韓 敏，王建國(guó)，王 康

(西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

掘進(jìn)作業(yè)是煤礦井下產(chǎn)塵的主要來(lái)源工序之一，隨著掘進(jìn)工作面不斷被綜掘機(jī)截割、破壞，高濃度的粉塵從煤巖體高速射向巷道。在除塵控塵系統(tǒng)的作用下，大部分粉塵經(jīng)抽風(fēng)筒被抽離巷道，而逸散在作業(yè)空間的殘留粉塵不僅存在磨損設(shè)備零件、遇火源發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)導(dǎo)致礦工罹患?jí)m肺病、危害礦工身心健康[1-2]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)綜掘面長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)除塵技術(shù)已有較多研究，但主要集中在以下幾個(gè)方面：①壓、抽風(fēng)筒布置的相對(duì)位置[3-10]；②附壁風(fēng)筒控塵效果的影響[11-15]；③局部通風(fēng)機(jī)和除塵風(fēng)機(jī)的選擇應(yīng)用[16-21]。由于除塵效果受環(huán)境影響較大，現(xiàn)有針對(duì)抽風(fēng)筒負(fù)壓范圍和強(qiáng)度對(duì)除塵效果影響的研究少見。基于上述原因，在長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)系統(tǒng)中，改進(jìn)抽風(fēng)筒布置方式，研究負(fù)壓抽吸對(duì)綜掘面除塵效果的影響意義重大。

1 建立模型

1.1 幾何模型

1)依據(jù)馮家塔煤礦綜掘工作面現(xiàn)場(chǎng)條件，運(yùn)用Solidworks軟件建立合理簡(jiǎn)化的掘進(jìn)工作面及配套設(shè)施模型,模擬巷道長(zhǎng)90 m，巷道斷面為5.45 m×3.90 m。同時(shí)對(duì)掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，在工作面布置長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)，并加入干式除塵器模擬凈化污流作用。其中，壓風(fēng)筒直徑1 m，距掘進(jìn)工作面15 m，中心軸距巷幫和頂板均為0.7 m；抽風(fēng)筒直徑0.8 m，固定搭架在綜掘機(jī)上，距掘進(jìn)工作面3 m?？焖倬蜻M(jìn)工作面巷道設(shè)備布置如圖1所示。

1—壓風(fēng)筒；2—抽風(fēng)筒。

2)在原幾何模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，增加抽風(fēng)筒個(gè)數(shù)并改變安裝位置，以此提出2種改進(jìn)方案。多抽風(fēng)筒模型具體布置方法如圖2所示。

(a)雙抽風(fēng)筒布置圖

如圖2(a)所示，在原幾何模型不變的條件下，在抽風(fēng)筒末端附近設(shè)置三通管，再連接1道相同規(guī)格的抽風(fēng)筒，搭架在綜掘機(jī)上，出風(fēng)口靠近回風(fēng)側(cè)；如圖2(b)所示,在原抽風(fēng)筒基礎(chǔ)上設(shè)置四通管，外接2道抽風(fēng)筒，將抽風(fēng)筒延伸至綜掘機(jī)鏟板上方。

1.2 邊界條件及求解設(shè)置

在巷道開拓過(guò)程中，粉塵主要來(lái)源于掘進(jìn)設(shè)備對(duì)煤巖體的破壞，故在ANSYS Fluent數(shù)值模擬軟件中設(shè)置合適的求解器及邊界條件進(jìn)行模擬。將截割滾筒設(shè)置為塵源且類型為Surface，離散相粉塵粒徑分布服從Rosin-Rammler分布。塵源位置質(zhì)量流率計(jì)算公式如下：

Q=kρvS

(1)

式中：Q為質(zhì)量流率，kg/s；k為系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為0.35；ρ為塵源粉塵的質(zhì)量濃度，kg/m3；v為粉塵運(yùn)動(dòng)速度，m/s；S為巷道斷面積，m2。

邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件設(shè)置

在模型中所有壁面均設(shè)置為均勻無(wú)滑移壁面，風(fēng)筒出風(fēng)口均為Velocity-inlet，巷道出口為Outflow。

離散相在連續(xù)相中的運(yùn)動(dòng)主要利用Discrete Phase Model模型，離散相參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 離散相參數(shù)設(shè)置

2 模擬結(jié)果及討論

2.1 長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)對(duì)除塵效果的影響

根據(jù)巷道布置情況，進(jìn)行原單一抽風(fēng)筒下長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)除塵模擬。設(shè)置坐標(biāo)x=1.0 m、y=1.5 m、z=7.0 m處為司機(jī)位置，設(shè)置y=1.5 m為巷道呼吸帶高度，由于粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡捕捉困難，故截取巷道不同水平高度粉塵質(zhì)量濃度模擬情況，如圖3所示。將云圖數(shù)據(jù)進(jìn)行提取得到巷道中粉塵沿程分布情況，如圖4所示。

圖3 單一風(fēng)筒巷道不同高度粉塵質(zhì)量濃度分布圖

圖4 單一風(fēng)筒巷道沿程粉塵質(zhì)量濃度分布圖

由圖3可知，單一風(fēng)筒作業(yè)空間內(nèi)粉塵受自身重力影響在底板附近大量沉積，同時(shí)粉塵擴(kuò)散無(wú)序且保持較高的質(zhì)量濃度，聚集區(qū)粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)4 500 mg/m3；粉塵隨風(fēng)流在巷道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在呼吸高度擴(kuò)散更加嚴(yán)重，在y=2.5 m高度，巷道內(nèi)風(fēng)流最強(qiáng)，部分粉塵被抽離巷道，逃逸出抽吸區(qū)的粉塵隨風(fēng)流繼續(xù)污染作業(yè)區(qū)；隨著水平高度的升高，風(fēng)流強(qiáng)度逐漸衰減，攜帶粉塵運(yùn)動(dòng)所需能量不足，因此頂板附近粉塵質(zhì)量濃度較低。

由圖4可知，塵源粉塵在掘進(jìn)工作面附近被負(fù)壓風(fēng)筒抽離巷道，但諸多逃逸出抽吸區(qū)的粉塵隨風(fēng)流在巷道內(nèi)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面10～15 m后，巷道內(nèi)的粉塵在重力和外力共同作用下，逐漸沉積，隨著與工作面距離的推遠(yuǎn)，粉塵質(zhì)量濃度下降。掘進(jìn)作業(yè)空間內(nèi)，粉塵質(zhì)量濃度在反重力方向上呈現(xiàn)出的規(guī)律為先下降、再升高、再下降，其中底板粉塵質(zhì)量濃度最高，頂板粉塵質(zhì)量濃度最低。

2.2 雙抽風(fēng)筒對(duì)除塵效果的影響

在長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)除塵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)抽風(fēng)筒進(jìn)行改進(jìn)，增加1道抽風(fēng)筒，阻隔粉塵逃逸的同時(shí)提高除塵風(fēng)機(jī)工作效率。由于后30 m巷道中粉塵質(zhì)量濃度較低，為方便觀察，模擬結(jié)果只顯示前60 m的云圖分布情況，雙抽風(fēng)筒除塵系統(tǒng)距掘進(jìn)工作面不同位置時(shí)的粉塵質(zhì)量濃度分布，以及不同水平高度巷道沿程粉塵質(zhì)量濃度分布情況，如圖5～6所示。

圖5 雙抽風(fēng)筒粉塵質(zhì)量濃度分布圖

由圖5可看出，當(dāng)長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)除塵系統(tǒng)設(shè)置2道抽風(fēng)筒時(shí)，負(fù)壓抽吸區(qū)范圍及強(qiáng)度的增大使得巷道回風(fēng)側(cè)粉塵質(zhì)量濃度得到明顯下降，高濃度的粉塵基本被控制在掘進(jìn)工作面15 m范圍內(nèi)。突破負(fù)壓屏障的粉塵依然會(huì)在巷道內(nèi)擴(kuò)散，但距離工作面40 m左右時(shí)，粉塵質(zhì)量濃度降至100 mg/m3，繼續(xù)遠(yuǎn)離，粉塵基本消失。根據(jù)模擬結(jié)果可看出，增加1道抽風(fēng)筒，工作面粉塵得到控制，巷道后段基本無(wú)粉塵，說(shuō)明增加抽風(fēng)筒個(gè)數(shù)對(duì)粉塵的防治切實(shí)有效。

由圖6可知，在雙抽風(fēng)筒作用下，隨著水平高度的增高，粉塵質(zhì)量濃度及擴(kuò)散范圍減小，在底板附近，粉塵在掘進(jìn)工作面30 m內(nèi)表現(xiàn)出擴(kuò)散規(guī)律，平均質(zhì)量濃度為150 mg/m3。在呼吸帶高度1.5 m處，司機(jī)被高濃度的粉塵裹圍，作業(yè)環(huán)境仍受較大影響。與使用單一抽風(fēng)筒相比較，在雙抽風(fēng)筒作用下粉塵質(zhì)量濃度雖大幅下降，但仍超標(biāo)嚴(yán)重。但雙抽風(fēng)筒的設(shè)置對(duì)回風(fēng)側(cè)粉塵的吸收作用明顯，除塵效率有所提升，繼續(xù)優(yōu)化抽風(fēng)筒可達(dá)預(yù)期除塵目的。

圖6 雙抽風(fēng)筒巷道沿程粉塵質(zhì)量濃度分布圖

2.3 三抽風(fēng)筒對(duì)除塵效果的影響

在雙抽風(fēng)筒技術(shù)基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行改善，增加抽風(fēng)筒個(gè)數(shù)，同時(shí)優(yōu)化風(fēng)口位置。三抽風(fēng)筒除塵系統(tǒng)距掘進(jìn)工作面不同位置時(shí)的粉塵質(zhì)量濃度分布，以及巷道沿程不同水平高度粉塵質(zhì)量濃度分布情況，如圖7～8所示。

由圖7可看出，三抽風(fēng)筒除塵時(shí)呼吸帶粉塵擴(kuò)散得到明顯的抑制，掘進(jìn)工作面附近粉塵受正壓風(fēng)流影響在回風(fēng)側(cè)聚集，三抽風(fēng)筒所形成的負(fù)壓抽吸區(qū)將整個(gè)掘進(jìn)工作面籠罩，除極少部分被風(fēng)流裹挾擴(kuò)散在巷道前端20 m內(nèi)的粉塵外，絕大部分粉塵被抽離作業(yè)空間，司機(jī)作業(yè)環(huán)境得到極大改善。

由圖8可看出，三抽風(fēng)筒所展現(xiàn)出的除塵效果比雙抽風(fēng)筒更進(jìn)一步：在巷道不同水平高度下粉塵的擴(kuò)散得到了較好的控制；在頂板附近粉塵運(yùn)移跡象不明顯，高濃度的粉塵基本被控制在掘進(jìn)工作面與綜掘機(jī)之間，僅有少量粉塵脫離負(fù)壓區(qū)域污染巷道但污染范圍較??；呼吸帶粉塵平均質(zhì)量濃度降至80 mg/m3；巷道回風(fēng)側(cè)粉塵質(zhì)量濃度總體約為雙抽風(fēng)筒時(shí)的一半。

圖8 三抽風(fēng)筒巷道沿程粉塵質(zhì)量濃度分布圖

3 結(jié)論

1)在長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)中，粉塵質(zhì)量濃度在水平方向上表現(xiàn)出的規(guī)律為下降—升高—下降，且距離工作面越遠(yuǎn)，粉塵質(zhì)量濃度下降趨勢(shì)越明顯。

2)在不影響掘進(jìn)作業(yè)的條件下，固定吸風(fēng)量、優(yōu)化抽風(fēng)筒、適當(dāng)增加抽風(fēng)筒個(gè)數(shù)，可以有效增強(qiáng)負(fù)壓抽吸強(qiáng)度、增大抽吸范圍。

3)多抽風(fēng)筒對(duì)巷道內(nèi)粉塵的擴(kuò)散有較為明顯的抑制作用，塵源粉塵難以突破負(fù)壓屏障，除塵風(fēng)機(jī)除塵效率得到有效提高。