綜掘工作面附壁風筒通風控塵試驗研究

李衛軍,周偉,劉開新,茍尚旭,朱必勇

(1.淮南礦業(集團)有限責任公司張集煤礦,安徽 淮南市 232171;2.湖南科技大學資源環境與安全工程學院,湖南 湘潭市 411201)

0 引言

工業革命以來,煤在我國國民經濟能源結構中占據主導地位[1-2]。在導致礦井安全事故頻發的眾多因素中,粉塵是主要因素之一。目前我國實際的嚴重塵肺病患者有120萬之多[3],每年因塵肺病造成的直接經濟損失達數十億元[4]。

通風除塵是綜掘工作面粉塵防治的主要技術手段之一[5-7],其中長壓短抽式通風是綜掘工作面最常用的一種通風控塵方式[8-10]。國外學者提出在普通長壓短抽式通風的基礎上增加一附壁風筒,形成附壁旋流通風[11]。我國在此基礎上進行了大量的理論研究。例如,王海橋、駱偉等發現獨頭巷道附壁射流通風流場可分為附壁區、沖擊區、回流區和渦流區4個區域[12-15]。劉榮華等研究了壓入通風工作面的粉塵分布規律,發現卷吸風量越大,粉塵分布越均勻[16-17]。程衛民等對綜掘工作面附壁旋流通風控除塵方法開展了數值模擬和現場實測,發現該通風方式可形成覆蓋巷道全斷面的徑向旋流風幕[18-21]。王昊等通過數值模擬發現,風幕發生器位置是影響控塵效果的重要因素[22-23]。聶文等采用高分子材料開發了一種輕便型附壁風筒,得出壓抽風量比越小,控塵風幕效果越好的結論[24-26]。王寬等開發了一種柔性附壁風筒,并取得了良好的輔助降塵效果[27]。

本文針對綜掘工作面斷面大、塵源多且分散的特點,采取長壓短抽的通風方式,結合附壁旋流通風控塵原理,建立附壁旋流通風控塵試驗模型,采用粒子圖像測速系統(PIV 系統)分析綜掘工作面附壁旋流通風流場,考察基于變送風量的吹吸流量比對該種通風方式流場的影響。同時,采用粉塵采樣器和粒度分析儀實測不同吹吸流量比情況下的通風控塵效果,并確定最佳吹吸流量比,以期為該通風方式的現場應用提供理論指導。

1 附壁風筒通風控塵原理

綜掘工作面附壁旋流通風方式是在原本長壓短抽通風方式的基礎上,通過在送風筒側壁開設若干方形條縫或直接安裝附壁風筒(亦稱康達風筒)[28],將原本通過送風筒直吹掘進面迎頭的送風方式改為徑向旋轉式風流[29],對工作面不會形成直吹,螺旋風流使巷道全斷面得到清洗。與此同時,在吸風筒的抽吸作用所產生的軸向速度下,以一定的旋轉速度充滿巷道斷面,同時向迎頭方向推進,形成一股有較高動能的螺旋狀氣流團,從而在掘進機司機和迎頭粉塵之間形成一道旋轉氣塞,封堵粉塵擴散,進一步壓縮含塵氣流空間,便于粉塵向吸風口附近集中,使含塵空氣流始終處于抽出風筒口的吸入場作用范圍內(見圖1)。由于附壁風筒將普通風筒向巷道軸向供風方式改變為徑向出風向工作面方向螺旋前進的供風方式,利用附壁效應大大地降低了沿巷道軸向的風流速度,增大巷道邊沿區域風流速度,從而使巷道斷面上的風流分布趨于均勻[30]。

圖1 綜掘工作面附壁風筒通風控塵原理

通過調節送風與吸風量的比例,同時合理引入部分循環風,解決工作面含塵氣流外溢,風筒重疊段風速過低問題。結合旋流風幕,在二者耦合作用下,不僅控塵效果更好,而且有利于防止瓦斯在風筒重疊段的局部積聚。當通風系統正常運行時,系統產塵與排塵處在一個動態平衡狀態。若以吸風筒為研究對象,根據質量守恒定律,則同一時刻進入吸風筒的粉塵與離開吸風筒的粉塵質量相等[31]。對于像圖1中送風筒開設有若干條縫口的系統來說,不同位置段的粉塵濃度也不同。吸風經過除塵風機,處理掉一定比例的粉塵,由于存在循環風,處理過的仍然含有一定比例粉塵的循環風會向迎頭方向運動,然后再次被吸進吸風筒開始下一次循環,從而達到動態平衡[32]。

2 試驗系統及方案

2.1 試驗系統與設備

2.1.1 試驗系統

本次試驗依托自行設計的試驗模型搭建試驗平臺。所采用的綜掘面物理模型為長×寬×高=3750 mm×450 mm×440 mm、斷面為0.242 m2的半圓拱形巷道,采用6 mm 厚的透明有機玻璃制作,在巷道模型側壁及頂部開設有若干φ=8 mm 的測量孔,可測量內部速度及壓力分布。內部布置送風筒、吸風筒、模擬掘進機、模擬傳送皮帶、電除塵器、吸風機、壓風機。送風筒與吸風筒的直徑均為100 mm,送風筒置于模型邊緣下側,吸風筒中心高度為180 mm;巷道迎頭開有φ=100 mm 的圓孔,開孔連接粉塵發生器或示蹤粒子發生器;送風筒靠近掘進端面的一端設置吹風口,吹風口處設置有風量調節閥,送風筒另一端通過伸縮軟管與設置在巷道外部的壓風機相連,送風筒側壁上設置有條縫口;模擬傳送皮帶的端部設有轉載點,轉載點與粉塵發生器相通。系統布置如圖2所示。

圖2 試驗系統

本試驗系統當需要測量除塵效率時,可在迎頭開孔連接粉塵發生器,通過設置的變頻風機和風量調節閥改變通風量。吹吸流量比小于1時,經過一次降塵處理的風會隨著補給風流返回掘進面,產生可控循環風,通過調節壓風量和吸風量的大小以及條縫口的位置,模擬井下在不同工作環境下的通風控塵效果。設置的條縫口能夠產生附壁旋流效果,形成一道旋轉的“氣塞”,在壓風和吸風的共同作用下,有效封堵粉塵運移,壓縮含塵氣流空間,提高吸風筒排風效率。

2.1.2 試驗設備

采用AG420氣溶膠發生器發塵,并用空氣壓縮機提供的壓縮空氣作為輸送動力,從掘進端頭圓孔送入掘進工作面,模擬掘進機截割頭截割產生。在模型巷道內掘進端頭區域與掘進機司機處分別布置FCC-25型防爆粉塵采樣器1臺,對不同工況條件下的粉塵進行采樣并稱重。采用LS 13320激光衍射粒度分析儀對粉塵樣品進行粒度分析。

選用德國La Vision公司生產的PIV 系統對綜掘工作面附壁旋流通風流場進行測定。PIV 系統由CCD 相機、雙腔激光器、片狀激光成型器、計算機工作站及應用軟件組成。選擇跟隨性相對較好的煙霧作為示蹤粒子,采用特效煙霧機制造煙霧,并通過管道由端頭圓孔送至模型巷道內部。

2.2 試驗方案

2.2.1 通風參數

本次試驗參考工況為一煤礦綜掘工作面,除塵風機實際風量為200 m3/min,根據相關相似準則,本次模型試驗固定抽風量Qe為3.14 m3/min。通過改變送風量Qf來考察壓抽風量比β對通風流場及控塵效果的影響。軸向送風口、吸風口與迎頭距離分別為720 mm、400 mm,送風口出來的風處于穩定狀態,各點的流速、流量、壓力、密度為定常參數,不隨時間變化。本文主要研究吹吸流量比小于1的情況,因為在實際生產中,采取吹吸流量比小于1才能阻止掘進頭含塵氣流向作業區域擴散,所以分別取吹吸流量比為0.6,0.7,0.8,0.9,1.0和1.1。通過附壁風筒前端風量調節閥將送風比δ設置為8∶2。通風試驗參數見表1。

表1 綜掘工作面附壁旋流通風試驗參數設置

2.2.2 測點位置

對試驗系統建立三維坐標系,設定掘進迎頭反方向為＋z,巷道高度方向為＋y,水平面上吸風筒垂直指向送風筒方向為＋x,根據所建坐標系標定測點位置。

(1)測風點:第一條縫口前端100 mm 處豎向斷面(z=1280 mm),關注旋轉風幕卷吸封堵效果及渦流分布情況;吸風口截面豎向斷面(z=400 mm),關注以吸風口為圓心,卷吸風流徑向速度及切向速度分布;吸風口前后區域軸向豎向斷面(x=200 mm,z=200～650 mm),關注吸風口前后煙霧控制效果及掘進機末端司機位置處煙霧擴散和風流運動;風筒重疊段中間位置,坐標(100,200,1800)。

(2)測塵點:①端頭粉塵較為集中區域內一點,坐標(200,180,300);②吸風口后方掘進機司機呼吸帶區域,坐標(100,200,750);③風筒重疊段中間位置,坐標(100,200,1800)。

測風時依次使用變頻調速器改變送風機轉速,同時用熱線風速儀測得管道風速,向系統內散播示蹤滑石粉或特效煙霧,待系統運行30 s至流場穩定后,利用PIV 拍攝研究位置斷面流場。測塵時采用SAG 型發塵器在迎頭位置散發粉塵,待通風系統運行穩定后,使用粉塵采樣器采集研究位置樣品氣流兩分鐘,收集樣品粉塵,分析控塵效率,迎頭處粉塵散發速度為10 g/min。

3 試驗結果與分析

3.1 PIV流場測試

本試驗主要應用PIV 系統進行流場檢測,首先通過壓風機向研究區域均勻散播示蹤粒子滑石粉,選取待研究斷面、拍攝斷面上粒子運動軌跡,近似替代該區域粉塵跟隨風流的運動情況。使用特效煙霧機從迎頭發煙,模擬掘進面產塵,觀察煙霧在巷道中的擴散情況,從而分析并確定送風最優吹吸流量比,試驗結果如圖3所示。

圖3 不同吹吸流量比下煙霧擴散情況

從圖3可以看出,吹吸流量比較小時,煙霧擴散范圍越小,被限制在掘進端頭有限區域內,但相對煙霧會更濃。由于送風筒前端出口風速較小,風流對掘進端頭區域擾動小。隨著吹吸流量比的提高,送風口送風速度增大,導致煙霧擴散范圍逐漸增大。對比圖3(c)和圖3(d)可以發現,吹吸流量比為0.8時,吸風口附近煙霧濃度高于吹吸流量比為0.9的情況,而吹吸比為0.9時,煙霧擴散范圍比吹吸比為0.8時略大。當吹吸流量比增大至0.9以后,由于送風筒前端出口射流風速增大,對掘進端頭煙霧擾動過大,且軸向風幕強度減弱,造成部分煙霧向巷道后方運移。通過試驗,可以得出最佳吹吸流量比為0.8。

通過改變相應的吹吸流量比,分別在豎向斷面、吸風口截面、排風口軸向豎斷面等平面研究流場的變化規律。本文對試驗結果進行了整理,結合上述試驗已得到的最佳吹吸流量比,對其進行分析,結果如圖4所示。圖4(a)中,最佳吹吸流量比下斷面整體速度變化相對均勻,射流都能充分到達壁面并向下方運動,由于射流衰減,在巷道右下方區域風速較小;圖4(b)中,在吸風口周圍風流呈旋轉狀進入吸風筒,在旋轉中部形成負壓區,在壓差的作用下粉塵更易向旋流中部聚集,有利于粉塵及時排出,提高了排塵效率,同時,卷吸風流可以提高巷道頂板附近的平均風速,可以有效避免頂部瓦斯聚集,消除了安全隱患;圖4(c)中,排風口軸向豎斷面上風流均呈向排風口匯集趨勢,尤其排風口上方區域,處于旋轉風流的主體段,速度較快,匯聚趨勢更加明顯,區別在于排風口高度位置及其下方區域,當吹吸流量比為0.8時,該區域風流初始方向已經轉向右下方。

圖4 最佳吹吸流量比下不同斷面速度場矢量圖

3.2 控塵試驗

為了驗證控塵效果,需要分析附壁旋流通風對控塵效果的影響。試驗時從迎頭處使用發塵器以固定速率10 g/min散發粉塵,選定流場分析中得出的最優通風工況,啟動通風系統,粉塵采樣器設定進氣流量為20 L/min,采樣時間為90 s,使用粉塵采樣器在選定測點位置收集粉塵并稱重,測量前后測點收塵質量,計算粉塵濃度,對比分析控塵效果優劣。在相同通風工況下,只改變送風方式,對比附壁旋流通風與直吹式通風控塵效果對比,此處先假設風機除塵效率為100%,結果見表2。

表2 旋流通風與直吹通風除塵效果對比

圖5為粉塵濃度分布曲線,圖6為濾膜收集的粉塵情況對比。由表2和圖5、圖6可知,同樣通風量的情況下,附壁旋流送風方式司機區和重疊段的控塵效率分別為96.43%、99.35%,高于直吹式送風的80.41%、95.10%,控塵效果明顯提升。與之相對應的直吹式送風在迎頭區域則有816.67 mg/m3,司機處仍有160.00 mg/m3,控塵效率只有80.41%,風筒重疊段為40.00 mg/m3,此時控塵效率升至95.10%,這是因為旋流送風的旋轉風流持續向迎頭方向推進,進一步壓縮含塵氣流運動空間,可以將粉塵更好地集中、封堵在迎頭區域,從而便于吸風筒及時有效排出。此外,直吹式送風會在一定程度上吹散迎頭粉塵,使粉塵擴散偏離吸風口,阻礙了粉塵迅速排出,這也是該通風方式下迎頭區粉塵濃度低于旋流送風的原因。

圖5 粉塵濃度分布曲線

圖6 濾膜收集的粉塵情況對比

在附壁旋流通風下,最佳吹吸流量比為0.8,風機除塵效率為100%時,理論上在風筒重疊段氣流不含粉塵,而實際測得空氣粉塵濃度仍有6.67 mg/m3,結合實際情況,考慮是因為巷道旋轉風流會吹散巷道側壁、頂部及地面少量粉塵彌散在氣流中,所以實際粉塵濃度不為0。

4 結論

本文使用PIV 系統對綜掘工作面旋流通風流場特性進行了考察,借助煙霧和粉塵試驗,分析了吹吸流量比對風流流場的影響,確定了最佳吹吸流量比。在此基礎上,考察了附壁旋流通風對綜掘工作面粉塵分布的影響。

(1)附壁旋流通風控塵效果取決于軸向風幕與徑向風幕的協同作用。增大吹吸流量比,一方面會導致掘進端頭區域流場擾動加大和軸向風幕強度減弱,另一方面會提高附壁旋流通風徑向風幕強度和粉塵阻隔能力。

(2)流場分析試驗中,吹吸流量比過小,在巷道斷面條縫口射流氣流衰減明顯,運動狀態容易受相鄰射流影響產生擾動,整體斷面流場并不均勻;吹吸流量比過大,則會導致吸風口附近粉塵被送風吹散,使得粉塵逃逸,偏離吸風口,抑制了排塵效果。

(3)控塵試驗中,采取附壁旋流送風的方式能大幅度改善系統控塵能力,粉塵絕大部分被集中在吸風口附近,司機處及巷道可以得到很大程度的凈化。

(4)當吹吸流量比為0.8時,附壁旋流通風控塵效果最好。