综掘工作面通风条件对径向旋流风幕阻尘效果的影响

王 昊，撒占友，王春源，吴静波

（1.青岛理工大学 安全科学与工程系，山东 青岛 266520；2.青岛理工大学 山东省重点行业领域事故防范技术研究中心，山东 青岛 266520）

为满足我国钢铁、电力、化工等重点行业日益增加的煤炭需求，煤矿开采强度大幅提高，综合机械化掘进技术随之迅速发展。但掘进机截割煤岩体导致的工作面高浓度粉尘污染，对作业人员的职业健康与矿井安全生产造成了严重威胁[1]。作业人员长期吸入空间中弥漫的生产性粉尘将会罹患尘肺病，国家卫生健康委员会发布的数据显示，截至2019年底，全国已累计报告职业性尘肺病889 313例，新增病例中50%以上为煤工尘肺和矽肺[2]。针对综掘工作面，较为理想的控除尘效果是将高浓度粉尘阻控在截割区域并利用抽尘装置进行高效抽除，避免人员作业区域遭受粉尘污染[3-4]。为此，国内外学者提出可通过在抽风口与掘进司机之间形成风幕屏障阻控粉尘扩散，提高抽尘净化效率[5-14]。Guyonnaud L等明确了风幕形态的主要影响因素为风幕装置内外压差，射流条隙宽度，射流角度及速度[5]；葛少成等基于短路流场理论及流场叠加原理，通过径向附壁旋流与负压汇流叠加形成风幕[6]；李雨成等对比分析了不同条缝宽度与出口射流风速条件下风幕的形成及其阻尘效果[7]；Cheng和聂文等揭示了径向旋流风幕在抽风负压作用下能够形成轴向阻尘风幕以控制工作面粉尘的扩散[8-9]；张义坤等[10]进一步对比分析了不同风幕形式等条件下的风幕阻尘规律，阐释了旋流风幕对综掘工作面通风除尘的促进作用。国内外学者已对风幕形成条件及其阻尘机理开展了研究，但径向旋流风幕阻尘效果主要受风幕运移过程中流场状态的影响，现有成果未能系统分析通风条件对流场运移状态及其阻尘效果的影响规律。因此，以回坡底煤矿东五采区进风巷综掘工作面为研究对象，运用数值模拟与工程实测相结合的方法，进行通风条件影响径向旋流风幕阻尘效果分析。

1 模型构建

运用Solidworks软件构建了回坡底煤矿东五采区进风巷等比例物理模型，东五采区进风巷综掘工作面物理模型如图1。

图1 东五采区进风巷综掘工作面物理模型Fig.1 Physical model of the air inlet tunnel of east-fifth mining area

巷道为长80 m，宽5.1 m，高4.15 m的半圆拱结构，压、抽风筒及风幕装置直径均为0.8 m，风筒轴线距底板2.8 m，压风口距工作面10 m，抽风口距工作面2 m。风幕装置经交替布置的2种出风条隙形成径向射流：①三等分半圆弧，取边侧两道开孔，形成2条宽0.05 m的条隙；②五等分半圆弧，取边侧两道与中间1道开孔，形成3条宽0.05 m的条隙。将物理模型导入ICEM软件进行网格划分，共计生成1 128 770个网格，平均网格质量为0.886 57，网格数量及质量均能够满足数值模拟需求。

考虑到综掘工作面旋流风幕运移属于贴壁射流与强旋流形成的复合流场，选用Realizableκ-ε模型开展数值模拟[15-17]。

湍流动能方程（κ方程）：

式中：ρ为密度，kg/m3；κ为湍流动能，J；t为时间，s；ui为xi方向的时均速度，m/s；xi、xj为坐标位置，m；下标i、j取值为1、2、3，分别为x，y，z 3个方向；μ为流体黏度，Pa·s；μt为流体湍动黏度，Pa·s；σκ为κ方程的紊流普朗特数，取1.0；Gκ为由平均运动速度梯度引起的紊流动能生成项；ε为湍流动能耗散率。

湍流能量耗散率方程（ε方程）：

式中：σε为ε方程的紊流普朗特数，取1.2；C1为常数，取1.4；uj为xj方向的时均速度，m/s；C2为常数，取1.9；v为平均速度，m/s。

2 数值模拟

2.1 边界条件及参数设置

东五采区进风巷综掘工作面基本边界条件设置为：入口边界为Velocity_Inlet，综掘工作面为Dust Source，出口边界为Outflow，其他实体边界均为Standard Wall，湍流动能为0.8 m2/s2，湍流扩散比率为0.8 m2/s3。

实际生产中通常根据巷道断面面积选定适配的压风量，东五采区进风巷综掘工作面现场实测压风总量为300 m3/min，压风口距工作面10 m。在各通风条件中，风幕位置、风幕装置径向风量、通风系统压抽比是影响径向旋流风幕运移与轴向阻尘流场形成的主要因素。因此，数值模拟通风变量条件设置为：风幕与工作面距离La为10、15、20、25、30 m；综掘工作面需有一定量的轴向风流吹散和稀释有毒有害气体，选定风幕装置径向风量Qr为150、180、210、240、270 m3/min；通风系统压抽比R为0.5、0.8、1.0、1.2、1.5。数值模拟时，以Qr=270 m3/min，R=0.8为基础条件，进行不同La条件下的风幕阻尘效果分析，确定能够形成有效轴向阻尘流场的临界La。在此基础上，进行不同Qr条件下的风幕阻尘效果分析，确定临界Qr；最后，以临界La和临界Qr为基础条件，确定临界R，获得较优通风条件。

2.2 风流运移数值模拟

当径向风量Qr为270 m3/min，通风系统压抽比R为0.8时，不同La条件下东五采区进风巷综掘工作面风流流线分布如图2。不同La条件下掘进司机断面（距工作面7 m）风速矢量分布如图3。

图2 不同L a条件下东五采区进风巷风流流线分布Fig.2 Airflow streamlines distribution of the east-fifth mining area air inlet tunnel under various L a conditions

图3 不同L a条件下掘进司机断面风速矢量分布Fig.3 Airflow speed vector distribution in section where driver located under various L a conditions

由图2、图3可知，径向旋流风幕在抽风负压作用下向工作面运移，形成轴向长为l的径向旋流区，当La＞l时，随着La的增加，原有的旋流流场逐渐转变为轴向流场。在La由10 m增至30 m的过程中，当La=20 m时，距工作面4.8~5.7 m范围内形成了风量与风速分布较为均匀的轴向阻尘流场，掘进司机所处断面风速范围为0.44~0.71 m/s；当La=30 m时，轴向阻尘流场范围扩大至距工作面4.3~7.4 m，掘进司机所处断面风速范围已基本稳定至0.41~0.64 m/s。

La为20 m时，不同Qr与R条件下东五采区进风巷综掘工作面风流流线分布如图4。不同Qr与R条件下掘进司机所处断面（距工作面7 m）风速矢量分布如图5。

图4 不同Q r与R条件下东五采区进风巷风流流线分布Fig.4 Airflow streamlines distribution of the east-fifth mining area air inlet tunnel under various Q r and R conditions

图5 不同Q r与R条件下掘进司机断面风速矢量分布Fig.5 Airflow speed vector distribution in section where driver located under various Q r and R conditions

对比图2（c）和图3（c）及图4、图5可知，Qr越大，R越小，越利于在掘进作业区域形成风量与风速分布均匀的有效轴向阻尘流场。其中，Qr主要影响掘进作业区域轴向射流强度，R主要影响掘进作业区域抽风负压强度，Qr的影响程度强于R。

当Qr＜240 m3/min时，轴向射流速度超过2 m/s，显著高于周边风速，周围风流会在高速射流卷吸作用下汇入射流场，使得射流截面及流量不断增大，导致掘进作业区域压风侧风量与风速明显高于抽风侧，风流分布紊乱。当Qr=270 m3/min时，轴向射流速度已降至0.99 m/s，距工作面4.8~5.7 m范围内形成了轴向阻尘流场，掘进司机所处断面风速范围为0.44~0.71 m/s。在该条件下，当R≥1.2时，抽风负压较弱，无法克服轴向射流卷吸作用，同时，未被有效抽出的含尘污风将汇入射流场向工作面运移，造成循环污染；当R=1.5时，距工作面7.8 m处污风汇入射流形成了循环风流场，掘进司机所处断面风速范围约为0.21~1.36 m/s；当R≤0.8时，抽风负压增强，含尘污风得到有效抽出，掘进作业区域风流场在抽风负压作用下轴向均匀分布于断面空间，R=0.8时，在距迎头4.8~5.7 m的断面空间内形成了有效轴向阻尘风幕。

由此可得，东五采区进风巷综掘工作面形成较优轴向阻尘流场的通风条件为La≥20 m，Qr≥270 m3/min，R≤0.8。

2.3 粉尘扩散数值模拟

基于风流运移模拟结果，对各通风条件下的粉尘扩散开展数值模拟。根据粉尘粒径分析结果设置尘源颗粒参数：最小粒径5.3×10-7m，中位径4.31×10-6m，最大粒径2.17×10-5m，粒径遵循Rosin-Rammler分布，颗粒散布方式为面喷射，颗粒分布指数1.77，颗粒质量流率为3.5×10-3kg/s。不同La条件下东五采区进风巷粉尘扩散如图6，不同Qr及R条件下东五采区进风巷粉尘扩散如图7。利用Origin软件拟合了粉尘扩散距离Ld与La、Qr、R间的数学关系，粉尘扩散距离与各通风条件间数学关系如图8。

图6 不同L a条件下东五采区进风巷粉尘扩散Fig.6 Dust diffusion of the east-fifth mining area air inlet tunnel under various L a conditions

图7 不同Q r及R条件下东五采区进风巷粉尘扩散Fig.7 Dust diffusion of the east-fifth mining area air inlet tunnel under various Q r and R conditions

由图6~图8可知，高浓度粉尘扩散距离Ld随La的增加先增大后降低，随Qr的增加及R的减小而逐渐降低。

图8 粉尘扩散距离与各通风条件间数学关系Fig.8 Mathematical relation between dust diffusion distance and each condition

运用Origin软件拟合了Ld与各通风条件间的数学关系：

在Ld随各通风条件的变化中，Ld由La为10 m时的10.2 m增至La为15 m时的13.9 m，再急剧减小至La为20 m时的7.8 m并逐步趋于稳定；掘进司机处粉尘浓度也由La为10 m时的83.4 mg/m3增至La为15 m时的86.9 mg/m3，随后急剧减小至La为20 m时的23.6 mg/m3，此时，掘进司机处粉尘浓度已十分接近La为30 m时的最小值21.9 mg/m3，考虑到附壁风筒距工作面距离过远，在实际应用过程中可能会导致工作面风流速度较低，因此，选定最优La为20 m。在该条件下，高浓度粉尘扩散距离由R为1.5时的18.4 m急剧降至R为0.8时的9.2 m，随后逐渐降至R为0.5时的7.1 m；掘进司机处粉尘浓度由R为1.5时的95.3 mg/m3急剧降至R为0.8时的26.5 mg/m3，随后进一步降至R为0.5时的19.2 mg/m3，可见，在R为0.5时形成的轴向阻尘风流场能够达到最优阻尘效果。但考虑到工作面压风总量为300 m3/min，R为0.5时抽风量达到600 m3/min，工程应用中难度较大；R为0.8时掘进司机处粉尘浓度接近最小值，此时抽风量为375 m3/min，因此，选定最优R为0.8。

由此可得，东五采区进风巷综掘工作面径向旋流风幕阻尘效果较优的通风条件为La为20 m，Qr为270 m3/min，R为0.8。

3 工程应用

基于数值模拟结果，对东五采区进风巷综掘工作面通风条件进行优化，并实测分析了较优通风条件下的径向旋流风幕阻尘效果。东五采区进风巷综掘工作面的压风总量为300 m3/min，采用抽风量为400 m3/min的KCS-400型湿式除尘风机，这样通风系统的压抽比R接近风幕阻尘效果较优的0.8，La设置为20 m，Qr设置为270 m3/min。

3.1 测点布置

风流与粉尘测点布置如图9。根据生产现场设备布置情况，风流主要测定掘进作业区域，尤其是掘进司机前部的风速大小及方向。因此，选定距工作面5、7 m 2断面为风流实测断面，测点A、C设置于两侧人行道中部人员呼吸高度位置，测点B设置于巷道中央掘进司机呼吸高度位置。依据接尘工序作业地点分布，选定距工作面3、7、10、20 m 4个断面为粉尘实测断面，测点A设置为采样点。

图9 风流与粉尘测点布置Fig.9 Airflow and dust measuring points

3.2 应用效果

东五采区进风巷综掘工作面的各断面风速实测值与数值模拟值见表1，各断面粉尘浓度实测值与数值模拟值见表2。

表1 各断面风速实测值与数值模拟值Table 1 Measurement and simulation values of airflow velocity of each section

表2 各断面粉尘浓度实测值与数值模拟值Table 2 Measurement and simulation values of dust concentration of each section

由表1、表2可知，东五采区进风巷综掘工作面各测点风速方向与数值模拟结果基本一致，风速和粉尘浓度与数值模拟结果的相对误差范围分别为6.87%~11.36%和8.26%~16.51%，相对误差较低，说明数值模拟结果较为准确。

根据实测结果，在较优通风条件下，距工作面5~7 m断面内A、B、C 3个测点处风流均为指向工作面的轴向运移，风速分别稳定在0.41~0.48 m/s以及0.46~0.57 m/s，说明该条件下掘进司机及其前部断面内均形成了有效的轴向阻尘流场。在轴向阻尘流场作用下，粉尘浓度由距工作面3 m时的374.6 mg/m3急剧降至距工作面7 m时的35.5 mg/m3，阻尘效率约为90.5%，随后，粉尘浓度缓慢降至25 mg/m3以下。说明综掘作业区域形成的轴向阻尘流场能够有效阻控高浓度粉尘的扩散，提高除尘风机的抽尘净化效率，改善综掘工作面作业环境。

4 结 论

1）La与Qr越大，R越小，越利于径向旋流风幕转变为轴向流场。当La≥20 m，Qr≥270 m3/min，R≤0.8时，能够在综掘作业区域形成风量与风速分布均匀的有效轴向阻尘流场。

2）La＜20 m时，Ld随La的增加而增大，La≥20 m时，Ld随La的增加而减小；Qr越大，R越小，Ld越小。根据综掘工作面实际生产条件，径向旋流风幕阻尘效果较优的通风条件选定为La为20 m，Qr为270 m3/min以及R为0.8。

3）将较优通风条件进行了工程应用，结果显示，数值模拟较为准确。在较优通风条件下，掘进司机断面粉尘浓度降至35.5 mg/m3，相较于掘进机截割区域，阻尘效率约为90.5%，阻尘效果较佳。

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