綜掘工作面內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置設(shè)計與控塵效果研究

馬 蓮 ，李雨成 ，任建業(yè) ，陳 卉

（太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著礦井智能化、機(jī)械化水平的提高以及開采強(qiáng)度的加大，綜掘工作面高濃度粉塵污染問題日益突出[1]。據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，綜掘工作面無防塵措施情況下，人員主要作業(yè)區(qū)域的時間加權(quán)總塵質(zhì)量濃度可達(dá)2 000～3 000 mg/m3，其中呼塵質(zhì)量濃度高達(dá)300～500 mg/m3，嚴(yán)重超出《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這不僅影響企業(yè)的高效安全生產(chǎn)，也對工人的職業(yè)衛(wèi)生健康造成嚴(yán)重威脅[2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在綜掘工作面粉塵防治方面進(jìn)行了深入細(xì)致的研究?；谕L(fēng)控塵系統(tǒng)在煤礦綜掘工作面的應(yīng)用，丁翠[3]總結(jié)了不同通風(fēng)方式下掘進(jìn)巷道內(nèi)粉塵的擴(kuò)散規(guī)律，驗(yàn)證了通風(fēng)排塵的有效性；周智勇等[4]對比分析了綜掘工作面不同通風(fēng)布置參數(shù)下的排塵效果。隨著學(xué)者們的研究重點(diǎn)由排塵向阻塵控塵轉(zhuǎn)移，如何控制風(fēng)流阻控粉塵并集中抽出成為綜掘工作面粉塵控制技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。劉雅俊等[5]提出短路流場理論并研制了風(fēng)幕集塵風(fēng)機(jī)；程衛(wèi)民等[6]設(shè)計了附壁風(fēng)筒及抽塵凈化裝置組成的綜掘工作面旋流氣幕抽吸控塵系統(tǒng)，探究了該系統(tǒng)的流場特點(diǎn)及降塵效果；李雨成[7]提出利用風(fēng)幕集塵并通過風(fēng)筒抽出凈化的粉塵防治方法，確定了平面風(fēng)幕集塵的原理和條件；荊德吉等[8]提出閉環(huán)回旋控塵技術(shù)能有效控制粉塵擴(kuò)散；聶文等[9]提出了多徑向渦形氣幕，并對比分析了風(fēng)幕應(yīng)用前后綜掘工作面凈化控塵效果；YIN 等[10]進(jìn)一步闡釋了多徑向渦旋氣幕徑軸向風(fēng)量比、風(fēng)筒布置參數(shù)等條件對綜掘工作面通風(fēng)控塵的影響；劉榮華等[11]提出了雙徑向旋流屏蔽通風(fēng)控塵方式，并通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)測試分析了該方式下綜掘工作面風(fēng)流流場和粉塵濃度分布。

盡管諸多學(xué)者在綜掘工作面氣幕控塵方面已開展了系列研究，且成果豐碩，但這些成果主要集中在如何利用軸向或徑向等平面氣幕將掘進(jìn)產(chǎn)塵阻控在迎頭區(qū)域，而對于空間螺旋氣幕阻塵的研究卻鮮有報道。為此，設(shè)計了一種新型內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置，通過數(shù)值模擬和相似試驗(yàn)研究了該旋流風(fēng)幕應(yīng)用后的空間流場特性及粉塵運(yùn)移規(guī)律。

1 控塵原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕控塵原理

綜掘工作面旋流風(fēng)幕控塵技術(shù)示意如圖1。

圖1 綜掘工作面旋流風(fēng)幕控塵技術(shù)示意Fig.1 Technical illustration of dust control by swirling air curtain in fully mechanize excavation face

綜掘工作面旋流風(fēng)幕控塵是以高壓風(fēng)管提供的氣源作為動力，通過內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置在司機(jī)位置前方匯成內(nèi)外2 道旋轉(zhuǎn)氣幕屏障的一種新型通風(fēng)控塵技術(shù)。經(jīng)內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置射出的高壓空氣通過卷吸效應(yīng)將動量傳遞給靠近掘進(jìn)迎頭段受限區(qū)域的空氣，使空氣以巷道軸線為中心向掘進(jìn)迎頭旋轉(zhuǎn)移動，在抽出式風(fēng)筒的共同作用下，形成一股覆蓋整個截面的螺旋狀氣流，使掘進(jìn)時產(chǎn)生的粉塵隨著射流旋轉(zhuǎn)，并將高濃度粉塵聚集在負(fù)壓旋渦內(nèi)，經(jīng)抽出式風(fēng)筒排出。

1.2 系統(tǒng)組成與旋流風(fēng)幕裝置

綜掘工作面旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)如圖2。綜掘工作面旋流風(fēng)幕控塵系統(tǒng)由壓入式風(fēng)筒、抽出式風(fēng)筒、井下高壓風(fēng)管、內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置等部分組成。

圖2 綜掘工作面旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of air curtain generator in fully mechanized excavation face

設(shè)計的內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置架設(shè)EBZ260掘進(jìn)機(jī)上，保證射流出口處于司機(jī)前方，并且要求安裝此裝置后對司機(jī)的操作和正常生產(chǎn)不產(chǎn)生任何影響[12]。依據(jù)掘進(jìn)機(jī)尺寸和風(fēng)幕控塵裝置設(shè)計原則，確定裝置的尺寸為：寬2.7 m，高1.3 m。內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置由4 個完全相同且可拆卸的射流腔體以及布置在腔體上的射流噴嘴組成，射流腔上的噴嘴包括形成外旋流的導(dǎo)風(fēng)噴嘴和形成內(nèi)旋流的導(dǎo)風(fēng)噴嘴，每個腔體獨(dú)立供風(fēng)并由定位組件固定。經(jīng)過多次模擬測試，確定裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：①導(dǎo)風(fēng)噴嘴與腔體軸線所在直線夾角為45°；②導(dǎo)風(fēng)噴嘴與裝置所在徑向平面夾角為45°；③射流噴嘴孔徑為16 mm；④相鄰噴嘴間距為100 mm。為了保證旋流噴嘴的出口風(fēng)速一致，根據(jù)均勻送風(fēng)理論[13]對射流腔體內(nèi)部風(fēng)道進(jìn)行變截面處理，通過內(nèi)置楔形阻體使腔體內(nèi)的空氣流動截面積沿其流動方向逐漸減小，維持內(nèi)部風(fēng)道全長上的靜壓穩(wěn)定。內(nèi)置的楔形阻體長為1.3 m，兩端高度差為80 mm。

2 模型建立及參數(shù)設(shè)置

以山西晉能控股集團(tuán)某礦3 101 綜掘工作面前端40 m 巷道為研究對象，利用SpaceClaim 軟件等比例建立工作面巷道尺寸長、寬、高分別為40、4.2、3.8 m 的幾何模型。綜掘工作面采用長壓短抽混合式通風(fēng)方式，數(shù)值計算物理模型如圖3。

圖3 數(shù)值計算物理模型Fig.3 Physical model of numerical calculation

其中，壓入式風(fēng)筒直徑0.8 m，壓風(fēng)口距掘進(jìn)迎頭25 m，中軸線距底板2.4 m；抽出式風(fēng)筒直徑0.6 m，抽風(fēng)口距掘進(jìn)迎頭3 m，中軸線距底板2.6 m；風(fēng)幕發(fā)生裝置架設(shè)于掘進(jìn)機(jī)長軸線位置處，距掘進(jìn)迎頭4.7 m。圖3 中，將綜掘工作面至巷道出口方向設(shè)定為x正方向，將巷道短軸線方向設(shè)定為y方向，將巷道底板至頂部的方向設(shè)定為z正方向，行人呼吸帶位置距近側(cè)煤壁0.6 m，距底板1.6 m，司機(jī)呼吸位置坐標(biāo)為（x=7 m，y=1.2 m，z=2.2 m）。

針對長壓短抽通風(fēng)方式（方案Ⅰ）和添加旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置后的長壓短抽通風(fēng)方式（方案Ⅱ）2 種方案開展研究，根據(jù)礦井巷道風(fēng)量的相關(guān)規(guī)定，將壓風(fēng)量設(shè)置為300 m3/min，壓抽風(fēng)量比選擇常用數(shù)值1.2。針對方案Ⅰ，將壓入式風(fēng)筒出口、抽出式風(fēng)筒入口設(shè)置為速度入口邊界條件，將巷道出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，將掘進(jìn)機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、輸送機(jī)等外表面以及巷道均定義為無滑移壁面。對于方案Ⅱ，將風(fēng)幕發(fā)生裝置的內(nèi)、外旋流導(dǎo)風(fēng)噴嘴均設(shè)置為速度入口，其他邊界條件均以方案Ⅰ中的邊界類型設(shè)定。

將風(fēng)流視為連續(xù)相，塵粒視為離散相，考慮到綜掘工作面旋流風(fēng)幕運(yùn)移屬于貼壁射流與強(qiáng)旋流形成的復(fù)合流場，故選用Realizablek-ε模型開展連續(xù)相運(yùn)移模擬，采用DPM 模型開展離散相運(yùn)移模擬。根據(jù)CCHZ-1000 全自動粉塵測定儀現(xiàn)場實(shí)測的掘進(jìn)迎頭粉塵質(zhì)量濃度和激光粒度分析儀獲得的粉塵粒度分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果。設(shè)置數(shù)值計算DPM 塵源參數(shù)為：最小粒徑Dmin=1 μm，中間粒徑Dmean=35 μm，最大粒徑Dmax=100 μm；粉塵粒徑遵循Rosin-Rammler 分布，分散系數(shù)1.78；初始粉塵質(zhì)量流率為0.005 kg/s，由工作面噴射進(jìn)入流體域。數(shù)值模擬采用的氣-固耦合模擬控制方程參見文獻(xiàn)[14-16]。

3 結(jié)果與分析

3.1 臨界風(fēng)速

臨界風(fēng)速VL代表旋流風(fēng)幕控塵效果最優(yōu)時，內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置的射流出口風(fēng)速V。當(dāng)VVL時，空間流場擾動增強(qiáng)，導(dǎo)致控制區(qū)內(nèi)粉塵逃逸到工作區(qū)并引起二次揚(yáng)塵。

不同射流出口風(fēng)速條件下巷道局部速度分布如圖4，不同射流出口風(fēng)速條件下測點(diǎn)速度模擬值與理論計算值對比如圖5[17]，司機(jī)位置粉塵質(zhì)量濃度隨射流出口風(fēng)速的變化如圖6。

圖4 不同射流出口風(fēng)速條件下巷道局部速度分布Fig.4 Local velocity distribution of roadway under different jet outlet wind speed conditions

圖6 司機(jī)位置粉塵質(zhì)量濃度隨射流出口風(fēng)速的變化Fig.6 Variation of dust mass concentration at the driver’s position with jet exit velocity

由圖4 可知：當(dāng)V較小時，受后方來流及抽出式風(fēng)筒影響，風(fēng)幕收縮效應(yīng)顯著，無法完成對整個巷道截面的封堵；當(dāng)V=30 m/s 時，射流抗干擾強(qiáng)度增大，能夠到達(dá)巷道壁面并貼壁向迎頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，初步形成具有一定強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕；隨著V的進(jìn)一步增大，射流沖擊壁面效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致部分氣流與巷道周壁碰撞后流向風(fēng)幕發(fā)生裝置后側(cè)并形成回流旋渦，可導(dǎo)致控制區(qū)的粉塵隨旋渦逸散到掘進(jìn)機(jī)司機(jī)區(qū)域，且該回流旋渦面積隨著V 的增大而逐漸增大。

由圖5 可知：當(dāng)射流出口風(fēng)速一定時，測點(diǎn)速度的模擬值與理論值隨測點(diǎn)至射流出口距離的增加均呈反比例型下降；在距射流出口0.8 m 范圍內(nèi)，測點(diǎn)速度的模擬值明顯低于理論值，這是因?yàn)橄噜弮蓢娮扉g圓孔射流匯合，相互干擾導(dǎo)致的結(jié)果；在距射流出口0.8～1.4 m 時，測點(diǎn)速度的模擬值與理論值相對誤差低于10%，說明經(jīng)內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置射出的高壓射流到達(dá)壁面的末端風(fēng)速仍可用圓形紊動射流軸心速度理論值表征。此外，文獻(xiàn)[7]通過實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)風(fēng)幕射流到達(dá)壁面的末端風(fēng)速達(dá)到2 m/s 以上時，可以對綜掘作業(yè)產(chǎn)塵起到很好地控制效果，由此可得風(fēng)幕發(fā)生裝置射流出口風(fēng)速在30～40 m/s 之間較為合理。

由圖6 可以看出：司機(jī)位置處的粉塵濃度隨射流出口風(fēng)速的增大呈先降低后增大的變化趨勢，說明射流初始風(fēng)速對高濃度粉塵擴(kuò)散規(guī)律影響顯著。為定量化這種影響作用，針對射流出口風(fēng)速V，提出司機(jī)位置粉塵質(zhì)量濃度C隨射流出口風(fēng)速V的變化的表達(dá)式：

式中：a、b、c為擬合參數(shù)。

根據(jù)Levenberg-Marquartd 擬合算法，擬合參數(shù)a、b、c 分別為0.11、-8.12、169.23，決定系數(shù)R2為0.993 9，說明該模型較好地描述射流出口風(fēng)速和司機(jī)位置粉塵質(zhì)量濃度的關(guān)系。結(jié)合風(fēng)幕射流末端風(fēng)速的合理性，由式（1）可知，射流出口風(fēng)速V=35 m/s 時，旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置控塵效果最佳，即臨界風(fēng)速VL=35 m/s。

3.2 旋流風(fēng)幕對風(fēng)流流場特性的影響

為進(jìn)一步了解臨界風(fēng)速下，旋流風(fēng)幕對綜掘工作面空間流場特性的影響，對內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置開啟前后，綜掘工作面的風(fēng)流流場分布進(jìn)行分析，并結(jié)合流場中壓力分布分析風(fēng)幕發(fā)生裝置周圍空間流場流動特性。巷道內(nèi)風(fēng)流流場特性如圖7，不同截面上速度和壓力分布如圖8。

圖7 巷道內(nèi)風(fēng)流流場特性Fig.7 Characteristics of airflow field in the tunnel

圖8 不同截面上速度和壓力分布Fig.8 Distribution of velocity and pressure at different sections

由圖7（a）可知：風(fēng)幕發(fā)生裝置未開啟時，由壓風(fēng)筒流出的風(fēng)流分為2 部分，一部分風(fēng)流受掘進(jìn)機(jī)尾部的阻擋返回巷道；其余風(fēng)流越過掘進(jìn)機(jī)并與迎頭發(fā)生碰撞，受掘進(jìn)機(jī)阻滯作用的影響，風(fēng)流以折返流動的形式發(fā)生沖擊、摻混，導(dǎo)致x=0～5 m 范圍內(nèi)流場紊亂；且有少量未被抽風(fēng)筒捕吸的風(fēng)流因慣性作用沿右側(cè)煤壁向巷道后方運(yùn)動。

由圖7（b）可知：內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置開啟后，經(jīng)外旋流噴嘴射出的多束徑向高速氣流匯成指向左右側(cè)幫與頂板的斜沖擊射流流場，在與巷道壁面碰撞后向掘進(jìn)迎頭發(fā)生偏轉(zhuǎn)并沿周壁環(huán)繞流動；同時，附壁射流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過黏性剪應(yīng)力和湍流剪應(yīng)力向內(nèi)部傳遞，并與經(jīng)內(nèi)旋流噴嘴射出的高速氣流相互卷吸，帶動周圍空氣呈順時針向掘進(jìn)迎頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；到達(dá)掘進(jìn)迎頭后的風(fēng)流仍保留較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)慣性，在抽風(fēng)負(fù)壓的影響下反向螺旋運(yùn)動形成旋渦，其旋轉(zhuǎn)半徑在向心力主導(dǎo)下逐漸減小，并向吸風(fēng)口收縮，最終風(fēng)幕發(fā)生裝置前方的風(fēng)流按順時針呈漏斗狀螺旋運(yùn)動。

由圖8 可知：在x=7 m 截面處，風(fēng)流速度矢量箭頭均指向掘進(jìn)迎頭，風(fēng)流速度分布范圍及壓力梯度較??；在x=4 m 截面處，高速射流速度矢量呈與風(fēng)幕發(fā)生裝置形狀一致的倒“U”形，經(jīng)風(fēng)幕發(fā)生裝置射出的高速氣流造成附近區(qū)域壓力降低，壓力差反作用于風(fēng)流流動；因此，在x=4～7 m空間內(nèi)，風(fēng)流越過掘進(jìn)機(jī)匯成均勻壓向掘進(jìn)迎頭的單向流場；隨著距綜掘迎頭距離的減小，風(fēng)流軸向速度發(fā)生變化，貼壁射流向迎頭運(yùn)動，中央氣流向吸風(fēng)口匯集；截面壓力逐漸呈外高內(nèi)低的分布規(guī)律，壓力梯度逐漸增大，風(fēng)流向吸風(fēng)口收縮。說明內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)工作區(qū)前方形成了可阻擋粉塵向外擴(kuò)散的漏斗狀旋流風(fēng)幕，并將綜掘工作面分成粉塵控制區(qū)和工作區(qū)2 部分，從而為掘進(jìn)機(jī)司機(jī)提供一個清潔的作業(yè)環(huán)境。

3.3 旋流風(fēng)幕對粉塵擴(kuò)散規(guī)律的影響

為了更清楚地了解旋流風(fēng)幕的控塵效果，選取了7 個時間點(diǎn)，即5、10、20、30、40、50、60 s，對比分析內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置開啟前后，綜掘工作面不同時刻風(fēng)流和粉塵顆粒的耦合擴(kuò)散過程。不同時刻風(fēng)流-粉塵耦合分布（裝置未開啟）如圖9，不同時刻風(fēng)流-粉塵耦合分布（裝置開啟）如圖10。

圖9 不同時刻風(fēng)流-粉塵耦合分布（裝置未開啟）Fig.9 Migration of airflow-dust coupled field at different time points（air curtain generator switched off）

圖10 不同時刻風(fēng)流-粉塵耦合分布（裝置開啟）Fig.10 Migration of airflow-dust coupled field at different time points（air curtain generator switched on）

由圖9 可知：風(fēng)幕發(fā)生裝置未開啟時，巷道空間內(nèi)的粉塵顆粒在紊亂的風(fēng)流場中無序擴(kuò)散，部分塵粒在負(fù)壓作用下被吸進(jìn)抽出式風(fēng)筒，其余塵粒則受風(fēng)流裹挾繼續(xù)沿回風(fēng)側(cè)壁面向巷道后方運(yùn)移并逐漸充滿整個巷道。此時，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)受高濃度粉塵的影響嚴(yán)重，該通風(fēng)方式下整體降塵效果不理想。

由圖10 可知：風(fēng)幕發(fā)生裝置開啟后，粉塵擴(kuò)散范圍呈漏斗狀集中于抽出式風(fēng)筒吸風(fēng)口；受旋流風(fēng)幕屏蔽作用的影響，粉塵顆粒的擴(kuò)散速度降低了84%，具體表現(xiàn)為20 s 時，旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置開啟后，粉塵集中于距迎頭面4 m 范圍內(nèi)，而風(fēng)幕發(fā)生裝置未開啟時，粉塵分布于距迎頭面25 m范圍內(nèi)；此外，在30 s 后，粉塵顆粒幾乎沒有向風(fēng)幕發(fā)生裝置后方再擴(kuò)散，說明經(jīng)風(fēng)幕發(fā)生裝置產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)射流和抽風(fēng)匯流結(jié)合可以在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)前方形成一股高動能的螺旋氣流，有效地防止了粉塵擴(kuò)散，顯著改善了綜掘工作面作業(yè)環(huán)境質(zhì)量。

綜掘工作面測點(diǎn)布置及粉塵質(zhì)量濃度如圖11，其中水平軸的正負(fù)代表綜掘工作面的進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)，A、B 2 點(diǎn)的橫坐標(biāo)分別對應(yīng)內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置安設(shè)位置。綜掘工作面不同位置顆粒粒徑分布如圖12。

圖11 綜掘工作面測點(diǎn)布置及粉塵質(zhì)量濃度Fig.11 Arrangement of measuring points and dust mass concentration at fully mechanized excavation face

圖12 綜掘工作面不同位置顆粒粒徑分布Fig.12 Particle size distribution at different locations in fully mechanized excavation face

由圖11 可知：風(fēng)幕未開啟時，在距掘進(jìn)迎頭10 m 范圍內(nèi)粉塵濃度較高，且峰值位于回風(fēng)側(cè)2 m 位置處；當(dāng)風(fēng)幕發(fā)生裝置開啟后，粉塵主要集中在距掘進(jìn)迎頭4 m 范圍內(nèi)，粉塵質(zhì)量濃度峰值點(diǎn)顯著增大且峰值位置向進(jìn)風(fēng)側(cè)發(fā)生偏移；風(fēng)幕發(fā)生裝置后方，粉塵質(zhì)量濃度驟減，且隨著距掘進(jìn)迎頭距離的增加逐漸降低，在10 m 后維持在20 mg/m3以下的較低水平。

由圖12 可知：風(fēng)幕未開啟時，粉塵顆粒粒徑在距掘進(jìn)迎頭20 m 內(nèi)分布范圍較廣，這是因?yàn)榇箢w粒粉塵受自身重力影響逐漸沉降，而小顆粒粉塵在湍流脈動作用下懸浮于空氣中，并隨風(fēng)流向巷道后方擴(kuò)散；旋流風(fēng)幕開啟后，粉塵粒徑分布占比發(fā)生了顯著變化；在距離迎頭2～4 m 范圍內(nèi)，各粒徑粉塵顆粒數(shù)目均大幅下降；與距綜掘迎頭4 m 前各截面粒徑分布相比，x=4 m 位置處的粒徑分布由小粒徑粉塵占比最大轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅椒蹓m占比最大，說明旋流風(fēng)幕對5 μm 以下呼吸性粉塵的控塵效率明顯優(yōu)于對大顆粒的粉塵的控塵效率；結(jié)合圖11，在風(fēng)幕發(fā)生裝置后方，大顆粒粉塵受自身重力和動能損失的影響快速沉降，粉塵粒徑分布主要以懸浮于空氣中小顆粒粉塵為主。

4 旋流風(fēng)幕控塵相似試驗(yàn)

依據(jù)圖3 選取幾何相似比1∶7 搭建?；嗨圃囼?yàn)平臺，相似試驗(yàn)平臺如圖13。

圖13 相似試驗(yàn)平臺Fig.13 Similar experiment platform

其中，模型外框主體由透明有機(jī)玻璃組成，長5.7 m，寬0.6 m，高0.54 m；內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置以樹脂作為材料，借助3D 打印技術(shù)制作完成，并架設(shè)于距掘進(jìn)迎頭0.67m 的位置。同時，試驗(yàn)參數(shù)滿足流動相似準(zhǔn)則[18]。在空間流場試驗(yàn)分析中，以橄欖油滴作為示蹤粒子，待試驗(yàn)平臺運(yùn)行1 min 至流場穩(wěn)定后，利用PIV 粒子圖像測試系統(tǒng)分析空間流場特性。在粉塵濃度測試驗(yàn)中，采用粉塵發(fā)生器產(chǎn)塵，產(chǎn)塵速率為6 g/min，使用CCHZ-1000 全自動粉塵測定儀讀取測點(diǎn)位置的粉塵質(zhì)量濃度，其中采樣時間為3 min，采樣流量為15 L/min。PIV 試驗(yàn)結(jié)果如圖14，粉塵質(zhì)量濃度見表1。

表1 粉塵質(zhì)量濃度Table 1 Dust mass concentration

圖14 PIV 試驗(yàn)結(jié)果Fig.14 PIV experiment result

由圖14 利用PIV 粒子圖像測速系統(tǒng)實(shí)測截面A（對應(yīng)x=2 m）的速度矢量圖可以看出：截面A的風(fēng)流按順時針方向旋轉(zhuǎn)，旋渦均位于截面中心偏上位置處，這與圖8（a）中x=2 m 截面的速度矢量分布數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，說明內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置可以形成阻擋粉塵向外擴(kuò)散的旋流風(fēng)幕。

由表1 可知：相似試驗(yàn)中，安設(shè)新型旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置后掘進(jìn)司機(jī)位置處的粉塵濃度由337 mg/m3降到38 mg/m3，控塵效率為88.7%，與數(shù)值模擬的進(jìn)行比較，平均誤差小于5%。說明內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置起到了良好的控塵效果。

5 結(jié) 語

1）隨著內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置射流出口風(fēng)速的增大，射流沖擊壁面效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，部分氣流與巷道周壁碰撞后流向旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置后側(cè)形成回流旋渦，且回流旋渦面積隨著初始風(fēng)速的增大而逐漸增大；司機(jī)位置粉塵濃度隨射流出口風(fēng)速的增大呈先降低后增大的趨勢；給出了關(guān)于司機(jī)位置處粉塵質(zhì)量濃度與射流出口風(fēng)速的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，并確定了有效控塵臨界風(fēng)速為35 m/s。

2）內(nèi)外雙旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置射出的高壓空氣受卷吸及附壁效應(yīng)影響，并在抽風(fēng)筒負(fù)壓吸風(fēng)的聯(lián)合作用下，在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)前方可以形成阻擋粉塵向外擴(kuò)散呈漏斗狀的旋流風(fēng)幕，并將綜掘工作面分成粉塵控制區(qū)和工作區(qū)兩部分，從而為掘進(jìn)機(jī)司機(jī)提供一個清潔的作業(yè)環(huán)境。

3）旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置開啟后，粉塵顆粒擴(kuò)散速度降低了84%，粉塵顆粒主要集中在距掘進(jìn)迎頭4 m 范圍內(nèi)；旋流風(fēng)幕對5 μm 以下呼吸性粉塵的控塵效率更優(yōu)。

4）相似試驗(yàn)表明，安設(shè)新型旋流風(fēng)幕發(fā)生裝置后掘進(jìn)司機(jī)位置處的粉塵濃度由337 mg/m3降到38 mg/m3，控塵效率為88.7%。