綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風控塵機理

劉榮華, 朱必勇, 王鵬飛，石佚捷，高潤澤，鄔高高

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院, 湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害治理安全生產實驗室，湖南 湘潭 411201；3.長沙礦山研究院有限責任公司 金屬礦山安全技術國家重點實驗室, 湖南 長沙 410012)

煤炭是我國的主體能源，約占一次能源消費總量的60%[1]。目前，地下開采仍是煤炭開采的主要方法，隨著煤礦開采深度的加大和機械化程度的提高，作業區域粉塵災害愈發突出，嚴重威脅著煤礦的安全生產和工人的身體健康[2-5]。綜掘工作面是煤礦井下主要作業場所之一。據現場實測，在未采取防塵措施時，綜掘工作面粉塵質量濃度可達1 200～1 500 mg/m3。即使采取了措施，多數綜掘工作面的作業環境依舊不容樂觀，掘進機司機工作地點粉塵質量濃度最大可達900 mg/m3。依據國家衛健委發布的全國職業病統計報告，2019年共報告職業病19 428例，其中，職業性塵肺病15 947例。從行業分布來看，報告職業病病例主要分布在煤炭開采和有色金屬礦采選業，約占職業病報告總數的50%。

為解決綜掘工作面的粉塵污染問題，國內外研究學者開展了大量的理論研究與實踐工作。目前，長壓短抽混合式通風是綜掘工作面最常用的一種通風控塵方式，但該種通風方式下，掘進端頭處粉塵會在送風流的帶動下向作業區域大范圍擴散，造成司機處粉塵嚴重超標[6-10]。附壁旋流通風是基于傳統長壓短抽式通風上的一種改進的通風方式。德國科學家最先開發了該項技術，即在壓入式風筒的末端安裝附壁風筒使壓入風流變為軸向前進的旋轉風流，在巷道斷面形成一道旋轉風幕，封堵工作面粉塵，初步解決了掘進端頭處粉塵在送風流的帶動下向作業區域大范圍擴散的缺陷[11-15]。實踐表明，附壁旋流通風是一種能夠阻隔掘進端頭粉塵擴散的有效方法，但該通風方式仍存在以下2個方面缺陷：① 附壁風筒形成的風幕強度不夠理想，難以完整封堵巷道斷面，粉塵容易從風幕中心區域穿過，仍然會導致掘進機司機處粉塵質量濃度超標；② 位于掘進機司機處后方的轉載點處揚塵在吹吸風流作用下向掘進機司機處擴散，嚴重污染掘進機司機工作環境[16-18]。

針對附壁旋流通風存在上述不足，筆者提出一種綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風系統。該系統在掘進機司機前后各設置一道屏蔽風幕，并通過設置合理的吹吸流量比，將掘進產塵、掘進機轉載點揚塵分別與掘進機司機區域隔離，為掘進機司機提供一個良好的作業環境。同時，該系統所形成的徑向旋流風幕是通過在出風口設置弧形導風板產生的，相較于依靠巷道的貼附作用所產生的旋轉風流流場，徑向旋流屏蔽風幕徑向風速更大且分布均勻，具有更理想的風流速度場，屏蔽效果更好。綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風是一種新型通風方式，其控塵機理尚不明確。筆者借助計算流體力學軟件Fluent，研究該新型通風方式的風流流場結構和粉塵分布規律，從而揭示其控塵機理，以期為該種通風控塵系統的現場工程應用提供理論指導。

1 雙徑向旋流屏蔽通風控塵原理

1.1 系統組成

圖1為綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風系統結構。綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風系統包括除塵風機、送風機、送風筒Ⅰ、送風筒Ⅱ、吸風筒、風閥及風幕發生裝置等。送風機的出風口通過柔性風管Ⅱ與送風筒Ⅰ的進口連接，送風筒Ⅰ的出口處設有風閥；除塵風機通過柔性風管Ⅲ與吸風筒連接；吸風筒的進口端設有吸塵罩。送風筒Ⅱ套在吸風筒外側，送風筒Ⅱ與送風筒Ⅰ間通過柔性風管Ⅰ連接。送風筒Ⅱ與吸風筒之間設有2個風閥，2風閥分別位于送風筒Ⅱ上的柔性風管Ⅰ管口的兩側。送風筒Ⅱ的兩端各設有1個風幕發生裝置。

1—除塵風機；2—送風機；3—柔性風管Ⅱ；4—送風筒Ⅰ；5—吸風筒；6—風幕發生裝置；7—吸塵罩；8—風閥Ⅰ；9—掘進機；10—掘進機第1輸送機；11—帶式輸送機；12—掘進機司機室；13—送風筒Ⅱ；14—柔性風管Ⅰ；15—風閥Ⅱ；16—風閥Ⅲ；17—柔性風管Ⅲ

1.2 工作原理

綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風系統有2種工作狀態。當掘進機停止作業時，此時巷道內粉塵質量濃度較低，僅開啟送風機，調節風閥使風流均從巷道一側的送風筒前端送出，在巷道內形成普通壓入式通風。當掘進機開機工作時，巷道內粉塵污染嚴重。此時，啟動除塵風機與送風機，調節風閥將風流全部輸送至壓套筒，并從套筒兩端的風幕發生裝置徑向出風。在風幕發生裝置的作用下，工作面形成2道旋轉的徑向實心風幕。靠近掘進端頭的1號風幕將掘進產塵控制在掘進端頭的有限區域內，并在吸風筒作用下將粉塵排出，有效地阻止了掘進產塵向司機區域擴散。位于轉載點前方的2號風幕將轉載點揚塵與司機區域隔離，防止轉載點揚塵進入司機區域。1號風幕和2號風幕的協同作用，有效地將綜掘工作面的兩大主要塵源與掘進機司機區域隔離，為掘進司機提供一個良好的作業環境。圖2為掘進機正常工作時，綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風示意。

圖2 綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風示意

2 計算模型的建立

2.1 物理模型

以廣西百色百礦集團某煤礦綜掘工作面為原型，選擇掘進工作面前端30 m巷道進行研究，采用Solidworks軟件按照1∶1比例建立數值仿真幾何模型。綜掘工作面斷面形狀為半圓拱，寬為4.6 m，高為4.5 m，使用EBZ160掘進機進行掘進。圖3為巷道模型，其中，送風筒Ⅰ的直徑為0.8 m，筒長25 m，貼附在巷道一側壁面，其中軸線距巷道的地面2.7 m，其末端出風口距離掘進端面5 m。送風筒Ⅱ與吸風筒組成的套筒，送風筒Ⅱ在外吸風筒在內，套筒中軸線距巷道的地面2.7 m。送風筒Ⅱ兩端設有寬度為0.09 m環形條縫，環形條縫外側布置有風幕發生裝置。吸風筒的直徑為0.6 m，其末端吸風口距掘進端面2.3 m。在套筒的下方設有1.8 m高的掘進機、第1輸送機以及第2輸送機。掘進機司機位于距離掘進端面5 m的位置。

圖3 數值計算物理模型

2.2 數學模型

采用歐拉-拉格朗日相結合的方法描述流場與粉塵運動。其中，氣流被視為連續相，利用歐拉坐標系下的k-ε模型進行描述；粉塵顆粒被視為離散相，由拉格朗日坐標系中的離散相模型(DPM)進行描述[19-21]。另外，在計算過程中考慮了氣固兩相流耦合作用。

2.2.1 湍流方程

湍流出現在速度發生變化的地方。湍流模型中可實現k-ε模型比標準k-ε模型在漩渦、強流線彎曲和旋轉等方面具有更高的仿真程度，且可實現k-ε模型在眾k-ε模型中，在復雜二次流與流動分離等方面具有很好的效果。因此，本項研究中選擇Realizablek-ε模型實現風流運動的描述[22-23]。Realizablek-ε模型的傳輸方程由k方程和ε方程組成。

k方程：

(1)

ε方程：

(2)

式中，ρ為密度；t為時間；k和ε分別為湍動能和湍流耗散率；xi，xj和uj為張量坐標；u為X方向上的速度；v為Y方向上的速度；η=Sk/ε，S為用戶自定義系數；μ為流體黏度；μt為黏性系數；Gk為由平均速度梯度引起的湍流動能；Gb為由浮力產生的湍流動能；C1，C2，σk和σε為默認常數(C1=1.44，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.2)。

2.2.2 離散相方程

Fluent在拉格朗日參考系下，通過對離散顆粒的力平衡進行積分來預測顆粒運動軌跡，這種力平衡可描述為

(3)

2.3 網格劃分及邊界條件

在Mesh中采用非結構化網格對所建立的計算模型進行網格劃分，全局網格尺寸設置為0.4 m。同時，對于弧形導流板以及環形條縫使用0.01 m尺寸網格進行局部加密，對其他較為復雜結構處使用0.05 m網格進行局部加密，共生成了932 351個網格。根據礦井巷道風量的相關規定，將送風量設置為300 m3/min。在Fluent軟件中將吸風口、2條環形條縫均設置為速度入口邊界條件，將掘進機表面、巷道壁面以及第1輸送機、第2輸送機等外表面等均定義為wall。為了便于表達，用γ表示風筒的吹吸流量比，用β表示1號條縫和2號條縫出風量比。計算模型風量、風速參數設定見表1。

表1 計算模型風量和風速設置

根據綜掘工作面粉塵質量濃度現場實測和試驗室分析結果，設置計算模型粉塵相關參數。使用CCF-7000直讀式粉塵質量濃度測量儀對掘進端頭和轉載點區域粉塵進行采樣和濃度測量。將CCF-7000直讀式粉塵質量濃度測量儀所收集的粉塵帶回試驗室，通過激光粒度分析儀進行粒度分析試驗，獲取巷道內粉塵粒度分布。根據試驗結果設置數值模擬中粉塵源的產塵量和粉塵粒徑分布參數。將掘進端面設置為第1發塵面。將第1輸送機的上表面設為第2發塵面，發塵量為第1發塵面的20%。表2為第1發塵面主要參數設置。

表2 離散型模型設置

3 模型有效性驗證

為了使數值仿真得到正確的結論，在進行計算和分析時，必須保證模型能夠準確反映實際。因此，必須對模型的有效性進行評估。本次模型有效性驗證包括流場和粉塵質量濃度分布2部分，通過對比數值模擬和模型試驗結果，驗證模型有效性。

3.1 試驗系統與方案

3.1.1試驗系統

根據實際巷道，采用幾何相似比1∶10搭建試驗模型，模型全長為3 000 mm，寬為460 mm，高為450 mm。巷道端面與一側壁面開有直徑為100 mm的圓孔，可與粉塵發生器連接模擬掘進產塵以及轉載點揚塵。巷道內部設有送風筒、吸風筒、風幕發生裝置、送風機、除塵風機、模擬掘進機、模擬輸送機等。送風筒和吸風筒的直徑分別為80 mm和60 mm，其中軸線距底部270 mm。套筒(由送風筒和吸風筒套裝而成)兩端設有2條寬度為9 mm的環形條縫，條縫外側設有風幕發生裝置。套筒的下方設置高為180 mm的模擬掘進機與模擬輸送機。吸風筒末端吸風口距掘進端面230 mm，司機位于距離掘進端面500 mm的位置。選用德國生產的PIV(Particle Image Velocimetry)粒子圖像測試系統對不同截面進行流場記錄，得出流場空間結構與流動特性，并與數值模擬結果進行對比。開展粉塵相似驗證試驗時，采用德國AG420氣溶膠發生器發塵，從掘進端頭及巷道一側壁面上的圓孔處將粉塵輸送至巷道模型中，模擬掘進產塵以及轉載點揚塵。使用FCC—25型防爆粉塵采樣器進行粉塵采樣，測量測點位置的粉塵質量濃度。

3.1.2試驗方案

選取3個具有代表性的流場測試面，利用PIV系統進行流場記錄，測試面布置如圖4(a)所示。在模型巷道中沿巷道長度方向(X軸)在掘進端頭處(X=5 cm)、掘進機司機室處(X=50 cm)和轉載點后(X=100 cm)分別布置粉塵采樣點，測塵點布置如圖4(b)所示。

流場分析試驗中，將吹吸流量比固定為1.5，即將送風機和吸風機的風量分別設置為300 m3/min和200 m3/min。使用特效煙霧機向模型巷道中散播特效煙霧作為示蹤粒子，待系統運行30 s至流場穩定后，利用PIV系統拍攝記錄研究測試面流場。控塵效果試驗中，保持送風機風量不變，通過改變吸風機風量，共測定6個不同吹吸流量比下的粉塵質量濃度分布情況。采用AG420氣溶膠發生器發塵，并控制掘進端頭和轉載點發塵速率分別為6 g/min和1.2 g/min。使用粉塵采樣器對6個工況下的3個測點位置的粉塵進行采樣，設置采樣時間為2 min，采樣流量為15 L/min。

3.2 測試結果

由數值模擬和PIV試驗分別可得流場測試面的速度矢量圖，如圖5所示。通過對比圖5中的速度矢量圖發現，對于所選取的測試面，數值計算所獲得的流場與PIV實測流場的結構和速度基本吻合。在測試面上選擇部分測點進行速度大小分析，并與數值模擬同比例位置測點進行比較，平均誤差均小于10%。

圖5 試驗與數值模擬流場對比

圖6(a)為吹吸流量比1.5時，數值模擬和模型試驗2種情況下的3個測點的粉塵質量濃度。由圖中試驗數據可知，3個測點中，A測點即掘進端頭區域粉塵質量濃度最高，B測點即掘進機司機室處粉塵質量濃度最低。在綜掘工作面徑向旋流屏蔽通風控塵系統作用下，掘進產塵被聚集在掘進端頭區域，轉載點處粉塵也被屏蔽在司機室處以外區域，雙徑向旋流風幕能有效的防止各塵源的粉塵擴散。圖6(b)模型試驗與數值模擬得出的B測點在不同吹吸流量比下粉塵質量濃度變化曲線。數值模擬和模型試驗結果均顯示，司機處粉塵質量濃度隨著吹吸流量比的增大呈現先降低后增大的變化趨勢，并在吹吸流量比為1.5時達到最低值，粉塵控制效果最理想。綜合對比相似試驗與數值模擬的結果，可知相似試驗和數值模擬所得出的粉塵質量濃度在數值上雖有差異，但在不同工況下的變化趨勢以及在同一工況下的粉塵質量濃度分布規律基本一致。

圖6 數值計算與相似試驗粉塵質量濃度變化

通過上述對比分析發現，數值模擬與相似試驗得出近似的結果以及基本一致的變化趨勢，因此本次研究所建立的計算模型可以滿足綜掘工作面風流流場及粉塵質量濃度分布的數值計算研究。

4 計算結果與分析

4.1 雙徑向旋流屏蔽通風流場結構

圖7，8分別為巷道三維流線圖和巷道中心縱切面流場矢量圖。從圖7，8可以看出，在風幕發生裝置的作用下，工作面形成2道旋轉風幕，將掘進巷道分隔成3個區域，即掘進端頭區域、司機區域及轉載點后方區域。1號風幕從環形送風口射出后，在吸風筒的抽吸作用下流線向內收縮，使得旋轉風幕具有傘狀特征。同時，由于除塵風機的吸風量大于1號風幕的出風量，旋轉射流從送風口射出與巷道壁面沖擊后，射流的整體運動方向朝向掘進端頭。由此可見，雙徑向旋流屏蔽通風的1號風幕可以在工作面前方形成一個完整的具有一定抗干擾能力的傘形風幕，將掘進產塵屏蔽在掘進端頭有限區域。而且，通過控制合理的吹吸流量比，使得1號風幕送氣流整體朝掘進端頭運動，進一步阻止粉塵往外擴散[24-25]。

圖7 巷道三維流線

2號風幕設置在轉載點前方，其作用是阻止轉載點揚塵進入司機區域。從圖9風幕處巷道斷面速度矢量圖可以看出, 環形旋轉射流在巷道橫斷面上形成穩定旋風，而且整個斷面速度分布較均勻，具有較強的粉塵阻隔效果。

圖9 徑向風幕處斷面速度示意

從圖8還能發現，由于除塵風機吸風量小于1號風幕和2號風幕出風量的總和(送風機的總送風量)，故在掘進機司機室與轉載點之間的2號風幕在吹吸風流作用下分成2個部分，一部分風流向掘進端頭方向移動，一部分風流向輸送機方向移動。其中，向掘進端頭區域流動的一股風流可以為司機區域提供新鮮風流，使司機處于新鮮風流區域，滿足作業人員衛生健康的需求。從圖8，9還能發現，由于掘進機的外部形狀，導致1號風幕靠近地面區域的風幕受到較大的干擾，形成的傘形風幕在近地區域的包裹效果較弱。同時，由于巷道一側壁面上送風筒I的存在，導致2號風幕部分風流經過送風筒I壁面阻擋后形成的風流具有較大的沿X方向的速度分量，對風幕形成產生一定干擾。

圖8 巷道縱斷面速度示意

4.2 粉塵質量濃度分布

綜掘工作面粉塵質量濃度分布模擬結果如圖10所示。圖10中曲線為風流跡線，粉塵質量濃度分布在Fluent后處理中由體渲染呈現。從圖10可以發現，位于1號風幕和2號風幕之間的司機區域粉塵質量濃度明顯低于其他區域。從圖11中司機呼吸帶高度粉塵質量濃度沿程分布曲線也能看出該現象。這主要是由于風幕發生裝置的作用下，形成的1號和2號風幕分別將掘進產塵與轉載點揚塵有效地屏蔽在掘進機司機工作區域以外。從圖中還能發現，1號風幕形成的傘形空氣幕將掘進產塵包裹在掘進端頭的一小塊區域。

圖10 巷道粉塵質量濃度三維分布

圖11 粉塵質量濃度沿程分布

1號風幕產生的旋轉射流在掘進端頭區域縱切面上形成穩定旋風, 使得工作面的粉塵被卷吸到巷道的中心, 并在巷道中心橫向風的作用下被帶到吸風口附近，提高了吸風筒對粉塵的收集能力，有利于降低掘進端頭區域粉塵質量濃度，防止掘進端頭的粉塵向司機室處擴散。1號風幕形成的旋轉射流能夠很好地控制綜掘工作面掘進端頭粉塵擴散, 大幅提高了工作面的粉塵捕集效率。由于掘進機的外部形狀，導致1號風幕靠近地面區域的風幕受到較大的干擾，形成的傘形風幕在近地區域的包裹效果較弱，導致掘進端頭區域的部分粉塵在近地面的區域聚集，甚至有沿著巷道底部突破1號風幕封堵向掘進機司機室處擴散的趨勢。

從圖10中還能發現，2號風幕將轉載點處揚塵與掘進機司機區域分隔，保證司機區域不被轉載點粉塵污染。由于除塵風機吸風量小于2條縫出風量的總和，故在掘進機司機室與轉載點之間的2號風幕在吹吸風流作用下分成2個部分，一部分風流向掘進端頭方向移動，一部分風流向遠離掘進端頭方向移動。向掘進端頭運動的氣流由于卷吸效應，將轉載點的少量粉塵卷入司機區域，造成司機區域風管附近聚集部分粉塵。同時，由于巷道一側壁面上送風筒Ⅰ的存在，對2號風幕產生干擾，導致巷道內布置有送風筒Ⅰ的一側區域粉塵質量濃度偏高，如圖12所示。

圖12 司機處巷道斷面粉塵質量濃度徑向分布

雙徑向旋流屏蔽通風作為綜掘工作面的一種新的通風方法，其工作原理與附壁旋流通風有一定的相似，也是在巷道斷面形成徑向的風幕對風塵擴散進行封堵。雙徑向旋流屏蔽通風在綜掘工作面形成的旋轉風幕通過弧形導風板產生，對比附壁旋流通風依靠巷道的貼附作用所產生的旋轉風幕，該種屏蔽風幕的徑向風速更大，分布均勻且具有一定厚度，故雙徑向旋流屏蔽通風在防止粉塵擴散方面具有更好的效果。同時，雙風幕的設計可有效地將綜掘工作面的兩大主要塵源(掘進機產塵和轉載點揚塵)與掘進機司機區域隔離，為掘進司機提供一個良好的作業環境。

5 結 論

(1)綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風控塵時，在工作面形成2道徑向旋轉風幕，將掘進巷道分隔成3個區域，即掘進端頭區域、司機區域及轉載點后方區域。

(2)雙徑向旋流屏蔽通風可在工作面前方形成一個完整的具有一定抗干擾能力的傘形空氣幕(1號風幕)，將掘進產塵屏蔽在掘進端頭有限區域。同時，2號風幕可將轉載點處揚塵與掘進機司機區域分隔，保證司機區域不被轉載點粉塵污染。

(3)綜掘工作面雙徑向旋流屏蔽通風所產生的環形徑向旋轉射流在巷道橫斷面上形成穩定旋風，而且整個斷面速度分布較均勻，相較于附壁旋流通風形成的徑向風幕具有更高的強度，具有較高的粉塵阻隔效率。

(4)司機處粉塵質量濃度隨著吹吸流量比的增大呈現先降低后增大的變化趨勢，并在吹吸流量比為1.5時達到最低值，粉塵控制效果最理想。