文┃莫世途，王鵬飛，蔣海波

①②湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 411201 湖南湘潭；③湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院（長沙煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)中心）

關(guān)鍵字：綜采工作面；旋轉(zhuǎn)風幕；垂簾位置；數(shù)值模擬；實驗研究

綜采工作面是煤礦井下產(chǎn)塵量最大、粉塵濃度最高的作業(yè)場所，其產(chǎn)生的粉塵量約占煤礦井下全部產(chǎn)塵量的60-80%以上[1]。盡管采用了煤層注水、噴霧降塵、濕式作業(yè)等多種防塵技術(shù)措施，但是綜采工作面的工作條件仍然相當惡劣，尤其是采煤機司機工作區(qū)，粉塵濃度遠遠高于我國規(guī)定的煤礦環(huán)境行業(yè)標準，濃度如此高的煤塵會嚴重威脅采煤機司機的身體健康，給煤礦生產(chǎn)也造成了不利影響[2-4]。因此，在原有技術(shù)上提高控塵效果，既是井下作業(yè)的客觀要求，也是煤礦發(fā)展的必然趨勢。

為了降低采煤機司機工作區(qū)的粉塵濃度，改善采煤機司機的作業(yè)環(huán)境，國內(nèi)的專家學(xué)者開展了運用空氣幕阻斷原理來隔斷粉塵的研究，并取得了初步的成果。湖南科技大學(xué)王海橋、劉榮華等人將空氣幕技術(shù)應(yīng)用于綜采工作面，取得了很好的隔塵效果[5]。王鵬飛等人通過理論和實驗研究提出了一種新型風幕，即旋風風幕，來防止空氣幕將卷吸進來的粉塵帶進采煤機司機的工作區(qū)，以增強對粉塵擴散的控制，進一步改善采煤機司機工作區(qū)的作業(yè)環(huán)境[6]。為了進一步改善綜采工作面旋轉(zhuǎn)風幕控塵效果，作者對垂簾的安裝位置進行了數(shù)值模擬和實驗研究，來確定垂簾的最佳安裝位置，進一步改善采煤機司機工作區(qū)的作業(yè)環(huán)境。

1 旋轉(zhuǎn)風幕隔塵原理及工作參數(shù)

1.1 旋轉(zhuǎn)風幕隔塵原理

空氣幕隔塵，就是在采煤機司機和煤壁之間形成一道“無形的透明屏障”[5]，其阻隔作用并不是像實體的平壁一樣阻擋塵粒的穿透，而是通過氣流的不斷卷吸作用防止粉塵向采煤機司機區(qū)擴散，達到隔塵的目的。

綜采工作面旋轉(zhuǎn)風幕隔塵，是在原有的空氣幕隔塵的基礎(chǔ)上，在空氣幕上方靠近頂板處設(shè)置一條與空氣幕平行且等長的隔塵垂簾，如圖1所示。氣流以一定速度從采煤機上的狹縫射出后形成一條風幕，風幕在到達綜采工作面頂板前，由于空間的限制會形成兩股氣流攜帶著粉塵向風幕兩側(cè)擴散，由于隔塵垂簾的限制作用，向采煤機司機一側(cè)擴散的氣流只能沿著頂板返回煤壁一側(cè)，從而避免了含塵氣流進入司機工作區(qū)[5-8]。同時從采煤機狹縫射出的氣流在空氣幕、頂板、底板、煤壁以及采煤機機身這些壁面的限制作用下，形成一個旋轉(zhuǎn)風幕。由于旋轉(zhuǎn)風幕的具有卷吸效應(yīng)，使空氣幕隔塵能力得到了增強，絕大所數(shù)粉塵被控制在煤壁側(cè)，并被工作面風流帶走，從而使空氣幕的隔塵效率得到進一步提高。

圖1 綜采工作面旋轉(zhuǎn)風幕隔塵示意圖

1.2 旋轉(zhuǎn)風幕工作參數(shù)

國內(nèi)學(xué)者劉榮華、施式亮、王海橋、劉榮華等就如何確定最佳的空氣幕參數(shù)問題進行了數(shù)值模擬和實驗研究[9]。綜采工作面旋轉(zhuǎn)風幕幕隔塵機理是由于風幕不斷將兩側(cè)空氣卷吸進來混合后沖向頂板，沖擊頂板后氣流向兩側(cè)分流；在采煤機司機側(cè)，由于垂簾的再次阻隔作用，使得含塵氣流在煤壁側(cè)不斷做旋轉(zhuǎn)運動，從而阻止煤壁側(cè)粉塵進入采煤機司機工作區(qū)。該新型風幕較之原有隔塵空氣幕進一步提高了隔塵效率，但旋轉(zhuǎn)風幕的工作參數(shù)的設(shè)定對隔塵效果有很大影響，一般情況下，旋轉(zhuǎn)風幕要設(shè)定的參數(shù)有空氣幕出口風速、粉塵粒徑及垂簾的高度和安裝位置因素等。本研究著重討論垂簾安裝位置對綜采工作面旋轉(zhuǎn)風幕控塵效果的影響。

2 旋轉(zhuǎn)風幕隔塵數(shù)值模擬

2.1 物理模型

圖2 綜采工作面旋轉(zhuǎn)風幕平面圖

表1 邊界條件劃分

為便于對旋轉(zhuǎn)風幕進行模擬，建立一個逆風割煤的綜采工作面簡化模型，具體參數(shù)為：工作面尺寸20m（長）×3m（寬）×3m（高）；采煤機尺寸7m（長）×0.6m（寬）×1.3m（高），采煤機距離工作面進風口5m，距離煤壁0.6m，距離出風口10m；空氣幕安裝在采煤機靠司機工作區(qū)邊緣且不超出采煤機，空氣幕尺寸0.2m（高）×0.02m（寬）×4m（長）；垂簾安裝在工作面采煤機司機工作區(qū)的頂板上，距離頂板高0.5m，垂簾位置距離空氣幕噴口中心到頂板的延長線0.3m，綜采工作面旋轉(zhuǎn)風幕平面圖如圖2所示。

2.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

若要對模型進行數(shù)值模擬，必須要定義邊界條件。結(jié)合上述假設(shè)條件和FLUENT軟件的求解方法，確定數(shù)值模擬的邊界條件及粉塵主要參數(shù)，如表1所示。

為了滿足計算要求，本研究采用一種離散方法，對空氣幕出口賦予一定的網(wǎng)格函數(shù)，使其滿足在面積很小的區(qū)域有足夠的網(wǎng)格數(shù)目，并且網(wǎng)格大小實現(xiàn)逐漸過渡，不會使網(wǎng)格數(shù)目多，而其它面使用GAMBIT默認的網(wǎng)格函數(shù)。劃分網(wǎng)格時，網(wǎng)格密度設(shè)為0.1，所有的空間采用Grid法生成四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最后在計算域內(nèi)得到光滑性和分辨率相對評價較高的網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

采用FLUENT計算流體力學(xué)軟件，對3個不同的垂簾安裝位置下采煤機附近風流流場以及風流中粉塵濃度分布進行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4為三種不同的垂簾位置下，采煤機司機處的巷道斷面風流流場的矢量圖。從圖4（a）可以看出，當垂簾的安裝位置0.2m時，空氣幕射流到達工作面頂板產(chǎn)生沖擊射流并分成兩股氣流，其中一股氣流被分流到煤壁側(cè)，并在工作面頂板、底板、煤壁以及采煤機機身的貼附作用下形成旋轉(zhuǎn)風流，最終被工作面風流帶走，而另一側(cè)風流在垂簾的阻隔作用下也向煤壁側(cè)流動，并匯入旋轉(zhuǎn)風流中。但是我們觀察到，由于0.2m的偏移位置過近，導(dǎo)致部分風流不受垂簾阻隔，而流入采煤機司機工作區(qū)。從圖4（c）可以看出，當垂簾的安裝位置0.4m時，從空氣幕射出的風流也是有一部分未受垂簾阻隔而流入司機工作區(qū)，說明0.4m的安裝位置過遠。而從圖4（b）可以看出，當垂簾安裝位置0.3m時，從空氣幕射出的風流大部分被垂簾阻隔在煤壁側(cè)，并在壁面的貼附作用下形成旋轉(zhuǎn)風幕。

圖5為三種垂簾位置下，采煤機司機處的巷道斷面粉塵濃度分布數(shù)值模擬結(jié)果，從圖5（a）中可以看出，當垂簾安裝位置0.2m時，空氣幕射出的氣流到達頂板形成沖擊射流后，由于氣流的卷吸效應(yīng)，采煤機割煤產(chǎn)生的粉塵會隨著空氣幕向兩側(cè)擴散，但由于垂簾的阻隔作用，大部分的粉塵都被阻擋在煤壁側(cè)，從圖中可以看出，煤壁側(cè)的粉塵濃度明顯比采煤機司機側(cè)高很多，說明采用旋轉(zhuǎn)風幕能夠?qū)⒋蟛糠植擅簷C割煤過程中產(chǎn)生的粉塵都控制在煤壁側(cè)，取得很好的控塵效果。但是垂簾采用0.2m的安裝位置時，垂簾安裝位置未達到自由射流區(qū)的臨界點，所以仍有一部分粉塵隨著空氣幕風流流向采煤機司機側(cè)并造成污染，垂簾的安裝位置過近。從圖5（b）中可以看出，當垂簾的安裝位置為0.3m時，可以觀察到與圖5（a）和圖5（c）相比，圖5（b）中煤壁側(cè)的粉塵濃度最小，而且采煤機司機處粉塵濃度相對較低，受到的污染最小。從圖5（c）中可以看出，當垂簾的安裝位置為0.4m時，無論是煤壁側(cè)還是采煤機司機側(cè)，粉塵濃度均較高。

綜上所述，當垂簾的安裝位置為0.3m時，垂簾的控塵效果最好，絕大部分粉塵都被阻隔在煤壁側(cè)。

3 旋轉(zhuǎn)風幕隔塵模型實驗

3.1 實驗系統(tǒng)設(shè)計及制作

圖4 三種垂簾位置下司機處巷道斷面風流流場矢量圖(m/s)

圖5 三種垂簾位置下司機處巷道斷面粉塵濃度分布圖（mg/m3）

試驗系統(tǒng)實物照片如圖6所示。為便于實驗觀測，巷道模型采用透明有機玻璃制作，板厚為8 mm。巷道模型一端敞開，于另一端利用軸流風機對模型巷道進行通風，模擬工作面通風。在模型巷道一側(cè)采用發(fā)塵器發(fā)塵來模擬采煤機滾筒產(chǎn)塵，并采用CCZ-1000型粉塵濃度測定儀測量采煤機兩側(cè)粉塵濃度。空氣幕放置于采煤機模型上，其出風條縫長度為0.55m，出口寬度為0.55cm。垂簾吊于模型頂部，垂簾高度為15cm，長度為0.55m。

3.2 實驗方法

試驗開始時，先啟動軸流風機，并將其風量調(diào)節(jié)為預(yù)定風量。然后，啟動離心式風機，對空氣幕進行送風，并通過流量控制閥調(diào)節(jié)空氣幕出口風速。待風流穩(wěn)定后，將粉碎烘干的后煤粉裝入發(fā)塵器，啟動發(fā)塵器，并開始計時。試驗中將軸流風機風量調(diào)節(jié)為15m3/min，保證巷道模型內(nèi)平均風速為0.40m/s。空氣幕的平均出口風速調(diào)節(jié)為2.0m/s，發(fā)塵量為10g/min。在距發(fā)塵口0.40m處巷道斷面司機側(cè)和煤壁側(cè)分別布置粉塵濃度測點，采用定時采樣模式進行測量，采樣時間為5min，采樣流量為2L/min。改變垂簾的偏移位置，最后測量三種垂簾偏移位置下的全塵濃度和呼吸性粉塵濃度。

3.3 實驗結(jié)果與分析

圖6 試驗系統(tǒng)實物照片

表2 不同垂簾安裝位置下隔塵效果

在工作面風速、空氣幕出口風速、發(fā)塵量相同的情況下，分別測量不同垂簾偏移位置下巷道中全塵濃度和呼吸性粉塵濃度，根據(jù)相似性原理確定垂簾安裝位置分別為0.05m、0.075m和0.1m，分別對應(yīng)數(shù)值模擬中0.2m、0.3m、0.4m三種位置下的全塵濃度和呼吸性粉塵濃度。以距發(fā)塵口0.40m處斷面司機側(cè)和煤壁側(cè)全塵濃度和呼吸性粉塵濃度作為評價指標，考察三種垂簾安裝位置下的隔塵效果，實驗結(jié)果列于表2中。

從下表的實驗結(jié)果可以看出，當垂簾安裝位置0.075m時，采煤機司機側(cè)無論是全塵濃度還是呼吸性粉塵濃度，都比另外兩個安裝位置低很多，說明旋轉(zhuǎn)風幕的隔塵效果受垂簾的安裝位置影響，垂簾安裝位置過近或者過遠，都會降低旋轉(zhuǎn)風幕的隔塵效果，實驗結(jié)果表明，當垂簾的安裝位置為0.075m時，全塵隔塵效率高達78.79%，絕大部分粉塵都被阻隔在煤壁側(cè)，旋轉(zhuǎn)風幕的控塵效果最好。

4 結(jié)論

旋轉(zhuǎn)風幕的隔塵效果受垂簾的安裝位置影響，垂簾位置過近或者過遠，都會降低旋轉(zhuǎn)風幕的隔塵效果，模擬以及實驗結(jié)果表明，當垂簾的安裝位置為0.3m時，絕大部分粉塵都被阻隔在煤壁側(cè)，旋轉(zhuǎn)風幕的控塵效果最好。