多向渦流風幕阻隔粉塵彌散的模擬實驗

聶文，劉陽昊，程衛民，周剛，薛嬌，馬驍(山東科技大學 礦業與安全工程學院，礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島，266590)

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多向渦流風幕阻隔粉塵彌散的模擬實驗

聶文，劉陽昊，程衛民，周剛，薛嬌，馬驍
(山東科技大學 礦業與安全工程學院，礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島，266590)

摘要：針對掘進面迎頭粉塵彌散難以控制的難題，設計新型多向渦流風幕發生裝置，并基于自行設計的模擬實驗平臺得出多向渦流風幕風流運移及阻隔粉塵彌散規律。研究結果表明：風流運移規律為多向渦流風幕與迎頭距離Lc越大，壓抽比Y、壓風量Qf及軸徑比Z越小，越利于形成風流均指向迎頭運移的阻塵風流場。阻隔粉塵彌散規律為粉塵質量濃度基本隨巷道斷面與迎頭距離的增大而減小或波動減小；隨著Lc的增大，阻隔粉塵彌散能力先減小后增大；Y、Z 越小，Qf越大，越利于阻隔粉塵彌散。通風參數變至一定值后，形成阻塵風流場的均勻程度及阻隔粉塵彌散能力基本穩定，并確定了實驗掘進面較優通風參數為：Lc=20 m，Y=5:4，Qf=300 m3/min，Z=1:9；該參數時全塵、呼吸性粉塵的降塵率平均值分別為95.85%和94.32%。

關鍵詞：掘進面? 多向渦流風幕? 阻塵風流場? 粉塵彌散? 模擬實驗

據國家衛生計生委通報，2013年全國共報告職業病26 393例，其中，塵肺病23152例，占87.7%，煤工塵肺病22 050例，占塵肺病總例數的95.2%，而掘進面煤工塵肺病例數約占煤工塵肺病總例數的50%以上，由此可見，預防我國煤工尤其掘進面煤工塵肺病在預防我國職業病的工作中占有重要地位。據實測，掘進面尤其綜掘面不采用防塵措施時，迎頭粉塵質量濃度可高達3 g/m3，嚴重威脅了煤工的身體健康[1?2]。目前，國內外主要產煤國掘進面防塵技術主要有噴霧降塵、化學抑塵及通風除塵等，其中，抽風機為除塵風機的長壓短抽式通風除塵技術由于具有耗水量小、運行成本低等優點，已成為我國掘進面應用較廣泛的防塵技術[3?5]。但傳統的單一長壓短抽式通風除塵技術仍不能有效控制掘進面迎頭的高濃度粉塵大量彌散至有人作業區域，主要原因是難以在有人作業處至迎頭間形成風流均指向迎頭運移的阻塵風流場[6?8]。實踐證明，渦流風幕尤其多向渦流風幕配合抽塵凈化技術形成的抽吸氣流阻隔捕吸粉塵，是一種可以阻隔粉塵彌散的有效方法[9?11]。國內外學者在研究掘進面風流運移及粉塵彌散方面主要有現場實測、數值模擬及實驗測定3種方式，其中，現場實測易受生產條件限制，測定時間及通風參數設置較難得到充分保證；數值模擬在數學模型及邊界條件參數設置方面難免會有一定誤差，致使數值模擬結果很難完全符合現場實際情況；實驗測定方面，國內外學者多是通過相似實驗進行，通風參數設置也較簡單，因此，現有研究成果難以系統、 準確地得出渦流風幕阻隔掘進面粉塵彌散的規律，現場應用后也一直未達到理想的除塵效果[12?17]。為此，本文作者設計進行與掘進面現場較為一致的多向渦流風幕阻隔粉塵彌散模擬實驗，以期為指導掘進面粉塵防治提供參考。

1　多向渦流風幕阻隔粉塵彌散原理

粉塵沿掘進面巷道的彌散，可簡化為等強度源一維縱向彌散，從初始時刻t=0 s開始，在某處連續加入粉塵彌散質，彌散方程如下[18?20]：

式中：c為平均粉塵質量濃度，mg/m3；v為平均流速，m/s；t為彌散時間，s；K為綜合彌散系數，Dt為徑向質量濃度引起徑向分子彌散系數，D1為縱向流速分布不均引起的縱向彌散系數，D1≥Dt。

不可壓縮黏性氣體運動方程[7,18]為

式中：Ug為氣體的運動速度矢量，m/s；F 為單位體積上氣體質量力矢量，N/m3；p 為氣體的壓力矢量，Pa；? p 為壓力梯度；μg為氣體黏度，Pa?s。

球形塵粒忽略外力作用時的運動方程[7,19]為

式中：cp為阻力系數；Up為塵粒運動速度矢量，m/s；Ur為氣體與塵粒間相對速度，m/s，即 ：Ur=Ug? Up。

由式(1)～(4)可知：粉塵在掘進面中彌散的基本動力源于運移的風流，為氣固兩相流運動，通過轉變風流運移方式可阻隔粉塵彌散。

在掘進面長壓短抽通風除塵方式中，若將壓風筒直吹迎頭的軸向風流部分或全部轉為吹向巷道周壁的徑向多方向出風，受附壁效應等影響，在巷道內可形成多個徑向渦流風幕風流場，相對傳統康達風筒形成的單向渦流風幕，可更好地徑向覆蓋巷道全斷面，避免風幕死角的出現；受距迎頭較近的抽風筒抽風負壓作用，多向渦流風幕風流場不斷向迎頭軸向運移，由于內部渦流風流場互相影響，其向迎頭的軸向運移能力將明顯弱于傳統的螺旋線狀單向渦流風幕風流場，可在更小的距離內將徑向風流轉為阻隔粉塵效果更好的風流方向均軸向指向迎頭的阻塵風流場，以阻隔迎頭粉塵向有人作業區域彌散，并通過抽風筒吸入除塵風機凈化，以有效提高抽塵凈化效率，降低掘進面粉塵質量濃度。若徑向出風口與軸向出風口的出風速度明顯大于周圍風流速度，則可將出風口周圍空氣卷吸入出風射流場，形成軸向渦流風流場，從而阻礙阻塵風流場的形成[10]。圖1所示為多向渦流風幕應用后掘進面風流場運移示意圖。

圖1　風幕應用后風流場運移示意圖Fig.1　Schematic diagram of wind flow field migration after the use of airCurtain

2　模擬實驗平臺及風幕發生裝置設計

2.1模擬實驗平臺設計

本文自行設計長壓短抽通風除塵式掘進面氣載粉塵彌散模擬實驗平臺(如圖2所示)，以測定多向渦流風幕風流場運移及阻隔粉塵彌散的規律。模擬實驗平臺基于山東科技大學模擬實驗礦井的掘進面構建，主要由掘進巷道、壓入式風機、除塵風機及高壓泵等構成。半圓拱形掘進巷道的長、 寬、 高分別為41.00，3.45 和3.25 m，斷面積為9.93 m2；最大出風量為547 m3/min的壓入式風機安設在距迎頭60 m的井底車場大巷處，最大吸風量為422 m3/min 的除塵風機距迎頭34 m，兩風機均分別由裝有 ATV61HD37N4Z 型無級變頻器的變頻調速控制開關控制；位于井下南北大巷的3D2?S135/28 型高壓泵將儲水筒中的水增壓至2MPa后輸至除塵風機。分別與壓入式風機、除塵風機相連且沿巷道兩壁安設的壓、抽風筒直徑均為0.8 m，其中軸線均距底板為2m；在迎頭處安設吹風量為64 m3/min的揚塵風扇作為產塵源。

圖2　模擬實驗平臺Fig.2Analogous experimental platform

2.2多向渦流風幕發生裝置設計

本文設計的新型多向渦流風幕發生裝置由圓筒、三向及兩向徑向出風口、 擋板等構成。該裝置長1.7 m，直徑為0.57～0.97 m，沿圓筒筒體的180°角半圓弧處共設置10組寬0.05 m的徑向出風口及導流網，其中，三向及兩向徑向出風口各5組，交替布置，之間間隔寬為0.05 m的圓筒實體，徑向出風口段共0.95 m。每組三向及兩向徑向出風口組分別有 36°角圓弧形出風口3條及 60°角圓弧形出風口2條。該裝置的材質為一種新型高分子輕質材料，阻燃、抗靜電，抗壓強度高，總質量小于30 kg。多向渦流風幕發生裝置與壓風筒相連，通過擋板開關調節內置擋板，可將壓風筒直吹迎頭的軸向風流通過導流網與徑向出風口，部分或全部轉為吹向巷道周壁的徑向多方向出風。圖3所示為風幕發生裝置結構示意圖。

圖3　風幕發生裝置結構示意圖Fig.3　Diagrammatic sketch of generator structure of airCurtain

3　實驗的方案設計及結果分析

3.1實驗方案設計

設計了多向渦流風幕與迎頭距離Lc、壓抽比Y(壓風量與抽風量比值)、壓風量 Qf、軸徑比 Z(壓風筒中軸向出風量與徑向出風量比值)影響多向渦流風幕阻隔掘進面粉塵彌散的模擬實驗方案，并對通風參數及測風點、測塵點進行設置。

3.1.1通風參數設置

設定壓、抽風口距迎頭分別為掘進面常用的10 m 和3 m，并根據以下參數依次進行模擬實驗：1)Qf為斷面積約10 m2、掘進面較常用時的 200 m3/min，Y=5:4，Z=1:9，Lc分別為10(壓風口與迎頭距離略小于10 m)，15，20和25 m，以確定距迎頭5 m(煤工與迎頭最近距離)斷面處可形成較均勻阻塵風流場的多向渦流風幕與迎頭較優距離Le；2)Qf=200 m3/min，Lc=Le，Z=1:9，Y分別為3:2，5:4，3:4和1:2，以確定較優的壓抽比Ye；(3)Lc=Le，Y=Ye，Z=1:9，Qf分別為150，200，300，400 和 500 m3/min，以確定較優的壓風量Qe；4)Qf=Qe，Lc=Le，Y=Ye，Z分別為1:9，3:7，5:5，7:3和9:1，以確定較優的軸徑比Ze。

3.1.2測點設置

1)測風點。為了確定整體風流運移規律，設置多個測風斷面，斷面與迎頭距離Ld分別為0.5，5 和10 m，L3(距迎頭最近的徑向三向出風口所在斷面與迎頭距離)及 L2(距迎頭最遠的徑向兩向出風口所在斷面與迎頭距離)；每個斷面上均設置7個測風點，徑向出風口所在斷面測點位置分別為(0.500,1.000)，(1.725,1.000)，(2.950,1.000)，(1.725,2.000)，(0.500,2.600)，(1.725,2.600)和(2.950,2.600)，其余斷面測點位置分別為(0.500,0.500)，(1.725,0.500)，(2.950,0.500)，(0.500,1.550)，(1.725,1.550)，(2.950,1.550)和(1.725,2.60)，數值單位為“m”，2組測點均依次分別用羅馬數字Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ及Ⅶ表示。圖4所示為測風點位置示意圖。風速大小與方向分別由TSI 8347-Velocicalc風速表與紅條帶測定。

2)測塵點。在有人作業區域分別距迎頭5，10，15，20，25，30和40 m斷面的距底板1.55 m工人呼吸高度處各設置1個測塵點，測點位置坐標為(1.725,1.550)；揚塵量為 300 g/min，由CCHZ?1000 型粉塵測定儀測定粉塵質量濃度。

3.2實驗結果分析

根據實驗方案依次進行風流運移及粉塵彌散的模擬實驗。

3.2.1風流運移模擬實驗結果分析

以設置的通風參數依次進行實驗，實驗結果如表1～4 所示。表1～4 中，風速方向采用以下圖標表示：“⊕”表示指向迎頭，“⊙”表示逆向迎頭，“→”表示由壓風筒指向抽風筒，“←”表示由抽風筒指向壓風筒，“↑”表示由底板指向頂板，“↓”表示由頂板指向底板。

圖4測風點位置示意圖Fig.4Schematic diagram of setting wind location

1)多向渦流風幕與迎頭距離。不同 Lc時各測點風速如表1所示。由表1可知：

① Lc由10 m增至25 m中，在L3和L2斷面處均形成了徑向多向渦流風幕風流場，致使風流方向發生變化，如測點(2.950,1.000)處的風流均為由抽風筒指向壓風筒；三向與兩向渦流風幕風流場交替布置，也保證了對整個巷道斷面的徑向無縫隙覆蓋。

② 隨著Lc的增大，Ld=5 m斷面的風流場方向逐漸由紊亂轉為指向迎頭運移，說明由出風口高速風流導致的軸向渦流風流場對阻塵風流場形成的阻礙逐漸減弱，并在Lc=20 m時形成了較均勻的阻塵風流場，7個測點的風速大小區間為0.24～0.33 m/s；Lc=25 m時，風速大小區間為0.24～0.32 m/s，與Lc=20 m時基本一致。增大 Lc會帶來管理上的諸多不便，因此，確定Le=20 m。

③ 在Ld=0.5 m斷面，Lc由10 m增至15 m中，風速逐漸減小，由 Lc=10 m 時的 0.11～0.51m/s 減至15 m時的0.04～0.31m/s，隨著Lc繼續增大，風流速度大小、方向已基本無變化。

表1　不同Lc時各測點風速Table1　Wind velocity of measure point of different distances between multi-direction whirling airCurtain and tunneling place

表2不同Y時各測點風速Table1　Wind velocity of measure point of different press extraction ratios

2)壓抽比。不同 Y 時各測點風速如表2 所示。由表2可知：

① Qf=200 m3/min，Y由3:2減至1:2時，抽風量不斷增大并逐漸超過Qf，巷道末端與渦流風幕發生裝置區域的風流方向逐漸由逆向迎頭轉為指向迎頭，致使L3斷面7個測點的風速均呈增大趨勢，并在風速最小的測點(2.950,1.000)處，風流方向逐漸由抽風筒指向壓風筒轉為指向迎頭。

② 在Ld=5 m斷面，Y由3:2減至1:2時，均形成了阻塵風流場，但風速波動幅度隨Y的減小而減小；Y=3:2時，風速大小區間為0.18～0.32 m/s，Y為3:4和1:2時分別為0.46～0.49 m/s和0.69～0.71m/s，說明Y的減小利于形成均勻的阻塵風流場。掘進面長壓短抽通風除塵方式中，Y 一般大于1，以防止循環風的出現，因此，確定Ye=5:4。

3)壓風量。不同 Qf時各測點風速如表3所示。由表3可知：

① 隨著 Qf的增大，多向渦流風幕發生裝置的徑向出風量不斷增大，L3斷面的風流速度不斷增大，但各測點的徑向風流方向一致。

② 在 Ld=5 m 斷面，Qf由150 m3/min 增至 500 m3/min中，均形成了阻塵風流場，各測點風速均不斷增大，但風速的波動幅度隨壓風量的增大而增大，風速大小區間由Qf=150 m3/min 時的0.20～0.23 m/s增至500 m3/min時的0.38～1.16 m/s，說明Qf的增大不利于形成均勻指向迎頭的阻塵風流場；當Qf＞300 m3/min時，Ld=5 m斷面各測點的最大風速為最小風速的2倍以上，阻塵風流場的風速大小波動較大，因此，確定Qe=300 m3/min。

表3　不同Qf時各測點風速Table1　Wind velocity of measure point of different pressed air volumes

表4不同Z時各測點風速Table1　Wind velocity of measure point of different axial pressure ratios

表5　初始粉塵質量濃度Table1　Original dust massConcentration　mg?m?3

4)軸徑比。不同Z時各測點風速如表4所示。由表4可知：

① Z 由1:9 增至 9:1中，多向渦流風幕發生裝置的徑向出風量不斷減小，L3斷面7個測點的風速也隨之減小，但各測點的徑向風流方向一致。

② 隨著Z的增大，Ld=5 m斷面的阻塵風流場逐漸趨向紊亂，Z為1:9～5:5時均可形成阻塵風流場，但風速大小區間已由 Z=1:9 時的 0.30～0.58 m/s 變為 5:5時的0.09～3.57 m/s，Z增至7:3后，測點(2.950,0.500)和(2.950,1.550)處的風速方向已轉為逆向迎頭，阻塵風流場消失；因此，確定Ze=1:9。

3.2.2粉塵彌散模擬實驗結果分析

以未開啟除塵風機且Qf=200 m/m3，Lf=10 m時實驗掘進面各測點的粉塵質量濃度為初始粉塵質量濃度，實驗粉塵為 0.045 mm 篩子篩選后的煤塵，依次測定了不同 Lc，Y，Qf和 Z 時各測點粉塵質量濃度。表5所示為初始粉塵質量濃度，圖5所示為不同通風參數時各測點粉塵質量濃度曲面圖。表 5與圖5 中，T 為全塵，R 為呼吸性粉塵，ρ 為粉塵質量濃度。

1)在Ld為5～40 m區域，全塵與呼吸性粉塵隨通風參數的變化趨勢一致，基本呈現出粉塵質量濃度隨著 Ld增大而減小或波動減小，說明隨著 Ld增大，粉塵尤其顆粒較大的非呼吸性粉塵逐漸沉降，致使粉塵質量濃度降低，但在Ld由30 m增至40 m中，部分通風參數時Ld=40 m處的粉塵質量濃度略大于30 m，這主要是由于除塵風機并未將粉塵100%凈化，致使除塵風機后部粉塵質量濃度略大于前部。

圖5　不同通風參數時各測點粉塵質量濃度曲面圖Fig.5　Curved surface of dust massConcentration of measure point under different ventilation parameters

2)Lc由10 m增至25 m時，7個測點全塵、呼吸性粉塵的降塵率平均值分別先由Lc=10 m時的69.77% 和68.58%減至15 m時的66.70%和65.65%，然后又分別急劇增至20 m時的86.39%和85.87%，最后分別緩慢增至25 m時的86.75%和86.16%；在Ld=5 m處，全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別由 Lc=10 m 時的128.4 mg/m3和50.6 mg/m3減至25 m時的106.3 mg/m 3和41.4 mg/m3，說明Lc≥20 m時，雖然在Ld=5 m處形成了較均勻的阻塵風流場，但是由于風速較小，難以將粉塵有效控制在Ld＜5 m區域內；Lc=10 m時，全塵、呼吸性粉塵質量濃度先分別由 Ld=10 m 時的139.6 mg/m3和57.2 mg/m3減至15 m時的43.6 mg/m3和16.5 mg/m3，Lc=15 m時，全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別由Ld=15 m時的122.6 mg/m3和49.8 mg/m3減至20 m時的38.3 mg/m3和14.0 mg/m3，這表明，徑向方向的多向渦流風幕直接阻擋了粉塵向外彌散。以上實驗結果說明：在有人作業區域形成較均勻阻塵風流場后，繼續增大Lc對阻隔粉塵彌散已基本無影響，但在未形成阻塵風流場前，Lc越小，越利于多向渦流風幕直接阻隔粉塵彌散，但各測點粉塵質量濃度明顯比形成阻塵風流場后的高。

3)在Qf=200 m3/min，Y由3:2減至1:2時，粉塵逆向迎頭的彌散能力逐漸減弱，7 個測點的全塵、呼吸性粉塵降塵率平均值分別先由Y=3:2時的84.18%和83.22%減至 3:4 時的 96.94%和 95.77%，后緩慢減至1:2時的97.14%和96.83%；Ld=5 m處的全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別先由 Y=3:2 時的 99.8 mg/m3和38.8 mg/m3波動減至3:4時的8.1mg/m3和3.0 mg/m3，后減至1:2時的7.2 mg/m3和2.5 mg/m3；在除塵風機后部的Ld=40 m處，Y為3:4和1:2時，全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別均在0.6 mg/m3和0.4 mg/m3以內，明顯分別小于 3:2 和 5:4 時的大于 9.9 mg/m3和4.1mg/m3，說明減小Y以增大阻塵風流場的風速，可有效阻隔粉塵彌散，但在 Y 減至 3:4 后，粉塵逆向迎頭彌散能力已基本穩定。

4)Qf由150 m3/min增至500m3/min中，7個測點的全塵、呼吸性粉塵降塵率平均值分別先由 Qf=150 m3/min 時的 83.65%和 82.57%急劇減至 300 m3/min時的95.85%和94.32%，后緩慢減至500 m3/min時的96.59%和95.47%；Ld=5 m處的全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別先由Qf=150 m3/min 時的115.2 mg/m3和44.9 mg/m3急劇減至300 m3/min 時的8.6 mg/m3和3.3 mg/m3，后緩慢減至500 m3/min時的7.5 mg/m3和2.9 mg/m3；說明Qf增至300 m3/min 后，阻塵風流場可將粉塵有效阻隔在Ld＜5 m區域內。

5)Qf=30.0 m3/min、Z由1: 9增至9:1時，全塵、呼吸性粉塵降塵率平均值分別由Z=1:9時的95.85%和94.32%減至 9:1時的 56.88%和 55.52%；Ld=5 m 處的全塵、呼吸性粉塵質量濃度分別先由 Z=1:9 時的8.6 mg/m3和3.3 mg/m3急劇增至3:7時的83.7 mg/m3和 33.5 mg/m3，后增至 9:1時的123.6 mg/m3和49.2 mg/m3，在徑向多向渦流風幕后的Ld=25 m處粉塵質量濃度明顯小于風幕前的 Ld=20m 處，且風幕后降塵率隨 Z 的減小而減小，如全塵降塵率由 Z=5:5 時的57.46%減至9:1時的21.93%。

4　結論

1)多向渦流風幕發生裝置的徑向出風，受附壁效應等影響，在巷道內可形成多個徑向渦流風幕風流場，在抽風負壓作用下逐漸向迎頭運移，若通風參數合適，可形成風流均指向迎頭運移的阻塵風流場；Lc越大，Y，Qf及Z越小，越利于形成阻塵風流場。

2)在Ld為5～40 m區域，粉塵質量濃度基本隨Ld的增大而減小或波動減小；未形成阻塵風流場前，Lc越小，越利于多向渦流風幕直接阻隔粉塵彌散，但在有人作業區域形成較均勻阻塵風流場后，繼續增大Lc對阻隔粉塵彌散已基本無影響；Y和Z越小，Qf越大，越利于阻隔粉塵逆向迎頭彌散。

3)通風參數變至一定值后，形成阻塵風流場的均勻程度及阻隔粉塵彌散能力基本穩定；綜合考慮多向渦流風幕阻隔粉塵彌散效果、阻塵風流場形成及防止循環風的出現，確定了實驗掘進面的較優通風參數為：Lc=20 m，Y=5:4，Qf=300m3/min，Z=1:9；該參數時全塵、呼吸性粉塵的降塵率平均值分別為 95.85%和94.32%。

參考文獻：

[1]人民網.2013 年全國報告職業病 2.6 萬例 塵肺病占八成[EB/OL].[2014?06?30].http://health.people.com.cn/n/2014/0630/c14739-25219843.html.People’s daily online,26000Cases of occupational diseases were reported in 2013.Pneumoconiosis accounting for 80%[EB/OL].[2014?06?30].http://health.people.com.cn/n/2014/0630/c14739-25219843.html.

[2]聶文,程衛民,周剛,等.掘進機外噴霧負壓二次降塵裝置的研制與應用[J].煤炭學報,2014,39(12): 2446?2452.NIE Wen,CHENG Weimin,ZHOU Gang,et al.Research and application on external spray secondary dust falling device with negative pressure of roadheader[J].Journal ofChinaCoal Society,2014,39(12): 2446?2452.

[3]陳貴,王德明,王和堂,等.大斷面全巖巷綜掘工作面泡沫降塵技術[J].煤炭學報,2012,37(11):1859?1864.CHEN Gui,WANG Deming,WANG Hetang,et al.The technology ofControlling dust with foam for fully mechanized excavation face of largeCross-section rock tunnel[J].Journal ofChinaCoal Society,2012,37(11):1859?1864.

[4]秦躍平,張苗苗,崔麗潔,等.綜掘面粉塵運移的數值模擬及壓風分流降塵方式研究[J].北京科技大學學報,2011,33(7): 790?794.QIN Yueping,ZHANG Miaomiao,CUI Lijie,et al.Removal modes with the forced ventilation shunt in a fully mechanized workface[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2011,33(7): 790?794.

[5]李小川,胡亞非,張巍,等.濕式除塵器綜合運行參數的影響[J].中南大學學報(自然科學版),2013,44(2): 862?866.LI Xiaochuan,HU Yafei,ZHANG Wei,et al.Study of dust suppression by atomized water from high-pressure sprays in mines[J].Journal ofCentral South University(Science and Technology),2013,44(2): 862?866.

[6]聶文,程衛民,于巖斌,等.全巖機掘面壓風空氣幕封閉除塵系統的研究與應用[J].煤炭學報,2012,37(7):1165?1170.NIE Wen,CHENG Weimin,YU Yanbin,et al.The research and application on whole-rock mechanized excavation face of pressure ventilation airCurtainClosed dust removal system[J].Journal ofChinaCoal Society,2012,37(7):1165?1170.

[7]李雨成.基于風幕技術的綜掘面粉塵防治研究[D].阜新: 遼寧工程技術大學安全科學與工程學院,2010: 27?36.LI Yucheng.Study onControl of dust at driving fully mechanized face based on airCurtain technology[D].Fuxin: Liaoning Technical University.College of Safety Technology and Engineering,2010:27?36.

[8]CHENG Weimin,NIE Wen,QI Yudong,et al.Research on diffusion rule of dust pollution inCoal mine whole-rock fully mechanized workface[J].Journal ofConvergence Information Technology,2012,7(22): 728?736.

[9]程衛民,聶文,姚玉靜,等.綜掘面旋流氣幕抽吸控塵流場的數值模擬[J].煤炭學報,2011,36(8):1342?1348.CHENG Weimin,NIE Wen,YAO Yujing,et al.Numerical simulation on the flow of swirling flow airCurtain aspirationControl dust in fully mechanized workface[J].Journal ofChinaCoal Society,2011,36(8):1342?1348.

[10]CHENG Weimin,NIE Wen,ZHOU Gang,et al.Research on eddy air-curtain dustControlled flow field in hard rock mechanized driving face[J].Journal of Networks,2013,8(2): 453?460.

[11]BHASKAR R.Experimental studies of dust dispersion in mine airways[J].Mining Engineering,1988,40(3):191?195.

[12]KLEMENS R,KOSINSKI P,WOLANSKI P,et al.Numerical study of dust lifting in aChannel with vertical obstacles[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2001,14(6): 469?473.

[13]NAZIF H R,BASIRAT T.Development of boundary transfer method in simulation of gas-solid turbulent flow of a riser[J].Applied Mathematical Modelling,2013,37(4): 2445?2459.

[14]KONOREV M M,NESTERENKO G F.Present-day and promising ventilation and dust-and-gas suppression systems at open pit mines[J].Journal of Mining Science,2012,48(2): 322?328.

[15]TORA?O J,TORNO S,MENéNDEZ M,et al.Auxiliary ventilation in mining roadways driven with roadheaders: validatedCFD modelling of dust behaviour[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2011,26(1): 201?210.

[16]徐景德,周心權.有源巷道中粉塵運移與濃度分布規律的實驗研究[J].湘潭礦業學院學報,1999,14(2):1?6.XU Jingde,ZHOU Xinquan.The experimental study on dust transport andConcentration distribution in airways with dust source[J].Journal of Xiangtan Mining Institute,1999,14(2):1?6.

[17]王輝,蔣仲安,杜翠鳳,等.綜掘巷道粉塵體積分數分布的現場實測與數值模擬[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2011,30(3): 345?348.WANG Hui,JIANG Zhongan,DUCuifeng,et al.Field study and numerical research on dustConcentration distribution in the excavation tunnel[J].Journal of Liaoning Technical University(Science and Technology),2011,30(3): 345?348.

[18]SILVESTER S A,LOWNDES I S,HARGREAVES D M.AComputational study of particulate emissions from an open pit quarry under neutral atmosphericConditions[J].Atmospheric Environment,2009,43(40): 6415?6424.

[19]SERAFIN J,BEBCAK A,BERNATIK A,et al.The influence of air flow on maximum explosionCharacteristics of dust-air mixtures[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2013,26(1): 209?214.

[20]楊春朝,章易程,歐陽智江,等.基于流場模擬的真空清掃車吸塵口的參數設計[J].中南大學學報(自然科學版),2012,43(9): 3704?3709.YANGChunzhao,ZHANG Yicheng,OUYANG Zhijiang,et al.Numerical modeling on fluid-solidCoupling for the waterproofCoal pillar design[J].Journal ofCentral South University(Science and Technology),2012,43(9): 3704?3709.

(編輯 羅金花)

Simulation experiment on multi-direction whirling airCurtain preventing dust diffusion

NIE Wen,LIU Yanghao,CHENG Weimin,ZHOU Gang,XUE Jiao,MA Xiao
(State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention andControlCo-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

Abstract:Considering the problem that it is difficult toControl the dust diffusion in tunnelling headings,a new type of multi-direction whirling airCurtain generator was designed.Based on the self-designed analogous experimental platform,the law on wind migration of the multi-direction whirling airCurtain and the separation of dust diffusion was proved.The results show that the greater the distance Lcfrom multi-direction whirling airCurtain to heading face,the less the press extraction ratio Y,the less the press wind volume Qf,and the less the axial pressure ratio Z,which is beneficial to the formation of the dust prevention wind flow field that points to the heading face.The law on the separation of dust diffusion prevention is that the dust massConcentration decreases and the fluctuation of it decreases basically with the increase of Lc.When Lcincreases,the ability of dust diffusion prevention decreases first and then increases.The more Qfis,the less Y and Z are,which is beneficial to the separation of dust diffusion.After the ventilation parameters tend to aCertain value,the uniform degree of the dust separation wind flow field and the ability of separate dust diffusion reach basically stable.Some excellent ventilation parameters of experimental heading face are determined: Lc=20 m,Y=5:4,Qf=300 m3/min,and Z=1:9.With the above parameters,the average dust removal rate of the totalCoal dust and respirable dust are 95.85% and 94.32%,respectively.

Key words:heading face? multi-direction whirling airCurtain? dust separation wind flow field? dust diffusion? simulation experiment

中圖分類號：TD714.41

文獻標志碼：A

文章編號：1672?7207(2016)01?0350?09

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.048

收稿日期：2015?02?03；修回日期：2015?04?03

基金項目(Foundation item)：國家自然科學基金煤炭聯合基金重點資助項目(U1261205)；國家青年基金資助項目(51404147)；中國博士后科學基金資助項目(2015M570601)；山東科技大學人才引進科研啟動基金項目(2014RCJJ029)(Project(U1261205)supported by the Key Program of theCoal Joint Funds of the National Natural Science Foundation ofChina? Project(51404147)supported by the National Natural Science Foundation for Young Scientists ofChina? Project(2015M570601)supported by theChina Postdoctoral Science Foundation? Project(2014RCJJ029)supported by the Scientific Research Foundation of Shandong University of Science and Technology for Recruited Talents)

通信作者：周剛，博士，副教授，從事礦井通風與防塵方向的研究；E-mail: ahsdzhougang@163.com