王 昊，陶金旭，撒占友，吳靜波，劉 杰，盧守青

（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）

近年來(lái)，煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)程度快速提高，導(dǎo)致綜掘工作面粉塵污染愈發(fā)嚴(yán)重。據(jù)實(shí)測(cè)，未采取控塵措施時(shí)，綜掘工作面粉塵濃度可達(dá)1 500 mg/m3以上。高濃度粉塵長(zhǎng)期懸浮于作業(yè)空間，不僅易造成粉塵爆炸事故，還嚴(yán)重威脅作業(yè)人員生命健康。

局部通風(fēng)控塵是綜掘工作面普遍采用的控除塵技術(shù)，不同通風(fēng)條件下的風(fēng)流運(yùn)移及粉塵擴(kuò)散規(guī)律得到了廣泛研究。胡勝勇等[1]、董軍等[2]、聶文等[3]通過(guò)數(shù)值模擬、相似實(shí)驗(yàn)得到了壓入式通風(fēng)及長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)條件下的風(fēng)速分布、流場(chǎng)分區(qū)及粉塵擴(kuò)散規(guī)律；王文才等[4]通過(guò)數(shù)值模擬確定了長(zhǎng)壓短抽式通風(fēng)條件下壓、抽風(fēng)筒的合理安設(shè)位置。由于壓風(fēng)射流速度較高，含塵污風(fēng)易在射流卷吸效應(yīng)下形成循環(huán)流場(chǎng)，導(dǎo)致工作面遭受二次污染，學(xué)者提出可通過(guò)形成風(fēng)幕屏障阻控粉塵擴(kuò)散。ZHANG 等[5]、張義坤等[6]采用相似實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了綜掘工作面應(yīng)用附壁風(fēng)筒后的風(fēng)流-粉塵分布規(guī)律，驗(yàn)證了旋流風(fēng)幕的有效性；程衛(wèi)民等[7]、馬勝利等[8]、王建國(guó)等[9]、LI 等[10]、陳芳等[11]、WANG 等[12]研究了壓抽比、風(fēng)幕射流角度、出風(fēng)條隙寬度、徑向分風(fēng)比、風(fēng)幕位置對(duì)控塵效果的影響，確定了最優(yōu)取值范圍。除上述因素外，綜掘工作面抽塵距離、抽塵位置共同決定了控塵流場(chǎng)分布及其控塵效果，不容忽視。然而，現(xiàn)有成果尚未對(duì)抽塵區(qū)域?qū)︼L(fēng)幕控塵的影響規(guī)律開(kāi)展系統(tǒng)研究。鑒于此，以蔣莊煤礦3下612 運(yùn)輸巷綜掘工作面為研究對(duì)象，針對(duì)不同抽塵距離（D）和抽塵位置（位置Ⅰ、位置Ⅱ、位置Ⅲ），運(yùn)用數(shù)值模擬開(kāi)展研究，以獲得最優(yōu)抽塵區(qū)域。

1 模型構(gòu)建

根據(jù)蔣莊煤礦3下612 運(yùn)輸巷實(shí)際工況，運(yùn)用Solidworks 軟件構(gòu)建了等比例物理模型。為模擬不同抽塵區(qū)域?qū)︼L(fēng)流-粉塵運(yùn)移的影響規(guī)律，物理模型包含2 類變量，分別為[13-15]：①抽塵距離：抽風(fēng)口距工作面2、3、4、5 m；②抽塵位置：抽風(fēng)筒位于壓風(fēng)筒對(duì)側(cè)巷道邊壁（位置Ⅰ）、壓風(fēng)筒對(duì)側(cè)掘進(jìn)機(jī)機(jī)體邊緣（位置Ⅱ）、掘進(jìn)機(jī)機(jī)體中部（位置Ⅲ）。

綜掘巷道物理模型如圖1（以“抽塵距離2 m +位置Ⅰ”為例）。模型包括：巷道、掘進(jìn)機(jī)、壓風(fēng)筒、抽風(fēng)筒、附壁風(fēng)筒、轉(zhuǎn)載機(jī)、輸送機(jī)。其中，巷道為矩形結(jié)構(gòu)，壓、抽風(fēng)筒及附壁風(fēng)筒直徑均為0.6 m、中軸線距底板2.25 m，壓風(fēng)筒出風(fēng)口距工作面10 m，附壁風(fēng)筒設(shè)置于距工作面20 m 處。

圖1 綜掘巷道物理模型Fig.1 Physical model of fully mechanized excavation roadway

附壁風(fēng)筒總長(zhǎng)2 m，用于形成徑向旋流風(fēng)幕。附壁風(fēng)筒出風(fēng)條隙示意圖如圖2。根據(jù)附壁風(fēng)筒實(shí)物，設(shè)置2 種形式徑向出風(fēng)條隙：①將朝向巷道內(nèi)部的半圓筒體三等分，取上下2 段開(kāi)孔，形成第1 種形式出風(fēng)條隙；②將半圓筒體五等分，取上、中、下3 段開(kāi)孔，形成第2 種形式出風(fēng)條隙。2 種形式條隙均寬0.05 m，間隔0.05 m 風(fēng)筒實(shí)體交替布置。

圖2 附壁風(fēng)筒出風(fēng)條隙示意圖Fig.2 Air outlet slot diagram of wall-attached duct

將風(fēng)流視為連續(xù)相，粉塵顆粒視為離散相，利用歐拉-歐拉法求解連續(xù)相，利用歐拉-拉格朗日法求解離散相[16-17]。優(yōu)選Realizable k-ε 模型計(jì)算風(fēng)流運(yùn)移，利用DPM 模型計(jì)算粉塵顆粒逸散。

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

運(yùn)用ICEM 軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用非結(jié)構(gòu)性四面體網(wǎng)格對(duì)模型流體域進(jìn)行網(wǎng)格化處理[18]。根據(jù)模型復(fù)雜程度及數(shù)值模擬需求，選用最大尺寸分別為0.1、0.2、0.3 m 的網(wǎng)格對(duì)模型流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分并開(kāi)展獨(dú)立性檢驗(yàn)。提取距工作面1～20 m、距底板1.55 m、距巷道邊緣0.7 m 的壓風(fēng)側(cè)人員呼吸高度風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)如圖3。

由圖3 可以看出，最大網(wǎng)格尺寸為0.3 m 時(shí)，所得模擬結(jié)果偏差較大；最大網(wǎng)格尺寸為0.1 m 和0.2 m 時(shí)，二者所得結(jié)果差別較小。綜合考慮數(shù)值計(jì)算量及模擬結(jié)果的合理性，選用最大網(wǎng)格尺寸為0.2 m進(jìn)行網(wǎng)格劃分。以圖1 模型為例，共計(jì)得到1 287 917個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.855，網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量均能滿足數(shù)值模擬需求。

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)Fig.3 Mesh independence test

設(shè)置模型基本邊界條件為：壓風(fēng)口、附壁風(fēng)筒徑向出風(fēng)條隙、抽風(fēng)口為“Velocity-Inlet”；工作面為“Dust Source”；巷道末端斷面為“Outflow”；其他實(shí)體表面為“Wall”[19-20]。入口邊界速度參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。網(wǎng)格劃分結(jié)果及邊界條件如圖4。

表1 入口邊界速度參數(shù)設(shè)置Table 1 Velocity parameters setting of inlet boundary

圖4 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置Fig.4 Mesh division and boundary condition setting

根據(jù)綜掘工作面粉塵粒徑實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，數(shù)值模擬塵源顆粒參數(shù)設(shè)置為：最小粒徑8.2×10-7m，中位徑4.83×10-6m；最大粒徑2.65×10-5m；粒徑分布遵循Rosin-Rammler；顆粒散布方式為面噴射；顆粒分布指數(shù)為1.84；顆粒質(zhì)量流率為0.002 kg/s。

3 風(fēng)流運(yùn)移及粉塵擴(kuò)散數(shù)值模擬

基于固定變量法，利用ANSYS Fluent 軟件開(kāi)展氣固兩相流數(shù)值模擬研究。

3.1 抽塵距離對(duì)風(fēng)幕控塵的影響

3.1.1 抽塵距離對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響

不同抽塵距離條件下的綜掘工作面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖5，距工作面4 m 及5 m 的掘進(jìn)司機(jī)前部斷面風(fēng)速矢量如圖6。

圖5 不同抽塵距離條件下綜掘工作面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Airflow field structure of fully mechanized excavation face under different dust conditions

由圖5 可知：約90%壓風(fēng)風(fēng)流由附壁風(fēng)筒徑向出風(fēng)條隙射出，形成能夠覆蓋巷道全斷面的徑向旋流風(fēng)幕。風(fēng)幕在抽風(fēng)負(fù)壓作用下，向工作面軸向運(yùn)移，在此過(guò)程中形成穩(wěn)定的軸向阻塵流場(chǎng)。

由圖5 和圖6 可知：抽塵距離2 m 時(shí)，阻塵流場(chǎng)中約2/3 軸向風(fēng)流在慣性作用下到達(dá)并掠過(guò)工作面，約1/3 軸向風(fēng)流受抽風(fēng)負(fù)壓作用直接向抽風(fēng)口聚集，流場(chǎng)邊界距工作面約3.5 m；抽塵距離3 m時(shí)，阻塵流場(chǎng)中約1/2 軸向風(fēng)流能夠到達(dá)并掠過(guò)工作面，流場(chǎng)邊界距工作面約4.8 m。

由圖5 和圖6 可知：抽塵距離2 m 及抽塵距離3 m 條件下，掘進(jìn)司機(jī)前部斷面內(nèi)風(fēng)流均呈指向工作面的軸向，風(fēng)速范圍約0.45～0.75 m/s；抽塵距離4 m 時(shí)，阻塵流場(chǎng)中只有不到1/3 軸向風(fēng)流能夠到達(dá)工作面，流場(chǎng)邊界后移至距工作面6.7 m，掘進(jìn)司機(jī)前部斷面風(fēng)流仍可維持軸向，但風(fēng)速范圍擴(kuò)大至0.6～1.05 m/s；抽塵距離5 m 時(shí)，幾乎已無(wú)軸向風(fēng)流能夠到達(dá)工作面，阻塵流場(chǎng)邊界距工作面8.9 m，未能覆蓋掘進(jìn)司機(jī)前部區(qū)域，導(dǎo)致掘進(jìn)司機(jī)前部斷面風(fēng)流狀態(tài)紊亂，風(fēng)速范圍進(jìn)一步增至0.6～2.3 m/s。

圖6 不同抽塵距離條件下掘進(jìn)司機(jī)前部斷面風(fēng)速矢量Fig.6 Airflow speed vector of front section of tunneling driver under different dust conditions

3.1.2 抽塵距離影響粉塵擴(kuò)散分析

不同抽塵距離條件下的綜掘工作面粉塵擴(kuò)散如圖7，距工作面3 m 的截割區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度分布如圖8。粉塵擴(kuò)散距離L 與抽塵距離D 間定量關(guān)系如圖9。

圖7 不同抽塵距離條件下綜掘工作面粉塵擴(kuò)散Fig.7 Dust diffusion in fully mechanized excavation face under different conditions

圖8 不同抽塵距離條件下截割區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.8 Distribution of dust mass concentration in cutting area under different conditions

由圖7～圖9 可知：抽塵距離2 m 時(shí)，高濃度粉塵在軸向阻塵流場(chǎng)的作用下被阻控于距工作面5.7 m 以內(nèi)的范圍，截割區(qū)域粉塵主要分布于截割臂及抽風(fēng)筒下方，未出現(xiàn)大范圍擴(kuò)散；抽塵距離3 m 時(shí)，由于軸向阻塵流場(chǎng)邊界后移，高濃度粉塵無(wú)法得到及時(shí)阻控，粉塵擴(kuò)散距離增至6.4 m，截割臂周圍區(qū)域粉塵濃度已達(dá)300 mg/m3以上；抽塵距離4 m 時(shí)，軸向阻塵流場(chǎng)邊界已移至掘進(jìn)司機(jī)后部，粉塵擴(kuò)散距離進(jìn)一步增至8.5 m，截割區(qū)域全斷面粉塵濃度已達(dá)到400 mg/m3，掘進(jìn)司機(jī)完全暴露于粉塵污染環(huán)境中；抽塵距離5 m 時(shí)，綜掘工作面已無(wú)法形成軸向阻塵流場(chǎng)，粉塵擴(kuò)散距離基本穩(wěn)定在9.1 m。

圖9 粉塵擴(kuò)散距離L 與抽塵距離D 間定量關(guān)系Fig.9 Quantitative relationship between L and D

L 與D 之間滿足定量關(guān)系：

綜上，隨抽塵距離的增加，軸向阻塵流場(chǎng)邊界逐漸后移，掘進(jìn)司機(jī)前部區(qū)域風(fēng)流狀態(tài)逐漸紊亂，風(fēng)速分布愈加不均，粉塵擴(kuò)散距離隨之不斷增大。由此，綜掘工作面旋流風(fēng)幕控塵最佳抽塵距離為2 m。

3.2 抽塵位置對(duì)風(fēng)幕控塵的影響

3.2.1 抽塵位置影響流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

不同抽塵位置條件下的綜掘工作面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖10。

圖10 不同抽塵位置條件下的綜掘工作面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.10 Airflow field structure of fully mechanized excavation face under different dust extraction position conditions

由圖10 可知：位置Ⅰ條件下，巷道內(nèi)風(fēng)流整體運(yùn)移方式為“由壓風(fēng)邊側(cè)到抽風(fēng)邊側(cè)”，風(fēng)流能夠掃掠工作面全斷面后匯集于抽風(fēng)口，掘進(jìn)機(jī)作業(yè)區(qū)域流場(chǎng)分布均勻；位置Ⅱ條件下，由于抽風(fēng)筒與巷道邊壁間存在一定范圍的空隙，風(fēng)流掃掠工作面后需再次轉(zhuǎn)向匯集于抽風(fēng)口，易于在拐角處形成渦流；位置Ⅲ條件下，風(fēng)流由巷道兩側(cè)向中央位置匯集，風(fēng)流間相互碰撞易導(dǎo)致工作面流場(chǎng)紊亂，部分風(fēng)流尚未到達(dá)工作面就直接被吸入抽風(fēng)筒，導(dǎo)致在工作面壓、抽風(fēng)側(cè)隅角及中心區(qū)域均形成風(fēng)量極低的“微風(fēng)區(qū)”。

3.2.2 不同抽風(fēng)位置條件下的粉塵擴(kuò)散

不同抽風(fēng)位置條件下綜掘工作面粉塵擴(kuò)散如圖11，距工作面3 m 的截割區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度分布如圖12。

圖11 不同抽風(fēng)位置條件下綜掘工作面粉塵擴(kuò)散Fig.11 Dust diffusion in fully mechanized excavation face under different dust extraction position conditions

由圖11 和圖12 可知：沿質(zhì)量濃度50 mg/m3以上的高濃度粉塵擴(kuò)散邊界作弧線，以兩端為起點(diǎn)做直線使其相交于機(jī)體中心點(diǎn)，二者間夾角設(shè)為擴(kuò)散角θ；抽風(fēng)筒位于位置Ⅰ、位置Ⅱ時(shí)，高濃度粉塵擴(kuò)散距離基本相似，分別為5.7 m 和6.1 m，但擴(kuò)散角θ2大于擴(kuò)散角θ1，說(shuō)明粉塵沿巷道兩側(cè)擴(kuò)散更嚴(yán)重；位置Ⅰ時(shí)，截割區(qū)域高濃度粉塵主要集中于抽風(fēng)側(cè)及截割頭下部，但位置Ⅱ時(shí)，高濃度粉塵污染范圍略有增大，說(shuō)明位置Ⅱ條件下流場(chǎng)整體控塵能力已有所下降；抽風(fēng)筒位于位置Ⅲ時(shí)，粉塵擴(kuò)散距離增至6.5 m，擴(kuò)散角θ3進(jìn)一步增大，截割區(qū)域高濃度粉塵污染范圍已超過(guò)1/2 斷面。

圖12 不同抽風(fēng)位置條件下截割區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.12 Distribution of dust mass concentration in cutting area under different dust extraction position conditions

綜上所述，抽風(fēng)筒由位置Ⅰ至位置Ⅲ，流場(chǎng)整體控塵能力下降，粉塵擴(kuò)散角θ及粉塵擴(kuò)散距離L 均隨之增大。雖然位置Ⅰ及位置Ⅱ條件下，粉塵擴(kuò)散狀態(tài)相差不大，但抽風(fēng)筒位于位置Ⅱ時(shí)，需隨同掘進(jìn)機(jī)共同移動(dòng)，難以在巷道內(nèi)形成穩(wěn)定流場(chǎng)，且落煤易導(dǎo)致筒體損壞。因此，綜掘工作面風(fēng)幕控塵的最佳抽塵位置為位置Ⅰ。

4 工程應(yīng)用

基于上述數(shù)值模擬結(jié)論，確定最優(yōu)抽塵區(qū)域?yàn)椋撼轱L(fēng)口距工作面2 m，抽風(fēng)筒設(shè)置于壓風(fēng)筒對(duì)側(cè)巷道邊壁。將該最優(yōu)條件在蔣莊煤礦3下612 運(yùn)輸巷綜掘工作面進(jìn)行工程應(yīng)用，并實(shí)測(cè)分析旋流風(fēng)幕控塵效果。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖13。選定距工作面5 、7 m 斷面為風(fēng)流實(shí)測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)A、測(cè)點(diǎn)C 設(shè)置于人行道人員呼吸高度位置，測(cè)點(diǎn)B 設(shè)置于掘進(jìn)司機(jī)呼吸高度位置；選定距工作面2.5、5、7 m 斷面為粉塵實(shí)測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)A、測(cè)點(diǎn)C 設(shè)置為采樣點(diǎn)。各斷面風(fēng)速實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值見(jiàn)表2，各斷面粉塵濃度實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值見(jiàn)表3。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置Fig.13 Site measuring point arrangement

由表2 和表3 可知：綜掘工作面各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速方向與數(shù)值模擬結(jié)果一致，風(fēng)速和粉塵濃度與數(shù)值模擬結(jié)果相對(duì)誤差范圍分別為6.90%～18.64%和8.42%～14.57%，相對(duì)誤差較低，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

表2 各斷面風(fēng)速實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值Table 2 Wind speed measured value and numerical simulation value of each section

表3 各斷面粉塵濃度實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值Table 3 Dust concentration measured value and numerical simulation value of each section

實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，距工作面5～7 m 斷面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)流均為指向工作面的軸向運(yùn)移，風(fēng)速范圍穩(wěn)定在0.58～0.62 m/s 說(shuō)明該條件下軸向阻塵流場(chǎng)能夠有效覆蓋掘進(jìn)司機(jī)及其前部巷道空間。在阻塵流場(chǎng)作用下，粉塵濃度由距工作面2.5 m 的298.5 mg/m3急劇降至距工作面7 m 的24.6 mg/m3，控塵效率約為91%。說(shuō)明該抽塵條件能夠有效提高旋流風(fēng)幕控塵效率，改善綜掘工作面的人員作業(yè)環(huán)境。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）隨抽塵距離的增加，旋流風(fēng)幕運(yùn)移所形成的軸向阻塵流場(chǎng)邊界逐漸后移，掘進(jìn)司機(jī)前部區(qū)域風(fēng)流狀態(tài)逐漸紊亂，流場(chǎng)整體控塵能力下降，高濃度粉塵擴(kuò)散范圍均隨之增大。

2）隨抽風(fēng)筒距壓風(fēng)筒對(duì)側(cè)巷道邊壁距離的增加，易于在抽風(fēng)隅角形成渦流，并在工作面形成風(fēng)量極低的“微風(fēng)區(qū)”，導(dǎo)致高濃度粉塵擴(kuò)散距離及擴(kuò)散角均隨之增大。

3）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)論，最優(yōu)抽塵區(qū)域選定為：抽風(fēng)口距工作面2 m，抽風(fēng)筒安設(shè)于壓風(fēng)筒對(duì)側(cè)巷道邊壁。工程實(shí)測(cè)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性，得到了旋流風(fēng)幕控塵效率約為91%，綜掘工作面作業(yè)環(huán)境得到了有效改善。