基于煤巷掘進(jìn)粉塵分布的干式除塵布局優(yōu)化

張建國， 孫海良， 張國川， 王海濤， 姜德義， 范勁松， 劉戎*

(1.煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 平頂山 467000； 2. 中國平煤神馬能源化工集團(tuán)有限責(zé)任公司， 平頂山 467000； 3. 重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

隨著煤巷掘進(jìn)機(jī)械化程度的不斷提高，煤巷掘進(jìn)工作面具有了更高效的掘進(jìn)速率，但是與此同時(shí),巷道掘進(jìn)中的粉塵災(zāi)害也越來越嚴(yán)重。高濃度的粉塵環(huán)境嚴(yán)重影響著煤礦工作人員的身心健康，增加了感染塵肺病的概率。如今，塵肺病已經(jīng)成為中國最嚴(yán)重的職業(yè)病之一，中國2019年新增職業(yè)病人19 428例，其中塵肺病占到了15 898例[1]，而且大部分塵肺病人來自煤礦。中國早在2016年就出臺(tái)《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》等一系列政策法規(guī)以推進(jìn)中國國民健康[2]，而現(xiàn)如今粉塵依舊危害著井下工人的健康。此外嚴(yán)重的爆炸性同樣威脅著井下工人的生命安危[3]。

為了解決粉塵危害，出現(xiàn)了減塵、降塵、排塵、除塵和個(gè)體防護(hù)(阻塵)等措施[4-12]。然而，在不采取防塵措施的情況下，煤礦中工作面的粉塵濃度仍然可以達(dá)到4 000 mg/m3以上[13]。在不采取任何防塵措施的情況下綜掘工作面的粉塵濃度也可達(dá)到3 000 mg/m3以上[14]。為了降低掘進(jìn)工作面的粉塵，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列有關(guān)粉塵治理措施的研究。關(guān)于噴霧降塵措施，研究人員從噴霧粒徑、供水壓力對降塵的影響[15]出發(fā)，到霧化能力[16]、噴嘴設(shè)計(jì)[17-18]，并最終提出了降塵裝置[19]。水炮泥降塵技術(shù)也被廣泛應(yīng)用在爆破降塵領(lǐng)域，研究人員通過改變?nèi)芤罕砻鎻埩蜐駶櫮芰μ岣咚谀嗟慕祲m效果[20-21]，然而這種方法僅能應(yīng)用在采用爆破掘進(jìn)的巷道中。泡沫也具有良好的降塵效果，加入發(fā)泡劑的溶液濕潤率可以提高30倍[22]，且具有較好的隔離性能[23]，提高了降塵效率。然而，以上方法有的具有一定的局限性，有的會(huì)消耗大量的水，導(dǎo)致巷道內(nèi)泥濘不堪的同時(shí)也對煤質(zhì)有一定影響。例如，KCS-300D濕式除塵器日耗水量高達(dá)86.4 t。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn)，煤層注水的降塵效率一般低于50%，噴霧降塵效率在50%～70%，泡沫降塵雖然具有較高的效率但是工藝相對復(fù)雜，添加劑十分昂貴。

在眾多的粉塵治理措施中，由于干式除塵技術(shù)具有耗水量小、工藝簡單、二次污染小等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在煤礦巷道掘進(jìn)中。然而井下工作人員在面對干式除塵器時(shí)，并不明確采用何種布局方式可以獲得最優(yōu)的降塵效率。

為了優(yōu)化干式除塵系統(tǒng)的布局，提高干式除塵系統(tǒng)的除塵效率，現(xiàn)采用數(shù)值模擬的方法對干式除塵系統(tǒng)的除塵風(fēng)筒及局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的相對位置對粉塵的分布影響進(jìn)行研究，并對除塵風(fēng)筒至掘進(jìn)頭的距離對粉塵的分布進(jìn)行研究，根據(jù)研究結(jié)果提出除塵風(fēng)筒的優(yōu)化布局方式。

1 煤巷掘進(jìn)干式除塵技術(shù)

礦用干式除塵器具有除塵效率高、零耗水、無污染等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地抑制粉塵擴(kuò)散，改善工作面環(huán)境。礦用干式除塵器的結(jié)構(gòu)主要由防爆除塵本體和防爆軸流抽出式風(fēng)機(jī)組成，如圖1所示。

圖1 礦用干式除塵器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of mine dry dust collector structure

干式除塵器工作時(shí)，含塵煙氣從進(jìn)氣口被吸入除塵器本體中，在氣流分布板均流的作用下均勻充滿整個(gè)箱體，在后置引風(fēng)機(jī)的作用下，含有粉塵的氣體穿過濾筒，粉塵顆粒被滯留在濾筒表面，潔凈氣體穿過濾筒進(jìn)入箱體并由出風(fēng)口排出，達(dá)到降塵的作用。該方法不會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生任何負(fù)面影響，不會(huì)出現(xiàn)二次污染。

當(dāng)濾筒上積累的粉塵達(dá)到一定量后，通過手動(dòng)開關(guān)閥控制脈沖閥噴吹，各排濾筒清灰依次進(jìn)行，壓縮空氣通過噴吹管上正對濾筒的小孔以高速?zèng)_出，在其沖入濾筒內(nèi)部的同時(shí)，又誘生一股數(shù)倍于壓縮空氣的二次氣流，產(chǎn)生一種瞬時(shí)沖擊波并沿整個(gè)褶式濾筒的高度方向向下傳播，使聚積在濾筒外表面的粉塵落下，達(dá)到自清潔過程。

為了提高干式除塵器的工作效率，荔軍等[24]研究了在掘進(jìn)現(xiàn)場使用的實(shí)際情況，研究發(fā)現(xiàn)縮短除塵器與工作面的距離可以有效地保證除塵效率。白雁楠[25]通過現(xiàn)場測試的方法探究了除塵器抽出式風(fēng)筒與巷道壓入式風(fēng)筒組合方式以及抽出式與壓入式風(fēng)量比對除塵效果的影響。研究設(shè)置了8種組合，通過實(shí)測司機(jī)位置處的粉塵濃度判斷除塵效果，但對除塵效率影響的關(guān)鍵因素抽出式風(fēng)筒入口與掘進(jìn)面之間的距離僅有兩個(gè)變量，無法準(zhǔn)確地獲得除塵風(fēng)筒布置的最優(yōu)位置。

2 干式除塵器作用下巷道中流場分布研究

2.1 巷道模型介紹及計(jì)算設(shè)置

采用數(shù)值模擬軟件Fluent對巷道中的粉塵分布進(jìn)行研究，其中模型長度為60 m，局部通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)風(fēng)筒布置在巷道的右側(cè)，出風(fēng)口距離掘進(jìn)頭的長度為25 m，設(shè)置簡化的掘進(jìn)機(jī)(長×寬×高為10 m×2.5 m×3 m)，如圖2所示。

研究干式除塵器的除塵風(fēng)筒與局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒相對位置對除塵效率的影響時(shí)設(shè)置了3種不同工況進(jìn)行研究，3種工況分別是除塵風(fēng)筒位于巷道中部、除塵風(fēng)筒位于巷道左側(cè)以及除塵風(fēng)筒位于巷道左側(cè)且有掘進(jìn)機(jī)的情況，如圖3所示。

圖3 除塵風(fēng)筒不同位置的模型Fig.3 Models of different positions of dust collector air duct

為了研究除塵風(fēng)筒入口距離掘進(jìn)頭的長度對除塵效率的影響，研究設(shè)置了干式除塵機(jī)負(fù)壓吸風(fēng)筒距離掘進(jìn)頭的距離分別為2、3、4、5、6 m。如圖4所示。

圖4 除塵風(fēng)筒入口距離掘進(jìn)頭不同的長度模型Fig.4 Models of different lengths from the entrance of the dust collector air duct to the heading head

計(jì)算時(shí)，采用壓力隱式算子分割(pressure implicit with splitting of operators，PISO)算法計(jì)算巷道內(nèi)粉塵的擴(kuò)散和運(yùn)移，采用standard作為離散格式。局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒入口為velocity-inlet(速度入口)。巷道洞口設(shè)置為outflow(自由流出)邊界。邊界條件的設(shè)置根據(jù)首山一礦的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，邊界條件設(shè)置如表1所示。設(shè)置離散相參數(shù)如表2所示，其中粉塵的粒徑分布是首山一礦現(xiàn)場取樣并采用Mastersizer 2000激光粒度儀測定獲得。計(jì)算模型的詳細(xì)設(shè)置如表3所示。

表1 邊界條件設(shè)置Table 1 Boundary condition settings

表2 離散相模型參數(shù)設(shè)置Table 2 Discrete phase model parameter settings

表3 計(jì)算模型設(shè)置Table 3 Calculation model settings

2.2 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，首先對比了數(shù)值模擬結(jié)果中粉塵的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實(shí)測的粉塵數(shù)據(jù)。現(xiàn)場實(shí)測采用粉塵濃度的測試采用呼吸性粉塵采樣器(CCZ20型)，實(shí)測時(shí)巷道一側(cè)布置了皮帶運(yùn)輸機(jī)，因此粉塵取樣的位置選擇距離地面1.6 m且靠近另一側(cè)壁面1 m處。數(shù)值模擬的結(jié)果輸出選擇同樣的位置。進(jìn)行現(xiàn)場粉塵實(shí)測時(shí)，取樣器流量選擇15 L/mim，取樣時(shí)間選擇10 min，距離工作面每10 m選取一個(gè)測點(diǎn)。數(shù)值模擬和實(shí)測結(jié)果對比見圖5。

圖5 粉塵濃度對比圖Fig.5 Dust concentration comparison chart

模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測的變化趨勢基本一致，說明其相關(guān)性良好，數(shù)值模擬得到的粉塵濃度變化規(guī)律與實(shí)際情況基本一致。雖然有一定的誤差，但是現(xiàn)場實(shí)測的是一個(gè)時(shí)間段的平均值，而數(shù)值模擬結(jié)果是某一時(shí)刻的瞬時(shí)值，兩者變化趨勢相同即可證明數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 干式除塵器和通風(fēng)系統(tǒng)共同作用下巷道流場研究

圖6為除塵風(fēng)筒布置在巷道中部時(shí)的風(fēng)流結(jié)構(gòu)圖。從流場矢量圖和跡線圖可以明顯地看出：高速風(fēng)流通過風(fēng)筒進(jìn)入巷道中，在巷道壁面的限制作用下，進(jìn)行貼壁射流，清洗掘進(jìn)頭工作面后回流到巷道內(nèi)，根據(jù)風(fēng)流結(jié)構(gòu)，可以將巷道掘進(jìn)頭附近的風(fēng)流分為射流區(qū)、渦流區(qū)和回流區(qū)。除塵風(fēng)筒的進(jìn)風(fēng)口處于渦流區(qū)的內(nèi)部，由于除塵風(fēng)筒的進(jìn)風(fēng)口布置在中部，因此大部分風(fēng)流是從除塵風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口的后端經(jīng)過“繞行”后進(jìn)入風(fēng)筒中的，導(dǎo)致只有一小部分風(fēng)流能夠被吸入除塵風(fēng)筒中。

圖6 除塵風(fēng)筒位于巷道中部時(shí)巷道內(nèi)流場圖Fig.6 Flow field diagram in the roadway when the dust collector air duct is located in the middle of the roadway

分析不同高度處風(fēng)流的流場結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)：相比于3.0 m處，高度為1.6 m的渦流區(qū)具有更大的影響范圍。還可以觀察到，高度為1.6 m處的風(fēng)流結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，渦流區(qū)外部還有幾個(gè)較小的渦流場，而3.0 m高度處的風(fēng)流相對簡單，只有一個(gè)渦流區(qū)，說明除塵風(fēng)機(jī)作用產(chǎn)生的負(fù)壓對巷道內(nèi)的流場產(chǎn)生的影響較大，引起了除塵風(fēng)筒下部風(fēng)流場的變化，使得流場更加復(fù)雜，這樣的流場非常不利于粉塵被除塵風(fēng)筒吸入。

除塵風(fēng)筒布置在巷道左側(cè)時(shí)巷道內(nèi)流場見圖7。流場的整體結(jié)構(gòu)依舊可以分為射流區(qū)、回流區(qū)和渦流區(qū)。但是與圖6中不同的是，風(fēng)流結(jié)構(gòu)更加簡單、清晰，回風(fēng)風(fēng)流能夠較順暢的進(jìn)入到除塵風(fēng)筒中，不同高度處的渦流區(qū)分布也較單一，3.0 m高度處的流場可以清晰地看到進(jìn)入除塵風(fēng)筒的趨勢。從跡線圖中可以看出，雖然仍有“繞行”現(xiàn)象，但是相較于圖6中的“繞行”現(xiàn)象有了極大的好轉(zhuǎn)，且渦流區(qū)的面積減小了。

圖7 除塵風(fēng)筒位于巷道左側(cè)時(shí)巷道內(nèi)流場圖Fig.7 Flow field diagram in the roadway when the dust collector air duct is located at the left side of the roadway

當(dāng)巷道中有掘進(jìn)機(jī)時(shí)，流場結(jié)構(gòu)圖見圖8。巷道中掘進(jìn)機(jī)對風(fēng)流結(jié)構(gòu)的影響較大，流場分別在掘進(jìn)機(jī)前后兩端形成了兩個(gè)渦流區(qū)。由于掘進(jìn)機(jī)前段至掌子面距離較小，因此這個(gè)區(qū)域內(nèi)的渦流區(qū)面積也較小，由于掘進(jìn)機(jī)對風(fēng)流的限制，使得大部分風(fēng)流最終可以進(jìn)入到除塵風(fēng)筒中。在掘進(jìn)機(jī)尾部，渦流區(qū)具有較大的面積，渦流區(qū)中的風(fēng)流速度相對于其他地方來說，速度較小。從以上的研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)除塵風(fēng)筒與局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒分布在巷道兩側(cè)時(shí)，風(fēng)流結(jié)構(gòu)更加簡單，而簡單的風(fēng)流結(jié)構(gòu)更有利于污染物的運(yùn)移和擴(kuò)散。當(dāng)巷道中有掘進(jìn)機(jī)存在時(shí)，掘進(jìn)機(jī)占據(jù)了斷面上絕大部分的空間，對風(fēng)流結(jié)構(gòu)影響很大，兩個(gè)渦流區(qū)的出現(xiàn)更是改變了巷道中原有的風(fēng)流結(jié)構(gòu)。但是掘進(jìn)機(jī)前段的風(fēng)流經(jīng)過流動(dòng)后可以順利地進(jìn)入除塵風(fēng)筒中，尾部的渦流區(qū)中具有較小的風(fēng)速，也更加有利于粉塵濃度的降低。

圖8 巷道內(nèi)設(shè)置掘進(jìn)機(jī)時(shí)的流場結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Flow field diagram when a roadheader is located in the roadway

3 干式除塵器作用下巷道內(nèi)粉塵分布研究

3.1 除塵風(fēng)筒和局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒相對位置對粉塵的影響

研究除塵風(fēng)筒和局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒相對位置對粉塵擴(kuò)散影響時(shí)，模型統(tǒng)一采用除塵風(fēng)筒距離掘進(jìn)頭3 m時(shí)的模型進(jìn)行研究。圖9展示了除塵風(fēng)筒位于巷道中部時(shí)粉塵的分布情況。分別觀察巷道內(nèi)整體并截取高度為1.6 m和3 m的兩個(gè)平面觀察巷道中粉塵的濃度分布。可以很明顯地看出，粉塵在巷道中呈現(xiàn)出“V”字形分布，這是由于中間的粉塵可以較好地被除塵風(fēng)筒吸入而形成的。此外，3 m高度處高濃度粉塵的范圍略小于1.6 m處的，這樣分布的原因一方面是因?yàn)榉蹓m自身重量導(dǎo)致粉塵沉降，另一方面是因?yàn)槌龎m風(fēng)筒布置在該高度處，可以有限吸收該高度處的粉塵。此外，還可以發(fā)現(xiàn)巷道右側(cè)被粉塵污染的區(qū)域小于左側(cè)被污染的區(qū)域，這主要是由于局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒布置在該處，讓新鮮風(fēng)從右側(cè)進(jìn)入，粉塵被新鮮風(fēng)推入了巷道左側(cè)，使得左側(cè)污染區(qū)域較大。

當(dāng)除塵風(fēng)筒位于巷道左側(cè)時(shí)，巷道中的粉塵濃度見圖10，粉塵不在呈現(xiàn)“V”字形分布，而是呈現(xiàn)出左邊濃度高，右邊濃度低情況，這是由于粉塵被除塵風(fēng)筒吸入造成的。高濃度區(qū)域的影響范圍也遠(yuǎn)小于將除塵風(fēng)筒布置在中部時(shí)的情況。這一點(diǎn)很好地說明，除塵風(fēng)筒布置在左側(cè)(與進(jìn)風(fēng)風(fēng)筒相對的一側(cè))時(shí)，除塵效果遠(yuǎn)好于除塵風(fēng)筒布置在中部的情況。因此，后續(xù)計(jì)算中的除塵風(fēng)筒統(tǒng)一布置在左側(cè)。對比同樣在3 m處粉塵分布情況還可以發(fā)現(xiàn)，圖9除塵風(fēng)筒中的粉塵濃度明顯高于圖8中，說明這樣的布局中的干式除塵風(fēng)器具有更高的工作效率，能夠?yàn)榫蜻M(jìn)頭提供更好的工作環(huán)境。

圖9 除塵風(fēng)筒位于巷道中部時(shí)不同高度粉塵分布圖Fig.9 Dust distribution diagram at different heights when the dust collector air duct is located in the middle of the roadway

圖10 除塵風(fēng)筒位于巷道左側(cè)時(shí)不同高度粉塵分布圖Fig.10 Dust distribution diagram at different heights when the dust collector air duct is located on the left side of the roadway

當(dāng)巷道中加入掘進(jìn)機(jī)時(shí)，巷道內(nèi)掘進(jìn)粉塵的分布情況見圖11。在掘進(jìn)機(jī)的影響下，高濃度的粉塵貼近壁面，呈現(xiàn)出“同”字形分布。整個(gè)巷道中的粉塵濃度分布，可以分為3個(gè)區(qū)域，首先是重度濃度區(qū)，主要分布在掘進(jìn)工作面和兩幫壁面附近，該區(qū)域粉塵濃度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。其次是掘進(jìn)機(jī)所處的位置范圍內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)粉塵濃度遠(yuǎn)高于掘進(jìn)機(jī)尾部以后的區(qū)域但又小于重度濃度區(qū)的粉塵濃度。在掘進(jìn)機(jī)尾部渦流的作用下，該區(qū)域內(nèi)部的粉塵只有較少數(shù)會(huì)擴(kuò)散至掘進(jìn)機(jī)范圍外部，大部分能夠被干式除塵器吸收。而擴(kuò)散出去的粉塵會(huì)進(jìn)入第3個(gè)區(qū)域——輕度濃度區(qū)。該區(qū)域粉塵團(tuán)零星分布，大部分集中在巷道左側(cè)(遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)風(fēng)筒處)，且在局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒出風(fēng)口的后端處截止，同樣在渦流的作用下，該區(qū)域內(nèi)的粉塵較難繼續(xù)通過風(fēng)流的輸運(yùn)作用被排出，因此在進(jìn)風(fēng)風(fēng)筒出風(fēng)口的后端粉塵濃度再一次出現(xiàn)了快速降低，粉塵濃度更低。

圖11 除塵風(fēng)筒位于巷道左側(cè)時(shí)不同高度粉塵分布圖Fig.11 Dust distribution diagram at different heights when the dust collector air duct is located on the left side of the roadway

3.2 除塵風(fēng)筒至掘進(jìn)頭的距離對粉塵分布的影響

在除塵風(fēng)筒至掘進(jìn)工作面距離對粉塵的分布影響研究中，分別設(shè)置了距離為2、3、4、5和6 m共5種情況，計(jì)算完整后同樣截取1.6 m和3 m兩個(gè)高度處的粉塵分布以及巷道中粉塵的整體分布情況(圖12)。

圖12 不同高度下巷道內(nèi)粉塵分布情況Fig.12 Dust distribution in roadways at different heights

從粉塵的分布情況可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)距離為6 m時(shí)，除塵效果要比2～5 m的情況差很多，整個(gè)巷道中基本上都分布有粉塵，很多掘進(jìn)產(chǎn)生的粉塵并沒有被吸入除塵風(fēng)筒中，而是隨著風(fēng)流擴(kuò)散至整個(gè)巷道中，該情況說明除塵風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口距離掘進(jìn)頭距離較大時(shí)，不利于粉塵被吸入。當(dāng)距離為2～5 m時(shí)，巷道中粉塵的分布情況比較相似，大部分都集中在掘進(jìn)頭附近，且巷道中粉塵分布較少，說明絕大多數(shù)粉塵能夠被吸入除塵風(fēng)機(jī)中，起到較好的降塵效果。但是仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)除塵風(fēng)筒距離掘進(jìn)頭2 m或者5 m時(shí)，高濃度的粉塵(圖中紅色區(qū)域)面積及影響范圍要大于3 m和4 m時(shí)的情況。對比3 m和4 m的情況可以發(fā)現(xiàn)：4 m時(shí)，高濃度的粉塵基本上是貼近壁面的，而中間濃度(圖中綠色及淺藍(lán)色)比較均勻地分布在距離掘進(jìn)頭2倍寬度范圍內(nèi)；此外，該距離下仍有一部分粉塵沒有被吸入除塵風(fēng)機(jī)內(nèi)，沿著左邊壁面向巷道洞口方向擴(kuò)散；而當(dāng)距離為3 m時(shí)，雖然高濃度的范圍比4 m時(shí)大，但是距離掘進(jìn)頭2倍寬度范圍內(nèi)的整體粉塵濃度要低，尤其是司機(jī)位置處。由此可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巷道中沒有掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，除塵風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口的最佳距離是3 m處。

當(dāng)巷道中有掘進(jìn)機(jī)以后，粉塵的分布同樣受到了掘進(jìn)機(jī)的影響(圖13)，對比不同距離下巷道內(nèi)粉塵的分布可以發(fā)現(xiàn)：大部分粉塵集中在掘進(jìn)機(jī)范圍內(nèi)。從高度1.6 m處的平面上粉塵分布可以發(fā)現(xiàn)：在掘進(jìn)機(jī)的影響下高濃度的粉塵基本上集中在巷道內(nèi)右側(cè)。3 m高度處的粉塵的分布規(guī)律基本相同。當(dāng)除塵風(fēng)筒距離只有2 m時(shí)，在掘進(jìn)機(jī)的影響下，大量的粉塵沒有能夠被吸入到隧道中，反而被集中在了掘進(jìn)頭附近，使得該距離下掘進(jìn)頭附近粉塵濃度最高(掘進(jìn)頭區(qū)域最紅)。在1.6 m高度處，不同距離下粉塵分布比較相似，但是距離6 m時(shí)，粉塵濃度相較于其他幾個(gè)距離較大，影響的范圍更廣。而3 m時(shí)掘進(jìn)機(jī)左側(cè)的粉塵濃度也高于4 m和5 m時(shí)的情況；高度3 m處，距離為5 m的情況下，在除塵風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口附近出現(xiàn)了一個(gè)小的低濃度區(qū)域，該區(qū)域濃度較低，可以明顯看出大部分粉塵被吸進(jìn)除塵風(fēng)筒中，說明該距離下具有更好的除塵效果。

圖13 巷道內(nèi)設(shè)置掘進(jìn)機(jī)時(shí)不同高度下巷道內(nèi)粉塵分布情況Fig.13 Dust distribution in the roadway at different heights when the roadheader is located in the roadway

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方式研究了具有干式除塵器的巷道掘進(jìn)時(shí)風(fēng)流結(jié)構(gòu)及粉塵分布情況，并通過粉塵分布情況分析了干式除塵器的最佳布局方式，得到以下結(jié)論。

(1)當(dāng)除塵風(fēng)筒布局在巷道中部時(shí)，風(fēng)流流場更加復(fù)雜，渦流區(qū)多且亂；除塵風(fēng)筒位于局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒相對一側(cè)時(shí)，風(fēng)流結(jié)構(gòu)清晰簡單，污風(fēng)能夠較好的進(jìn)入除塵風(fēng)筒，“繞行”現(xiàn)象減緩；當(dāng)巷道中具有掘進(jìn)機(jī)時(shí)，對風(fēng)流造成了較大的影響，在掘進(jìn)機(jī)的前段和尾部均產(chǎn)生了渦流區(qū)。

(2)除塵風(fēng)筒布置在巷道中部時(shí)會(huì)使得粉塵在掘進(jìn)頭附近呈現(xiàn)“V”字形分布，粉塵影響范圍大；當(dāng)除塵風(fēng)筒布置在局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒相對一側(cè)時(shí)，除塵風(fēng)筒能夠更好地吸入掘進(jìn)產(chǎn)生的粉塵，有利于粉塵的降低。

(3)當(dāng)巷道中沒有掘進(jìn)機(jī)時(shí)，除塵風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口布置在距離掘進(jìn)頭3 m的情況下，除塵效果最好；但是巷道中布置有掘進(jìn)機(jī)時(shí)，最佳的除塵距離為5 m。