王 昊，撒占友，王春源，吳靜波

（1.青島理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程系，山東 青島 266520；2.青島理工大學(xué) 山東省重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域事故防范技術(shù)研究中心，山東 青島 266520）

為滿足我國(guó)鋼鐵、電力、化工等重點(diǎn)行業(yè)日益增加的煤炭需求，煤礦開(kāi)采強(qiáng)度大幅提高，綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)隨之迅速發(fā)展。但掘進(jìn)機(jī)截割煤巖體導(dǎo)致的工作面高濃度粉塵污染，對(duì)作業(yè)人員的職業(yè)健康與礦井安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅[1]。作業(yè)人員長(zhǎng)期吸入空間中彌漫的生產(chǎn)性粉塵將會(huì)罹患?jí)m肺病，國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2019年底，全國(guó)已累計(jì)報(bào)告職業(yè)性塵肺病889 313例，新增病例中50%以上為煤工塵肺和矽肺[2]。針對(duì)綜掘工作面，較為理想的控除塵效果是將高濃度粉塵阻控在截割區(qū)域并利用抽塵裝置進(jìn)行高效抽除，避免人員作業(yè)區(qū)域遭受粉塵污染[3-4]。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出可通過(guò)在抽風(fēng)口與掘進(jìn)司機(jī)之間形成風(fēng)幕屏障阻控粉塵擴(kuò)散，提高抽塵凈化效率[5-14]。Guyonnaud L等明確了風(fēng)幕形態(tài)的主要影響因素為風(fēng)幕裝置內(nèi)外壓差，射流條隙寬度，射流角度及速度[5]；葛少成等基于短路流場(chǎng)理論及流場(chǎng)疊加原理，通過(guò)徑向附壁旋流與負(fù)壓匯流疊加形成風(fēng)幕[6]；李雨成等對(duì)比分析了不同條縫寬度與出口射流風(fēng)速條件下風(fēng)幕的形成及其阻塵效果[7]；Cheng和聶文等揭示了徑向旋流風(fēng)幕在抽風(fēng)負(fù)壓作用下能夠形成軸向阻塵風(fēng)幕以控制工作面粉塵的擴(kuò)散[8-9]；張義坤等[10]進(jìn)一步對(duì)比分析了不同風(fēng)幕形式等條件下的風(fēng)幕阻塵規(guī)律，闡釋了旋流風(fēng)幕對(duì)綜掘工作面通風(fēng)除塵的促進(jìn)作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)風(fēng)幕形成條件及其阻塵機(jī)理開(kāi)展了研究，但徑向旋流風(fēng)幕阻塵效果主要受風(fēng)幕運(yùn)移過(guò)程中流場(chǎng)狀態(tài)的影響，現(xiàn)有成果未能系統(tǒng)分析通風(fēng)條件對(duì)流場(chǎng)運(yùn)移狀態(tài)及其阻塵效果的影響規(guī)律。因此，以回坡底煤礦東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷綜掘工作面為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值模擬與工程實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，進(jìn)行通風(fēng)條件影響徑向旋流風(fēng)幕阻塵效果分析。

1 模型構(gòu)建

運(yùn)用Solidworks軟件構(gòu)建了回坡底煤礦東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷等比例物理模型，東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷綜掘工作面物理模型如圖1。

圖1 東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷綜掘工作面物理模型Fig.1 Physical model of the air inlet tunnel of east-fifth mining area

巷道為長(zhǎng)80 m，寬5.1 m，高4.15 m的半圓拱結(jié)構(gòu)，壓、抽風(fēng)筒及風(fēng)幕裝置直徑均為0.8 m，風(fēng)筒軸線距底板2.8 m，壓風(fēng)口距工作面10 m，抽風(fēng)口距工作面2 m。風(fēng)幕裝置經(jīng)交替布置的2種出風(fēng)條隙形成徑向射流：①三等分半圓弧，取邊側(cè)兩道開(kāi)孔，形成2條寬0.05 m的條隙；②五等分半圓弧，取邊側(cè)兩道與中間1道開(kāi)孔，形成3條寬0.05 m的條隙。將物理模型導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計(jì)生成1 128 770個(gè)網(wǎng)格，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.886 57，網(wǎng)格數(shù)量及質(zhì)量均能夠滿足數(shù)值模擬需求。

考慮到綜掘工作面旋流風(fēng)幕運(yùn)移屬于貼壁射流與強(qiáng)旋流形成的復(fù)合流場(chǎng)，選用Realizableκ-ε模型開(kāi)展數(shù)值模擬[15-17]。

湍流動(dòng)能方程（κ方程）：

式中：ρ為密度，kg/m3；κ為湍流動(dòng)能，J；t為時(shí)間，s；ui為xi方向的時(shí)均速度，m/s；xi、xj為坐標(biāo)位置，m；下標(biāo)i、j取值為1、2、3，分別為x，y，z 3個(gè)方向；μ為流體黏度，Pa·s；μt為流體湍動(dòng)黏度，Pa·s；σκ為κ方程的紊流普朗特?cái)?shù)，取1.0；Gκ為由平均運(yùn)動(dòng)速度梯度引起的紊流動(dòng)能生成項(xiàng)；ε為湍流動(dòng)能耗散率。

湍流能量耗散率方程（ε方程）：

式中：σε為ε方程的紊流普朗特?cái)?shù)，取1.2；C1為常數(shù)，取1.4；uj為xj方向的時(shí)均速度，m/s；C2為常數(shù)，取1.9；v為平均速度，m/s。

2 數(shù)值模擬

2.1 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷綜掘工作面基本邊界條件設(shè)置為：入口邊界為Velocity_Inlet，綜掘工作面為Dust Source，出口邊界為Outflow，其他實(shí)體邊界均為Standard Wall，湍流動(dòng)能為0.8 m2/s2，湍流擴(kuò)散比率為0.8 m2/s3。

實(shí)際生產(chǎn)中通常根據(jù)巷道斷面面積選定適配的壓風(fēng)量，東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷綜掘工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壓風(fēng)總量為300 m3/min，壓風(fēng)口距工作面10 m。在各通風(fēng)條件中，風(fēng)幕位置、風(fēng)幕裝置徑向風(fēng)量、通風(fēng)系統(tǒng)壓抽比是影響徑向旋流風(fēng)幕運(yùn)移與軸向阻塵流場(chǎng)形成的主要因素。因此，數(shù)值模擬通風(fēng)變量條件設(shè)置為：風(fēng)幕與工作面距離La為10、15、20、25、30 m；綜掘工作面需有一定量的軸向風(fēng)流吹散和稀釋有毒有害氣體，選定風(fēng)幕裝置徑向風(fēng)量Qr為150、180、210、240、270 m3/min；通風(fēng)系統(tǒng)壓抽比R為0.5、0.8、1.0、1.2、1.5。數(shù)值模擬時(shí)，以Qr=270 m3/min，R=0.8為基礎(chǔ)條件，進(jìn)行不同La條件下的風(fēng)幕阻塵效果分析，確定能夠形成有效軸向阻塵流場(chǎng)的臨界La。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同Qr條件下的風(fēng)幕阻塵效果分析，確定臨界Qr；最后，以臨界La和臨界Qr為基礎(chǔ)條件，確定臨界R，獲得較優(yōu)通風(fēng)條件。

2.2 風(fēng)流運(yùn)移數(shù)值模擬

當(dāng)徑向風(fēng)量Qr為270 m3/min，通風(fēng)系統(tǒng)壓抽比R為0.8時(shí)，不同La條件下東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷綜掘工作面風(fēng)流流線分布如圖2。不同La條件下掘進(jìn)司機(jī)斷面（距工作面7 m）風(fēng)速矢量分布如圖3。

圖2 不同L a條件下東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流流線分布Fig.2 Airflow streamlines distribution of the east-fifth mining area air inlet tunnel under various L a conditions

圖3 不同L a條件下掘進(jìn)司機(jī)斷面風(fēng)速矢量分布Fig.3 Airflow speed vector distribution in section where driver located under various L a conditions

由圖2、圖3可知，徑向旋流風(fēng)幕在抽風(fēng)負(fù)壓作用下向工作面運(yùn)移，形成軸向長(zhǎng)為l的徑向旋流區(qū)，當(dāng)La＞l時(shí)，隨著La的增加，原有的旋流流場(chǎng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流場(chǎng)。在La由10 m增至30 m的過(guò)程中，當(dāng)La=20 m時(shí)，距工作面4.8~5.7 m范圍內(nèi)形成了風(fēng)量與風(fēng)速分布較為均勻的軸向阻塵流場(chǎng)，掘進(jìn)司機(jī)所處斷面風(fēng)速范圍為0.44~0.71 m/s；當(dāng)La=30 m時(shí)，軸向阻塵流場(chǎng)范圍擴(kuò)大至距工作面4.3~7.4 m，掘進(jìn)司機(jī)所處斷面風(fēng)速范圍已基本穩(wěn)定至0.41~0.64 m/s。

La為20 m時(shí)，不同Qr與R條件下東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷綜掘工作面風(fēng)流流線分布如圖4。不同Qr與R條件下掘進(jìn)司機(jī)所處斷面（距工作面7 m）風(fēng)速矢量分布如圖5。

圖4 不同Q r與R條件下東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流流線分布Fig.4 Airflow streamlines distribution of the east-fifth mining area air inlet tunnel under various Q r and R conditions

圖5 不同Q r與R條件下掘進(jìn)司機(jī)斷面風(fēng)速矢量分布Fig.5 Airflow speed vector distribution in section where driver located under various Q r and R conditions

對(duì)比圖2（c）和圖3（c）及圖4、圖5可知，Qr越大，R越小，越利于在掘進(jìn)作業(yè)區(qū)域形成風(fēng)量與風(fēng)速分布均勻的有效軸向阻塵流場(chǎng)。其中，Qr主要影響掘進(jìn)作業(yè)區(qū)域軸向射流強(qiáng)度，R主要影響掘進(jìn)作業(yè)區(qū)域抽風(fēng)負(fù)壓強(qiáng)度，Qr的影響程度強(qiáng)于R。

當(dāng)Qr＜240 m3/min時(shí)，軸向射流速度超過(guò)2 m/s，顯著高于周邊風(fēng)速，周?chē)L(fēng)流會(huì)在高速射流卷吸作用下匯入射流場(chǎng)，使得射流截面及流量不斷增大，導(dǎo)致掘進(jìn)作業(yè)區(qū)域壓風(fēng)側(cè)風(fēng)量與風(fēng)速明顯高于抽風(fēng)側(cè)，風(fēng)流分布紊亂。當(dāng)Qr=270 m3/min時(shí)，軸向射流速度已降至0.99 m/s，距工作面4.8~5.7 m范圍內(nèi)形成了軸向阻塵流場(chǎng)，掘進(jìn)司機(jī)所處斷面風(fēng)速范圍為0.44~0.71 m/s。在該條件下，當(dāng)R≥1.2時(shí)，抽風(fēng)負(fù)壓較弱，無(wú)法克服軸向射流卷吸作用，同時(shí)，未被有效抽出的含塵污風(fēng)將匯入射流場(chǎng)向工作面運(yùn)移，造成循環(huán)污染；當(dāng)R=1.5時(shí)，距工作面7.8 m處污風(fēng)匯入射流形成了循環(huán)風(fēng)流場(chǎng)，掘進(jìn)司機(jī)所處斷面風(fēng)速范圍約為0.21~1.36 m/s；當(dāng)R≤0.8時(shí)，抽風(fēng)負(fù)壓增強(qiáng)，含塵污風(fēng)得到有效抽出，掘進(jìn)作業(yè)區(qū)域風(fēng)流場(chǎng)在抽風(fēng)負(fù)壓作用下軸向均勻分布于斷面空間，R=0.8時(shí)，在距迎頭4.8~5.7 m的斷面空間內(nèi)形成了有效軸向阻塵風(fēng)幕。

由此可得，東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷綜掘工作面形成較優(yōu)軸向阻塵流場(chǎng)的通風(fēng)條件為L(zhǎng)a≥20 m，Qr≥270 m3/min，R≤0.8。

2.3 粉塵擴(kuò)散數(shù)值模擬

基于風(fēng)流運(yùn)移模擬結(jié)果，對(duì)各通風(fēng)條件下的粉塵擴(kuò)散開(kāi)展數(shù)值模擬。根據(jù)粉塵粒徑分析結(jié)果設(shè)置塵源顆粒參數(shù)：最小粒徑5.3×10-7m，中位徑4.31×10-6m，最大粒徑2.17×10-5m，粒徑遵循Rosin-Rammler分布，顆粒散布方式為面噴射，顆粒分布指數(shù)1.77，顆粒質(zhì)量流率為3.5×10-3kg/s。不同La條件下東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷粉塵擴(kuò)散如圖6，不同Qr及R條件下東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷粉塵擴(kuò)散如圖7。利用Origin軟件擬合了粉塵擴(kuò)散距離Ld與La、Qr、R間的數(shù)學(xué)關(guān)系，粉塵擴(kuò)散距離與各通風(fēng)條件間數(shù)學(xué)關(guān)系如圖8。

圖6 不同L a條件下東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷粉塵擴(kuò)散Fig.6 Dust diffusion of the east-fifth mining area air inlet tunnel under various L a conditions

圖7 不同Q r及R條件下東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷粉塵擴(kuò)散Fig.7 Dust diffusion of the east-fifth mining area air inlet tunnel under various Q r and R conditions

由圖6~圖8可知，高濃度粉塵擴(kuò)散距離Ld隨La的增加先增大后降低，隨Qr的增加及R的減小而逐漸降低。

圖8 粉塵擴(kuò)散距離與各通風(fēng)條件間數(shù)學(xué)關(guān)系Fig.8 Mathematical relation between dust diffusion distance and each condition

運(yùn)用Origin軟件擬合了Ld與各通風(fēng)條件間的數(shù)學(xué)關(guān)系：

在Ld隨各通風(fēng)條件的變化中，Ld由La為10 m時(shí)的10.2 m增至La為15 m時(shí)的13.9 m，再急劇減小至La為20 m時(shí)的7.8 m并逐步趨于穩(wěn)定；掘進(jìn)司機(jī)處粉塵濃度也由La為10 m時(shí)的83.4 mg/m3增至La為15 m時(shí)的86.9 mg/m3，隨后急劇減小至La為20 m時(shí)的23.6 mg/m3，此時(shí)，掘進(jìn)司機(jī)處粉塵濃度已十分接近La為30 m時(shí)的最小值21.9 mg/m3，考慮到附壁風(fēng)筒距工作面距離過(guò)遠(yuǎn)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致工作面風(fēng)流速度較低，因此，選定最優(yōu)La為20 m。在該條件下，高濃度粉塵擴(kuò)散距離由R為1.5時(shí)的18.4 m急劇降至R為0.8時(shí)的9.2 m，隨后逐漸降至R為0.5時(shí)的7.1 m；掘進(jìn)司機(jī)處粉塵濃度由R為1.5時(shí)的95.3 mg/m3急劇降至R為0.8時(shí)的26.5 mg/m3，隨后進(jìn)一步降至R為0.5時(shí)的19.2 mg/m3，可見(jiàn)，在R為0.5時(shí)形成的軸向阻塵風(fēng)流場(chǎng)能夠達(dá)到最優(yōu)阻塵效果。但考慮到工作面壓風(fēng)總量為300 m3/min，R為0.5時(shí)抽風(fēng)量達(dá)到600 m3/min，工程應(yīng)用中難度較大；R為0.8時(shí)掘進(jìn)司機(jī)處粉塵濃度接近最小值，此時(shí)抽風(fēng)量為375 m3/min，因此，選定最優(yōu)R為0.8。

由此可得，東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷綜掘工作面徑向旋流風(fēng)幕阻塵效果較優(yōu)的通風(fēng)條件為L(zhǎng)a為20 m，Qr為270 m3/min，R為0.8。

3 工程應(yīng)用

基于數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷綜掘工作面通風(fēng)條件進(jìn)行優(yōu)化，并實(shí)測(cè)分析了較優(yōu)通風(fēng)條件下的徑向旋流風(fēng)幕阻塵效果。東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷綜掘工作面的壓風(fēng)總量為300 m3/min，采用抽風(fēng)量為400 m3/min的KCS-400型濕式除塵風(fēng)機(jī)，這樣通風(fēng)系統(tǒng)的壓抽比R接近風(fēng)幕阻塵效果較優(yōu)的0.8，La設(shè)置為20 m，Qr設(shè)置為270 m3/min。

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

風(fēng)流與粉塵測(cè)點(diǎn)布置如圖9。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置情況，風(fēng)流主要測(cè)定掘進(jìn)作業(yè)區(qū)域，尤其是掘進(jìn)司機(jī)前部的風(fēng)速大小及方向。因此，選定距工作面5、7 m 2斷面為風(fēng)流實(shí)測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)A、C設(shè)置于兩側(cè)人行道中部人員呼吸高度位置，測(cè)點(diǎn)B設(shè)置于巷道中央掘進(jìn)司機(jī)呼吸高度位置。依據(jù)接塵工序作業(yè)地點(diǎn)分布，選定距工作面3、7、10、20 m 4個(gè)斷面為粉塵實(shí)測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)A設(shè)置為采樣點(diǎn)。

圖9 風(fēng)流與粉塵測(cè)點(diǎn)布置Fig.9 Airflow and dust measuring points

3.2 應(yīng)用效果

東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷綜掘工作面的各斷面風(fēng)速實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值見(jiàn)表1，各斷面粉塵濃度實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值見(jiàn)表2。

表1 各斷面風(fēng)速實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值Table 1 Measurement and simulation values of airflow velocity of each section

表2 各斷面粉塵濃度實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值Table 2 Measurement and simulation values of dust concentration of each section

由表1、表2可知，東五采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷綜掘工作面各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速方向與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，風(fēng)速和粉塵濃度與數(shù)值模擬結(jié)果的相對(duì)誤差范圍分別為6.87%~11.36%和8.26%~16.51%，相對(duì)誤差較低，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，在較優(yōu)通風(fēng)條件下，距工作面5~7 m斷面內(nèi)A、B、C 3個(gè)測(cè)點(diǎn)處風(fēng)流均為指向工作面的軸向運(yùn)移，風(fēng)速分別穩(wěn)定在0.41~0.48 m/s以及0.46~0.57 m/s，說(shuō)明該條件下掘進(jìn)司機(jī)及其前部斷面內(nèi)均形成了有效的軸向阻塵流場(chǎng)。在軸向阻塵流場(chǎng)作用下，粉塵濃度由距工作面3 m時(shí)的374.6 mg/m3急劇降至距工作面7 m時(shí)的35.5 mg/m3，阻塵效率約為90.5%，隨后，粉塵濃度緩慢降至25 mg/m3以下。說(shuō)明綜掘作業(yè)區(qū)域形成的軸向阻塵流場(chǎng)能夠有效阻控高濃度粉塵的擴(kuò)散，提高除塵風(fēng)機(jī)的抽塵凈化效率，改善綜掘工作面作業(yè)環(huán)境。

4 結(jié) 論

1）La與Qr越大，R越小，越利于徑向旋流風(fēng)幕轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流場(chǎng)。當(dāng)La≥20 m，Qr≥270 m3/min，R≤0.8時(shí)，能夠在綜掘作業(yè)區(qū)域形成風(fēng)量與風(fēng)速分布均勻的有效軸向阻塵流場(chǎng)。

2）La＜20 m時(shí)，Ld隨La的增加而增大，La≥20 m時(shí)，Ld隨La的增加而減??；Qr越大，R越小，Ld越小。根據(jù)綜掘工作面實(shí)際生產(chǎn)條件，徑向旋流風(fēng)幕阻塵效果較優(yōu)的通風(fēng)條件選定為L(zhǎng)a為20 m，Qr為270 m3/min以及R為0.8。

3）將較優(yōu)通風(fēng)條件進(jìn)行了工程應(yīng)用，結(jié)果顯示，數(shù)值模擬較為準(zhǔn)確。在較優(yōu)通風(fēng)條件下，掘進(jìn)司機(jī)斷面粉塵濃度降至35.5 mg/m3，相較于掘進(jìn)機(jī)截割區(qū)域，阻塵效率約為90.5%，阻塵效果較佳。

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