多方向旋轉風幕對綜采工作面抑塵效果的研究

謝鑫龍

（山西省煤炭建設監理有限公司，山西 太原 030012）

塵肺病是我國最常見的職業病。根據國家衛生健康委員會發布的官方報告，煤礦工人塵肺病確診病例為23 152 例，占塵肺病病例總數的95.2%[1,2]。為降低煤礦工人發生塵肺的概率，國內外的專家學者研制出了化學除塵、通風防塵等技術。通風防塵技術具有不干擾駕駛員視線、用水量少、操作成本低的優點，也是我國綜采工作面應用較為廣泛的除塵技術[3-5]。而通過對通風的幾個主要參數進行研究后發現，壓力通風出口到掘進面的距離Lp與道路截面面積Sr的關系是。但是，如果氣流全部指向工作區域的掘進面，掘進面則難以有效地形成氣流場，高精礦粉塵仍大量從綜采工作面擴散[6]。為此，本文對綜采工作面多向旋風幕的除塵效果進行了研究。

1 仿真模擬

本文對位于中國江莊煤礦的3-600 號的綜采工作面進行研究。并建立了氣相氣流和固相粉塵雙流體場的流體模型。基于組合網格的模型，對多向旋轉風幕的形成和防塵效果進行了仿真模擬。

1.1 物理模型

本文建立了3-600 號綜采工作面如圖1 所示的等比例物理模型，還生成了該模型的網格。物理模型包括巷道、掘進機、強制風管、排氣風管、多向旋轉風幕發生器等。巷道形狀為長方體，尺寸長40 m、寬4 m、高3.1 m。隧道掘進機的總長度為8.8 m；掘進機的機身為長方體，長6 m、寬2.4 m、高1.7 m。掘進機的背面連接著轉運機和環形帶式輸送機。強制風管和排氣風管均為圓柱體，直徑均為0.6 m，從軸線到底板邊緣的距離是2.1 m。排氣風管貼緊在掘進機邊緣，排氣通風出口與引面的距離為3 m。將壓力通風出口到掘進面的距離Lp設置為20 m，該距離大于5Sr（17.61 m）和10 m。這些都是我國綜采工作面上廣泛應用的數值。此外，多方向旋轉風幕的發生器被安裝在直徑為0.6 m 的強制風管道上，有0.95 m 長，有兩種方向的徑向出風口組，均沿半圓分布。一種徑向出風口組分布的半圓，按36°均分為5 個等份，其中出風口有3條；而另一種半圓按60°平均分為3 個等份，出風口有2 條。從徑向空氣出口到掘進面的最小距離為20 m。各類出風口組有兩組：一組寬度為0.1 m，另一組寬度為0.15 m。

圖1 網格生成前后的物理模型

1.2 氣流場數值模擬結果與討論

該綜采工作面物理模型的主要邊界條件如下：湍流能量耗散率為0.8 m2/s3，湍流動能為0.8 m2/s2，巷道斷面面積為12.4 m2，強迫風量和排氣風量分別為250 m3/min 和200 m3/min。下頁圖2 為多向旋轉風幕應用前后氣流場模擬分圖，下頁圖3 為多向旋轉風幕應用前后氣流場模擬結果單剖面模擬結果。圖中x為旋轉風幕氣流場x 軸方向映射，z 為旋轉風幕氣流場z 軸方向的映射，xyz 就是旋轉風幕氣流場三維仿真圖像的坐標系。

圖2 多向旋轉風幕應用前后氣流場模擬分圖

圖3 多向旋轉風幕應用前后氣流場模擬結果單剖面圖

如圖2 和3，在應用多向旋轉風幕前，壓縮空氣全部從軸向壓力風口吹出，在擴大射流流段的過程中，仿真顯示了從指向流頭到逆向流頭的變化。一部分指向正方向的高速射流撞擊迎面壁，然后轉為逆向氣流。部分逆向氣流在風速較大的壓力風口周圍被卷入射流場。由于動量的水平傳遞，周圍氣流被湍流的漩渦帶進射流場。同時，隨著湍流地漩渦移動、變換和分裂，發生了湍流脈動。湍流的漩渦將其影響范圍由內而外擴展，然后可以形成氣流場。另一部分未被帶入掘進射流場的空氣繼續向掘進面的反向流動。雖然Lp增加到20 m，大于（17.61 m），但是在巷道的每個橫截面上，都沒有形成抑塵氣流場。

啟動多向旋轉風幕發動機后，90%的壓縮空氣從兩相出口和三相出口交替布置的徑向出口吹出，然后吹向巷道長壁、頂板和底板的另一側，形成無空隙沖擊長壁的射流，故此形成了多向旋轉風幕。由于多向旋轉風幕發動機徑向出口噴出的高速氣流的夾帶作用，周圍氣流場形成了軸向回旋氣流場。多向旋轉風幕的氣流場從徑向氣流流向掘進面，然后從截面到掘進面約12.8 m 處形成粉塵抑制氣流場。此外，壓縮空氣不斷向掘進面流動，不斷擴散到巷道的另一邊，從而增加了粉塵抑制氣流場的氣流速度。

1.3 沙塵流場數值模擬的結果與探討

根據3-600 號綜采工作面產生粉塵條件，添加粉塵參數：粉塵為煤粉，擴散速度為2×10-2kg/s，粒徑范圍為8.5×10-7～2.69×10-5m，中徑為4.86×10-6m，分布指數為1.81，體積分數為4.75，粒子軌跡跟蹤數為3 200。圖4 為模擬了多向旋轉風幕應用前后的粉塵流量的模擬結果。從圖4 可以看出，在應用多向旋轉風幕前，當Lp為10 m 時，50 mg/m3以上的高質量濃度粉塵的擴散距離為16.1 m；當Lp為20 m 時，它下降到13.2 m。但在應用多向旋轉風幕后，擴散距離僅為5.8 m。這說明Lp越大，對控制掘進面的粉塵擴散越有利，但在的范圍內，高濃度的粉塵仍會擴散到更長的距離。但采用多向旋轉風幕后，抑塵效果明顯，排氣風管的吸塵量明顯增加。

圖4 多方向旋轉風幕應用前后粉塵流量的模擬結果

3 結論

在應用多向旋轉風幕前，當Lp為10m 時，50 mg/m3以上的高質量濃度粉塵的擴散距離為16.1 m；當Lp為20 m 時，它下降到13.2 m，在應用多向旋轉風幕后，擴散距離僅為5.8 m，多向旋轉風幕對粉塵控制效果是很明顯的。研究結果表明，應用多向旋轉風幕后，抑塵效果明顯。