機掘工作面旋轉射流屏蔽通風最佳送風角度的確定

王鵬飛，劉榮華, 2，陳世強, 2，賀俊星

?

機掘工作面旋轉射流屏蔽通風最佳送風角度的確定

王鵬飛1，劉榮華1, 2，陳世強1, 2，賀俊星1

(1. 湖南科技大學能源與安全工程學院，湖南湘潭，411201；2. 湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南湘潭，411201)

為了確定最佳的送風角度，采用數值模擬和模型試驗，對不同送風角度下機掘工作面旋轉射流屏蔽通風流場和粉塵質量濃度分布進行研究。研究結果表明：在其他設計參數確定的情況下，工作面風流流場和粉塵質量濃度分布與送風角度密切相關；當送風角度為75°時，旋轉射流屏蔽通風流場能在工作面形成完整的屏蔽風幕，且組合風口前方吸氣速度和負壓沿軸向衰減較其他送風角度吸氣速度和負壓沿軸向衰減緩慢，組合風口控塵效果最佳，組合風口后方粉塵質量濃度降至24 mg/m3，旋轉風幕隔塵效率高達85.9%。

機掘工作面；旋轉射流；流場；粉塵；送風角度

目前，國內外機掘工作面主要采用通風控塵、除塵器抽塵凈化、高壓噴霧等防塵措施[1?2]。實踐證明，采用上述防塵措施后，工作面仍然存在大量粉塵，尤其是呼吸性粉塵擴散至掘進機司機工作區域，嚴重危害著掘進機司機的身心健康[3?4]。因此，開展機掘工作面控塵研究具有理論和現實意義。為了提高機掘工作面通風控塵效果，劉榮華等[5]提出應用旋轉射流屏蔽通風來改善工作面風流流場和粉塵質量濃度分布，從而改善工作面作業環境。近年來，對該種通風方式下的風流流場和粉塵質量濃度分布進行了較為全面的研究，涉及的影響因素包括送風量、排風量、吹吸流量比及噴口寬度等[6?9]。張景松等[10?11]通過建立三維掘進通風物理和數學模型，對旋轉射流屏蔽抽吸的復雜流場進行了數值模擬，并對吹吸流量比進行了討論，得出吹吸流量比對該種通風流場影響較大，吹吸流量比過大或過小都不利于有害物的抽吸。影響機掘工作面旋轉射流屏蔽通風粉塵控制和捕集效果的相關設計參數包括送風速度、送風口寬度、吹吸流量比及送風角度等，送風速度、送風口寬度和吹吸流量比已在相關文獻中進行了討論，而送風角度的研究較少。因此，本文作者對旋轉射流屏蔽通風不同送風角度下的風流流場和粉塵質量濃度分布進行數值模擬和模型試驗研究，確定最佳送風角度，為旋轉射流屏蔽通風在機掘工作面的應用提供理論參考。

1 旋轉射流屏蔽通風原理及設計參數

圖1所示為旋轉射流屏蔽通風的新型組合風口結構示意圖。從圖1可見：該組合風口由內、外兩層組合而成，內層為抽風筒，連接抽風機；新鮮風流由送風機和風管從切向方向導入內、外風筒之間的夾層，從而誘導旋風，使得從環形送風口壓出的風流為具有一定擴散角的旋轉射流。圖1中，1為內風筒直徑；2為外風筒直徑；3為環形風口直徑；為送風角度。圖2所示為機掘工作面旋轉射流屏蔽通風流場示意圖，旋轉射流屏蔽通風原理見文獻[5?6]。

(a) 主視圖；(b) 俯視圖

圖2 旋轉射流屏蔽通風工作面流場示意圖

機掘工作面旋轉射流屏蔽通風控塵效果與設計參數密切相關。影響該種通風方式控塵效果的主要設計參數包括1、2、3、送風口寬度0、吹吸流量比及等。進行現場應用的機掘工作面高×寬為3.42 m×3.20 m，設計組合風口1=0.6 m，2=0.8 m和3= 1.0 m，環形送風口寬度0=5 cm，吹吸流量比取=1.0(最佳吹吸流量比)[6]。

2 最佳送風角度數值模擬

2.1 物理模型和邊界條件

利用前處理軟件Gambit，建立與試驗工作面等高寬的拱形三維機掘工作面巷道模型。同時，為簡化計算，只選取機掘工作面前方4.2 m長度空間進行研究。組合風口1=0.6 m，2=0.8 m和3=1.0 m，環形送風口寬度0=5 cm，并將其放置于巷道中心高度，距離掘進端頭3.0 m，數值模擬巷道物理模型如圖3所示。當進行數值模擬時，綜采工作面風流流場計算采用Realizable-雙方程紊流模型，使用SIMPLE算法求解氣相流場。對工作面粉塵質量濃度分布計算時，在湍流模型的基礎上增加歐拉?拉格朗日離散模 型[12?13]。數值模擬采用相關數學模型控制方程組參見文獻[9, 14]，主要參數及邊界條件設置見文獻[6?7]。

(a) 橫切面；(b) A?A斷面

2.2 結果與分析

組合風口送風角度是影響機掘工作面旋轉射流屏蔽通風流場和控塵效果的重要參數。數值模擬中送風量和抽風量均設置為300 m3/min，掘進面定義為粉塵源，其質量流量為120 g/min。通過改變送風角度(65°，70°，75°和80°)，考察其對工作面流場及粉塵質量濃度分布的影響，從而分析得到最佳送風角度，模擬結果如圖4~7所示。

2.2.1 流場特性

圖4所示為不同送風角度下巷道中心水平橫截面的速度矢量圖。從圖4(a)可以看出：當送風角度=65°時，吹氣流以該角度從環形送風口射出后，由于送風角度過小，組合風口中心吸氣流對其約束較強，導致吹氣流向內收縮明顯，旋轉射流還未到達巷道壁面即被吸走，不能形成封堵粉塵擴散的風幕。從圖4(b)可以看出：當送風角度增加至=70°時，吹氣流從環形風口射出后，由于送風角度的增加，組合風口中心吸氣流對其約束減弱，射流收縮效應降低，部分射流能夠到達巷道壁面，并在吸氣流的作用下與壁面碰撞后向工作面端頭移動，基本能形成屏蔽工作面粉塵的旋轉風幕。如圖4(c)可以看出：當送風角度增加至=75°時，由于送風角度進一步增加，從環形風口射出的氣流基本能夠克服中心吸氣流的束縛，并在吸氣流的共同作用下與壁面沖擊后向工作面端頭移動，能夠形成具有一定強度的完整風幕。從圖4(d)可以看出：繼續增大送風角度，射流與巷道壁面接觸角增大，同時由于吸氣流對吹氣流的束縛作用進一步減弱，射流與巷道周壁沖擊后，形成方向相反的2股氣流，其中，一股流向組合風口后方區域。由于部分氣流被分流至組合風口后方區域，造成工作面掘進端頭風量減少，不利于粉塵的控制。而且，分流至組合風口后方區域的氣流會隨著送風角度的不斷增大而增加。

送風角度θ/(°)：(a) 65；(b) 70；(c) 75；(d) 80

圖5所示為不同送風角度下組合風口吸氣軸線速度衰減曲線。從圖5可以看出：在相同的送、排風量情況下，送風角度=75°的組合風口吸氣軸線速度衰減最為緩慢。在該送風角度下，工作面掘進端頭仍保持較高的吸氣速度，從而有利于該區域粉塵的捕集。圖6所示為不同送風角度下組合風口中心軸線負壓衰減曲線。從圖6可見：當送風角度分別為65°和70°時，工作面端頭區域中心負壓接近為0 Pa，不利于粉塵的匯集和抽吸。對比送風角度分別為75°和80°這2種情況下中心軸線負壓衰減曲線發現：當送風角度為75°時在掘進端頭產生的負壓明顯高于當送風角度為80°時產生的負壓，掘進端頭產生的粉塵匯集于該負壓中心，并在吸氣流的作用下排走。

送風角度/(°)：1—65；2—70；3—75；4—80

送風角度/(°)：1—65；2—70；3—75；4—80

2.2.2 粉塵質量濃度分布

圖7所示為不同送風角度下巷道中心水平橫截面粉塵質量濃度分布。從圖7(a)可見：由于送風角度較小，不能形成完整的風幕封堵粉塵，導致掘進端頭粉塵從巷道周邊擴散至組合風口后方，造成組合風口后方區域粉塵質量濃度較高。而在組合風口至工作面端頭的控塵區域，由于組合風口吸氣軸線速度衰減劇烈，工作面端頭區域吸氣軸線速度接近0 m/s，且負壓幾乎為0 Pa，導致大量粉塵滯留在工作面端頭不能及時排走，工作面粉塵質量濃度明顯偏高。從圖7(b)可以看出：當送風角度增加至=70°時，控塵區粉塵質量濃度有明顯下降。但由于旋轉風幕強度較弱，工作面粉塵仍有部分擴散至組合風口后方的區域，造成組合風口后方區域粉塵質量濃度仍偏高。從圖7(c)可以看出：當送風角度=75°時，由于旋轉風幕強度增加，旋轉風幕將粉塵控制在組合風口和掘進端頭的有限空間內，并在吸氣流的作用下將其排走，保證了組合風口后方區域較低的粉塵質量濃度。從圖7(d)可知：隨著送風角度的增大，組合風口后方區域粉塵質量濃度有所升高，原因是由于接觸角的增加和吸氣束縛作用的減弱，環形風口射出的氣流與壁面沖擊后攜帶部分粉塵流向組合風口后方區域。

送風角度θ/(°)：(a) 65；(b) 70；(c) 75；(d) 80

從圖4~7的分析表明，機掘工作面采用旋轉射流屏蔽通風時，在其他設計參數確定的情況下，工作面風流流場和粉塵質量濃度分布與送風角度密切相關。在進行該種通風方式參數設計時，組合風口的送風角度不能過小，也不能太大，存在一個最佳送風角度使得工作面粉塵能夠得到較好的控制和捕集。分析認為：當采用最佳吹吸流量比=1時，組合風口送風角度=75°時，旋轉射流屏蔽通風流場能在工作面形成完整的屏蔽風幕，且組合風口前方吸氣速度和負壓沿軸向衰減較其他送風角度前方速度和負壓沿軸向衰減緩慢，并對工作面粉塵控制效果最佳。因此，可以確定組合風口的最佳送風角度為75°。

3 最佳送風角度試驗研究

3.1 試驗系統

根據機掘工作面旋轉射流屏蔽通風的具體情況，在設計模型試驗時，只要保證原型和模型的幾何相似、運動相似及二者的邊界條件相似，就可以保證兩者 相似。

根據應用現場實際情況，取長度比例系數λ=8，速度比例系數λ=4，建立長×寬×高為1.50 m× 0.40 m×0.42 m拱形機掘工作面巷道模型。為便于實驗觀測，巷道模型采用透明有機玻璃制作，板厚為 5 mm。整個試驗系統由巷道模型、組合風口、離心式壓風機、離心式抽風機、發塵器、粉塵質量濃度測定儀、渦街流量傳感器、配電箱、流量控制閥及相關管道等組成。采用不銹鋼加工制作4種不同送風角度的組合風口，組合風口1=75 mm，2=100 mm和3= 125 mm，環形送風口寬度0=6.25 mm。粉塵由巷道模型端頭的發塵器發散送入，模擬掘進機截割產塵。在組合風口前、后區域內分別布置CCZ?1000型粉塵質量濃度測定儀，對該區域的粉塵質量濃度進行采樣 測定。

3.2 試驗方法

試驗開始時，先啟動壓風機，將其風量調節為預定風量。然后，啟動抽風機，并通過流量控制閥調節吸氣速度。第1組試驗為送風角度=65°的控塵效果測試，試驗中將壓風機風量調節為70 m3/h，維持環形送風口出口平均風速為8.0 m/s。抽風機的排風量設置為70 m3/h，保證組合風口吸氣速度約為4.5 m/s。待風流穩定后，將粉碎烘干的后煤粉裝入發塵器，啟動發塵器，并開始計時。第2~4組試驗分別為送風角度=70°，75°和80°的控塵效果測試，將對應送風角度的組合風口安裝于模型巷道內，考察送、排風量和發塵量相同情況下，不同送風角度的組合風口控塵效果。在組合風口前、后方各0.30 m處分別布置粉塵質量濃度測點，采用定時采樣模式進行測量，采樣時間為 5 min，采樣流量為2 L/min。

3.3 試驗結果與分析

在送、排風量及發塵量相同的情況下，對4種不同送風角度組合風口通風下的巷道中粉塵質量濃度進行測試，以組合風口前、后方各0.30 m處粉塵質量濃度及其隔塵效率作為評價指標，考察4種不同送風角度組合風口的控塵效果，試驗結果如表1所示。

從表1可以看出：機掘工作面采用旋轉射流屏蔽通風能夠取到較好的控塵效果，組合風口后方區域粉塵質量濃度明顯低于工作面端頭，旋轉風幕的隔塵效率高達70%以上。對比4種不同送風角度組合風口的控塵效果，送風角度=75°的組合風口控塵效果最佳，組合風口后方粉塵質量濃度降至24 mg/m3，旋轉風幕隔塵效率高達85.9%。模型試驗結果與數值模擬分析所得結論基本吻合。

表1 不同送風角度組合風口的控塵效果

4 結論

1) 機掘工作面采用旋轉射流屏蔽通風時，在其他設計參數確定的情況下，工作面風流流場和粉塵質量濃度分布與送風角度密切相關。

2) 當采用最佳吹吸流量比=1，組合風口送風角度=75°時，旋轉射流屏蔽通風流場能在工作面形成完整的屏蔽風幕，且組合風口前方吸氣速度和負壓沿軸向衰減較其他送風角度吸氣速度和負壓沿軸向衰減緩慢，并對工作面粉塵控制效果最佳。

3) 送風角度=75°的組合風口控塵效果最佳，組合風口后方粉塵質量濃度降至24 mg/m3，旋轉風幕隔塵效率高達85.9%。

[1] 王顯政, 楊富, 朱鳳山. 煤礦安全新技術[M]. 北京: 煤炭工業出版社, 2002: 312?319. WANG Xianzheng, YANG Fu, ZHU Fengshan. New Technologies of Coal Mine Safety[M]. Beijing: Coal Industry Press, 2002: 312?319.

[2] 張義坤. 煤礦綜掘泡沫降塵技術研究與實施[J]. 中國安全科學學報, 2012, 22(2): 151?156. ZHANG Yikun. Study on dust control technology with foam in fully mechanized workface of coal mine[J]. China Safety Science Journal, 2012, 22(2): 151?156.

[3] 陳貴, 王德明, 王和堂, 等. 大斷面全巖巷綜掘工作面泡沫降塵技術[J]. 煤炭學報, 2012, 37(11): 1859?1864. CHEN Gui, WANG Deming, WANG Hetang, et al. The technology of controlling dust with foam for fully mechanized excavation face of large cross-section rock tunnel[J]. Journal of China Coal Society, 2012, 37(11): 1859?1864.

[4] 程衛民, 聶文, 姚玉靜, 等. 綜掘工作面旋流氣幕抽吸控塵流場的數值模擬[J]. 煤炭學報, 2011, 36(8): 1342?1348. CHENG Weimin, NIE Wen, YAO Yujing, et al. Numerical simulation on the flow field of swirling flow air curtain aspiration control dust in fully mechanized workface[J]. Journal of China Coal Society, 2011, 36(8): 1342?1348.

[5] 劉榮華, 王海橋. 機掘工作面旋轉射流通風理論探討[J]. 中國安全科學學報, 2002, 12(2): 76?79. LIU Ronghua, WANG Haiqiao. Study on swirling jet ventilation at tunneling working face[J]. China Safety Science Journal, 2002, 12(2): 76?79.

[6] 劉榮華, 王鵬飛, 張登春, 等. 機掘工作面旋轉射流屏蔽通風吹吸流量比研究[J]. 中國安全科學學報, 2012, 22(9): 133?139. LIU Ronghua, WANG Pengfei, ZHANG Dengchun, et al. Study on flow ratio of blowing to drawing of rotational jet shield ventilation at tunneling working face[J]. China Safety Science Journal, 2012, 22(9): 133?139.

[7] 劉榮華, 王鵬飛, 宋佳, 等. 機掘工作面旋轉射流屏蔽通風流場特性數值研究[J]. 安全與環境學報, 2012, 12(6): 198?203. LIU Ronghua, WANG Pengfei, SONG Jia, et al. Numerical Study of the efflux features of the rotational efflux shield ventilation at tunneling working face[J]. Journal of Safety and Environment, 2012, 12(6): 198?203.

[8] 王鵬飛, 劉榮華, 丘漢鋒, 等. 旋轉射流作用下吸氣流動的特性研究[J]. 環境工程, 2011, 29(3): 58?62. WANG Pengfei, LIU Ronghua, QIU Hanfeng, et al. Study on the characteristics of suction-airflow under rotary jet[J]. Environmental Engineering, 2011, 29(3): 58?62.

[9] 丘漢鋒. 機掘工作面旋轉射流屏蔽通風數值模擬及實驗研究[D]. 湘潭: 湖南科技大學能源與安全工程學院, 2012: 34?39.QIU Hanfeng. Numerical simulation and experimental research of rotational jet shield ventilation at tunneling working face[D]. Xiangtan: Hunan University of Science and Technology. School of Energy & Safety Engineering, 2012: 34?39.

[10] 張景松, 閆小康, 王凱, 等. 環形旋轉射流屏蔽抽吸流場的數值模擬[J]. 中國礦業大學學報, 2006, 35(2): 173?177. ZHANG Jingsong, YAN Xiaokang, WANG Kai, et al. Suction controlled by man-made hurricane[J]. Journal of China University of Mining, 2006, 35(2): 173?177.

[11] 張景松, 周世寧. 人造龍卷風控制抽吸[J]. 中國礦業大學學報, 1996, 25(1): 1?5. ZHANG Jingsong, ZHOU Shining. Suction controlled by man-made hurricane[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 1996, 25(1): 1?5.

[12] 張建卓, 祝天姿, 高猛, 等. 綜掘面風幕集塵除塵系統的參數優化與數值模擬[J]. 中國安全科學學報, 2011, 21(4): 128?131. ZHANG Jianzhuo, ZHU Tianzi, GAO Meng, et al. Parameter optimization and numerical simulation of dust-collecting and dedusting system with air curtain in fully mechanized excavation face[J]. China Safety Science Journal, 2011, 21(4): 128?131.

[13] 蔣仲安, 陳梅嶺, 陳舉師. 巷道型采場爆破粉塵質量濃度分布及變化規律的數值模擬[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2013, 44(3): 1190?1196. JIANG Zhongan, CHEN Meiling, CHEN Junshi. Numerical simulation of dust concentration distribution and changing regularities in roadway stope blasting[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(3): 1190?1196.

[14] 劉榮華, 李夕兵, 施式亮, 等. 一種新型旋風氣幕式排風罩數值模擬研究[J]. 環境工程, 2009, 27(4): 68?72. LIU Ronghua, LI Xibing, SHI Shiliang, et al.Study on numerical simulation of new type of rotary air curtain exhaust hood[J]. Environmental Engineering, 2009, 27(4): 68?72.

Determination of the best air-supply angle of the rotational jet shield ventilation at tunneling working face

WANG Pengfei1, LIU Ronghua1, 2, CHEN Shiqiang1, 2, HE Junxing1

(1. School of Energy & Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2. Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines,Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

To determine the best air-supply angle,the flow field and dust mass concentration distribution of the rotational jet shield ventilation under different air-supply angles were investigated by numerical simulation and model experiments.The results show that the flow field and dust mass concentration distribution are closely related to air-supply angle with the other design parameters fixed. When theair-supply angle is=75°, a complete air curtain can be formed at the tunneling working face, and the suction velocity and negative pressure in front of the combined tuyere in the axial direction are lower than those of other air-supply angles. The best dust control effect is obtained, the dust mass concentration falls to 24 mg/m3, and the dust-isolating efficiency of rotational jet reaches up to 85.9%.

tunneling working face; rotational jet; flow field; dust; air-supply angle

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.034

TD714，X964

A

1672?7207(2015)10?3808?06

2014?08?04；

2014?10?10

國家自然科學基金資助項目(51574123, 51306047)(Projects (51574123, 51306047) supported by the National Natural Science Foundation of China; )

王鵬飛，博士，講師，從事礦井通風和環境保護研究；E-mail：pfwang@sina.cn

(編輯 羅金花)