荊德吉，徐 放，葛少成，張 天，孟祥曦

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程研究院，遼寧 阜新 123000; 3.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室(遼寧工程技術(shù)大學(xué))，遼寧 阜新 123000； 4.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

掘進(jìn)工作面是煤礦的主要產(chǎn)塵區(qū)域，隨著采掘技術(shù)的進(jìn)步，礦井掘進(jìn)的效率逐步提高，然而高效率的掘進(jìn)作業(yè)隨之帶來的是產(chǎn)塵量的增加，導(dǎo)致更嚴(yán)重的粉塵污染[1-3]。

目前對于煤礦的開放性塵源所采用的除塵方法多為噴霧除塵[4]，然而傳統(tǒng)的內(nèi)外噴霧有很多弊端，如水霧的擴散速度較慢，水霧范圍較小，不能有效阻止粉塵的擴散，導(dǎo)致除塵效率不高[5-6]。多項模擬和實驗表明，利用霧幕相比傳統(tǒng)噴霧控塵效果更好，且風(fēng)幕對集塵與除塵也有良好的效果。劉寶明等對掘進(jìn)機旋轉(zhuǎn)噴霧降塵進(jìn)行了應(yīng)用研究[7]；張建卓等基于Fluent模擬論證提出了掘進(jìn)面集塵風(fēng)幕除塵方案[8]；李雨成等設(shè)計風(fēng)幕控塵裝置并通過試驗驗證裝置的優(yōu)越性[2]；Nie等采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場測試的方法對旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕對掘進(jìn)工作面的抑塵效果展開研究[9];錢杰等在現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕除塵的基礎(chǔ)上加入了噴霧，對旋轉(zhuǎn)水霧除塵進(jìn)行了研究[10]。

為了進(jìn)一步提高掘進(jìn)工作面噴霧除塵效率，以旋風(fēng)霧幕除塵為依據(jù)，結(jié)合已知除塵方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了多層螺旋霧幕除塵方法。與風(fēng)機提供風(fēng)力不同，該方法以空壓機提供氣壓，通過噴嘴射出氣流。相比傳統(tǒng)的單層霧幕，噴嘴的多層螺旋排列方式也有助于形成多層且范圍更廣的螺旋霧幕。利用氣水兩相流的方式噴霧，研究這種方式下噴射出的氣流對水霧的運動軌跡及結(jié)構(gòu)的影響以及對除塵效果的影響。通過Comsol模擬軟件的模擬仿真得出多層霧幕裝置工作時的風(fēng)流場和霧滴運動軌跡并分析其對除塵效果的影響，為噴霧除塵試驗提供理論依據(jù)。再通過搭建試驗平臺來測試自然沉降、傳統(tǒng)噴霧和多層螺旋霧幕3種除塵方法的除塵效果，確定多層螺旋霧幕除塵方法的高效性。

1 多層螺旋噴霧模擬計算分析

利用Comsol軟件模擬計算多層螺旋噴霧的氣流流場、風(fēng)速、粒子軌跡，以此說明該方法對氣流及水霧流向的影響，為下一步的試驗提供保證和可靠依據(jù)[11-12]。

1.1 裝置設(shè)計與模型建立

該方法主要應(yīng)用于掘進(jìn)工作面，通過在掘進(jìn)機上安裝多層螺旋霧幕裝置形成多層霧幕來提高控塵效果。在眾多的可形成多層霧幕的裝置構(gòu)造方案中，將噴嘴呈螺旋排布的方法結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn)，且該構(gòu)造可使射出的水霧有向前的分速度，有利于水霧的向前推進(jìn)。如圖1所示，該裝置設(shè)計為：在掘進(jìn)機的截割臂上安裝管路支架，用以固定管路和噴嘴；供水管與供氣管一端分別與水泵、空壓機相連，另一端管體呈螺旋狀盤繞在管路支架上；支架固定的供水管與供氣管之間連接若干噴嘴，由水泵和空壓機提供噴霧動力，由若干噴嘴噴出水霧形成多層霧幕，且有效除塵區(qū)域可隨著掘進(jìn)機頭位置的變化而變化，進(jìn)一步提高掘進(jìn)工作面的除塵效果。

1.噴嘴；2.供水管；3.供氣管；4.水泵；5.空壓機。圖1 多層霧幕除塵裝置設(shè)計示意Fig.1 Schematic diagram of multi-layer fog curtain dust removal device

利用Comsol數(shù)值模擬研究該裝置應(yīng)用在掘進(jìn)工作面時的工作效果，分析該方法的特點及可行性。以2層霧幕為例，如圖2所示，建立寬度和高度均為4 m的巷道模型，以巷道中心軸為準(zhǔn)建立10只以2層螺旋排布的空氣霧化噴嘴，噴嘴的氣流出口與噴霧出口的方向均為沿螺旋線向前的切線方向，螺旋的外環(huán)半徑為0.15 m，軸向截距為0.35 m，徑向截距為0.25 m。

圖2 模型建立及網(wǎng)格劃分Fig.2 Model building and meshing

1.2 湍流模型

風(fēng)流場和風(fēng)速的計算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型，該模型對逆壓梯度流場的計算有較高的精度，可應(yīng)用于墻壁束縛流動，即可應(yīng)用于對掘進(jìn)巷道的氣流流向、流速的計算[13]。

(1)

設(shè)巷道內(nèi)空氣不可壓縮，湍流動能k的輸運方程為：

ρ(u·)k=

(2)

湍流耗散率ω的輸運方程為：

ρ(u·)ω=·[(μ+μTσω)
ω=om

(3)

式中：ρ為密度，kg/m3；μT為湍流黏性系數(shù)；u為風(fēng)速，m/s；σk和σω分別為湍流動能k和耗散率ω的普朗系數(shù)；-pl為雷諾應(yīng)力，N；F為其他外力，N。

1.3 曳力模型

水霧粒子軌跡的可利用流體曳力模型計算。只要物體在流體中存在相對速度，這個物體就會受到流體給它的作用力，即為流體曳力。

流體曳力服從Schiller-Naumann定律[14]：

(4)

式中：FD為曳力，N；τp為剪切應(yīng)力，N；CD為曳力系數(shù)；Rer為雷諾數(shù)；mp為液滴質(zhì)量，kg；u，v分別為風(fēng)速和液滴運動速度，m/s；ρp為液滴密度，kg/m3；dp為液滴直徑，μm；μ為氣體動力黏度，Pa·s。

1.4 液滴破碎模型

K-H破碎模型用來解釋2種運動流體產(chǎn)生的不穩(wěn)定性，當(dāng)2種流體做平行運動且達(dá)到一定的相對速度，就會過渡至不穩(wěn)定狀態(tài)而破碎成更小的液滴[15]。基于該原理可以模擬水霧的破碎情況，計算出霧滴粒徑。

基于液體射流的線性穩(wěn)定分析，液滴破碎時半徑變化率為：

(5)

式中，rch為破碎后液滴半徑，μm；t為時間，s；rKH為破碎前液滴半徑，μm；τKH為破碎時間，s。

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：ΛKH為不穩(wěn)定波波長；ΩKH為增長最快的不穩(wěn)定波頻率；τKH為破碎時間；Z為液體Ohnesorge數(shù)；T為泰勒數(shù)；Wel為液體韋伯?dāng)?shù)；Weg為氣體韋伯?dāng)?shù)；Rel為液體雷諾數(shù)；Urel為氣液速度差，m/s；rp為初始的液滴半徑，μm；ρ為氣體密度，kg/m3；σp為液體表面張力N/m；μp為液體動力黏度，Pa·s；BKH為經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛥?shù)，取值與噴孔尺寸設(shè)計和噴霧狀態(tài)有關(guān)，通常取10。

破碎后形成的液滴半徑：

當(dāng)B0ΛKH≤rp時，

rch=B0ΛKH

(10)

當(dāng)B0ΛKH≥rp時，

(11)

式中：B0為模型經(jīng)驗參數(shù)，用來控制破碎時間。

1.5 模型條件參數(shù)設(shè)定

以下參數(shù)設(shè)置均以環(huán)境溫度為20 ℃時的工作狀態(tài)為依據(jù)設(shè)定。環(huán)境和噴霧參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)定Table 1 Parameter setting

1.6 模擬結(jié)果分析

計算待風(fēng)流穩(wěn)定后的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，風(fēng)流走向如圖3所示。

圖3 風(fēng)流走向Fig.3 Wind flow direction

從圖3可以看出，在各個噴嘴射出的風(fēng)流之間相互擾動與巷道墻壁對風(fēng)流的順向引導(dǎo)的作用下，形成了旋風(fēng)，且旋風(fēng)布滿整個巷道。根據(jù)箭頭的走向也可直觀地看出其風(fēng)向是旋轉(zhuǎn)的。

將該巷道的速度場沿y軸方向分為4層切面，觀察并分析各層之間風(fēng)速分布的規(guī)律(見圖4)。

圖4 風(fēng)速分布Fig.4 Wind speed distribution map

由圖4可以看出，y軸正方向0～1 m處的最大風(fēng)速在9～10 m/s左右，y軸正方向2～3 m處的最大風(fēng)速在7～9 m/s左右，風(fēng)速緩慢減小，各層最低風(fēng)速在2～3 m/s左右。風(fēng)速的分布規(guī)律為：巷道中間風(fēng)速較小，各層風(fēng)速大于7 m/s的區(qū)域為環(huán)狀分布，且向前環(huán)狀區(qū)域的范圍逐漸變大。

將曳力模型的計算與湍流模型的計算結(jié)果耦合進(jìn)行水霧粒子軌跡的計算，輔以K-H破碎模型計算霧滴的粒徑變化[13]。設(shè)置每只噴嘴在1 s內(nèi)噴出霧滴的數(shù)量為50，霧化模擬結(jié)果顯示了霧滴分布和運動軌跡，分析水霧分布的特點及對除塵的影響。

圖5的模擬結(jié)果顯示出了噴霧第2 s時水霧的運動情況及形成的結(jié)構(gòu)。噴嘴附近的水霧剛剛由噴嘴射出而沒有大量擴散，因此霧滴分布密集，且噴嘴呈2層螺旋排列，在旋風(fēng)的作用下會形成2層明顯的螺旋霧幕并覆蓋巷道截面，2層霧幕相比單層霧幕可進(jìn)一步阻止粉塵的擴散，提高除塵效果。水霧剛剛噴出時粒徑分布約在10 μm左右，而水霧也會受到風(fēng)流的影響破碎成為粒徑更小的霧滴。

圖5 噴霧2 s時水霧分布Fig.5 Water fog distribution at 2 s after spray

圖6為噴霧第5 s時粒子軌跡，此時2層霧幕仍然可見，然而由于旋風(fēng)的作用，2層霧幕中的水霧很快擴散并充斥整個巷道，并根據(jù)圖4可知風(fēng)速分布對于粒子軌跡的影響。風(fēng)速的不同決定了水霧疏密程度的不同，根據(jù)伯努利能量守恒原理，風(fēng)速大的區(qū)域氣壓相對較低，氣壓低的區(qū)域更易聚集水霧與粉塵，由此可見噴霧5 s后水霧分布與圖4的風(fēng)速分布相近，內(nèi)部風(fēng)速較快，水霧的流動也較快，水霧分布也會比外部更密集，這便形成了喇叭狀的旋轉(zhuǎn)水霧。粉塵由于氣壓差的作用更易卷入水霧密集區(qū)域，在風(fēng)流作用下快速與霧滴結(jié)合，實現(xiàn)控塵效果。巷道墻壁附近也有旋轉(zhuǎn)水霧的分布，可對擴散至低風(fēng)速取區(qū)的粉塵進(jìn)行控制，且由于風(fēng)速較小，擴散至低風(fēng)速區(qū)水霧的粒徑變化率較小，有利于水霧擴散至更遠(yuǎn)的區(qū)域，使除塵范圍更廣。

圖6 噴霧5 s時水霧分布Fig.6 Water fog distribution at 5 s after spray

2 試驗?zāi)Ｐ图霸O(shè)備

2.1 掘進(jìn)工作面模型

試驗將仿真掘進(jìn)工作面在掘進(jìn)過程中產(chǎn)塵和除塵過程，目的是將傳統(tǒng)噴霧和多層環(huán)繞霧幕的除塵效果進(jìn)行對比。本試驗以長、寬、高分別為4，4，4 m的試驗棚作為掘進(jìn)巷道，前端模擬掘進(jìn)過程中的產(chǎn)塵過程，后端模擬噴霧過程。多層旋渦霧幕裝置設(shè)計如圖7所示，用以固定噴嘴的管路支架結(jié)構(gòu)與數(shù)值模擬中的噴嘴排列結(jié)構(gòu)相同。

圖7 多層旋渦霧幕試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計Fig.7 Design of experimental model for multi-layer vortex fog curtain

2.2 主要試驗設(shè)備和材料

如圖8所示，主要試驗設(shè)備有：水泵、空氣壓縮機、連接10只SV882氣動噴嘴的供水管與供氣管、螺旋狀管路支架、由鼓風(fēng)機和風(fēng)筒組成的發(fā)塵裝置、煤粉、粉塵濃度測試儀等。

圖8 試驗平臺場景Fig.8 Scene of experimental platform

2.3 試驗過程及方法

該試驗在室內(nèi)進(jìn)行，試驗棚的一端設(shè)置發(fā)塵裝置，由風(fēng)筒以及后端連接的鼓風(fēng)機組成，可將煤粉吹入棚內(nèi)。另一端模擬掘進(jìn)機的多層螺旋霧幕除塵裝置，由螺旋管和10只噴嘴組成，空壓機與水泵共同提供噴霧動力，噴霧裝置距塵源2.5 m，且正對塵源。由于噴霧除塵時工作人員距產(chǎn)塵點較遠(yuǎn)，且后端角落處極易聚集粉塵，所以測點設(shè)置在實驗棚最左側(cè)后端的一角。噴霧時水泵的水壓設(shè)為0.12 MPa，空壓機氣壓設(shè)為0.52 MPa。

2.4 3種不同除塵方式試驗對比

用秤分別量取3組1.5 kg的煤粉用來分別進(jìn)行3組試驗，第1組用自然沉降的方法，第2組用傳統(tǒng)噴霧除塵方法，第3組用多層螺旋霧幕除塵的方法。發(fā)塵裝置啟動后大約45 s發(fā)塵完畢，測量3組試驗的粉塵濃度變化情況，粉塵濃度測試儀放在測點處。

第1組：取1.5 kg的煤粉發(fā)塵，發(fā)塵完畢使煤塵布滿整個空間后，立即開啟粉塵濃度測定儀進(jìn)行濃度測量，發(fā)塵完畢以后的粉塵濃度C0及自然沉降1，2，3 min時粉塵濃度C1，C2，C3。

第2組：將噴嘴排列成環(huán)形，噴射方向調(diào)至向前并向外輻射，噴射角度60°，進(jìn)行傳統(tǒng)噴霧除塵。將1.5 kg煤粉裝入發(fā)塵裝置發(fā)塵，發(fā)塵完畢后啟動水泵和空壓機，水霧從噴嘴噴出，與此同時測量在發(fā)塵完畢后的粉塵濃度C0及噴霧1，2，3 min時粉塵濃度C1，C2，C3。

第3組：將噴嘴固定在管路支架上，噴射方向為沿支架螺旋的切線方向。取1.5 kg的煤粉發(fā)塵，發(fā)塵完畢后立即啟動水泵和空壓機，同時測出發(fā)塵完畢后的粉塵濃度C0及噴霧1，2，3 min時粉塵濃度C1，C2，C3。

記錄3組試驗各個時間段的粉塵濃度，根據(jù)該濃度數(shù)據(jù)，計算各組試驗在除塵進(jìn)行3 min時的除塵速率vn，用公式(12)計算：

(12)

式中：vn為第n階段的除塵速率；C0為初始粉塵濃度，Cn為第nmin的粉塵濃度；h為除塵時間，min。

試驗結(jié)果匯總見表2。

2.5 試驗結(jié)果分析

由表2數(shù)據(jù)可知，1.5 kg煤塵發(fā)塵完畢后，試驗棚內(nèi)測點處的初始粉塵濃度始終保持在470 mg/m3左右，浮動微弱，可近似看做濃度相同。通過3組數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)噴霧的降塵效果好于自然降塵，多層螺旋霧幕的除塵效果好于傳統(tǒng)噴霧除塵，其中僅用多層螺旋霧幕除塵的方法，在3 min后濃度降為3.68 mg/m3，達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的4 mg/m3以下，呼塵的濃度也降到了1 mg/m3以下。在進(jìn)行雙層螺旋霧幕試驗時，可清晰觀察到2層密集水霧(拍照時，照片顯示不明顯，故未附圖)，霧滴粒徑更加細(xì)小，這與數(shù)值模擬結(jié)果一致，并且粉塵濃度變化結(jié)果也驗證了該方案的正確性，說明多層螺旋霧幕除塵可更加有效地降低粉塵濃度。

表2 3種除塵方式下的各個時間的粉塵濃度變化及除塵速率對比Table 2 Comparison of dust concentration variation and dust removal efficiency at each time by three dust removal modes

多層螺旋霧幕除塵相比傳統(tǒng)噴霧，有3點重要的優(yōu)勢：

1)傳統(tǒng)噴霧除塵方法射出的氣流無法相互作用形成連續(xù)的風(fēng)流，容易造成氣流紊亂并停滯。且水霧擴散速度較慢，水霧在巷道角落區(qū)域也僅處于緩慢沉降或布朗運動狀態(tài)，無法使其與粉塵更快碰撞結(jié)合，造成除塵速率較低。而多層螺旋霧幕除塵方法由于可形成多層霧幕，旋風(fēng)的作用使多層霧幕中的水霧很快擴散形成旋轉(zhuǎn)水霧，水霧的覆蓋范圍更廣且運動速度較快，可使霧滴與粉塵有更多的機會接觸。

2)風(fēng)流會使粒徑較大的霧滴破碎成多個粒徑較小的霧滴，粒徑較小的霧滴更易與粉塵碰撞結(jié)合，且霧滴的數(shù)量增多也可增加霧滴與粉塵結(jié)合的可能性，提高控塵效果。

3)高速旋風(fēng)形成負(fù)壓區(qū)，由于氣壓的作用可使粉塵被吸入旋風(fēng)流中，使粉塵有更多機會與水霧結(jié)合。

3 結(jié)論

1)通過湍流模型與流體曳力模型耦合計算表明，采用多層螺旋霧幕的方法，將噴嘴以2層螺旋排列，可產(chǎn)生2層較大范圍的螺旋霧幕。且旋風(fēng)的作用可使霧幕中的水霧很快擴散形成旋轉(zhuǎn)水霧，快速流動的水霧可使粉塵迅速與霧滴結(jié)合，同時風(fēng)流也會對水霧起到一定的破碎作用，使霧滴與粉塵的碰撞幾率增加，提高控塵效果。

2)通過試驗將自然降塵、傳統(tǒng)噴霧除塵、多層螺旋霧幕除塵的除塵速率對比，多層螺旋霧幕對全塵與呼塵的除塵效果明顯好于自然降塵與傳統(tǒng)噴霧除塵。且僅使用多層螺旋霧幕除塵3 min后可使近470 mg/m3的全塵濃度降至國家標(biāo)準(zhǔn)4 mg/m3以下，并可將呼塵的濃度降到1 mg/m3以下。多層螺旋霧幕的試驗也驗證了數(shù)值模擬的正確性。