綜掘工作面氣幕控塵參數對粉塵污染的影響

關鍵詞：綜掘工作面；氣幕控塵；徑向分風；負壓控塵；粉塵污染

中圖分類號：TD714.4 文獻標志碼：A

0引言

綜掘工作面是煤礦井下的關鍵生產區域，掘進機切割煤巖時瞬間釋放的粉塵質量濃度可高達3 000 mg/m3。高濃度粉塵在巷道內隨風流擴散引發較為嚴重的粉塵污染，對礦工職業健康和企業安全生產構成威脅[1-3]。

長壓短抽式局部通風系統是煤礦綜掘工作面常用的控除塵技術，通過軸向壓風流場分風形成徑向氣幕，配合除塵通風機的負壓控塵流場，能夠有效控制粉塵擴散。國內外學者針對綜掘工作面氣幕控塵規律開展了深入研究。Wang Pengfei 等[4]、Li Yongjun等[5]、張義坤等[6]、陳芳等[7]通過數值模擬和模型實驗，探究了傳統徑向氣幕對粉塵擴散的阻控效果，確定了有效壓抽風量比。Gui Changgeng 等[8]運用數值模擬揭示了不同氣幕參數下粉塵在時間和空間變量下的分布特征，獲得了能有效降低司機位置粉塵質量濃度的初始氣幕風速和氣幕傾角。劉榮華等[9]設計了雙徑向旋流屏蔽通風控塵方案，降低了掘進機產塵和轉載點揚塵對司機的影響，優化了壓抽風量比。Wang Hao 等[10]、Yin Shuai 等[11]、Hua Yun 等[12]針對新型多徑向附壁旋流氣幕系統，通過實驗測試、數值模擬、工程實測，研究分析了不同通風條件下的氣幕阻塵效果。夏丁超等[13]通過數值模擬分析了徑向出風距離等因素對氣幕控塵效果的影響。

上述研究成果不僅豐富了氣幕控塵理論，也為其應用提供了指導。但氣幕控塵效果受壓抽風及徑向分風多要素影響，而現有成果多局限于某單一要素對氣幕控塵的影響規律研究。因此，本文以徑向分風流量與負壓控塵流量作為變量，通過數值模擬與現場實測，針對上述變量耦合條件下的風流場演變和粉塵場擴散開展研究，從而獲得最優氣幕控塵參數，為綜掘工作面精準控塵技術發展提供理論指導。

1模型構建

1.1數學模型

綜掘巷道內風流場并不復雜，風流中粉塵體積濃度低于10%，因此，將風流、粉塵分別視為連續相和離散相， 運用Euler?Lagrange 模型開展模擬運算[14-16]。其中，Standard κ?ε 模型用于求解連續相運動，顆粒隨機軌道模型用于求解離散相運動。模擬運算中涉及的主要控制方程如下。

1.2幾何模型

利用SolidWorks 軟件構建綜掘巷道等比例幾何模型，如圖1 所示。其中，巷道為長80 m、寬5.54 m、高3.8 m 的長方體結構，內部設置掘進機、轉載運輸設施等大型設備。通風裝置為壓抽風筒及用于形成氣幕的附壁風筒，風筒直徑均為0.8 m，懸掛高度為2.4 m。壓風口與工作面間的射流距離為10 m，抽風口與工作面間的控塵距離為2 m，附壁風筒的氣幕徑向出風口與工作面間的氣幕運移距離為20 m。

2網格劃分與邊界條件設置

2.1網格劃分

利用ANSYS Mesh 軟件，根據模型尺寸及模擬需求，分別采用最大尺寸為0.1，0.2，0.3 m 的非結構性四面體網格對幾何模型進行網格劃分。利用3 種網格開展實際工況條件下的風流運移模擬，在距工作面3，5，7，10，15，20 m 的人行道呼吸帶高度設置一個風速提取點，獲取不同網格條件下的風速數據進行對比，結果如圖2 所示。

由圖2 可知， 3種網格條件下風速變化規律一致，說明網格具有獨立性。最大網格尺寸為0.1，0.2 m時獲得的數據差距很小，說明對于該模型，更小的網格尺寸不會顯著改善模擬結果。考慮數值模擬計算量，本文選擇最大網格尺寸0.2 m 開展數值模擬，該條件下共獲得1 151 346 個網格，平均網格質量為0.88513，能夠滿足數值模擬需求。

2.2邊界條件設置

利用ANSYS Fluent 軟件對幾何模型設置邊界條件，包含速度入口、壓力出流、標準壁面3 種邊界類型。其中，壓風口、抽風口、氣幕徑向出風口為速度入口邊界，巷道末端面為壓力出流邊界，其他實體表面均為標準壁面邊界。

根據實測數據，巷道壓風總流量qp 為320 m³/min，為掌握徑向分風流量qr 與負壓控塵流量qe 對風流場演變的影響，數值模擬時固定qp 不變，設置q_r=160，192，224，256，288 m³/min，對應q_r/q_p=0.5，0.6，0.7，0.8， 0.9； 設置qe=640，427，320，256，213 m³/min，對應q_p/q_e=0.50，0.75，1.00，1.25，1.50。

將工作面設置為塵源面，根據現場采樣煤塵顆粒特性實驗測定結果， 設置顆粒相基本參數， 見表1。

3模擬結果分析

3.1徑向分風對風流?粉塵運移的影響

為了明確徑向分風流量qr 對風流場演變的影響，圖3 展示了氣幕斷面風流分布，圖4、圖5 分別展示了不同q_r 條件下巷道風流流線分布及距工作面7 m的掘進機司機所在斷面風速分布。

由圖3—圖5可知：

1） 風流由徑向氣幕出風口射出后，環繞巷道邊壁流動并相互撞擊擾動，在斷面內形成由多個渦旋構成的徑向旋流氣幕。當qr=160，192， 224 m³/min（即q_r/q_p≤0.7）時， 壓風口的軸向射流速度分別為5.31，4.24，3.18 m/s，高速射流對巷道空間內的流體產生明顯卷吸效應，氣幕運移至射流區域時受卷吸作用形成向+Z 方向的偏移并匯入射流場，導致自壓風口至工作面的沿程巷道空間內風流狀態較為紊亂。待軸向射流撞擊工作面后形成由?Z 方向向?X 方向的轉向并匯集入抽風口。未被抽出的風流在慣性作用下繼續沿?X 方向運移，沿程風速降低并分別在距工作面9.5，7.8，5.5 m 的臨界位置再次被卷吸匯入射流場。該現象導致形成循環流場，使得巷道壓抽風側風流流量及風速分布不均、方向紊亂。qr=160，192，224 m³/min 條件下，掘進機司機所在斷面內，軸向射流場最高風速分別為3.58，2.77，2.18 m/s，射流場外部空間平均風速區間分別為0.32～1.09，0.34～0.95，0.36～0.81 m/s。

2） 當qr=256，288 m³/min（即qr/qp≥0.8）時，軸向射流速度大幅降至2.12，1.06 m/s，對周圍流體的卷吸效應顯著削弱。氣幕運移至射流區域時在抽風口的負壓作用下逐漸轉變為沿+X 方向運移，該區域壓抽風側風流流量、流速分布也逐步趨于均勻。q_r=256，288 m³/min 條件下，在距工作面4.9～6.3，4.7～7.2 m范圍內分別形成了厚度為1.4，2.5 m 的軸向控塵流場，掘進機司機所在斷面內平均風速區間分別為0.39～0.72，0.43～0.69 m/s。

為掌握不同q_r 條件下巷道內粉塵污染發展規律，圖6 展示了不同q_r 條件下巷道內粉塵擴散云圖，運用Origin 軟件分別擬合粉塵擴散距離D、掘進機司機處粉塵質量濃度C 與q_r/q_p 間的數學關系，如圖7、圖8 所示。

粉塵質量濃度測定包含3個環節：環節I，測定無控塵措施的原始粉塵質量濃度；環節II，應用傳統長壓短抽式局部通風系統，測算各測點粉塵質量濃度及降塵率；環節III，應用氣幕控塵系統及優化參數，測算各測點粉塵質量濃度及降塵率。不同環節各測點粉塵質量濃度及降塵率實測結果見表3。