王鵬飛，劉榮華, 2，陳世強(qiáng), 2，賀俊星

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機(jī)掘工作面旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)最佳送風(fēng)角度的確定

王鵬飛1，劉榮華1, 2，陳世強(qiáng)1, 2，賀俊星1

(1. 湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，湖南湘潭，411201；2. 湖南科技大學(xué)煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭，411201)

為了確定最佳的送風(fēng)角度，采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)，對(duì)不同送風(fēng)角度下機(jī)掘工作面旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)流場(chǎng)和粉塵質(zhì)量濃度分布進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：在其他設(shè)計(jì)參數(shù)確定的情況下，工作面風(fēng)流流場(chǎng)和粉塵質(zhì)量濃度分布與送風(fēng)角度密切相關(guān)；當(dāng)送風(fēng)角度為75°時(shí)，旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)流場(chǎng)能在工作面形成完整的屏蔽風(fēng)幕，且組合風(fēng)口前方吸氣速度和負(fù)壓沿軸向衰減較其他送風(fēng)角度吸氣速度和負(fù)壓沿軸向衰減緩慢，組合風(fēng)口控塵效果最佳，組合風(fēng)口后方粉塵質(zhì)量濃度降至24 mg/m3，旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕隔塵效率高達(dá)85.9%。

機(jī)掘工作面；旋轉(zhuǎn)射流；流場(chǎng)；粉塵；送風(fēng)角度

目前，國(guó)內(nèi)外機(jī)掘工作面主要采用通風(fēng)控塵、除塵器抽塵凈化、高壓噴霧等防塵措施[1?2]。實(shí)踐證明，采用上述防塵措施后，工作面仍然存在大量粉塵，尤其是呼吸性粉塵擴(kuò)散至掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工作區(qū)域，嚴(yán)重危害著掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的身心健康[3?4]。因此，開(kāi)展機(jī)掘工作面控塵研究具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。為了提高機(jī)掘工作面通風(fēng)控塵效果，劉榮華等[5]提出應(yīng)用旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)來(lái)改善工作面風(fēng)流流場(chǎng)和粉塵質(zhì)量濃度分布，從而改善工作面作業(yè)環(huán)境。近年來(lái)，對(duì)該種通風(fēng)方式下的風(fēng)流流場(chǎng)和粉塵質(zhì)量濃度分布進(jìn)行了較為全面的研究，涉及的影響因素包括送風(fēng)量、排風(fēng)量、吹吸流量比及噴口寬度等[6?9]。張景松等[10?11]通過(guò)建立三維掘進(jìn)通風(fēng)物理和數(shù)學(xué)模型，對(duì)旋轉(zhuǎn)射流屏蔽抽吸的復(fù)雜流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)吹吸流量比進(jìn)行了討論，得出吹吸流量比對(duì)該種通風(fēng)流場(chǎng)影響較大，吹吸流量比過(guò)大或過(guò)小都不利于有害物的抽吸。影響機(jī)掘工作面旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)粉塵控制和捕集效果的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)包括送風(fēng)速度、送風(fēng)口寬度、吹吸流量比及送風(fēng)角度等，送風(fēng)速度、送風(fēng)口寬度和吹吸流量比已在相關(guān)文獻(xiàn)中進(jìn)行了討論，而送風(fēng)角度的研究較少。因此，本文作者對(duì)旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)不同送風(fēng)角度下的風(fēng)流流場(chǎng)和粉塵質(zhì)量濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)研究，確定最佳送風(fēng)角度，為旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)在機(jī)掘工作面的應(yīng)用提供理論參考。

1 旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)原理及設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1所示為旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)的新型組合風(fēng)口結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1可見(jiàn)：該組合風(fēng)口由內(nèi)、外兩層組合而成，內(nèi)層為抽風(fēng)筒，連接抽風(fēng)機(jī)；新鮮風(fēng)流由送風(fēng)機(jī)和風(fēng)管從切向方向?qū)雰?nèi)、外風(fēng)筒之間的夾層，從而誘導(dǎo)旋風(fēng)，使得從環(huán)形送風(fēng)口壓出的風(fēng)流為具有一定擴(kuò)散角的旋轉(zhuǎn)射流。圖1中，1為內(nèi)風(fēng)筒直徑；2為外風(fēng)筒直徑；3為環(huán)形風(fēng)口直徑；為送風(fēng)角度。圖2所示為機(jī)掘工作面旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)流場(chǎng)示意圖，旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)原理見(jiàn)文獻(xiàn)[5?6]。

(a) 主視圖；(b) 俯視圖

圖2 旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)工作面流場(chǎng)示意圖

機(jī)掘工作面旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)控塵效果與設(shè)計(jì)參數(shù)密切相關(guān)。影響該種通風(fēng)方式控塵效果的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括1、2、3、送風(fēng)口寬度0、吹吸流量比及等。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的機(jī)掘工作面高×寬為3.42 m×3.20 m，設(shè)計(jì)組合風(fēng)口1=0.6 m，2=0.8 m和3= 1.0 m，環(huán)形送風(fēng)口寬度0=5 cm，吹吸流量比取=1.0(最佳吹吸流量比)[6]。

2 最佳送風(fēng)角度數(shù)值模擬

2.1 物理模型和邊界條件

利用前處理軟件Gambit，建立與試驗(yàn)工作面等高寬的拱形三維機(jī)掘工作面巷道模型。同時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，只選取機(jī)掘工作面前方4.2 m長(zhǎng)度空間進(jìn)行研究。組合風(fēng)口1=0.6 m，2=0.8 m和3=1.0 m，環(huán)形送風(fēng)口寬度0=5 cm，并將其放置于巷道中心高度，距離掘進(jìn)端頭3.0 m，數(shù)值模擬巷道物理模型如圖3所示。當(dāng)進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，綜采工作面風(fēng)流流場(chǎng)計(jì)算采用Realizable-雙方程紊流模型，使用SIMPLE算法求解氣相流場(chǎng)。對(duì)工作面粉塵質(zhì)量濃度分布計(jì)算時(shí)，在湍流模型的基礎(chǔ)上增加歐拉?拉格朗日離散模 型[12?13]。數(shù)值模擬采用相關(guān)數(shù)學(xué)模型控制方程組參見(jiàn)文獻(xiàn)[9, 14]，主要參數(shù)及邊界條件設(shè)置見(jiàn)文獻(xiàn)[6?7]。

(a) 橫切面；(b) A?A斷面

2.2 結(jié)果與分析

組合風(fēng)口送風(fēng)角度是影響機(jī)掘工作面旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)流場(chǎng)和控塵效果的重要參數(shù)。數(shù)值模擬中送風(fēng)量和抽風(fēng)量均設(shè)置為300 m3/min，掘進(jìn)面定義為粉塵源，其質(zhì)量流量為120 g/min。通過(guò)改變送風(fēng)角度(65°，70°，75°和80°)，考察其對(duì)工作面流場(chǎng)及粉塵質(zhì)量濃度分布的影響，從而分析得到最佳送風(fēng)角度，模擬結(jié)果如圖4~7所示。

2.2.1 流場(chǎng)特性

圖4所示為不同送風(fēng)角度下巷道中心水平橫截面的速度矢量圖。從圖4(a)可以看出：當(dāng)送風(fēng)角度=65°時(shí)，吹氣流以該角度從環(huán)形送風(fēng)口射出后，由于送風(fēng)角度過(guò)小，組合風(fēng)口中心吸氣流對(duì)其約束較強(qiáng)，導(dǎo)致吹氣流向內(nèi)收縮明顯，旋轉(zhuǎn)射流還未到達(dá)巷道壁面即被吸走，不能形成封堵粉塵擴(kuò)散的風(fēng)幕。從圖4(b)可以看出：當(dāng)送風(fēng)角度增加至=70°時(shí)，吹氣流從環(huán)形風(fēng)口射出后，由于送風(fēng)角度的增加，組合風(fēng)口中心吸氣流對(duì)其約束減弱，射流收縮效應(yīng)降低，部分射流能夠到達(dá)巷道壁面，并在吸氣流的作用下與壁面碰撞后向工作面端頭移動(dòng)，基本能形成屏蔽工作面粉塵的旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕。如圖4(c)可以看出：當(dāng)送風(fēng)角度增加至=75°時(shí)，由于送風(fēng)角度進(jìn)一步增加，從環(huán)形風(fēng)口射出的氣流基本能夠克服中心吸氣流的束縛，并在吸氣流的共同作用下與壁面沖擊后向工作面端頭移動(dòng)，能夠形成具有一定強(qiáng)度的完整風(fēng)幕。從圖4(d)可以看出：繼續(xù)增大送風(fēng)角度，射流與巷道壁面接觸角增大，同時(shí)由于吸氣流對(duì)吹氣流的束縛作用進(jìn)一步減弱，射流與巷道周壁沖擊后，形成方向相反的2股氣流，其中，一股流向組合風(fēng)口后方區(qū)域。由于部分氣流被分流至組合風(fēng)口后方區(qū)域，造成工作面掘進(jìn)端頭風(fēng)量減少，不利于粉塵的控制。而且，分流至組合風(fēng)口后方區(qū)域的氣流會(huì)隨著送風(fēng)角度的不斷增大而增加。

送風(fēng)角度θ/(°)：(a) 65；(b) 70；(c) 75；(d) 80

圖5所示為不同送風(fēng)角度下組合風(fēng)口吸氣軸線速度衰減曲線。從圖5可以看出：在相同的送、排風(fēng)量情況下，送風(fēng)角度=75°的組合風(fēng)口吸氣軸線速度衰減最為緩慢。在該送風(fēng)角度下，工作面掘進(jìn)端頭仍保持較高的吸氣速度，從而有利于該區(qū)域粉塵的捕集。圖6所示為不同送風(fēng)角度下組合風(fēng)口中心軸線負(fù)壓衰減曲線。從圖6可見(jiàn)：當(dāng)送風(fēng)角度分別為65°和70°時(shí)，工作面端頭區(qū)域中心負(fù)壓接近為0 Pa，不利于粉塵的匯集和抽吸。對(duì)比送風(fēng)角度分別為75°和80°這2種情況下中心軸線負(fù)壓衰減曲線發(fā)現(xiàn)：當(dāng)送風(fēng)角度為75°時(shí)在掘進(jìn)端頭產(chǎn)生的負(fù)壓明顯高于當(dāng)送風(fēng)角度為80°時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓，掘進(jìn)端頭產(chǎn)生的粉塵匯集于該負(fù)壓中心，并在吸氣流的作用下排走。

送風(fēng)角度/(°)：1—65；2—70；3—75；4—80

送風(fēng)角度/(°)：1—65；2—70；3—75；4—80

2.2.2 粉塵質(zhì)量濃度分布

圖7所示為不同送風(fēng)角度下巷道中心水平橫截面粉塵質(zhì)量濃度分布。從圖7(a)可見(jiàn)：由于送風(fēng)角度較小，不能形成完整的風(fēng)幕封堵粉塵，導(dǎo)致掘進(jìn)端頭粉塵從巷道周邊擴(kuò)散至組合風(fēng)口后方，造成組合風(fēng)口后方區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度較高。而在組合風(fēng)口至工作面端頭的控塵區(qū)域，由于組合風(fēng)口吸氣軸線速度衰減劇烈，工作面端頭區(qū)域吸氣軸線速度接近0 m/s，且負(fù)壓幾乎為0 Pa，導(dǎo)致大量粉塵滯留在工作面端頭不能及時(shí)排走，工作面粉塵質(zhì)量濃度明顯偏高。從圖7(b)可以看出：當(dāng)送風(fēng)角度增加至=70°時(shí)，控塵區(qū)粉塵質(zhì)量濃度有明顯下降。但由于旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕強(qiáng)度較弱，工作面粉塵仍有部分?jǐn)U散至組合風(fēng)口后方的區(qū)域，造成組合風(fēng)口后方區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度仍偏高。從圖7(c)可以看出：當(dāng)送風(fēng)角度=75°時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕強(qiáng)度增加，旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕將粉塵控制在組合風(fēng)口和掘進(jìn)端頭的有限空間內(nèi)，并在吸氣流的作用下將其排走，保證了組合風(fēng)口后方區(qū)域較低的粉塵質(zhì)量濃度。從圖7(d)可知：隨著送風(fēng)角度的增大，組合風(fēng)口后方區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度有所升高，原因是由于接觸角的增加和吸氣束縛作用的減弱，環(huán)形風(fēng)口射出的氣流與壁面沖擊后攜帶部分粉塵流向組合風(fēng)口后方區(qū)域。

送風(fēng)角度θ/(°)：(a) 65；(b) 70；(c) 75；(d) 80

從圖4~7的分析表明，機(jī)掘工作面采用旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)時(shí)，在其他設(shè)計(jì)參數(shù)確定的情況下，工作面風(fēng)流流場(chǎng)和粉塵質(zhì)量濃度分布與送風(fēng)角度密切相關(guān)。在進(jìn)行該種通風(fēng)方式參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，組合風(fēng)口的送風(fēng)角度不能過(guò)小，也不能太大，存在一個(gè)最佳送風(fēng)角度使得工作面粉塵能夠得到較好的控制和捕集。分析認(rèn)為：當(dāng)采用最佳吹吸流量比=1時(shí)，組合風(fēng)口送風(fēng)角度=75°時(shí)，旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)流場(chǎng)能在工作面形成完整的屏蔽風(fēng)幕，且組合風(fēng)口前方吸氣速度和負(fù)壓沿軸向衰減較其他送風(fēng)角度前方速度和負(fù)壓沿軸向衰減緩慢，并對(duì)工作面粉塵控制效果最佳。因此，可以確定組合風(fēng)口的最佳送風(fēng)角度為75°。

3 最佳送風(fēng)角度試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)機(jī)掘工作面旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)的具體情況，在設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)時(shí)，只要保證原型和模型的幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似及二者的邊界條件相似，就可以保證兩者 相似。

根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，取長(zhǎng)度比例系數(shù)λ=8，速度比例系數(shù)λ=4，建立長(zhǎng)×寬×高為1.50 m× 0.40 m×0.42 m拱形機(jī)掘工作面巷道模型。為便于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，巷道模型采用透明有機(jī)玻璃制作，板厚為 5 mm。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由巷道模型、組合風(fēng)口、離心式壓風(fēng)機(jī)、離心式抽風(fēng)機(jī)、發(fā)塵器、粉塵質(zhì)量濃度測(cè)定儀、渦街流量傳感器、配電箱、流量控制閥及相關(guān)管道等組成。采用不銹鋼加工制作4種不同送風(fēng)角度的組合風(fēng)口，組合風(fēng)口1=75 mm，2=100 mm和3= 125 mm，環(huán)形送風(fēng)口寬度0=6.25 mm。粉塵由巷道模型端頭的發(fā)塵器發(fā)散送入，模擬掘進(jìn)機(jī)截割產(chǎn)塵。在組合風(fēng)口前、后區(qū)域內(nèi)分別布置CCZ?1000型粉塵質(zhì)量濃度測(cè)定儀，對(duì)該區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行采樣 測(cè)定。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，先啟動(dòng)壓風(fēng)機(jī)，將其風(fēng)量調(diào)節(jié)為預(yù)定風(fēng)量。然后，啟動(dòng)抽風(fēng)機(jī)，并通過(guò)流量控制閥調(diào)節(jié)吸氣速度。第1組試驗(yàn)為送風(fēng)角度=65°的控塵效果測(cè)試，試驗(yàn)中將壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)為70 m3/h，維持環(huán)形送風(fēng)口出口平均風(fēng)速為8.0 m/s。抽風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量設(shè)置為70 m3/h，保證組合風(fēng)口吸氣速度約為4.5 m/s。待風(fēng)流穩(wěn)定后，將粉碎烘干的后煤粉裝入發(fā)塵器，啟動(dòng)發(fā)塵器，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。第2~4組試驗(yàn)分別為送風(fēng)角度=70°，75°和80°的控塵效果測(cè)試，將對(duì)應(yīng)送風(fēng)角度的組合風(fēng)口安裝于模型巷道內(nèi)，考察送、排風(fēng)量和發(fā)塵量相同情況下，不同送風(fēng)角度的組合風(fēng)口控塵效果。在組合風(fēng)口前、后方各0.30 m處分別布置粉塵質(zhì)量濃度測(cè)點(diǎn)，采用定時(shí)采樣模式進(jìn)行測(cè)量，采樣時(shí)間為 5 min，采樣流量為2 L/min。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在送、排風(fēng)量及發(fā)塵量相同的情況下，對(duì)4種不同送風(fēng)角度組合風(fēng)口通風(fēng)下的巷道中粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)試，以組合風(fēng)口前、后方各0.30 m處粉塵質(zhì)量濃度及其隔塵效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察4種不同送風(fēng)角度組合風(fēng)口的控塵效果，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出：機(jī)掘工作面采用旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)能夠取到較好的控塵效果，組合風(fēng)口后方區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度明顯低于工作面端頭，旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕的隔塵效率高達(dá)70%以上。對(duì)比4種不同送風(fēng)角度組合風(fēng)口的控塵效果，送風(fēng)角度=75°的組合風(fēng)口控塵效果最佳，組合風(fēng)口后方粉塵質(zhì)量濃度降至24 mg/m3，旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕隔塵效率高達(dá)85.9%。模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬分析所得結(jié)論基本吻合。

表1 不同送風(fēng)角度組合風(fēng)口的控塵效果

4 結(jié)論

1) 機(jī)掘工作面采用旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)時(shí)，在其他設(shè)計(jì)參數(shù)確定的情況下，工作面風(fēng)流流場(chǎng)和粉塵質(zhì)量濃度分布與送風(fēng)角度密切相關(guān)。

2) 當(dāng)采用最佳吹吸流量比=1，組合風(fēng)口送風(fēng)角度=75°時(shí)，旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)流場(chǎng)能在工作面形成完整的屏蔽風(fēng)幕，且組合風(fēng)口前方吸氣速度和負(fù)壓沿軸向衰減較其他送風(fēng)角度吸氣速度和負(fù)壓沿軸向衰減緩慢，并對(duì)工作面粉塵控制效果最佳。

3) 送風(fēng)角度=75°的組合風(fēng)口控塵效果最佳，組合風(fēng)口后方粉塵質(zhì)量濃度降至24 mg/m3，旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕隔塵效率高達(dá)85.9%。

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Determination of the best air-supply angle of the rotational jet shield ventilation at tunneling working face

WANG Pengfei1, LIU Ronghua1, 2, CHEN Shiqiang1, 2, HE Junxing1

(1. School of Energy & Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2. Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines,Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

To determine the best air-supply angle,the flow field and dust mass concentration distribution of the rotational jet shield ventilation under different air-supply angles were investigated by numerical simulation and model experiments.The results show that the flow field and dust mass concentration distribution are closely related to air-supply angle with the other design parameters fixed. When theair-supply angle is=75°, a complete air curtain can be formed at the tunneling working face, and the suction velocity and negative pressure in front of the combined tuyere in the axial direction are lower than those of other air-supply angles. The best dust control effect is obtained, the dust mass concentration falls to 24 mg/m3, and the dust-isolating efficiency of rotational jet reaches up to 85.9%.

tunneling working face; rotational jet; flow field; dust; air-supply angle

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.034

TD714，X964

A

1672?7207(2015)10?3808?06

2014?08?04；

2014?10?10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51574123, 51306047)(Projects (51574123, 51306047) supported by the National Natural Science Foundation of China; )

王鵬飛，博士，講師，從事礦井通風(fēng)和環(huán)境保護(hù)研究；E-mail：pfwang@sina.cn

(編輯 羅金花)