謝鑫龍

（山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030012）

塵肺病是我國(guó)最常見(jiàn)的職業(yè)病。根據(jù)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)發(fā)布的官方報(bào)告，煤礦工人塵肺病確診病例為23 152 例，占?jí)m肺病病例總數(shù)的95.2%[1,2]。為降低煤礦工人發(fā)生塵肺的概率，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者研制出了化學(xué)除塵、通風(fēng)防塵等技術(shù)。通風(fēng)防塵技術(shù)具有不干擾駕駛員視線、用水量少、操作成本低的優(yōu)點(diǎn)，也是我國(guó)綜采工作面應(yīng)用較為廣泛的除塵技術(shù)[3-5]。而通過(guò)對(duì)通風(fēng)的幾個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，壓力通風(fēng)出口到掘進(jìn)面的距離Lp與道路截面面積Sr的關(guān)系是。但是，如果氣流全部指向工作區(qū)域的掘進(jìn)面，掘進(jìn)面則難以有效地形成氣流場(chǎng)，高精礦粉塵仍大量從綜采工作面擴(kuò)散[6]。為此，本文對(duì)綜采工作面多向旋風(fēng)幕的除塵效果進(jìn)行了研究。

1 仿真模擬

本文對(duì)位于中國(guó)江莊煤礦的3-600 號(hào)的綜采工作面進(jìn)行研究。并建立了氣相氣流和固相粉塵雙流體場(chǎng)的流體模型?；诮M合網(wǎng)格的模型，對(duì)多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕的形成和防塵效果進(jìn)行了仿真模擬。

1.1 物理模型

本文建立了3-600 號(hào)綜采工作面如圖1 所示的等比例物理模型，還生成了該模型的網(wǎng)格。物理模型包括巷道、掘進(jìn)機(jī)、強(qiáng)制風(fēng)管、排氣風(fēng)管、多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕發(fā)生器等。巷道形狀為長(zhǎng)方體，尺寸長(zhǎng)40 m、寬4 m、高3.1 m。隧道掘進(jìn)機(jī)的總長(zhǎng)度為8.8 m；掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)6 m、寬2.4 m、高1.7 m。掘進(jìn)機(jī)的背面連接著轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)和環(huán)形帶式輸送機(jī)。強(qiáng)制風(fēng)管和排氣風(fēng)管均為圓柱體，直徑均為0.6 m，從軸線到底板邊緣的距離是2.1 m。排氣風(fēng)管貼緊在掘進(jìn)機(jī)邊緣，排氣通風(fēng)出口與引面的距離為3 m。將壓力通風(fēng)出口到掘進(jìn)面的距離Lp設(shè)置為20 m，該距離大于5Sr（17.61 m）和10 m。這些都是我國(guó)綜采工作面上廣泛應(yīng)用的數(shù)值。此外，多方向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕的發(fā)生器被安裝在直徑為0.6 m 的強(qiáng)制風(fēng)管道上，有0.95 m 長(zhǎng)，有兩種方向的徑向出風(fēng)口組，均沿半圓分布。一種徑向出風(fēng)口組分布的半圓，按36°均分為5 個(gè)等份，其中出風(fēng)口有3條；而另一種半圓按60°平均分為3 個(gè)等份，出風(fēng)口有2 條。從徑向空氣出口到掘進(jìn)面的最小距離為20 m。各類(lèi)出風(fēng)口組有兩組：一組寬度為0.1 m，另一組寬度為0.15 m。

圖1 網(wǎng)格生成前后的物理模型

1.2 氣流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與討論

該綜采工作面物理模型的主要邊界條件如下：湍流能量耗散率為0.8 m2/s3，湍流動(dòng)能為0.8 m2/s2，巷道斷面面積為12.4 m2，強(qiáng)迫風(fēng)量和排氣風(fēng)量分別為250 m3/min 和200 m3/min。下頁(yè)圖2 為多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕應(yīng)用前后氣流場(chǎng)模擬分圖，下頁(yè)圖3 為多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕應(yīng)用前后氣流場(chǎng)模擬結(jié)果單剖面模擬結(jié)果。圖中x為旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕氣流場(chǎng)x 軸方向映射，z 為旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕氣流場(chǎng)z 軸方向的映射，xyz 就是旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕氣流場(chǎng)三維仿真圖像的坐標(biāo)系。

圖2 多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕應(yīng)用前后氣流場(chǎng)模擬分圖

圖3 多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕應(yīng)用前后氣流場(chǎng)模擬結(jié)果單剖面圖

如圖2 和3，在應(yīng)用多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕前，壓縮空氣全部從軸向壓力風(fēng)口吹出，在擴(kuò)大射流流段的過(guò)程中，仿真顯示了從指向流頭到逆向流頭的變化。一部分指向正方向的高速射流撞擊迎面壁，然后轉(zhuǎn)為逆向氣流。部分逆向氣流在風(fēng)速較大的壓力風(fēng)口周?chē)痪砣肷淞鲌?chǎng)。由于動(dòng)量的水平傳遞，周?chē)鷼饬鞅煌牧鞯匿鰷u帶進(jìn)射流場(chǎng)。同時(shí)，隨著湍流地漩渦移動(dòng)、變換和分裂，發(fā)生了湍流脈動(dòng)。湍流的漩渦將其影響范圍由內(nèi)而外擴(kuò)展，然后可以形成氣流場(chǎng)。另一部分未被帶入掘進(jìn)射流場(chǎng)的空氣繼續(xù)向掘進(jìn)面的反向流動(dòng)。雖然Lp增加到20 m，大于（17.61 m），但是在巷道的每個(gè)橫截面上，都沒(méi)有形成抑塵氣流場(chǎng)。

啟動(dòng)多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕發(fā)動(dòng)機(jī)后，90%的壓縮空氣從兩相出口和三相出口交替布置的徑向出口吹出，然后吹向巷道長(zhǎng)壁、頂板和底板的另一側(cè)，形成無(wú)空隙沖擊長(zhǎng)壁的射流，故此形成了多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕。由于多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕發(fā)動(dòng)機(jī)徑向出口噴出的高速氣流的夾帶作用，周?chē)鷼饬鲌?chǎng)形成了軸向回旋氣流場(chǎng)。多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕的氣流場(chǎng)從徑向氣流流向掘進(jìn)面，然后從截面到掘進(jìn)面約12.8 m 處形成粉塵抑制氣流場(chǎng)。此外，壓縮空氣不斷向掘進(jìn)面流動(dòng)，不斷擴(kuò)散到巷道的另一邊，從而增加了粉塵抑制氣流場(chǎng)的氣流速度。

1.3 沙塵流場(chǎng)數(shù)值模擬的結(jié)果與探討

根據(jù)3-600 號(hào)綜采工作面產(chǎn)生粉塵條件，添加粉塵參數(shù)：粉塵為煤粉，擴(kuò)散速度為2×10-2kg/s，粒徑范圍為8.5×10-7～2.69×10-5m，中徑為4.86×10-6m，分布指數(shù)為1.81，體積分?jǐn)?shù)為4.75，粒子軌跡跟蹤數(shù)為3 200。圖4 為模擬了多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕應(yīng)用前后的粉塵流量的模擬結(jié)果。從圖4 可以看出，在應(yīng)用多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕前，當(dāng)Lp為10 m 時(shí)，50 mg/m3以上的高質(zhì)量濃度粉塵的擴(kuò)散距離為16.1 m；當(dāng)Lp為20 m 時(shí)，它下降到13.2 m。但在應(yīng)用多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕后，擴(kuò)散距離僅為5.8 m。這說(shuō)明Lp越大，對(duì)控制掘進(jìn)面的粉塵擴(kuò)散越有利，但在的范圍內(nèi)，高濃度的粉塵仍會(huì)擴(kuò)散到更長(zhǎng)的距離。但采用多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕后，抑塵效果明顯，排氣風(fēng)管的吸塵量明顯增加。

圖4 多方向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕應(yīng)用前后粉塵流量的模擬結(jié)果

3 結(jié)論

在應(yīng)用多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕前，當(dāng)Lp為10m 時(shí)，50 mg/m3以上的高質(zhì)量濃度粉塵的擴(kuò)散距離為16.1 m；當(dāng)Lp為20 m 時(shí)，它下降到13.2 m，在應(yīng)用多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕后，擴(kuò)散距離僅為5.8 m，多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕對(duì)粉塵控制效果是很明顯的。研究結(jié)果表明，應(yīng)用多向旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕后，抑塵效果明顯。