蔣仲安，楊 斌，張國梁，曾發(fā)鑌，王亞朋

(北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

我國西南高原地區(qū)蘊(yùn)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(shè)，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(shí)驗(yàn)室分析和數(shù)值模擬等方法。對于礦井掘進(jìn)工作面，現(xiàn)場測定的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠，但受限于實(shí)際環(huán)境及生產(chǎn)條件，難以對各種條件下的粉塵彌散進(jìn)行詳細(xì)測定。而實(shí)驗(yàn)室相似實(shí)驗(yàn)[1-3]和數(shù)值模擬[4-7]可以模擬實(shí)際環(huán)境，進(jìn)一步對粉塵的產(chǎn)生和擴(kuò)散進(jìn)行分析，彌補(bǔ)現(xiàn)場測定難以完成的任務(wù)。HARGREAVES等[8]構(gòu)建了一系列穩(wěn)態(tài)CFD模型，復(fù)制切割和錨固周期的各個(gè)階段中鉆頭前端的流場形態(tài)。TORANO等[9]對2種輔助通風(fēng)系統(tǒng)的粉塵擴(kuò)散進(jìn)行研究，驗(yàn)證了CFD模型可用于優(yōu)化輔助通風(fēng)系統(tǒng)，避免了使用常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的缺點(diǎn)。隨著西南地區(qū)交通的日益發(fā)展，建設(shè)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(jìn)通風(fēng)及控塵技術(shù)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(jìn)工作面粉塵運(yùn)移及長壓短抽通風(fēng)控塵系統(tǒng)進(jìn)行了分析。張國梁等[13-14]研究了高原環(huán)境下礦井通風(fēng)機(jī)性能及最低排塵風(fēng)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(shè)施時(shí)掘進(jìn)工作面質(zhì)量濃度最大能達(dá)到1 g/m3以上，對人員呼吸系統(tǒng)會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。目前國內(nèi)外關(guān)于掘進(jìn)工作面的除塵技術(shù)有通風(fēng)排塵、機(jī)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(fēng)排塵技術(shù)，壓抽結(jié)合的方式雖然與單一的壓入式通風(fēng)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(jìn)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(kuò)散到掘進(jìn)機(jī)后方的工作區(qū)。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，壓風(fēng)分流技術(shù)形成的風(fēng)幕能對粉塵的擴(kuò)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(guān)于附壁風(fēng)筒和徑向風(fēng)幕的風(fēng)流參數(shù)逐漸成為了研究的重點(diǎn)[19-21]。

筆者就高原環(huán)境對粉塵運(yùn)移特性的影響進(jìn)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(jìn)工作面粉塵的擴(kuò)散情況，并確定了合理的掘進(jìn)工作面通風(fēng)控塵參數(shù)。

1 高原礦井掘進(jìn)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(kuò)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(jìn)行測定。采用CZC5精密氣壓計(jì)、TSI通風(fēng)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?jǐn)?shù)進(jìn)行測定，在井下共布置320個(gè)測點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。由表1可知，大氣壓力和密度都降低到標(biāo)準(zhǔn)值的50%～60%，氧氣體積分?jǐn)?shù)最低為19.1%，出現(xiàn)低于規(guī)定值(20%)的現(xiàn)象;實(shí)測環(huán)境中氣壓、空氣密度、氧氣體積分?jǐn)?shù)與標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際情況，對海拔4 420 m的某掘進(jìn)工作面截割粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測定，其中呼吸帶高度測點(diǎn)布置如圖1所示?？紤]到安全性，靠近掘進(jìn)工作面位置測點(diǎn)需在掘進(jìn)機(jī)截割前安裝并打開采樣儀，但在后續(xù)計(jì)算時(shí)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(fù)表示掘進(jìn)工作面的回風(fēng)側(cè)和進(jìn)風(fēng)側(cè)。

圖1 掘進(jìn)工作面測點(diǎn)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(fēng)側(cè)粉塵質(zhì)量濃度在距掘進(jìn)工作面10 m范圍內(nèi)達(dá)到峰值，之后快速下降逐漸達(dá)到穩(wěn)定值。進(jìn)風(fēng)側(cè)粉塵質(zhì)量濃度也隨著距掘進(jìn)工作面距離的增加逐漸降低，但在靠近掘進(jìn)工作面位置，由于風(fēng)筒射流的影響，在10 m位置存在一個(gè)極小值，粉塵質(zhì)量濃度較低。

(2)截割巖體時(shí)，掘進(jìn)工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)粉塵質(zhì)量濃度變化趨勢相同，但回風(fēng)側(cè)整體粉塵質(zhì)量濃度要略大于進(jìn)風(fēng)側(cè)，特別是在靠近掘進(jìn)工作面20 m范圍。同時(shí)，越靠近掘進(jìn)工作面出口方向，流場越均勻，風(fēng)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(shí)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(yùn)動方程的影響

根據(jù)前面的測定以及查閱文獻(xiàn)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(jìn)等勞動強(qiáng)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?jǐn)?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(yīng)降低，氧氣質(zhì)量濃度下降，影響人員呼吸和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。

(1)

式中，p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101 325 Pa;地學(xué)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ρa(bǔ)ir=pMair/R0T;又因?yàn)镸air和R0不變，所以空氣密度的近似計(jì)算公式為

(2)

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

分析海拔高度對粉塵顆粒運(yùn)動擴(kuò)散的影響。首先，掘進(jìn)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(yùn)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(shí)間(s)。

顆粒運(yùn)動時(shí)，將其等效為球形粒子，由于粒子密度ρp遠(yuǎn)大于空氣，作用于顆粒的重力遠(yuǎn)大于浮力，所以Ff可忽略;同時(shí)Fp,Fs和Fq量級較小，對顆粒運(yùn)動影響小，也可忽略。因此粒子運(yùn)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(yùn)動速度，m/s;Cs為阻力系數(shù);vg為氣流速度，m/s。

顆粒運(yùn)動可分解為水平和豎直2個(gè)方向，分別對其進(jìn)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(yùn)動擴(kuò)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(dāng)豎直方向的氣流速度為0時(shí)，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(yùn)動方程與空氣密度ρg和阻力系數(shù)Cs相關(guān)。ρg會隨海拔的上升而降低;而Cs根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)與dp,vg和氣體運(yùn)動黏度ν有關(guān)。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(dá)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(qiáng)有關(guān)，其中壓強(qiáng)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(dāng)溫度小于2 000 K時(shí)，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(yùn)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(zhǔn)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(shè)置

2.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)該礦山井下掘進(jìn)工作面的實(shí)際情況，構(gòu)建物理模型。采用Soildworks建立同比例掘進(jìn)工作面施工模型，并導(dǎo)入Workbench中進(jìn)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(jìn)工作面施工模型內(nèi)部主要由4個(gè)部分組成，包括掘進(jìn)機(jī)、壓風(fēng)筒、第2輸送機(jī)、主帶式輸送機(jī)。掘進(jìn)機(jī)總長10.5 m，包括截割臂、鏟板、星輪、第1輸送機(jī)和機(jī)體，機(jī)體后方為第2輸送機(jī)，用于與主帶式輸送機(jī)搭接。壓風(fēng)管道直徑為0.6 m，懸掛于巷道右側(cè)，其中出口距掘進(jìn)工作面10 m，軸線距地面2.5 m。

圖3 掘進(jìn)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(yùn)動的基本原理，結(jié)合該掘進(jìn)工作面的實(shí)際情況，對模型的邊界條件和基本求解參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，見表2。將模擬結(jié)果采用CFD-post和Origin進(jìn)行處理分析，從而得出掘進(jìn)工作面不同截割參數(shù)下顆粒運(yùn)移情況，并分析高原環(huán)境對其運(yùn)動擴(kuò)散的影響。

表2 計(jì)算模型參數(shù)設(shè)定Table 2 Calculate model parameter setting

3 高原環(huán)境下掘進(jìn)工作面粉塵污染效應(yīng)的分析

3.1 截割粉塵的動態(tài)擴(kuò)散過程分析

針對施工現(xiàn)場實(shí)際情況，在環(huán)境參數(shù)測定的基礎(chǔ)上，對高原環(huán)境下掘進(jìn)工作面氣流和截割粉塵形成的耦合流場進(jìn)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(fēng)筒風(fēng)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(shí)刻風(fēng)流和顆粒的耦合擴(kuò)散過程、沿程粉塵質(zhì)量濃度以及擴(kuò)散距離變化如圖4所示，可以看出:

圖4 掘進(jìn)工作面粉塵擴(kuò)散分析Fig.4 Analysis of dust dispersion at the digging face

(1)由于風(fēng)流在掘進(jìn)工作面附近存在折返流動，會發(fā)生沖擊、摻混等，使掘進(jìn)工作面附近存在渦流區(qū)，在該區(qū)域粉塵粒子擴(kuò)散的規(guī)律性較差。但風(fēng)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(kuò)散規(guī)律性較強(qiáng)，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(fēng)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(kuò)散到整個(gè)掘進(jìn)機(jī)周圍，并進(jìn)一步充滿整個(gè)斷面。15 s時(shí)，粉塵擴(kuò)散到掘進(jìn)工作面司機(jī)工作位置的渦流區(qū);40 s后，顆粒從流場過渡區(qū)擴(kuò)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(kuò)散;200 s后，粉塵擴(kuò)散到出口位置，此時(shí)，顆粒整體運(yùn)動達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)。由于掘進(jìn)工作面附近風(fēng)速的極差值較大，粉塵擴(kuò)散速度要大于掘進(jìn)機(jī)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(jìn)工作面較近位置沉降，并被地面吸附而停止運(yùn)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(fēng)流作用下，懸浮于空氣中，最終隨風(fēng)流排出掘進(jìn)工作面。

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

圖5 掘進(jìn)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(jìn)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(fēng)流的攜帶作用下，顆粒向出口方向擴(kuò)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(yùn)動過程對工作區(qū)粉塵分布影響

掘進(jìn)機(jī)截割煤巖時(shí)，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(dǎo)致截割粉塵的擴(kuò)散軌跡不同，從而對司機(jī)工作區(qū)域的污染效應(yīng)差異性較大。設(shè)置截割頭在巖壁的運(yùn)動路線如圖6所示，編寫Profile文件導(dǎo)入Fluent中，采用Smoothing和Remeshing的動網(wǎng)格模型分析截割頭運(yùn)動一個(gè)循環(huán)過程中，到達(dá)A，B，C，D，E和F六個(gè)位置時(shí)，截割粉塵對司機(jī)工作區(qū)域(X=5 m)的污染情況，其中擴(kuò)散光順參數(shù)diffusion parameter為1.5，重構(gòu)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(yùn)動軌跡Fig.6 Motion trajectory of cutting head

從圖7可以看出:

(1)截割頭運(yùn)動到不同位置時(shí)，在周圍風(fēng)流的裹挾作用下，產(chǎn)生的顆粒會向不同區(qū)域擴(kuò)散，特別是粒徑較小的顆粒。在掘進(jìn)工作面前段，截割頭位置對粉塵擴(kuò)散影響較大;隨著粉塵繼續(xù)向出口運(yùn)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(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割左邊巖體時(shí)(A，E)，此時(shí)截割頭處于回風(fēng)側(cè)，產(chǎn)生的粉塵直接被風(fēng)流攜帶經(jīng)巷道左側(cè)向出口擴(kuò)散，涌向司機(jī)工作區(qū);而截割右邊巖體時(shí)(B，C)，截割頭處于右側(cè)風(fēng)筒射流區(qū)，產(chǎn)生的粉塵不會直接涌向司機(jī)工作區(qū)域。因此截割左半?yún)^(qū)巖體時(shí)，司機(jī)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(shí)，由于距地面較高，顆粒的沉降時(shí)間增加，在風(fēng)流的攜帶下，整體擴(kuò)散距離變長，擴(kuò)散到司機(jī)工作區(qū)的粉塵也增多。因此，在截割壁面左上方巖體時(shí)，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(jìn)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(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)截割粉塵顆粒的運(yùn)動方程改變。為研究不同海拔環(huán)境對掘進(jìn)工作面顆粒運(yùn)動情況的影響，改變環(huán)境參數(shù)，模擬掘進(jìn)工作面粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到穩(wěn)定后，掘進(jìn)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(shè)置見表3。模擬得到在最小壓風(fēng)量215 m3/min條件下，海拔0，2，4和6 km環(huán)境下的掘進(jìn)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(jìn)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(jìn)工作面截割產(chǎn)生的粉塵在向出口方向擴(kuò)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(jìn)工作面5～10 m的司機(jī)工作區(qū)域粉塵最高質(zhì)量濃度能達(dá)600 mg/m3;但30 m以后的區(qū)域，由于大量顆粒在擴(kuò)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(fēng)流對粉塵顆粒的攜帶能力降低，導(dǎo)致掘進(jìn)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(dāng)再次遇到擾動氣流時(shí)，粉塵二次飛揚(yáng)的可能性增加。

為詳細(xì)分析顆粒在掘進(jìn)工作面的沉降過程，對通過各個(gè)斷面的粒徑分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。不同海拔環(huán)境下，掘進(jìn)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(shí)的粒徑)的變化如圖9所示，同時(shí)對司機(jī)工作區(qū)域(5～10 m)的粒徑分布情況進(jìn)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(kuò)散到司機(jī)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(yùn)動差異性較大。在壓風(fēng)量為215 m3/min條件下，粒徑大于40 μm的顆粒在掘進(jìn)工作面附近會快速沉降，繼續(xù)隨風(fēng)流向前運(yùn)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(kuò)散與沉降情況進(jìn)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(yùn)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(xì)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(jìn)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(fēng)流的作用下，除了向前擴(kuò)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(jìn)工作面沉降量較少;但10 μm及以上的顆粒在掘進(jìn)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(jìn)工作面通風(fēng)控塵系統(tǒng)參數(shù)確定

4.1 附壁風(fēng)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(jìn)工作面的粉塵顆粒沉降加快，風(fēng)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(xì)微顆粒沉降到地面，并沒有被攜帶出掘進(jìn)工作面，當(dāng)遇到擾動氣流時(shí)，再次飛揚(yáng)的可能性增大，會造成二次污染。所以對于高原礦井掘進(jìn)工作面應(yīng)盡可能將粉塵控制在掘進(jìn)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(fēng)筒加除塵器的控塵方法可有效的將粉塵控制在掘進(jìn)工作面，在高原礦井掘進(jìn)工作面除塵方面具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

分析安裝附壁風(fēng)筒和除塵器后，局部通風(fēng)系統(tǒng)對高原礦井掘進(jìn)工作面粉塵的控制效果。壓風(fēng)筒出口安裝附壁風(fēng)筒后，進(jìn)風(fēng)風(fēng)流一部分會沿附壁風(fēng)筒軸向流出，形成軸向射流;一部分從附壁風(fēng)筒側(cè)邊的狹縫流出，沿壁面流動形成旋轉(zhuǎn)氣流風(fēng)幕，如圖11所示。通過調(diào)節(jié)附壁風(fēng)筒前段出風(fēng)口的截面積大小可控制徑軸風(fēng)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(dāng)不需要徑向旋轉(zhuǎn)氣幕時(shí)，可將附壁風(fēng)筒的狹縫關(guān)閉。另一側(cè)與除塵器相連接的抽風(fēng)筒入口距掘進(jìn)工作面5 m，直徑0.6 m。

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

(1)附壁風(fēng)筒錐形出風(fēng)口的軸向射流會在掘進(jìn)工作面附近發(fā)生折返流動，形成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)渦流;而徑向風(fēng)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(fēng)流較大，方向性明顯，可用于阻隔粉塵向出口方向擴(kuò)散。

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

4.2 不同風(fēng)流參數(shù)下的控塵效果對比

針對高原礦井掘進(jìn)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(fēng)筒不同徑軸風(fēng)量比m和壓抽比n條件下的控塵效果。當(dāng)固定壓風(fēng)筒總風(fēng)量為215 m3/min，除塵器處理風(fēng)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(shí)，局部通風(fēng)系統(tǒng)的控塵效果，詳細(xì)設(shè)置見表4，其中，Qy為壓風(fēng)筒風(fēng)量;Qc為除塵器處理風(fēng)量;Qj為附壁風(fēng)筒徑向風(fēng)量;Qz為附壁風(fēng)筒軸向風(fēng)量。模擬得到掘進(jìn)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(fēng)參數(shù)設(shè)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(fēng)筒徑向出風(fēng)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(kuò)散到距掘進(jìn)工作面20 m之外的區(qū)域。與不安裝附壁風(fēng)筒和除塵器相比，粉塵擴(kuò)散范圍大幅減小，距掘進(jìn)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(jìn)工作面20 m處下降達(dá)到極小值;在距掘進(jìn)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(gè)空間粉塵質(zhì)量濃度在降低。當(dāng)m≥0.7時(shí)，附壁風(fēng)筒對粉塵的阻隔效果明顯優(yōu)于m<0.7時(shí)的情況，掘進(jìn)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(jìn)行分析，固定除塵器處理風(fēng)量為270 m3/min，m=0.7，改變n=0.6，0.8，1.0，1.2和1.4，詳細(xì)設(shè)置見表4，觀察局部通風(fēng)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(fēng)筒軸向射流和徑向附壁風(fēng)流風(fēng)速增加，但由于掘進(jìn)工作面射流效果較強(qiáng)，掘進(jìn)工作面附近流場分布不均勻，粉塵在風(fēng)流的攜帶作用下，會沖出隔塵氣幕，導(dǎo)致粉塵的擴(kuò)散范圍變大，控塵效果減弱。

(2)壓抽比n<1時(shí)的控塵效果要優(yōu)于n>1;但n<1時(shí)，壓風(fēng)量小于抽風(fēng)量，除塵器流出的風(fēng)流會再次進(jìn)入到掘進(jìn)工作面位置，存在風(fēng)流復(fù)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(yùn)動，而小顆粒(粒徑≤40 μm)在風(fēng)流作用下會懸浮于巷道空間，繼續(xù)向前擴(kuò)散。在距掘進(jìn)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(jìn)工作面不同位置時(shí)，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(kuò)散，特別是小顆粒。截割上部巖體時(shí)，顆粒沉降時(shí)間增加，擴(kuò)散距離變長，到達(dá)工作區(qū)的顆粒增多;且截割左側(cè)時(shí)，工作區(qū)的顆粒濃度明顯高于截割右側(cè)。

(3)海拔升高，風(fēng)流對粉塵的攜帶能力降低，導(dǎo)致掘進(jìn)工作面沿程顆粒的沉降量增大，濃度下降，存在二次飛揚(yáng)的隱患。擴(kuò)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(xì)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(jìn)工作面安裝附壁風(fēng)筒和除塵器后，距掘進(jìn)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(dāng)附壁風(fēng)筒徑軸風(fēng)量比m≥0.7時(shí)，形成的風(fēng)幕對掘進(jìn)工作面截割粉塵的阻隔效果較好;當(dāng)壓抽比n<1時(shí)，掘進(jìn)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。