附壁風(fēng)筒出風(fēng)口參數(shù)對(duì)掘進(jìn)工作面控塵效果的影響

王建國(guó) ，李堯堯

（西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

綜掘工作面是煤礦井下主要的產(chǎn)塵地點(diǎn)之一，大量粉塵積聚在此處，不僅污染綜掘工作面環(huán)境，而且在一定條件下會(huì)發(fā)生爆炸，從而嚴(yán)重威脅到礦井的安全生產(chǎn)和礦工的生命安全[1-2]。目前，井下掘進(jìn)工作面的通風(fēng)方式大部分為壓入式通風(fēng)，其特點(diǎn)為出口風(fēng)向單一、掘進(jìn)工作面斷面速度分布不均勻，這就增大了粉塵防治的難度，尤其是對(duì)粒徑小于5 μm 的呼吸性粉塵，防治效果更差[3]。附壁風(fēng)筒可以在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工作區(qū)域的前方形成隔斷空氣幕，將掘進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生的高濃度粉塵有效控制在前端，減少粉塵大面積擴(kuò)散。而在壓風(fēng)筒模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行附壁風(fēng)筒設(shè)計(jì)之后，得到的徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒不僅可以將粉塵控制在掘錨機(jī)之前的負(fù)壓抽吸區(qū)，阻止截割作業(yè)所產(chǎn)生的高濃度粉塵向巷道的擴(kuò)散，而且可以保證掘錨機(jī)司機(jī)的作業(yè)空間不受粉塵侵?jǐn)_。目前對(duì)附壁風(fēng)筒的研究工作主要集中在：附壁風(fēng)筒對(duì)控塵效果的影響[4-7]；附壁風(fēng)筒不同參數(shù)對(duì)控塵效果的影響[8-10]；加入附壁風(fēng)筒后除塵效果對(duì)比[11-13]。

綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，目前鮮有對(duì)徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒出風(fēng)口寬度以及徑軸向出風(fēng)比的研究。鑒于此，以馮家塔煤礦某綜掘工作面為原型，建立綜掘工作面模型，在長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)條件下，通過(guò)分析巷道內(nèi)以及司機(jī)位置處的粉塵濃度變化，研究徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒出風(fēng)口寬度以及徑軸向出風(fēng)比對(duì)綜掘工作面控塵效果的影響，以期為綜掘工作面防塵提供參考。

1 模型建立

1.1 幾何模型

依據(jù)馮家塔煤礦綜掘面工作現(xiàn)場(chǎng)，選取模擬巷道，將巷道簡(jiǎn)化為長(zhǎng)為80 m，巷道橫截面為寬5.45 m，高3.9 m 的矩形。綜掘工作面布置長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)，將壓風(fēng)筒簡(jiǎn)化為直徑為1 m 的圓柱體，壓風(fēng)量為570 m3/min，位置裝設(shè)于巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)，壓風(fēng)筒出風(fēng)口距掘進(jìn)工作面15 m，中心軸距頂板及煤壁均為0.7 m；抽風(fēng)筒架固定架設(shè)于掘錨機(jī)正上方，保持抽風(fēng)筒直徑為0.8 m，吸風(fēng)口與掘進(jìn)工作面之間的距離為3 m。在壓風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)上對(duì)徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在壓風(fēng)筒末端5 m位置處布置附壁風(fēng)筒。徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒設(shè)置有3 個(gè)0.8 m×0.05 m 的條縫出風(fēng)口，每個(gè)出風(fēng)口之間的間距均為0.2 m，出風(fēng)口風(fēng)流徑向吹至回風(fēng)側(cè)壁面，徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒如圖1。

圖1 徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒Fig.1 Radial outlet wall attached air duct

1.2 邊界條件及求解設(shè)置

建立幾何模型后，結(jié)合風(fēng)流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模擬特點(diǎn)，需將模型適當(dāng)簡(jiǎn)化以方便計(jì)算，故將巷道內(nèi)空氣設(shè)為不可壓縮流體且密度恒定，邊界條件參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 邊界條件參數(shù)設(shè)置Table 1 Boundary condition parameters setting

2 附壁風(fēng)筒參數(shù)對(duì)控塵效果的影響

2.1 出風(fēng)口寬度對(duì)控塵效果的影響

固定壓抽風(fēng)量比為1.3，保持徑向出風(fēng)式出風(fēng)口的長(zhǎng)度為0.8 m，通過(guò)模擬附壁風(fēng)筒控塵及除塵風(fēng)機(jī)除塵效果，分析工作區(qū)粉塵濃度分布情況，以此確定徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒的最佳出風(fēng)口寬度。

通過(guò)將徑向出風(fēng)式出風(fēng)口寬度改變?yōu)?.01、0.03、0.05、0.07、0.09 m，模擬得出的徑向出風(fēng)口不同寬度時(shí)呼吸帶粉塵濃度如圖2，徑向出風(fēng)口不同寬度時(shí)巷道兩側(cè)呼吸帶粉塵濃度如圖3。

圖2 徑向出風(fēng)口不同寬度時(shí)呼吸帶粉塵濃度Fig.2 Dust concentration in respiratory zone at different widths of radial air outlet

圖3 徑向出風(fēng)口不同寬度時(shí)巷道兩側(cè)呼吸帶粉塵濃度Fig.3 Dust concentration in respiratory zone on both sides of roadway at different widths of radial air outlet

當(dāng)徑向出風(fēng)口寬度極小，僅為0.01 m 時(shí)，徑向出風(fēng)口風(fēng)速過(guò)大，巷道空間基本被粉塵侵占，平均濃度高達(dá)200 mg/m3；但當(dāng)徑向出風(fēng)口寬度變大后，附壁風(fēng)筒控塵作用起效，巷道內(nèi)粉塵濃度急速下降，直至徑向出風(fēng)口寬度增大到0.09 m 時(shí)，附壁風(fēng)筒的控塵效果才有所減弱，但巷道內(nèi)的絕大多數(shù)粉塵依舊被有效控制；在徑向出風(fēng)口寬度在0.03～0.07 m 之間時(shí)，附壁風(fēng)筒徑向出風(fēng)所形成的控塵風(fēng)幕可以保持完整，控塵效果均可達(dá)較理想狀態(tài)。據(jù)云圖顯示，在徑向出風(fēng)口寬度在0.05 m 時(shí)，徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒的控塵效果最佳，粉塵的積聚及逸散情況得到有效改善，掘錨機(jī)前粉塵濃度達(dá)到650 mg/m3，粉塵基本在掘進(jìn)工作面10 m 處得到有效控制，距掘進(jìn)工作面15 m 時(shí)粉塵濃度已降至40 mg/m3左右。因此在快速掘進(jìn)工作面長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)加裝徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒對(duì)工作面的控塵除塵效果非常明顯。

徑向出風(fēng)口不同寬度時(shí)司機(jī)處粉塵濃度如圖4，徑向出風(fēng)口不同寬度時(shí)巷道粉塵濃度如圖5。

圖4 徑向出風(fēng)口不同寬度時(shí)司機(jī)處粉塵濃度Fig.4 Dust concentration at the driver at different widths of radial air outlet

圖5 徑向出風(fēng)口不同寬度時(shí)巷道粉塵濃度Fig.5 Roadway dust concentration at different width of radial air outlet

由圖4、圖5 可知：徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒可以較好地將粉塵集中阻隔在巷道前7 m 范圍內(nèi)，司機(jī)所受影響較??；當(dāng)徑向出風(fēng)口寬度為0.01 m 時(shí)，高速?gòu)较蝻L(fēng)速到達(dá)煤壁時(shí)產(chǎn)生的附壁作用會(huì)受到破壞，不能阻斷粉塵的運(yùn)移，作業(yè)空間末端粉塵濃度高達(dá)90 mg/m3；徑向出風(fēng)口寬度增大后，附壁風(fēng)筒控塵除塵效果得到加強(qiáng)，當(dāng)徑向出風(fēng)口寬度增大到0.05 m 時(shí)，司機(jī)處粉塵濃度降至100 mg/m3，距掘進(jìn)工作面20 m 巷道內(nèi)基本無(wú)粉塵；繼續(xù)增大徑向出風(fēng)口，所表現(xiàn)出的控塵除塵效果有所下降，當(dāng)徑向出風(fēng)口達(dá)到0.09 m 時(shí)，仍可以將大部分粉塵隔離在壓風(fēng)筒口前方，除塵效果相比寬度為0.05 m 的徑向出風(fēng)口時(shí)下降約20%。

2.2 徑軸向出風(fēng)比對(duì)控塵效果的影響

在確定徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒的最佳出風(fēng)口寬度后，設(shè)置附壁風(fēng)筒出風(fēng)量為569.9、284.5、189.6 m3/min，分析附壁風(fēng)筒不同徑軸向出風(fēng)比下的風(fēng)幕控塵效果，得出最佳徑軸向出風(fēng)比。

固定徑向出風(fēng)口寬為0.05 m，改變徑軸向出風(fēng)比為1∶1、1∶2、1∶3，徑向出風(fēng)口不同徑軸向出風(fēng)比時(shí)呼吸帶粉塵濃度如圖6，徑向出風(fēng)口不同徑軸向出風(fēng)比時(shí)巷道兩側(cè)呼吸帶粉塵濃度圖7。

圖6 徑向出風(fēng)口不同徑軸向出風(fēng)比時(shí)呼吸帶粉塵濃度Fig.6 Dust concentration in respiratory zone at different radial and axial air outlet ratios

圖7 徑向出風(fēng)口不同徑軸向出風(fēng)比時(shí)巷道兩側(cè)呼吸帶粉塵濃度Fig.7 Dust concentration in respiratory zone on both sides of the roadway at different radial and axial air outlet ratios

當(dāng)徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒徑軸向出風(fēng)比為1∶1 時(shí)，風(fēng)幕基本形成，徑向風(fēng)流對(duì)巷道內(nèi)原平衡風(fēng)流有一定的干擾，風(fēng)幕控塵效果一般，掘進(jìn)工作面粉塵有一定向巷道擴(kuò)散的趨勢(shì)存在，但逃逸負(fù)壓抽吸區(qū)的粉塵又可被風(fēng)幕阻隔在巷道前端15 m 左右，阻止了粉塵對(duì)巷道的進(jìn)一步侵蝕；當(dāng)徑軸向出風(fēng)比變?yōu)?∶2 時(shí)，風(fēng)幕形成最為完整有效，可以將掘錨機(jī)之前的粉塵基本完全控制在負(fù)壓抽吸區(qū)，粉塵從掘錨機(jī)四周逸散現(xiàn)象消失，此時(shí)附壁風(fēng)筒的控塵作用體現(xiàn)最佳，巷道呼吸帶無(wú)粉塵，掘錨機(jī)司機(jī)作業(yè)條件較好，不僅粉塵被隔離在截割滾筒作業(yè)范圍，而且有壓風(fēng)筒新鮮風(fēng)流吹席；當(dāng)徑軸向出風(fēng)比變?yōu)?∶3 時(shí)，徑向出風(fēng)同上述同樣條件下螺旋風(fēng)幕一般，不能形成完整風(fēng)幕的同時(shí)還會(huì)擾亂巷道的風(fēng)流軌跡，造成粉塵的大范圍擴(kuò)散，且擴(kuò)散嚴(yán)重程度超過(guò)螺旋出風(fēng)式，附壁風(fēng)筒控塵系統(tǒng)失效，干擾除塵系統(tǒng)。

不同徑軸向出風(fēng)比時(shí)司機(jī)處粉塵濃度如圖8，不同徑軸向出風(fēng)比時(shí)巷道中粉塵濃度如圖9。

圖8 不同徑軸向出風(fēng)比時(shí)司機(jī)處粉塵濃度Fig.8 Dust concentration at the driver under different radial and axial air outlet ratios

圖9 不同徑軸向出風(fēng)比時(shí)巷道中粉塵濃度Fig.9 Dust concentration in roadway under different radial and axial air outlet ratios

由圖8、圖9 可以看出：當(dāng)徑向分風(fēng)量為軸向風(fēng)量一半時(shí)，徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒控塵除塵作用達(dá)到最佳狀態(tài)，粉塵被集中控制在負(fù)壓抽吸區(qū)，風(fēng)幕的完整性得到維持的同時(shí)其控塵作用得到了較好的體現(xiàn)，在掘錨機(jī)司機(jī)位置粉塵濃度降至1.2 mg/m3，距掘進(jìn)工作面5 m 之后濃度降至規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)之下；當(dāng)徑軸向出風(fēng)比為1∶1 時(shí)，司機(jī)所在空間粉塵濃度為50 mg/m3左右，作業(yè)環(huán)境得到改善，塵源處粉塵會(huì)隨著高速風(fēng)流擴(kuò)散至距掘進(jìn)工作面15 m，巷道后段粉塵擴(kuò)散得到有效的抑制；當(dāng)徑軸向出風(fēng)比為1∶3 時(shí)，徑向風(fēng)速相對(duì)較小，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)幕的形成受阻，控塵作用得不到有效的發(fā)揮，負(fù)壓抽吸區(qū)雖然能將大部分粉塵抽離，但截割作用所產(chǎn)生的粉塵仍會(huì)在巷道內(nèi)急劇擴(kuò)散，巷道中粉塵平均濃度高達(dá)40 mg/m3左右，不同水平高度下粉塵濃度分布較均勻。

2.3 模擬結(jié)果的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

在井下快速掘進(jìn)作業(yè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒應(yīng)用，按上述條件進(jìn)安裝調(diào)試，附壁風(fēng)筒徑軸向出風(fēng)比調(diào)整為1∶2，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行粉塵濃度實(shí)測(cè)。巷道呼吸帶粉塵濃度沿程圖如圖10。

圖10 巷道呼吸帶粉塵濃度沿程圖Fig.10 Dust concentration along the roadway breathing zone

根據(jù)實(shí)測(cè)值和模擬值進(jìn)行對(duì)比可得出：掘錨機(jī)司機(jī)位置模擬值為1.2 mg/m3，實(shí)測(cè)值為0.7 mg/m3，實(shí)測(cè)值及模擬值均降至2.5 mg/m3以下，達(dá)到了井下規(guī)定的允許濃度；在巷道回風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)所采集到的粉塵濃度與模擬值有一定的差距，其原因可能為粉塵濃度將至較低水平，在進(jìn)行采樣過(guò)程中，人為動(dòng)作對(duì)局部風(fēng)流影響較大，從而導(dǎo)致采樣粉塵濃度與模擬值出現(xiàn)一定偏差；但在距掘進(jìn)工作面10、15、20 m 上，測(cè)定得到的粉塵濃度分別為3.1、0.7、0.4 mg/m3，模擬值分別為3.6、1.2、0.6 mg/m3，基本符合實(shí)際情況，一方面驗(yàn)證了所建立的徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒控塵除塵系統(tǒng)幾何模型和物理模型的合理性，同時(shí)證明了該附壁風(fēng)筒控塵系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒的應(yīng)用對(duì)快速掘進(jìn)工作面粉塵防治有極大的幫助，不僅可以將粉塵控制在掘錨機(jī)之前的負(fù)壓抽吸區(qū)，阻止截割作業(yè)所產(chǎn)生的高濃度粉塵向巷道的擴(kuò)散，而且可以保證掘錨機(jī)司機(jī)的作業(yè)空間不受粉塵侵?jǐn)_，保證各工種有序作業(yè)的同時(shí)，為巷道提供了充足的新風(fēng)并改善作業(yè)環(huán)境。加裝徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒控塵除塵系統(tǒng)相比原始的通風(fēng)除塵，除塵控塵效率得到大幅提升，較為理想地解決了快速掘進(jìn)工作面的粉塵擴(kuò)散問(wèn)題，為指導(dǎo)不同類型快速掘進(jìn)工作面粉塵防治提供了理論及技術(shù)依據(jù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）當(dāng)出風(fēng)口寬0.05 m 時(shí)，徑向出風(fēng)口風(fēng)速最佳，巷道兩側(cè)呼吸帶粉塵濃度及司機(jī)處粉塵濃度大幅下降，控塵效果最佳，且出風(fēng)口寬度的增大或減小均會(huì)對(duì)附壁風(fēng)筒的控塵除塵效果造成影響。

2）確定出風(fēng)口的寬度為0.05 m。當(dāng)徑軸向出風(fēng)比為1∶2 時(shí)，風(fēng)幕形成最為完整有效，此時(shí)附壁風(fēng)筒的控塵作用體現(xiàn)最佳，巷道呼吸帶無(wú)粉塵，掘錨機(jī)司機(jī)作業(yè)條件較好。

3）當(dāng)徑向出風(fēng)式附壁風(fēng)筒出風(fēng)口參數(shù)為0.8 m×0.05 m，同時(shí)保證徑軸向出風(fēng)比為1∶2 時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到掘錨機(jī)司機(jī)位置粉塵濃度以及距迎頭10、15、20 m 時(shí)的粉塵濃度，與模擬值相差不大，基本符合實(shí)際情況。