綜掘工作面抽塵區(qū)域?qū)π黠L幕控塵的影響

王 昊，陶金旭，撒占友，吳靜波，劉 杰，盧守青

（1.青島理工大學 安全科學與工程系，山東 青島 266520；2.青島理工大學 山東省重點行業(yè)領(lǐng)域事故防范技術(shù)研究中心，山東 青島 266520）

近年來，煤礦綜合機械化掘進程度快速提高，導致綜掘工作面粉塵污染愈發(fā)嚴重。據(jù)實測，未采取控塵措施時，綜掘工作面粉塵濃度可達1 500 mg/m3以上。高濃度粉塵長期懸浮于作業(yè)空間，不僅易造成粉塵爆炸事故，還嚴重威脅作業(yè)人員生命健康。

局部通風控塵是綜掘工作面普遍采用的控除塵技術(shù)，不同通風條件下的風流運移及粉塵擴散規(guī)律得到了廣泛研究。胡勝勇等[1]、董軍等[2]、聶文等[3]通過數(shù)值模擬、相似實驗得到了壓入式通風及長壓短抽式通風條件下的風速分布、流場分區(qū)及粉塵擴散規(guī)律；王文才等[4]通過數(shù)值模擬確定了長壓短抽式通風條件下壓、抽風筒的合理安設位置。由于壓風射流速度較高，含塵污風易在射流卷吸效應下形成循環(huán)流場，導致工作面遭受二次污染，學者提出可通過形成風幕屏障阻控粉塵擴散。ZHANG 等[5]、張義坤等[6]采用相似實驗和數(shù)值模擬分析了綜掘工作面應用附壁風筒后的風流-粉塵分布規(guī)律，驗證了旋流風幕的有效性；程衛(wèi)民等[7]、馬勝利等[8]、王建國等[9]、LI 等[10]、陳芳等[11]、WANG 等[12]研究了壓抽比、風幕射流角度、出風條隙寬度、徑向分風比、風幕位置對控塵效果的影響，確定了最優(yōu)取值范圍。除上述因素外，綜掘工作面抽塵距離、抽塵位置共同決定了控塵流場分布及其控塵效果，不容忽視。然而，現(xiàn)有成果尚未對抽塵區(qū)域?qū)︼L幕控塵的影響規(guī)律開展系統(tǒng)研究。鑒于此，以蔣莊煤礦3下612 運輸巷綜掘工作面為研究對象，針對不同抽塵距離（D）和抽塵位置（位置Ⅰ、位置Ⅱ、位置Ⅲ），運用數(shù)值模擬開展研究，以獲得最優(yōu)抽塵區(qū)域。

1 模型構(gòu)建

根據(jù)蔣莊煤礦3下612 運輸巷實際工況，運用Solidworks 軟件構(gòu)建了等比例物理模型。為模擬不同抽塵區(qū)域?qū)︼L流-粉塵運移的影響規(guī)律，物理模型包含2 類變量，分別為[13-15]：①抽塵距離：抽風口距工作面2、3、4、5 m；②抽塵位置：抽風筒位于壓風筒對側(cè)巷道邊壁（位置Ⅰ）、壓風筒對側(cè)掘進機機體邊緣（位置Ⅱ）、掘進機機體中部（位置Ⅲ）。

綜掘巷道物理模型如圖1（以“抽塵距離2 m +位置Ⅰ”為例）。模型包括：巷道、掘進機、壓風筒、抽風筒、附壁風筒、轉(zhuǎn)載機、輸送機。其中，巷道為矩形結(jié)構(gòu)，壓、抽風筒及附壁風筒直徑均為0.6 m、中軸線距底板2.25 m，壓風筒出風口距工作面10 m，附壁風筒設置于距工作面20 m 處。

圖1 綜掘巷道物理模型Fig.1 Physical model of fully mechanized excavation roadway

附壁風筒總長2 m，用于形成徑向旋流風幕。附壁風筒出風條隙示意圖如圖2。根據(jù)附壁風筒實物，設置2 種形式徑向出風條隙：①將朝向巷道內(nèi)部的半圓筒體三等分，取上下2 段開孔，形成第1 種形式出風條隙；②將半圓筒體五等分，取上、中、下3 段開孔，形成第2 種形式出風條隙。2 種形式條隙均寬0.05 m，間隔0.05 m 風筒實體交替布置。

圖2 附壁風筒出風條隙示意圖Fig.2 Air outlet slot diagram of wall-attached duct

將風流視為連續(xù)相，粉塵顆粒視為離散相，利用歐拉-歐拉法求解連續(xù)相，利用歐拉-拉格朗日法求解離散相[16-17]。優(yōu)選Realizable k-ε 模型計算風流運移，利用DPM 模型計算粉塵顆粒逸散。

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

運用ICEM 軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，選用非結(jié)構(gòu)性四面體網(wǎng)格對模型流體域進行網(wǎng)格化處理[18]。根據(jù)模型復雜程度及數(shù)值模擬需求，選用最大尺寸分別為0.1、0.2、0.3 m 的網(wǎng)格對模型流體域進行網(wǎng)格劃分并開展獨立性檢驗。提取距工作面1～20 m、距底板1.55 m、距巷道邊緣0.7 m 的壓風側(cè)人員呼吸高度風速數(shù)據(jù)進行對比分析。網(wǎng)格獨立性檢驗如圖3。

由圖3 可以看出，最大網(wǎng)格尺寸為0.3 m 時，所得模擬結(jié)果偏差較大；最大網(wǎng)格尺寸為0.1 m 和0.2 m 時，二者所得結(jié)果差別較小。綜合考慮數(shù)值計算量及模擬結(jié)果的合理性，選用最大網(wǎng)格尺寸為0.2 m進行網(wǎng)格劃分。以圖1 模型為例，共計得到1 287 917個網(wǎng)格，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.855，網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量均能滿足數(shù)值模擬需求。

圖3 網(wǎng)格獨立性檢驗Fig.3 Mesh independence test

設置模型基本邊界條件為：壓風口、附壁風筒徑向出風條隙、抽風口為“Velocity-Inlet”；工作面為“Dust Source”；巷道末端斷面為“Outflow”；其他實體表面為“Wall”[19-20]。入口邊界速度參數(shù)設置見表1。網(wǎng)格劃分結(jié)果及邊界條件如圖4。

表1 入口邊界速度參數(shù)設置Table 1 Velocity parameters setting of inlet boundary

圖4 網(wǎng)格劃分及邊界條件設置Fig.4 Mesh division and boundary condition setting

根據(jù)綜掘工作面粉塵粒徑實驗分析結(jié)果，數(shù)值模擬塵源顆粒參數(shù)設置為：最小粒徑8.2×10-7m，中位徑4.83×10-6m；最大粒徑2.65×10-5m；粒徑分布遵循Rosin-Rammler；顆粒散布方式為面噴射；顆粒分布指數(shù)為1.84；顆粒質(zhì)量流率為0.002 kg/s。

3 風流運移及粉塵擴散數(shù)值模擬

基于固定變量法，利用ANSYS Fluent 軟件開展氣固兩相流數(shù)值模擬研究。

3.1 抽塵距離對風幕控塵的影響

3.1.1 抽塵距離對流場結(jié)構(gòu)的影響

不同抽塵距離條件下的綜掘工作面流場結(jié)構(gòu)如圖5，距工作面4 m 及5 m 的掘進司機前部斷面風速矢量如圖6。

圖5 不同抽塵距離條件下綜掘工作面流場結(jié)構(gòu)Fig.5 Airflow field structure of fully mechanized excavation face under different dust conditions

由圖5 可知：約90%壓風風流由附壁風筒徑向出風條隙射出，形成能夠覆蓋巷道全斷面的徑向旋流風幕。風幕在抽風負壓作用下，向工作面軸向運移，在此過程中形成穩(wěn)定的軸向阻塵流場。

由圖5 和圖6 可知：抽塵距離2 m 時，阻塵流場中約2/3 軸向風流在慣性作用下到達并掠過工作面，約1/3 軸向風流受抽風負壓作用直接向抽風口聚集，流場邊界距工作面約3.5 m；抽塵距離3 m時，阻塵流場中約1/2 軸向風流能夠到達并掠過工作面，流場邊界距工作面約4.8 m。

由圖5 和圖6 可知：抽塵距離2 m 及抽塵距離3 m 條件下，掘進司機前部斷面內(nèi)風流均呈指向工作面的軸向，風速范圍約0.45～0.75 m/s；抽塵距離4 m 時，阻塵流場中只有不到1/3 軸向風流能夠到達工作面，流場邊界后移至距工作面6.7 m，掘進司機前部斷面風流仍可維持軸向，但風速范圍擴大至0.6～1.05 m/s；抽塵距離5 m 時，幾乎已無軸向風流能夠到達工作面，阻塵流場邊界距工作面8.9 m，未能覆蓋掘進司機前部區(qū)域，導致掘進司機前部斷面風流狀態(tài)紊亂，風速范圍進一步增至0.6～2.3 m/s。

圖6 不同抽塵距離條件下掘進司機前部斷面風速矢量Fig.6 Airflow speed vector of front section of tunneling driver under different dust conditions

3.1.2 抽塵距離影響粉塵擴散分析

不同抽塵距離條件下的綜掘工作面粉塵擴散如圖7，距工作面3 m 的截割區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度分布如圖8。粉塵擴散距離L 與抽塵距離D 間定量關(guān)系如圖9。

圖7 不同抽塵距離條件下綜掘工作面粉塵擴散Fig.7 Dust diffusion in fully mechanized excavation face under different conditions

圖8 不同抽塵距離條件下截割區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.8 Distribution of dust mass concentration in cutting area under different conditions

由圖7～圖9 可知：抽塵距離2 m 時，高濃度粉塵在軸向阻塵流場的作用下被阻控于距工作面5.7 m 以內(nèi)的范圍，截割區(qū)域粉塵主要分布于截割臂及抽風筒下方，未出現(xiàn)大范圍擴散；抽塵距離3 m 時，由于軸向阻塵流場邊界后移，高濃度粉塵無法得到及時阻控，粉塵擴散距離增至6.4 m，截割臂周圍區(qū)域粉塵濃度已達300 mg/m3以上；抽塵距離4 m 時，軸向阻塵流場邊界已移至掘進司機后部，粉塵擴散距離進一步增至8.5 m，截割區(qū)域全斷面粉塵濃度已達到400 mg/m3，掘進司機完全暴露于粉塵污染環(huán)境中；抽塵距離5 m 時，綜掘工作面已無法形成軸向阻塵流場，粉塵擴散距離基本穩(wěn)定在9.1 m。

圖9 粉塵擴散距離L 與抽塵距離D 間定量關(guān)系Fig.9 Quantitative relationship between L and D

L 與D 之間滿足定量關(guān)系：

綜上，隨抽塵距離的增加，軸向阻塵流場邊界逐漸后移，掘進司機前部區(qū)域風流狀態(tài)逐漸紊亂，風速分布愈加不均，粉塵擴散距離隨之不斷增大。由此，綜掘工作面旋流風幕控塵最佳抽塵距離為2 m。

3.2 抽塵位置對風幕控塵的影響

3.2.1 抽塵位置影響流場結(jié)構(gòu)分析

不同抽塵位置條件下的綜掘工作面流場結(jié)構(gòu)如圖10。

圖10 不同抽塵位置條件下的綜掘工作面流場結(jié)構(gòu)Fig.10 Airflow field structure of fully mechanized excavation face under different dust extraction position conditions

由圖10 可知：位置Ⅰ條件下，巷道內(nèi)風流整體運移方式為“由壓風邊側(cè)到抽風邊側(cè)”，風流能夠掃掠工作面全斷面后匯集于抽風口，掘進機作業(yè)區(qū)域流場分布均勻；位置Ⅱ條件下，由于抽風筒與巷道邊壁間存在一定范圍的空隙，風流掃掠工作面后需再次轉(zhuǎn)向匯集于抽風口，易于在拐角處形成渦流；位置Ⅲ條件下，風流由巷道兩側(cè)向中央位置匯集，風流間相互碰撞易導致工作面流場紊亂，部分風流尚未到達工作面就直接被吸入抽風筒，導致在工作面壓、抽風側(cè)隅角及中心區(qū)域均形成風量極低的“微風區(qū)”。

3.2.2 不同抽風位置條件下的粉塵擴散

不同抽風位置條件下綜掘工作面粉塵擴散如圖11，距工作面3 m 的截割區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度分布如圖12。

圖11 不同抽風位置條件下綜掘工作面粉塵擴散Fig.11 Dust diffusion in fully mechanized excavation face under different dust extraction position conditions

由圖11 和圖12 可知：沿質(zhì)量濃度50 mg/m3以上的高濃度粉塵擴散邊界作弧線，以兩端為起點做直線使其相交于機體中心點，二者間夾角設為擴散角θ；抽風筒位于位置Ⅰ、位置Ⅱ時，高濃度粉塵擴散距離基本相似，分別為5.7 m 和6.1 m，但擴散角θ2大于擴散角θ1，說明粉塵沿巷道兩側(cè)擴散更嚴重；位置Ⅰ時，截割區(qū)域高濃度粉塵主要集中于抽風側(cè)及截割頭下部，但位置Ⅱ時，高濃度粉塵污染范圍略有增大，說明位置Ⅱ條件下流場整體控塵能力已有所下降；抽風筒位于位置Ⅲ時，粉塵擴散距離增至6.5 m，擴散角θ3進一步增大，截割區(qū)域高濃度粉塵污染范圍已超過1/2 斷面。

圖12 不同抽風位置條件下截割區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.12 Distribution of dust mass concentration in cutting area under different dust extraction position conditions

綜上所述，抽風筒由位置Ⅰ至位置Ⅲ，流場整體控塵能力下降，粉塵擴散角θ及粉塵擴散距離L 均隨之增大。雖然位置Ⅰ及位置Ⅱ條件下，粉塵擴散狀態(tài)相差不大，但抽風筒位于位置Ⅱ時，需隨同掘進機共同移動，難以在巷道內(nèi)形成穩(wěn)定流場，且落煤易導致筒體損壞。因此，綜掘工作面風幕控塵的最佳抽塵位置為位置Ⅰ。

4 工程應用

基于上述數(shù)值模擬結(jié)論，確定最優(yōu)抽塵區(qū)域為：抽風口距工作面2 m，抽風筒設置于壓風筒對側(cè)巷道邊壁。將該最優(yōu)條件在蔣莊煤礦3下612 運輸巷綜掘工作面進行工程應用，并實測分析旋流風幕控塵效果。

現(xiàn)場實測測點布置如圖13。選定距工作面5 、7 m 斷面為風流實測斷面，測點A、測點C 設置于人行道人員呼吸高度位置，測點B 設置于掘進司機呼吸高度位置；選定距工作面2.5、5、7 m 斷面為粉塵實測斷面，測點A、測點C 設置為采樣點。各斷面風速實測值與數(shù)值模擬值見表2，各斷面粉塵濃度實測值與數(shù)值模擬值見表3。

圖13 現(xiàn)場實測測點布置Fig.13 Site measuring point arrangement

由表2 和表3 可知：綜掘工作面各測點風速方向與數(shù)值模擬結(jié)果一致，風速和粉塵濃度與數(shù)值模擬結(jié)果相對誤差范圍分別為6.90%～18.64%和8.42%～14.57%，相對誤差較低，說明數(shù)值模擬結(jié)果較為準確。

表2 各斷面風速實測值與數(shù)值模擬值Table 2 Wind speed measured value and numerical simulation value of each section

表3 各斷面粉塵濃度實測值與數(shù)值模擬值Table 3 Dust concentration measured value and numerical simulation value of each section

實測結(jié)果顯示，距工作面5～7 m 斷面內(nèi)各測點風流均為指向工作面的軸向運移，風速范圍穩(wěn)定在0.58～0.62 m/s 說明該條件下軸向阻塵流場能夠有效覆蓋掘進司機及其前部巷道空間。在阻塵流場作用下，粉塵濃度由距工作面2.5 m 的298.5 mg/m3急劇降至距工作面7 m 的24.6 mg/m3，控塵效率約為91%。說明該抽塵條件能夠有效提高旋流風幕控塵效率，改善綜掘工作面的人員作業(yè)環(huán)境。

5 結(jié) 語

1）隨抽塵距離的增加，旋流風幕運移所形成的軸向阻塵流場邊界逐漸后移，掘進司機前部區(qū)域風流狀態(tài)逐漸紊亂，流場整體控塵能力下降，高濃度粉塵擴散范圍均隨之增大。

2）隨抽風筒距壓風筒對側(cè)巷道邊壁距離的增加，易于在抽風隅角形成渦流，并在工作面形成風量極低的“微風區(qū)”，導致高濃度粉塵擴散距離及擴散角均隨之增大。

3）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)論，最優(yōu)抽塵區(qū)域選定為：抽風口距工作面2 m，抽風筒安設于壓風筒對側(cè)巷道邊壁。工程實測驗證了數(shù)值模擬的有效性，得到了旋流風幕控塵效率約為91%，綜掘工作面作業(yè)環(huán)境得到了有效改善。