附壁風筒條縫參數對綜掘工作面控塵效果的影響

王建國，王 康，樊亦洋

（西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054）

煤礦井下綜掘工作面是重要的產塵點之一，粉塵隨著綜掘機的截割工作大量產生并在巷道擴散，高濃度粉塵會污染巷道環境，使工人患上塵肺病，降低工作場所的能見度，加速井下掘進設備的磨損，由于煤塵具有爆炸性，遇到高溫熱源時會引發爆炸，危及井下作業人員的生命安全[1-3]。目前國內外學者們對氣幕控塵技術已有較深的研究，但多數研究集中在：①風幕的形成及作用機理研究[4-6]；②加入風幕控塵技術前后除塵系統的效果對比[7-8]；③附壁風筒裝設位置參數優化[9-11]。但是綜掘面有效風幕的形成受諸多因素影響，鮮有對附壁風筒條縫參數的研究及考慮綜掘機司機處粉塵濃度變化。基于上述考慮，在長壓短抽式通風條件下，研究附壁風筒條縫參數對綜掘工作面粉塵防治的影響。

1 模型建立

1.1 幾何模型

建立綜掘工作面巷道幾何模型，將巷道簡化為長40 m，寬4.2 m，高4 m的長方體。綜掘工作面布置長壓短抽式通風，壓風筒長30 m、距掘進迎頭10 m，抽風筒長37 m、距掘進迎頭3 m，壓、抽風筒直徑均為0.8 m，2個風筒中心軸線水平相距3 m，距底板均為3.4 m。附壁風筒每節長1 m，共設6節，每節沿風筒徑向開長0.8 m、寬0.05 m的出風口，附壁風筒用柔性風筒連接。在最后1節附壁風筒軸向出口處設1個風閥，掘進時進行風閥調節，使大部分風流由附壁風筒徑向出風口噴出，變為旋流氣幕向工作面供風，停機后，風閥打開，恢復正常供風。綜掘巷道及附壁風筒的幾何模型如圖1。

圖1 綜掘巷道及附壁風筒的幾何模型Fig.1 Geometric model of fully digging roadway and wall-attached air duct

1.2 邊界條件及求解設置

綜掘工作面在掘進工作中粉塵主要產生于綜掘機破碎迎頭煤巖體時，將綜掘機截割時的塵源設定為面塵源。工作面粉塵顆粒粒度分布符合羅辛-拉姆勒（R-R）分布。粉塵在巷道中的實際擴散速度主要是取決于綜掘機截割頭的轉速和圍巖的性質等一系列因素，結合綜掘機實際的工作情況以及綜掘面的圍巖本身的性質情況，粉塵運動的速度v近似的取值為1.5 m/s，離散相參數設置見表1，邊界條件及求解器設置見表2。

表1 離散相參數設置Table 1 Discrete phase parameter setting

表2 邊界條件及求解器設置Table 2 Boundary conditions and solver settings

質量流率Qm計算如下：

式中：Qm為巷道粉塵的質量流率，kg/s；c為巷道中粉塵濃度的平均值，kg/m3；v為巷道內粉塵流動的速度，m/s；s為巷道的斷面積，m2。

表2中水力直徑L計算如下：

式中：l為流體流過風筒斷面的周長，m；S為流體流過風筒斷面的面積，m2。

湍流強度I的計算如下：

式中：I為風筒內流體的湍流強度；Re為雷諾數，表征風筒流體流動情況的無量綱數。

2 模擬結果及討論

2.1 條縫與迎頭距離對控塵效果的影響

在長壓短抽式通風下，分別對附壁風筒條縫距迎頭10、13、15 m時進行旋流風幕控塵情況的模擬，取綜掘機司機所在位置y=6 m（司機距迎頭距離）及z=1.5 m（司機呼吸高度）剖面的粉塵濃度變化，條縫距迎頭不同距離時y=6 m的剖面粉塵濃度分布如圖2，條縫距迎頭不同距離時z=1.5 m剖面巷道兩側粉塵濃度沿程分布如圖3。

圖2 條縫距迎頭不同距離時y=6 m的剖面粉塵濃度分布Fig.2 Dust concentration distribution at the profile of y=6 m at different distances from head to head

由圖2可知，當附壁風筒條縫相對迎頭10 m時，在y=6 m剖面粉塵主要集中在巷道壓風側上部，巷道空間粉塵彌漫，司機受粉塵干擾；當條縫距迎頭13 m時，僅在綜掘機上方部分空間有低濃度粉塵擴散，對綜掘機司機影響較小；當條縫距迎頭15 m時，綜掘機被高濃度粉塵包圍，粉塵在整個巷道斷面擴散，風幕控塵效果極差。

從圖3可知，當條縫距迎頭10 m時，巷道前半段兩側粉塵彌散，由壓風筒噴射出的高速射流將大量粉塵集中在巷道吸風側，高濃度粉塵在綜掘機四周彌漫包圍，貼壁風流吹到工作面時不完整，塵源處粉塵擴散至巷道中段，巷道前中段粉塵平均濃度高達1 g/m3，氣幕的旋流分風效果較差；條縫距迎頭13 m時，旋流風幕成功將粉塵控制在迎頭6 m范圍，綜掘機司機位置粉塵濃度下降到0.12 g/m3，在距迎頭6 m之后的巷道空間粉塵濃度呈陡坡式下降，粉塵擴散現象消失，粉塵被成功阻隔在綜掘機司機之前，風幕阻塵控塵起效；條縫距迎頭15 m時旋流風幕吹向迎頭過程中能量消耗較大，達到迎頭時風量微弱，難以將粉塵集中控制，綜掘機司機處粉塵濃度高達0.6 g/m3，整段巷道中高濃度粉塵彌漫嚴重，控塵失敗。

圖3 條縫距迎頭不同距離時z=1.5 m剖面巷道兩側粉塵濃度沿程分布Fig.3 The dust concentration on both sides of the roadway w ith z=1.5 m profile at different distances from head to head

2.2 條縫寬度對控塵效果的影響

固定附壁風筒條縫距迎頭13 m，條縫長度0.8 m，條縫寬度為0.01、0.05、0.1 m時不同高度剖面的粉塵濃度分布分別如圖4～圖6。

對比圖4～圖6可知，當條縫寬度為0.01 m時，綜掘機被高濃度粉塵包圍，濃度超過1.5 g/m3，控塵效果有待提高；條縫寬度為0.05 m時，粉塵被旋流風幕有效控制在工作面，司機位置不受粉塵干擾，絕大部分粉塵被抽出巷道，綜掘工作面粉塵濃度顯著降低，控塵效果顯著；條縫寬度為0.1 m時，旋流風幕將大部分粉塵控制在迎頭，綜掘工作面粉塵濃度有所下降，但巷道存在粉塵擴散現象，巷道整體作業環境差，控塵效果不佳。

圖4 條縫寬度為0.01m時不同高度剖面的粉塵濃度分布Fig.4 Dust concentration distribution at different height profiles when the slit w idth is 0.01 m

圖5 條縫寬度為0.05m時不同高度剖面的粉塵濃度分布Fig.5 Dust concentration distribution at different height profiles when the slit w idth is 0.05 m

圖6 條縫寬度為0.1 m時不同高度剖面的粉塵濃度分布Fig.6 Dust concentration distribution at different height profiles when the slit w idth is 0.1 m

2.3 壓抽比對控塵效果的影響

確定附壁風筒條縫距迎頭13 m、條縫寬度為0.05 m，改變壓抽比為0.8、1.0、1.2時，研究巷道粉塵濃度的變化規律。不同壓抽比時z=1.5 m剖面上粉塵濃度分布如圖7，壓抽比為1時壓、抽風側粉塵濃度沿程分布如圖8。

從圖7可知，壓抽比為0.8時，抽風筒風速相對較大，條縫的徑向分風被影響，旋流風幕雖將粉塵集中在綜掘工作面，但仍有少量粉塵擴散至掘進機后方巷道；當壓抽比增大到1.0時，壓風筒吹出的射流可被抽風筒全部吸收，粉塵被控制在迎頭極小范圍內，集中在綜掘機頭處的大量粉塵被抽離巷道；壓抽比為1.2時，抽風筒吸風量相對較小，不能完全將綜掘工作面的粉塵抽出巷道，粉塵在掘進機前端彌散嚴重，影響到綜掘司機位置。

圖7 不同壓抽比時z=1.5 m剖面上粉塵濃度分布Fig.7 Dust concentration distribution on z=1.5 m profile at different pressure extraction ratios

從圖8可知，壓抽比為1時，巷道抽風側整體粉塵濃度高于壓風側，壓風側距迎頭13～20 m空間范圍內粉塵濃度仍有波動，因為該段受附壁風筒分風影響，旋流分風將頂板粉塵吹落。此外在巷道兩側頂、底板粉塵濃度沿巷道方向波動，最后趨于0。巷道底板附近粉塵濃度整體最高，自底板向頂板方向粉塵濃度逐漸降低，即旋流風幕在底板的流場屏蔽效果較差，但能將絕大部分粉塵控制在迎頭6 m范圍內。

圖8 壓抽比為1時壓風側和抽風側粉塵濃度沿程分布Fig.8 Distribution of dust concentration along the pressure and extraction side when the pressure extraction ratio is 1

3結論

1）當條縫距迎頭13 m時，貼壁風流最強，旋流風幕控塵起效，巷道內粉塵濃度大幅下降，綜掘司機不受濃度粉塵干擾。

2）控制條縫寬度為0.05 m時，旋流風幕風速最佳，當風幕達到工作面時，可以有效將粉塵集中控制在迎頭小范圍內，風幕控塵效果明顯。

3）壓抽比為1時，壓、抽風筒工作效率最佳，壓風筒噴出的射流可被抽風筒完全吸收，旋流風幕可以將粉塵最大程度控制在迎頭處，控塵效果最佳。