 種不同的現(xiàn)場除塵設備的布置，持續(xù)工作一段時間后，按照圖9 測點的布置情況，采用直讀粉塵采用儀進行粉塵濃度情況檢測，掘進工作面粉塵濃度變化見表2。

表2 掘進工作面粉塵濃度變化Table 2 Variation of dust concentration in excavation working face

由表2 可以看出，相比單一壓入式通風方式，長壓短抽式通風可以將粉塵控制在距離掘進工作面15 m 的范圍內，明顯降低了粉塵的擴散半徑，同時削減了對巷道的二次污染。在掘進機操作臺前方布置氣幕后，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，氣幕的存在可以有效阻隔粉塵繼續(xù)運動，同比其他2 種控塵方式，加入氣幕后測點2 處全塵及呼吸性粉塵濃度迅速降至50 mg/m3以下，降塵率可以到達90%以上。

6 結 語

1）掘進工作面采用長壓短抽式控塵較單純壓入式通風控塵效果好，長壓短抽式通風可以在獨頭掘進的巷道內形成通風回路，避免大量粉塵受渦流影響在掘進工作面附近積聚，同時防治粉塵被氣流帶出污染已開挖巷道。

2）單一壓入式風機將作業(yè)面粉塵帶入后續(xù)巷道會污染環(huán)境，加入抽出式除塵風機后粉塵擴散問題得到解決。壓入式風機風量為330 m3/min、壓抽比為0.75 時，抽出式除塵風機距離工作面距離為3～4 m時控塵效果較好。

3）為進一步控制粉塵流過掘進機操作區(qū)總量，在操作區(qū)前方0.5 m 處設置空氣幕發(fā)生器；當空氣幕發(fā)生器出口風速達到15 m/s 時，可以明顯降低操作區(qū)粉塵濃度，降塵率可以達到90 %以上。

4）通過現(xiàn)場應用后，監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬在分析掘進工作面強制通風控塵中有較好的應用；數(shù)值模擬相比建立相似實驗模型分析，具有低成本、高效率且參數(shù)可變性強的特點。