附壁风筒条缝参数对综掘工作面控尘效果的影响

2021-06-23王建国樊亦洋

煤矿安全 2021年6期

王建国，王康，樊亦洋

（西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054）

煤矿井下综掘工作面是重要的产尘点之一，粉尘随着综掘机的截割工作大量产生并在巷道扩散，高浓度粉尘会污染巷道环境，使工人患上尘肺病，降低工作场所的能见度，加速井下掘进设备的磨损，由于煤尘具有爆炸性，遇到高温热源时会引发爆炸，危及井下作业人员的生命安全[1-3]。目前国内外学者们对气幕控尘技术已有较深的研究，但多数研究集中在：①风幕的形成及作用机理研究[4-6]；②加入风幕控尘技术前后除尘系统的效果对比[7-8]；③附壁风筒装设位置参数优化[9-11]。但是综掘面有效风幕的形成受诸多因素影响，鲜有对附壁风筒条缝参数的研究及考虑综掘机司机处粉尘浓度变化。基于上述考虑，在长压短抽式通风条件下，研究附壁风筒条缝参数对综掘工作面粉尘防治的影响。

1 模型建立

1.1 几何模型

建立综掘工作面巷道几何模型，将巷道简化为长40 m，宽4.2 m，高4 m的长方体。综掘工作面布置长压短抽式通风，压风筒长30 m、距掘进迎头10 m，抽风筒长37 m、距掘进迎头3 m，压、抽风筒直径均为0.8 m，2个风筒中心轴线水平相距3 m，距底板均为3.4 m。附壁风筒每节长1 m，共设6节，每节沿风筒径向开长0.8 m、宽0.05 m的出风口，附壁风筒用柔性风筒连接。在最后1节附壁风筒轴向出口处设1个风阀，掘进时进行风阀调节，使大部分风流由附壁风筒径向出风口喷出，变为旋流气幕向工作面供风，停机后，风阀打开，恢复正常供风。综掘巷道及附壁风筒的几何模型如图1。

图1 综掘巷道及附壁风筒的几何模型Fig.1 Geometric model of fully digging roadway and wall-attached air duct

1.2 边界条件及求解设置

综掘工作面在掘进工作中粉尘主要产生于综掘机破碎迎头煤岩体时，将综掘机截割时的尘源设定为面尘源。工作面粉尘颗粒粒度分布符合罗辛-拉姆勒（R-R）分布。粉尘在巷道中的实际扩散速度主要是取决于综掘机截割头的转速和围岩的性质等一系列因素，结合综掘机实际的工作情况以及综掘面的围岩本身的性质情况，粉尘运动的速度v近似的取值为1.5 m/s，离散相参数设置见表1，边界条件及求解器设置见表2。

表1 离散相参数设置Table 1 Discrete phase parameter setting

表2 边界条件及求解器设置Table 2 Boundary conditions and solver settings

质量流率Qm计算如下：

式中：Qm为巷道粉尘的质量流率，kg/s；c为巷道中粉尘浓度的平均值，kg/m3；v为巷道内粉尘流动的速度，m/s；s为巷道的断面积，m2。

表2中水力直径L计算如下：

式中：l为流体流过风筒断面的周长，m；S为流体流过风筒断面的面积，m2。

湍流强度I的计算如下：

式中：I为风筒内流体的湍流强度；Re为雷诺数，表征风筒流体流动情况的无量纲数。

2 模拟结果及讨论

2.1 条缝与迎头距离对控尘效果的影响

在长压短抽式通风下，分别对附壁风筒条缝距迎头10、13、15 m时进行旋流风幕控尘情况的模拟，取综掘机司机所在位置y=6 m（司机距迎头距离）及z=1.5 m（司机呼吸高度）剖面的粉尘浓度变化，条缝距迎头不同距离时y=6 m的剖面粉尘浓度分布如图2，条缝距迎头不同距离时z=1.5 m剖面巷道两侧粉尘浓度沿程分布如图3。

图2 条缝距迎头不同距离时y=6 m的剖面粉尘浓度分布Fig.2 Dust concentration distribution at the profile of y=6 m at different distances from head to head

由图2可知，当附壁风筒条缝相对迎头10 m时，在y=6 m剖面粉尘主要集中在巷道压风侧上部，巷道空间粉尘弥漫，司机受粉尘干扰；当条缝距迎头13 m时，仅在综掘机上方部分空间有低浓度粉尘扩散，对综掘机司机影响较小；当条缝距迎头15 m时，综掘机被高浓度粉尘包围，粉尘在整个巷道断面扩散，风幕控尘效果极差。

从图3可知，当条缝距迎头10 m时，巷道前半段两侧粉尘弥散，由压风筒喷射出的高速射流将大量粉尘集中在巷道吸风侧，高浓度粉尘在综掘机四周弥漫包围，贴壁风流吹到工作面时不完整，尘源处粉尘扩散至巷道中段，巷道前中段粉尘平均浓度高达1 g/m3，气幕的旋流分风效果较差；条缝距迎头13 m时，旋流风幕成功将粉尘控制在迎头6 m范围，综掘机司机位置粉尘浓度下降到0.12 g/m3，在距迎头6 m之后的巷道空间粉尘浓度呈陡坡式下降，粉尘扩散现象消失，粉尘被成功阻隔在综掘机司机之前，风幕阻尘控尘起效；条缝距迎头15 m时旋流风幕吹向迎头过程中能量消耗较大，达到迎头时风量微弱，难以将粉尘集中控制，综掘机司机处粉尘浓度高达0.6 g/m3，整段巷道中高浓度粉尘弥漫严重，控尘失败。

图3 条缝距迎头不同距离时z=1.5 m剖面巷道两侧粉尘浓度沿程分布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 条缝宽度对控尘效果的影响

固定附壁风筒条缝距迎头13 m，条缝长度0.8 m，条缝宽度为0.01、0.05、0.1 m时不同高度剖面的粉尘浓度分布分别如图4～图6。

对比图4～图6可知，当条缝宽度为0.01 m时，综掘机被高浓度粉尘包围，浓度超过1.5 g/m3，控尘效果有待提高；条缝宽度为0.05 m时，粉尘被旋流风幕有效控制在工作面，司机位置不受粉尘干扰，绝大部分粉尘被抽出巷道，综掘工作面粉尘浓度显著降低，控尘效果显著；条缝宽度为0.1 m时，旋流风幕将大部分粉尘控制在迎头，综掘工作面粉尘浓度有所下降，但巷道存在粉尘扩散现象，巷道整体作业环境差，控尘效果不佳。

图4 条缝宽度为0.01m时不同高度剖面的粉尘浓度分布Fig.4 Dust concentration distribution at different height profiles when the slit w idth is 0.01 m

图5 条缝宽度为0.05m时不同高度剖面的粉尘浓度分布Fig.5 Dust concentration distribution at different height profiles when the slit w idth is 0.05 m

图6 条缝宽度为0.1 m时不同高度剖面的粉尘浓度分布Fig.6 Dust concentration distribution at different height profiles when the slit w idth is 0.1 m

2.3 压抽比对控尘效果的影响

确定附壁风筒条缝距迎头13 m、条缝宽度为0.05 m，改变压抽比为0.8、1.0、1.2时，研究巷道粉尘浓度的变化规律。不同压抽比时z=1.5 m剖面上粉尘浓度分布如图7，压抽比为1时压、抽风侧粉尘浓度沿程分布如图8。

从图7可知，压抽比为0.8时，抽风筒风速相对较大，条缝的径向分风被影响，旋流风幕虽将粉尘集中在综掘工作面，但仍有少量粉尘扩散至掘进机后方巷道；当压抽比增大到1.0时，压风筒吹出的射流可被抽风筒全部吸收，粉尘被控制在迎头极小范围内，集中在综掘机头处的大量粉尘被抽离巷道；压抽比为1.2时，抽风筒吸风量相对较小，不能完全将综掘工作面的粉尘抽出巷道，粉尘在掘进机前端弥散严重，影响到综掘司机位置。

图7 不同压抽比时z=1.5 m剖面上粉尘浓度分布Fig.7 Dust concentration distribution on z=1.5 m profile at different pressure extraction ratios

从图8可知，压抽比为1时，巷道抽风侧整体粉尘浓度高于压风侧，压风侧距迎头13～20 m空间范围内粉尘浓度仍有波动，因为该段受附壁风筒分风影响，旋流分风将顶板粉尘吹落。此外在巷道两侧顶、底板粉尘浓度沿巷道方向波动，最后趋于0。巷道底板附近粉尘浓度整体最高，自底板向顶板方向粉尘浓度逐渐降低，即旋流风幕在底板的流场屏蔽效果较差，但能将绝大部分粉尘控制在迎头6 m范围内。