掘进巷道中长压短抽条件下附壁风筒的实验研究*

蒋仲安 王露露 张中意

(北京科技大学土木与环境工程学院)

掘进巷道中长压短抽条件下附壁风筒的实验研究*

蒋仲安 王露露 张中意

(北京科技大学土木与环境工程学院)

为了解决掘进巷道中粉尘浓度的污染问题，采用了附壁风筒配合长压短抽的通风方式，利用相似实验方法构建实验模型，对掘进工作面的流场和粉尘场的空间分布规律进行了研究。结果表明：附壁风筒配合长压短抽的通风方式，能够在巷道端头形成一种有效防治粉尘扩散、旋转前进的屏蔽流场，而压抽比与抽风风筒位置则是影响附壁风筒流场屏蔽效果的关键。在相似实验条件下，确定了在压抽比1.2，抽风风筒位置距掘进面1.3 m、高度1.2 m、巷道中心位置时，能够将粉尘有效控制在距掘进端头2 m的范围内。

掘进工作面 附壁风筒 流场 粉尘浓度 压抽比

掘进巷道机械化程度较高，产生的粉尘污染严重，直接危害工人的身心健康及安全。目前混合式通风方式被广泛应用，其中最常见的为长压短抽式通风[1]。国内矿井巷道一般配备的风筒直径最大为1 m，掘进工作面供风量也偏大，使得风筒末端出口风速较大，生产时产生的粉尘运动速度高，在空气中分散度较大，不利于降尘工作的进行[2]，不能从根本上控制和防止粉尘的扩散。本文通过模型实验，利用附壁风筒配合长压短抽通风，可有效控制粉尘的漂移和扩散[3-4]。采用相似实验的方法，通过对比实验可以得到掘进巷道的合理压抽比以及较优的抽风风筒位置[5-7]。

1 相似准则数的导出及简化

1.1 气固两相流动的运动方程

掘进工作面产生的粉尘颗粒随气流的运动、扩散以及沉降等，属于气固两相流研究的范畴。

1.1.1 气体运动方程

对于三维不可压缩、黏性气体的运动方程为：

(1)

1.1.2 粉尘在气体中的运动方程

假定含尘气流的运动只考虑气固两相相对运动引起的作用力，忽略其他作用力的影响，固体球形颗粒的运动方程为

(2)

1.2 相似准则数的导出

1.3 相似准则数的简化

由于原型与相似模型的流场均稳定，可不考虑H0；相似模型所使用的粉尘与实际情况亦相同，ρp/ρg可忽略；原型与相似模型中的粉尘粒径都很小，可忽略Fr；粉尘颗粒在很短的时间内能充分加速到气流速度的99%，ρp/ρg可近似等于1；根据雷诺数无关性理论：若流体流动过程的雷诺数达到某一临界值时，即湍流进入成熟阶段(阻力平方区)，相似实验将不再受到模型率的影响，所以只要保证所做实验具有很大的雷诺数(Rec=5×104)，则可忽略雷诺准则的影响[11-13]。根据掘进巷道的实际情况简化后，独立相似准则数有：Stk、Rep、Δ/D和δl。

2 掘进巷道相似模型的建立

图1 掘进工作面模型(单位：m)

3 相似实验结果及分析

3.1 实验参数的测定方法及测点布置

3.1.1 测定方法

巷道端头中心处设置尘源，实验用粉尘来自掘进工作面现场，发尘强度在实验中保持稳定。压入式和抽出式风机均采用SWF混流式管道风机(可调风速)。风速测量选用testo425型风速仪(设定时间参数为20 s)，测出的风速为20 s的平均值。粉尘浓度测量采用滤膜质量浓度法，使用FC-4型粉尘采样仪进行采样(采样流量为0.02 m3/min、时间为2 min)，最后由滤膜的质量增量和采气量计算出空气中总的粉尘浓度。

3.1.2 测点布置

3.1.2.1 风速测点布置

根据巷道模型长度，结合附壁风筒流场的理论，分纵向和横向两部分进行流场风速测定。测量沿巷道方向的风速时，在巷道模型内部选取17个待测面(所取待测面同下文粉尘待测面)，待测面离巷道端头越近布置的越密集，每个断面布置6×4个风速测点，如图2(a)所示；测量断面的横向风速时，在附壁风筒侧向风口处(L=1.9～3.1 m)选取了5个待测面，测点布置如图2(b)所示。

3.1.2.2 粉尘浓度测点布置

在巷道模型内部选取17个待测面，待测面离巷道端头越近布置的越密集，每个断面布置3×4个风速测点(高度方向与纵向流场测点布置相同)，测量不同高度、不同断面以及不同压抽比条件下的粉尘浓度分布。对不同抽风风筒位置进行粉尘浓度测量时，只选取呼吸带左侧人行道中心线处(H=0.8 m，W=155 cm)进行测量，如图3所示。

图2 风速测点布置(单位：m)

图3 粉尘浓度测点布置(单位：m)

3.2 风流流场分布

3.2.1 沿巷道方向的流场分布

实验在压风风筒风量为1.63 m3/s、压抽比为1.2的条件下，研究巷道模型内纵向风流流场的分布。由于篇幅有限,此处只选取H=1.2 m及H=1.6 m 的平面进行风流流场分析。见图4。

图4 沿巷道方向风速变化

由图4可以看出：

(1)H=1.2 m时，W=55 cm和155 cm位置由于在压抽风筒的边缘附近，在巷道端头到风筒口的范围内风速变化十分剧烈。轴向进风风流自压入式风筒口射出后向回风侧斜向运动，且对周围气流有卷吸作用，使得其余位置的风速在距工作面1.5 m以内也出现了峰值。

(2)H=1.2 m时，随着与工作面距离的增加，受压入式风筒和抽出式风筒共同作用的影响，各位置的风速均呈现出先增大后减小(在附壁风筒侧向风口位置风速减到最小值)，而后又稍有提升的变化趋势，最终风速均稳定在0.5 m/s左右，此即为掘进巷道的排尘风速。

(3)H=1.6 m时，侧向风口的作用成为影响流场分布的主要因素，在L=1.9～3.1 m的各位置均出现了速度峰值，并且呈现出离侧向风口越近峰值位置越靠后的变化趋势，这是由于侧向风口产生的屏蔽流场受到抽风风筒抽吸作用的影响，形成了一种旋转前进屏蔽场的结果。在W=115～155 cm时，离侧向出风口距离较远，因此，风速明显下降，屏蔽成了主导作用，在附壁风筒侧向风口位置风速明显减小。

3.2.2 侧向风口处横向风流的流场分布

侧向流场的测量侧重于不同断面从左到右横向的风速分布，这里仅对压抽比为1.2时，H=1.6 m不同截面及L=2.5 m 不同高度的流场进行分析。见图5。

图5 巷道横断面风速

由图5可知：

(1)H=1.6 m时，风速先增大后减小并逐渐趋于稳定，风速出现峰值,是由于这些测点处在附壁风筒侧向风口处所致。最后在W=180～200 cm处风速有小幅度的回升，是由于风流的附壁效应引起。

(2)H=1.6 m，在L=3.1 m处，风速呈现与其他位置不同的变化规律，说明在附壁风筒的侧向风口处(L=2.3～3.3 m)风速分布并不均匀，并且，在起始段(L=3～3.3 m)时未形成屏蔽流场，侧向风口的作用范围为1.9～3 m，起始段过后，风速逐渐增大并趋于稳定，在侧向风口末端(L=2.5 m)风速达到最大值。

(3)L=2.5 m时，不同高度的风速大小顺序为1.8 m>1.6 m>0.4 m>0.8 m，在各条曲线最后的位置风速均有所增大，这是由于附壁风筒后所形成的是外围风速大、中心风速小的卷吸流场，而巷道下方点的峰值位置比较靠前，是屏蔽场范围缩小的表现。H=1.6 m曲线在W=20 cm的峰值则是由于离侧向风口较近所致。

3.2.3 不同压抽比条件下的流场分布

保持压风风量不变，调节抽风风量，测量不同压抽比条件下巷道内的风速，以研究压抽比与流场分布的关系。由于巷道断面的上半部分流场变化比较明显，易于比较，因此，仅研究H=1.2 m，W为95，115 cm，压抽比为1.4，1.2，1，0.8，0.7情况下的流场分布，如图6所示。

图6 沿巷道方向风速变化

由于附壁风筒的加入，使得距掘进端头1.9～3 m 沿巷道方向的风速有所下降。控制压抽比的目的为形成有屏蔽效果的流场，因此，要求在附壁风筒侧向风口位置附近沿巷道方向的风速应尽可能的小，由图6可看出,压抽比在1～1.4时风速下降较明显。

由于压抽比大小对横向风流流场的作用不是很明显，不同压抽比时横向风流流场变化规律大致相同，只在大小上有些许差异，在此便不再分析。

3.3 粉尘浓度分布

3.3.1 粉尘浓度空间分布

为了研究巷道模型内粉尘浓度空间分布情况，在压风风筒风量为1.63 m3/s、压抽比为1.2的条件下，对巷道模型空间粉尘浓度分布进行详细测定。图7为H=0.8 m平面内不同位置以及W=155 cm(左侧人行道)时不同高度的粉尘浓度的沿程分布。从图7中可以看出：

(1)H=0.8 m时，巷道中粉尘浓度大小顺序为：抽风侧>中部>压风侧，说明压风侧的粉尘更易沉降。另外，粉尘浓度除在巷道端头1.2 m的范围内比较紊乱外，之后均先增大后减小，最后稳定在一个很小的值上，并且，这个值出现在附壁风筒侧向风口的作用范围内。

(2)W=155 cm时，除H=0.4 m其余位置的粉尘浓度都控制在L=2.5 m的范围内，而H=0.4 m的粉尘浓度则呈现出先减小后增大的趋势。这是由于该位置处于屏蔽流场下端的效果减弱区，不仅流场对粉尘的控制效果逐渐变差，其余位置的粉尘也会顺着风流从下端溢出，但最终该位置的粉尘被控制在了距掘进端头3.5 m的范围内。

图7 不同高度粉尘浓度

3.3.2 不同压抽比条件下粉尘浓度分布

通过测量不同压抽比条件下巷道内的粉尘浓度，补充流场实验的结果及缩小最优压抽比的范围，选H=0.8 m的平面作为研究对象，沿巷道方向粉尘分布规律如图8所示。

图8 沿巷道方向粉尘浓度变化

(1)压抽比在1以上时，压风侧及巷道中部的粉尘浓度先增大后迅速减小。当压抽比从1.4变到1的过程中，粉尘浓度先减小后增大，减小是由于抽风风速变大，巷道内粉尘浓度降低；增大则是由于抽风风速过大，附壁风筒产生的流场屏蔽效果变差所致。

(2)压抽比小于1时，压风侧(W=55 cm)及巷道中部(W=100 cm)粉尘浓度出现两次明显的峰值，第一次是在抽风风筒口附近，第二次是在附壁风筒侧向风口处，这是由于随着压抽比不断减小，抽风风速过大，破坏了附壁风筒侧向风口附壁风流屏蔽作用的结果。

(3)综合上述对附壁风筒流场与粉尘场的实验研究，最终可以确定该通风系统合理的压抽比为1～1.2。

3.3.3 不同抽风风筒位置下粉尘浓度分布

在压抽比为1.2时，对抽风风筒的位置进行了一系列的优化实验，对H=0.8 m、W=155 cm(人行道呼吸带)位置沿程的粉尘浓度进行了测量，结果如图9所示。

图9 W=155 cm时不同抽风风筒位置粉尘浓度

由图9可知，在L=1.1～1.5 m，粉尘浓度随着抽风风筒到掘进端头距离的增加而增大，但控制效果先增强后减弱。在1.3 m处控制效果最好，在H=1～1.4 m，粉尘控制效果很好，但随着风筒的上移，粉尘浓度稍有增大，控制效果变差。将抽风风筒移至W=1.0 m处(巷道中间)，可以看出此时掘进端头的粉尘浓度虽然稍有增加，但控尘效果有大幅提升。因此，抽风风筒的最佳位置为L=1.3 m，H=1～1.2 m，W=1.0 m。而实验将风筒安在靠近巷道两侧是为了测得较完整的流场与粉尘场数据。

4 结 论

(1)长压短抽通风方式中，在压入式风筒末端加入附壁风筒，不仅保证了工作面正常的通风需求，还避免了工作面供风量过大，且在合理的参数范围内，附壁风筒能够形成稳定的沿巷道方向前进的卷吸屏蔽流场，将粉尘控制在掘进端头到附壁风筒侧向风口的范围内。

(2)压抽比的变化会引起纵向风流流场分布的变化，但对横向风流流场的影响不是很大，证明了压抽比改变时附壁风筒侧向风口处均能形成外围风速大中心风速小屏蔽流场，只是压抽比不同，系统屏蔽流场的屏蔽能力不同。

(3)压抽比过小或过大都不利于粉尘的控制。过大时形成的屏蔽流场不足以控制大量向外扩散的粉尘；过小时会破坏屏蔽流场的稳定性，使得屏蔽效果变差。压抽比为1～1.2时，形成的流场能很好地减弱粉尘的扩散和沉降，并将粉尘有效控制在抽吸作用范围内，最大程度地被吸风风流带走。

(4)实验发现，粉尘的运动轨迹会随着流场的变化而变化，因此，优化风筒位置对控制粉尘有重要的作用。实验结果表明，在L=1.3 m，H=1～1.2 m，W=1.0 m条件时控尘效果最佳。

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Experimental Research on Wall Attaching Chimney Under the Long Press Short Extraction in Excavation Roadways

Jiang Zhong'an Wang Lulu Zhong Zhongyi

(School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing)

In order to deal with the pouution problem of excavation roadway dust concentration, the method of wall attaching chimney with mixed ventilation pattern is used and the similar experimental approach is used to build an experimental model system,so as to analyze the spatial distribution law of the flow field and tunneling working face dust field. The research results show that, the wall attaching chimney with mixed ventilation pattern can from a rotating forward shielding flow field which can effective prevention and control of dust diffusion in the end of tunnel. Pressure extraction ratio and convulsions ram position are the key parameters that influening coanda duct flow field shielding effects. Under the similar conditon, the dust can be effectively controlled from the driving end within 2 m by indentifying the pressure extraction ratio is 1.2, convulsions ram position away from the surface of 1.3 m, the height of 1.2 m.

Excavation face, Wall attaching chimney, Flow field, Dust concentration， Pressure extraction ratio

*国家自然科学基金资助项目(编号：51274024)。

2014-09-25)

蒋仲安(1963—)，男，教授，博士生导师，100083 北京市海淀区学院路30号。