蔣仲安，楊 斌，張國梁，曾發(fā)鑌，王亞朋

(北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

我國西南高原地區(qū)蘊含著豐富的礦產(chǎn)資源，隨著對西南地區(qū)的大力開發(fā)與建設，大量礦產(chǎn)資源也被逐步開采;但高原地區(qū)特殊的氣候環(huán)境會對資源的高效開采產(chǎn)生一定影響，其中井下工作面粉塵的高效防治就是問題之一。

國內(nèi)外對于氣流-顆粒的氣固兩相流研究目前主要采用現(xiàn)場測定、實驗室分析和數(shù)值模擬等方法。對于礦井掘進工作面，現(xiàn)場測定的數(shù)據(jù)更加真實可靠，但受限于實際環(huán)境及生產(chǎn)條件，難以對各種條件下的粉塵彌散進行詳細測定。而實驗室相似實驗[1-3]和數(shù)值模擬[4-7]可以模擬實際環(huán)境，進一步對粉塵的產(chǎn)生和擴散進行分析，彌補現(xiàn)場測定難以完成的任務。HARGREAVES等[8]構建了一系列穩(wěn)態(tài)CFD模型，復制切割和錨固周期的各個階段中鉆頭前端的流場形態(tài)。TORANO等[9]對2種輔助通風系統(tǒng)的粉塵擴散進行研究，驗證了CFD模型可用于優(yōu)化輔助通風系統(tǒng)，避免了使用常規(guī)設計計算方法的缺點。隨著西南地區(qū)交通的日益發(fā)展，建設了大量高原鐵路、公路隧道，如正在修建的川藏鐵路，高原隧道掘進通風及控塵技術也有了一定研究[10]。但西南高原地區(qū)的資源開采還處于初級階段，目前對高原礦井的研究還相對較少。龔劍等[11-12]對高原礦井掘進工作面粉塵運移及長壓短抽通風控塵系統(tǒng)進行了分析。張國梁等[13-14]研究了高原環(huán)境下礦井通風機性能及最低排塵風速的變化。根據(jù)礦井綜掘工作面的測定數(shù)據(jù)，不安裝除塵設施時掘進工作面質(zhì)量濃度最大能達到1 g/m3以上，對人員呼吸系統(tǒng)會產(chǎn)生嚴重影響。目前國內(nèi)外關于掘進工作面的除塵技術有通風排塵、機載外噴霧除塵、確定最佳截割參數(shù)和注水降塵等。對于通風排塵技術，壓抽結(jié)合的方式雖然與單一的壓入式通風相比，能將含塵氣流大量吸入除塵器并凈化[15-16];但由于在掘進工作面附近存在大量向出口方向流動的氣流，仍然有許多粉塵會擴散到掘進機后方的工作區(qū)。經(jīng)過實踐驗證，壓風分流技術形成的風幕能對粉塵的擴散起到一定的阻隔效果，是一種可行的控塵措施[17-18];因此，關于附壁風筒和徑向風幕的風流參數(shù)逐漸成為了研究的重點[19-21]。

筆者就高原環(huán)境對粉塵運移特性的影響進行分析，采用數(shù)值模擬的方法研究了高原礦井動態(tài)截割過程掘進工作面粉塵的擴散情況，并確定了合理的掘進工作面通風控塵參數(shù)。

1 高原礦井掘進工作面粉塵質(zhì)量濃度測定分析

1.1 井下環(huán)境參數(shù)和粉塵質(zhì)量濃度測定

青藏高原某礦山目前井下開采海拔在4 300～4 700 m，屬于典型的高原高寒礦井。為分析高原礦井粉塵擴散性質(zhì)的變化，對該礦區(qū)的環(huán)境特性和粉塵質(zhì)量濃度進行測定。采用CZC5精密氣壓計、TSI通風多參數(shù)儀和Drager Pac5500氣體檢測儀對礦井整體環(huán)境參數(shù)和氧體積分數(shù)進行測定，在井下共布置320個測點，統(tǒng)計結(jié)果見表1。由表1可知，大氣壓力和密度都降低到標準值的50%～60%，氧氣體積分數(shù)最低為19.1%，出現(xiàn)低于規(guī)定值(20%)的現(xiàn)象;實測環(huán)境中氣壓、空氣密度、氧氣體積分數(shù)與標準狀態(tài)環(huán)境的比值分別為:0.51～0.55，0.58～0.61，0.91～1.00。

表1 某高原礦井環(huán)境參數(shù)測定Table 1 Measurement of environmental parameters in plateau mines

針對該礦井的實際情況，對海拔4 420 m的某掘進工作面截割粉塵質(zhì)量濃度進行測定，其中呼吸帶高度測點布置如圖1所示。考慮到安全性，靠近掘進工作面位置測點需在掘進機截割前安裝并打開采樣儀，但在后續(xù)計算時需將提前打開儀器產(chǎn)生的誤差消除。測得不同位置的粉塵質(zhì)量濃度如圖1所示，其中水平軸的正負表示掘進工作面的回風側(cè)和進風側(cè)。

圖1 掘進工作面測點布置及粉塵質(zhì)量濃度Fig.1 Arrangement of measuring points and dust concentration at the digging face

由圖1可知:

(1)回風側(cè)粉塵質(zhì)量濃度在距掘進工作面10 m范圍內(nèi)達到峰值，之后快速下降逐漸達到穩(wěn)定值。進風側(cè)粉塵質(zhì)量濃度也隨著距掘進工作面距離的增加逐漸降低，但在靠近掘進工作面位置，由于風筒射流的影響，在10 m位置存在一個極小值，粉塵質(zhì)量濃度較低。

(2)截割巖體時，掘進工作面進風側(cè)和回風側(cè)粉塵質(zhì)量濃度變化趨勢相同，但回風側(cè)整體粉塵質(zhì)量濃度要略大于進風側(cè)，特別是在靠近掘進工作面20 m范圍。同時，越靠近掘進工作面出口方向，流場越均勻，風流越穩(wěn)定，20 m之后的區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度均降低在100 mg/m3以下，且此時粉塵充滿斷面，顆粒沉降量減少，粉塵質(zhì)量濃度變化幅度變小。

1.2 高原環(huán)境對顆粒運動方程的影響

根據(jù)前面的測定以及查閱文獻可知，海拔升高后，環(huán)境氣壓、氣體密度和溫度等物理性質(zhì)會發(fā)生顯著變化。在高海拔地區(qū)作業(yè)，特別是礦山開采、隧道掘進等勞動強度較大的作業(yè)現(xiàn)場，必須考慮空氣物理性質(zhì)的變化所帶來的影響。在對流層氣溫不恒定，根據(jù)氣體多狀態(tài)方程和玻爾茲曼分布得到大氣壓隨海拔高度的變化如式(1)所示。由于大氣中氧氣的體積分數(shù)始終保持在20.9%，不隨海拔變化，氧分壓也始終為0.209p0。大氣壓力p隨海拔升高而降低后，氧分壓也相應降低，氧氣質(zhì)量濃度下降，影響人員呼吸和設備運轉(zhuǎn)。

(1)

式中，p0為標準大氣壓，101 325 Pa;地學基本數(shù)據(jù)手冊中n=1.234 962;Mair為空氣的摩爾質(zhì)量，29 g/mol;g為重力加速度，9.8 m/s2;H為海拔高度，km;R0為通用氣體常數(shù)，8.314 kJ/(kmol·K);T為空氣的絕對溫度，K。

在常溫低壓條件下，氣體可近似看作理想氣體，符合克拉伯龍方程。根據(jù)pV=R0Tm/M(V為氣體體積;m為氣體質(zhì)量)，得到空氣密度為ρair=pMair/R0T;又因為Mair和R0不變，所以空氣密度的近似計算公式為

(2)

式中，ρ為某環(huán)境下空氣密度;ρ0，T0分別為標準狀況下空氣密度和溫度。

分析海拔高度對粉塵顆粒運動擴散的影響。首先，掘進工作面粉塵顆粒在空間中受重力Fg、浮力Ff、空氣阻力Fd、壓力梯度力Fp、Saffman升力Fs和其他力Fq作用的運動微分方程為

(3)

式中，mp，vp，t分別為粒子的質(zhì)量(kg)，速度(m/s)和時間(s)。

顆粒運動時，將其等效為球形粒子，由于粒子密度ρp遠大于空氣，作用于顆粒的重力遠大于浮力，所以Ff可忽略;同時Fp,Fs和Fq量級較小，對顆粒運動影響小，也可忽略。因此粒子運動微分方程可轉(zhuǎn)化為

(4)

式中，dp為顆粒粒徑，m;ρp為顆粒密度，kg/m3;ρg為流體密度，kg/m3;vp為顆粒運動速度，m/s;Cs為阻力系數(shù);vg為氣流速度，m/s。

顆粒運動可分解為水平和豎直2個方向，分別對其進行分析。顆粒在水平方向主要受空氣阻力作用，來流的拖曳力使顆粒得以運動擴散，因此最初的氣流阻力即為動力，直到顆粒速度與氣流速度相同。豎直方向粒子受到的浮力可忽略，且在水平氣流中，當豎直方向的氣流速度為0時，水平和豎直方向的受力方程分別為

(5)

(6)

式中，vpx為粒子水平方向速度，m/s;vpy為粒子豎直方向速度，m/s。

可以看到粒子運動方程與空氣密度ρg和阻力系數(shù)Cs相關。ρg會隨海拔的上升而降低;而Cs根據(jù)實驗研究發(fā)現(xiàn)與dp,vg和氣體運動黏度ν有關。用雷諾數(shù)Rep表示，Cs即為Rep的函數(shù)，如式(7)所示;在不同的Rep范圍內(nèi)，Cs具有不同的性質(zhì)和數(shù)值，函數(shù)表達式也不同。

Cs=f(Rep)

(7)

dp和vg為氣固兩相的特性，不隨海拔高度變化;而ν是流體動力黏度μ與密度ρg的比值。μ是每種流體的特性，其變化與溫度和壓強有關，其中壓強對μ的影響相對較小。氣體的μ會隨溫度降低而降低，因此，在高海拔地區(qū)，空氣密度和溫度降低，μ也會隨之下降;當溫度小于2 000 K時，氣體動力黏度變化如式(8)所示;而ν在μ與ρ的共同作用下呈上升趨勢，如圖2所示。因此，根據(jù)前面分析可以看出，高原環(huán)境會影響氣固兩相流動。

圖2 動力黏度和運動黏度隨海拔高度的變化Fig.2 Dynamic viscosity and kinematic viscosity vary with altitude

(8)

式中，μ0為基準狀態(tài)下的流體動力黏度系數(shù)，Pa·s;T為絕對溫度，T0=288.15 K;B為氣體種類常數(shù)，空氣為110.4 K。

2 幾何模型建立與求解參數(shù)設置

2.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)該礦山井下掘進工作面的實際情況，構建物理模型。采用Soildworks建立同比例掘進工作面施工模型，并導入Workbench中進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。其中巷道長80 m，斷面為3心圓拱，高3.6 m，寬4.6 m。掘進工作面施工模型內(nèi)部主要由4個部分組成，包括掘進機、壓風筒、第2輸送機、主帶式輸送機。掘進機總長10.5 m，包括截割臂、鏟板、星輪、第1輸送機和機體，機體后方為第2輸送機，用于與主帶式輸送機搭接。壓風管道直徑為0.6 m，懸掛于巷道右側(cè)，其中出口距掘進工作面10 m，軸線距地面2.5 m。

圖3 掘進工作面幾何模型與網(wǎng)格劃分Fig.3 Geometric model and meshing diagram of digging face

2.2 邊界條件和離散相參數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬中湍流和顆粒運動的基本原理，結(jié)合該掘進工作面的實際情況，對模型的邊界條件和基本求解參數(shù)進行設置，見表2。將模擬結(jié)果采用CFD-post和Origin進行處理分析，從而得出掘進工作面不同截割參數(shù)下顆粒運移情況，并分析高原環(huán)境對其運動擴散的影響。

表2 計算模型參數(shù)設定Table 2 Calculate model parameter setting

3 高原環(huán)境下掘進工作面粉塵污染效應的分析

3.1 截割粉塵的動態(tài)擴散過程分析

針對施工現(xiàn)場實際情況，在環(huán)境參數(shù)測定的基礎上，對高原環(huán)境下掘進工作面氣流和截割粉塵形成的耦合流場進行模擬。其中大氣壓54.7 kPa，空氣密度0.73 kg/m3，動力黏度1.65 Pa·s，風筒風量為215 m3/min。粉塵產(chǎn)生于截割頭與巖壁接觸位置，截割粉塵顆粒滿足R-R分布，粒徑1～120 μm，De為50 μm，n為2.5。模擬得到不同時刻風流和顆粒的耦合擴散過程、沿程粉塵質(zhì)量濃度以及擴散距離變化如圖4所示，可以看出:

圖4 掘進工作面粉塵擴散分析Fig.4 Analysis of dust dispersion at the digging face

(1)由于風流在掘進工作面附近存在折返流動，會發(fā)生沖擊、摻混等，使掘進工作面附近存在渦流區(qū)，在該區(qū)域粉塵粒子擴散的規(guī)律性較差。但風流在繼續(xù)向前流動的過程會逐漸穩(wěn)定，在該區(qū)域，粒子擴散規(guī)律性較強，大顆粒在下，小顆粒在上，且粉塵質(zhì)量濃度值變化幅度減小。

(2)在風筒射流沖擊作用下，截割頭與巖壁接觸位置產(chǎn)生的粉塵會迅速擴散到整個掘進機周圍，并進一步充滿整個斷面。15 s時，粉塵擴散到掘進工作面司機工作位置的渦流區(qū);40 s后，顆粒從流場過渡區(qū)擴散到穩(wěn)定區(qū)，并繼續(xù)在橫向氣流的作用下向出口方向穩(wěn)定擴散;200 s后，粉塵擴散到出口位置，此時，顆粒整體運動達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。由于掘進工作面附近風速的極差值較大，粉塵擴散速度要大于掘進機后方的穩(wěn)定區(qū)。

(3)截割產(chǎn)生的大顆粒在重力作用下，會在距掘進工作面較近位置沉降，并被地面吸附而停止運動;但小顆粒，特別是粒徑在10 μm以下的顆粒，會在湍流脈動風流作用下，懸浮于空氣中，最終隨風流排出掘進工作面。

由前面分析可知，不同粒徑顆粒擴散存在較大的差異性，沉降區(qū)域不同，因此對掘進工作面不同位置的粒徑分布占比進行統(tǒng)計，如圖5所示。

圖5 掘進工作面不同位置顆粒粒徑分布Fig.5 Particle size distribution at different locations in the digging face

可以看到:距離掘進工作面較近位置，顆粒粒徑分布范圍較廣，且整體粒徑較大;但在風流的攜帶作用下，顆粒向出口方向擴散，大顆粒逐漸沉降到巷道底部，而小顆粒很難在自身重力的作用下沉降，所以越靠近出口位置，整體顆粒粒徑越小，分布范圍越窄。在出口位置，顆粒最大粒徑僅為16 μm。

3.2 截割頭運動過程對工作區(qū)粉塵分布影響

掘進機截割煤巖時，截割頭以一定路線在壁面移動。由于不同位置流場的差異，導致截割粉塵的擴散軌跡不同，從而對司機工作區(qū)域的污染效應差異性較大。設置截割頭在巖壁的運動路線如圖6所示，編寫Profile文件導入Fluent中，采用Smoothing和Remeshing的動網(wǎng)格模型分析截割頭運動一個循環(huán)過程中，到達A，B，C，D，E和F六個位置時，截割粉塵對司機工作區(qū)域(X=5 m)的污染情況，其中擴散光順參數(shù)diffusion parameter為1.5，重構網(wǎng)格最大扭曲度為0.9。結(jié)果如圖7所示。

圖6 截割頭運動軌跡Fig.6 Motion trajectory of cutting head

從圖7可以看出:

(1)截割頭運動到不同位置時，在周圍風流的裹挾作用下，產(chǎn)生的顆粒會向不同區(qū)域擴散，特別是粒徑較小的顆粒。在掘進工作面前段，截割頭位置對粉塵擴散影響較大;隨著粉塵繼續(xù)向出口運動，粉塵逐漸充滿巷道，產(chǎn)塵源位置對其分布的影響減弱。(2)當掘進機截割左邊巖體時(A，E)，此時截割頭處于回風側(cè)，產(chǎn)生的粉塵直接被風流攜帶經(jīng)巷道左側(cè)向出口擴散，涌向司機工作區(qū);而截割右邊巖體時(B，C)，截割頭處于右側(cè)風筒射流區(qū)，產(chǎn)生的粉塵不會直接涌向司機工作區(qū)域。因此截割左半?yún)^(qū)巖體時，司機工作區(qū)的顆粒濃度要明顯高于截割右側(cè)巖體。

(3)截割上部巖體(F)時，由于距地面較高，顆粒的沉降時間增加，在風流的攜帶下，整體擴散距離變長，擴散到司機工作區(qū)的粉塵也增多。因此，在截割壁面左上方巖體時，產(chǎn)生的粉塵對工作區(qū)的影響要大于截割右下方巖體。

3.3 高原環(huán)境對掘進工作面粉塵質(zhì)量濃度分布影響

海拔上升環(huán)境參數(shù)的變化，會導致掘進機截割粉塵顆粒的運動方程改變。為研究不同海拔環(huán)境對掘進工作面顆粒運動情況的影響，改變環(huán)境參數(shù)，模擬掘進工作面粉塵質(zhì)量濃度達到穩(wěn)定后，掘進工作面沿程斷面平均粉塵質(zhì)量濃度的變化趨勢。其中，各海拔的環(huán)境參數(shù)設置見表3。模擬得到在最小壓風量215 m3/min條件下，海拔0，2，4和6 km環(huán)境下的掘進工作面粉塵質(zhì)量濃度分布圖和沿程質(zhì)量濃度變化曲線如圖8所示。

圖8 不同海拔環(huán)境下掘進工作面粉塵質(zhì)量濃度變化Fig.8 Variation of dust concentration in digging face under different altitude

由圖8可以看出:

(1)掘進工作面截割產(chǎn)生的粉塵在向出口方向擴散的過程中，前30 m內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度快速下降，在距掘進工作面5～10 m的司機工作區(qū)域粉塵最高質(zhì)量濃度能達600 mg/m3;但30 m以后的區(qū)域，由于大量顆粒在擴散過程中沉降到巷道底部，粉塵質(zhì)量濃度穩(wěn)定在100 mg/m3以下，并緩慢降低。

(2)隨著海拔的升高，大氣壓和空氣密度發(fā)生變化，風流對粉塵顆粒的攜帶能力降低，導致掘進工作面沿程粉塵的沉降量增大，粉塵質(zhì)量濃度降低。但由于大量顆粒未被攜帶出工作面，直接沉降到巷道底部，當再次遇到擾動氣流時，粉塵二次飛揚的可能性增加。

為詳細分析顆粒在掘進工作面的沉降過程，對通過各個斷面的粒徑分布進行統(tǒng)計。不同海拔環(huán)境下，掘進工作面沿程斷面顆粒累積分布D10,D50和D90(D10，D50和D90分別為篩下累積為10%，50%和90%時的粒徑)的變化如圖9所示，同時對司機工作區(qū)域(5～10 m)的粒徑分布情況進行測定，可以看出:

圖9 不同海拔高度下顆粒粒徑分布Fig.9 Particle size distribution at different altitudes

(1)擴散到司機工作區(qū)的粉塵粒徑在1～40 μm，粒徑在40 μm以上的顆粒在掘進工作面附近沉降。隨著海拔從0上升到6 km，該區(qū)域顆粒的分布范圍變小，質(zhì)量流率下降，但下降幅度較小。

(2)由于大顆粒沿途逐漸沉降，越靠近出口方向，粒徑范圍越窄，導致R-R分布的特征粒徑De減小、特征數(shù)n增大。出口位置顆粒D90下降到10 μm以下，粒徑在10 μm以上的顆粒大部分沉降到巷道底部。

(3)不同海拔環(huán)境下，雖然掘進工作面沿程的粒徑分布(D10，D50和D90)變化趨勢相同，都在降低;但隨著海拔上升，空氣密度和氣壓的降低，顆粒累積粒徑分布D10，D50和D90的數(shù)值都在緩慢下降。

3.4 高原環(huán)境對不同粒徑顆粒沉降效果影響

由3.3節(jié)分析可知，不同粒徑顆粒在流場中的運動差異性較大。在壓風量為215 m3/min條件下，粒徑大于40 μm的顆粒在掘進工作面附近會快速沉降，繼續(xù)隨風流向前運動的主要以粒徑為1～40 μm的小顆粒為主。選取2.5，5.0，10.0，15.0，20.0和30.0 μm六種單一粒徑，對其擴散與沉降情況進行分析，其中沿程顆粒質(zhì)量濃度變化如圖10所示，可以看出:

(1)海拔上升對單一粒徑顆粒運動的影響與R-R分布粒徑顆粒的趨勢相似，都隨海拔的上升，沉降量增大，質(zhì)量濃度下降;但海拔對粒徑為2.5 μm的細微顆粒影響相對較小，對粒徑5 μm以上顆粒影響區(qū)分度較大。

(2)在距掘進工作面10 m范圍內(nèi)，由于截割粉塵初步產(chǎn)生，大部分未沉降到巷道底部，所以海拔高度對該區(qū)域斷面的平均粉塵質(zhì)量濃度影響較小;但受重力影響，顆粒在風流的作用下，除了向前擴散還在向下沉降，因此10 m之后的區(qū)域，顆粒沉降量逐漸增加，海拔變化對其的影響也更加明顯。

(3)隨著粒徑的增大，顆粒沉降距離發(fā)生明顯改變。粒徑為2.5 μm和5 μm的顆粒在掘進工作面沉降量較少;但10 μm及以上的顆粒在掘進工作面內(nèi)會完全沉降到巷道底部，且隨著粒徑增大，沉降距離逐漸縮小，由70 m逐漸減小到8 m。

4 高原礦井掘進工作面通風控塵系統(tǒng)參數(shù)確定

4.1 附壁風筒與除塵器結(jié)合的控塵系統(tǒng)流場分析

由前文的分析可知，高原環(huán)境下，掘進工作面的粉塵顆粒沉降加快，風流對其攜帶能力降低，巷道平均粉塵質(zhì)量濃度會下降一定幅度;但大量細微顆粒沉降到地面，并沒有被攜帶出掘進工作面，當遇到擾動氣流時，再次飛揚的可能性增大，會造成二次污染。所以對于高原礦井掘進工作面應盡可能將粉塵控制在掘進工作面位置，并將其有效收集，減少在巷道中的沉降。而附壁風筒加除塵器的控塵方法可有效的將粉塵控制在掘進工作面，在高原礦井掘進工作面除塵方面具有較大的應用價值。

分析安裝附壁風筒和除塵器后，局部通風系統(tǒng)對高原礦井掘進工作面粉塵的控制效果。壓風筒出口安裝附壁風筒后，進風風流一部分會沿附壁風筒軸向流出，形成軸向射流;一部分從附壁風筒側(cè)邊的狹縫流出，沿壁面流動形成旋轉(zhuǎn)氣流風幕，如圖11所示。通過調(diào)節(jié)附壁風筒前段出風口的截面積大小可控制徑軸風量比，其中軸向出口面積可通過繩子調(diào)整，直徑最大為0.6 m;徑向狹縫寬1.5 m，高0.1 m，當不需要徑向旋轉(zhuǎn)氣幕時，可將附壁風筒的狹縫關閉。另一側(cè)與除塵器相連接的抽風筒入口距掘進工作面5 m，直徑0.6 m。

對附壁風筒與除塵器結(jié)合的長壓短抽控塵系統(tǒng)形成的流場進行分析，整個掘進工作面的流場體圖、不同截面的風流矢量圖和流線圖如圖11所示，可以看出:

(1)附壁風筒錐形出風口的軸向射流會在掘進工作面附近發(fā)生折返流動，形成逆時針旋轉(zhuǎn)渦流;而徑向風流會沿壁面向兩側(cè)旋轉(zhuǎn)流動，形成空氣幕，且在斷面右半?yún)^(qū)風流較大，方向性明顯，可用于阻隔粉塵向出口方向擴散。

(2)由于除塵風機運轉(zhuǎn)，在抽風筒入口截面會形成匯流，大量風流被吸入風筒后經(jīng)除塵器排出，并在除塵器后方形成二次射流;同時入口位置由于靠近掘進工作面，存在射流和回流，風流方向差異性較大，左上方指向掘進工作面?，右下方指向出口⊙。

4.2 不同風流參數(shù)下的控塵效果對比

針對高原礦井掘進工作面粉塵沉降量增加、排出效率低的現(xiàn)象，分析在附壁風筒不同徑軸風量比m和壓抽比n條件下的控塵效果。當固定壓風筒總風量為215 m3/min，除塵器處理風量為270 m3/min，即壓抽比n=0.8，分析m=0.5，0.6，0.7，0.8和0.9時，局部通風系統(tǒng)的控塵效果，詳細設置見表4，其中，Qy為壓風筒風量;Qc為除塵器處理風量;Qj為附壁風筒徑向風量;Qz為附壁風筒軸向風量。模擬得到掘進工作面粉塵質(zhì)量濃度分布體圖和斷面平均質(zhì)量濃度曲線圖如圖12所示，可以看出:

圖12 不同m值下的控塵效果Fig.12 Dust control effect at different m values

表4 不同通風參數(shù)設置Table 4 Different ventilation parameter settings

(1)在徑向空氣幕和除塵器的共同作用下，大部分粉塵被控制到附壁風筒徑向出風口前段，并被吸入到除塵器中經(jīng)凈化后重新排出，只有較少的粉塵擴散到距掘進工作面20 m之外的區(qū)域。與不安裝附壁風筒和除塵器相比，粉塵擴散范圍大幅減小，距掘進工作面20 m之后的區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度會降低70%以上。

(2)斷面平均粉塵質(zhì)量濃度在截割頭位置最高，之后快速降低，在距掘進工作面20 m處下降達到極小值;在距掘進工作面40 m范圍內(nèi)顆粒全部沉降到巷道底部或被除塵器吸收，粉塵質(zhì)量濃度下降為0。

(3)固定Qy不變，隨著m的增大，整個空間粉塵質(zhì)量濃度在降低。當m≥0.7時，附壁風筒對粉塵的阻隔效果明顯優(yōu)于m<0.7時的情況，掘進工作面附近斷面的平均粉塵質(zhì)量濃度也大大降低。

對壓抽比n進行分析，固定除塵器處理風量為270 m3/min，m=0.7，改變n=0.6，0.8，1.0，1.2和1.4，詳細設置見表4，觀察局部通風系統(tǒng)的控塵效果，結(jié)果如圖13所示，由圖13可知:

圖13 不同n值下的控塵效果Fig.13 Dust control effect at different n values

(1)固定Qc不變，隨著n的增大，附壁風筒軸向射流和徑向附壁風流風速增加，但由于掘進工作面射流效果較強，掘進工作面附近流場分布不均勻，粉塵在風流的攜帶作用下，會沖出隔塵氣幕，導致粉塵的擴散范圍變大，控塵效果減弱。

(2)壓抽比n<1時的控塵效果要優(yōu)于n>1;但n<1時，壓風量小于抽風量，除塵器流出的風流會再次進入到掘進工作面位置，存在風流復用的現(xiàn)象，需保證除塵器的凈化效果滿足要求。

5 結(jié) 論

(1)截割產(chǎn)生的大顆粒在重力作用下會快速沉降而停止運動，而小顆粒(粒徑≤40 μm)在風流作用下會懸浮于巷道空間，繼續(xù)向前擴散。在距掘進工作面較近位置，顆粒的粒徑分布范圍較廣，整體粒徑較大;越靠近出口位置，顆粒粒徑越小。

(2)截割頭在掘進工作面不同位置時，由于周圍氣流的裹挾作用，產(chǎn)生的顆粒會向不同區(qū)域擴散，特別是小顆粒。截割上部巖體時，顆粒沉降時間增加，擴散距離變長，到達工作區(qū)的顆粒增多;且截割左側(cè)時，工作區(qū)的顆粒濃度明顯高于截割右側(cè)。

(3)海拔升高，風流對粉塵的攜帶能力降低，導致掘進工作面沿程顆粒的沉降量增大，濃度下降，存在二次飛揚的隱患。擴散到工作區(qū)的粉塵粒徑為1～40 μm，隨著海拔從0上升到6 km，該區(qū)域顆粒分布范圍和質(zhì)量流率都會下降;但海拔高度對不同粒徑顆粒的影響不同，對粒徑為2.5 μm的細微顆粒的影響較小，對粒徑在5 μm以上的顆粒的影響區(qū)分度較大。

(4)掘進工作面安裝附壁風筒和除塵器后，距掘進工作面20 m之后的區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度會降低70%以上。當附壁風筒徑軸風量比m≥0.7時，形成的風幕對掘進工作面截割粉塵的阻隔效果較好;當壓抽比n<1時，掘進工作面附近流場相對穩(wěn)定，有利于除塵器對含塵氣流的凈化。