馬勝利，張凱銘，張 恒，張 強(qiáng)

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安交通工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

綜掘工作面粉塵治理難度大，特別是截割普氏系數(shù)高、含水率低的半煤巖斷面時(shí)，迎頭面及巷道粉塵濃度超標(biāo)問題嚴(yán)重威脅著井下作業(yè)人員的健康與生產(chǎn)安全[1，2]。濕式振弦除塵風(fēng)機(jī)(下文簡(jiǎn)稱除塵風(fēng)機(jī))由礦用負(fù)壓通風(fēng)機(jī)與濕式振弦過濾式除塵器組成。采用壓、抽(用除塵風(fēng)機(jī))組合式通風(fēng)方式開展掘進(jìn)工作時(shí)，巷道局部通風(fēng)機(jī)向迎頭面壓入大量新鮮空氣與掘進(jìn)機(jī)截割煤巖時(shí)產(chǎn)生的粉塵混合成污濁風(fēng)流，經(jīng)安裝在掘進(jìn)機(jī)上的除塵風(fēng)機(jī)過濾后排出，能有效降低迎頭面及巷道粉塵濃度，具有高效降塵，易于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。因此，針對(duì)濕式振弦除塵風(fēng)機(jī)在不同工況下的應(yīng)用研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 綜掘工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究

以玉華礦2410綜掘面為研究對(duì)象，進(jìn)行單一壓入式通風(fēng)與壓、抽(用除塵風(fēng)機(jī))組合式兩種通風(fēng)方式下的相同測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速及粉塵濃度對(duì)比分析。玉華礦2410綜掘面全長(zhǎng)2200m；掘進(jìn)斷面寬4.4m，高3.6m，面積12.4m2；采用kcs-225D濕式振弦除塵風(fēng)機(jī)，額定參數(shù)為-1200Pa，額定風(fēng)量350m3/min；采用 FBDNo7.1局部通風(fēng)機(jī)，供風(fēng)量為540m3/min。測(cè)塵點(diǎn)布置情況：從距迎頭面5m開始，在巷道兩側(cè)距底板高度1.6m行人呼吸帶位置(距巷道壁0.5m)每隔5m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共9組進(jìn)行風(fēng)速與粉塵濃度的測(cè)量。為研究壓風(fēng)筒距迎頭距離變化對(duì)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速及粉塵濃度的影響，分別對(duì)單一壓入式通風(fēng)(壓風(fēng)筒距離迎頭面距離L分別取5m、7m、10m)與壓、抽(用除塵風(fēng)機(jī))組合式(壓風(fēng)筒距離迎頭面距離L分別取7m、10m、13m)兩種通風(fēng)方式下的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1，現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表1 現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表2 現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2 建立綜掘工作面仿真模型

本文采用croe5.0軟件建模，以迎頭面底部中點(diǎn)為原點(diǎn)，原點(diǎn)向風(fēng)筒側(cè)反向延伸為X方向，垂直巷道底面向上為Y方向，迎頭面向巷道內(nèi)部延伸方向?yàn)閆方向。模型全長(zhǎng)50m。局部通風(fēng)機(jī)壓風(fēng)筒直徑1m，軸線坐標(biāo)為X=-1.7m，Y=2.5m，壓風(fēng)口位置(L)隨掘進(jìn)深度的增加在距離迎頭面5～15m的范圍內(nèi)變化，除塵風(fēng)機(jī)抽風(fēng)筒直徑0.8m，安裝在掘進(jìn)臂末端與機(jī)身交界處，抽風(fēng)口圓心坐標(biāo)為Y=2m，X=0m，Z=5m。綜掘面模型如圖1所示。使用Meshing組件劃分網(wǎng)格。選擇基于壓力法的Pressure-Based求解器，時(shí)間類型為穩(wěn)態(tài)。使用Eulerian(歐拉)多項(xiàng)流模型，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型[3，4]。離散項(xiàng)模型選擇為中揮發(fā)煤粉，粉塵徑粒分布符合Rosin-Rammler分布[5]，設(shè)置粒徑范圍為2.19e×10-4～3.21×10-7m，中徑為3.52×10-5m，分散度為1.81，質(zhì)量流率為0.008kg/s，迎頭面設(shè)置為噴射源，類型為Surface。分布指數(shù)為1.821。巷道供風(fēng)筒設(shè)置為速度入口，局部通風(fēng)機(jī)與除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)筒參數(shù)分別為：11.4m/s、-7.6m/s，水力直徑為1m、0.8m，湍流強(qiáng)度為3.11%、2.97%，巷道末端截面設(shè)置為出流邊界，壁面邊界條件設(shè)置為Stationary wall，使用分離求解器，選擇SIMPLEC壓強(qiáng)-速度關(guān)聯(lián)算法，殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-3[6]。

圖1 綜掘工作面幾何模型

3 單一壓入式通風(fēng)方式下粉塵運(yùn)移規(guī)律研究

3.1 單一壓入式通風(fēng)時(shí)粉塵場(chǎng)分析

采取單一壓入式通風(fēng)(除塵風(fēng)機(jī)關(guān)閉)時(shí)，對(duì)粉塵場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。距底板高度Y分別為0.5m、1m、1.6m時(shí)XZ平面的粉塵分布情況如圖2所示。粉塵濃度隨高度增加而降低，沿程粉塵濃度隨距迎頭面距離增加而減小。大顆粒粉塵受重力影響大，沉積速度較快，而小顆粒粉塵阻力系數(shù)較小，所受升力與重力易達(dá)到平衡狀態(tài)，從而使粉塵懸浮在整個(gè)巷道不易沉降。在距迎頭面5～10m處掘進(jìn)機(jī)與煤壁之間的狹小空間內(nèi)有大量粉塵聚集，濃度高達(dá)600～1000mg/m3。粉塵濃度在距迎頭面40m后趨于穩(wěn)定，維持在300mg/m3左右，巷道和迎頭面的粉塵平均濃度約為637mg/m3。仿真結(jié)果表明在未開啟除塵風(fēng)機(jī)的情況下，僅依靠單一壓入式通風(fēng)，迎頭面及巷道粉塵濃度嚴(yán)重超出了煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 距底板不同高度粉塵分布云圖

3.2 單一壓入式通風(fēng)時(shí)風(fēng)流場(chǎng)分析

粉塵的運(yùn)移主要受風(fēng)流影響，僅采用單一壓入式通風(fēng)方式時(shí)，對(duì)風(fēng)流場(chǎng)的模擬結(jié)果如圖3所示。局部通風(fēng)機(jī)安裝位置為風(fēng)筒側(cè)，壓風(fēng)筒射出風(fēng)流由于附壁效應(yīng)貼附煤壁流向迎頭面。因迎頭面阻隔使風(fēng)流連續(xù)性受到?jīng)_擊，風(fēng)流經(jīng)兩次偏轉(zhuǎn)后沿相反方向流出，形成回風(fēng)風(fēng)流，稱為回風(fēng)側(cè)。對(duì)照粉塵場(chǎng)的仿真結(jié)果，迎頭面產(chǎn)塵源處粉塵的擴(kuò)散主要受回風(fēng)側(cè)風(fēng)流影響。在距迎頭面0～5m處，壓風(fēng)筒射流經(jīng)兩次偏轉(zhuǎn)流向回風(fēng)側(cè)，風(fēng)流連續(xù)性較好，粉塵隨風(fēng)流排出，不易聚集，如圖4所示。在5～11m處由于掘進(jìn)機(jī)主體部分與巷道壁形成狹窄空間，風(fēng)流受到阻礙形成低速渦流區(qū)，在壓風(fēng)筒下方位置由于壓力差導(dǎo)致風(fēng)筒側(cè)5～17m區(qū)間產(chǎn)生巨大渦流。這兩處渦流區(qū)的存在易導(dǎo)致粉塵聚集。距迎頭面30m后風(fēng)速穩(wěn)定在0.6m/s左右，粉塵所受Saffman升力較大，導(dǎo)致隨回風(fēng)風(fēng)流擴(kuò)散至巷道的小顆粒粉塵難以自然沉降。

圖3 除塵風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)風(fēng)速矢量流線圖

圖4 風(fēng)速矢量流線圖(L=10m XZ plane Y=1.6m)

3.3 仿真結(jié)果驗(yàn)證

將呼吸帶粉塵濃度和風(fēng)速的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖5和圖6所示?？紤]到掘進(jìn)工作面環(huán)境復(fù)雜，模型忽略了巷道滲水對(duì)粉塵顆粒粘附作用，煤質(zhì)的軟硬，輸運(yùn)過程中揚(yáng)塵等因素，模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的誤差。但誤差控制在5%以內(nèi)，兩者衰減趨勢(shì)一致且相關(guān)性良好，說明模擬結(jié)果能夠反映整個(gè)掘進(jìn)工作面粉塵濃度及風(fēng)速的變化。

圖5 呼吸帶風(fēng)速模擬數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖6 呼吸帶粉塵數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 壓、抽(用除塵風(fēng)機(jī))組合式通風(fēng)方式下粉塵運(yùn)移規(guī)律研究

4.1 壓、抽(用除塵風(fēng)機(jī))組合式通風(fēng)時(shí)粉塵場(chǎng)分析

圖7 風(fēng)筒不同位置下巷道沿程粉塵濃度對(duì)比云圖

考慮除塵風(fēng)機(jī)開啟時(shí)即采用壓、抽組合式通風(fēng)方式下工作面的實(shí)際工況，設(shè)局部通風(fēng)機(jī)壓風(fēng)口距迎頭面距離為L(zhǎng)，分別對(duì)L為5m、10m、15m等五種工況下粉塵分布情況進(jìn)行模擬分析。截取了距迎頭面不同距離的YZ平面與呼吸帶高度Y=1.6m處XZ平面的粉塵濃度分布云圖，如圖7所示。巷道粉塵主要受回風(fēng)風(fēng)流影響擴(kuò)散，隨著距迎頭面距離的增加，回風(fēng)側(cè)與風(fēng)筒側(cè)的粉塵濃度先降低后增加然后持續(xù)降低。當(dāng)L=7～13m時(shí)，迎頭面及巷道粉塵濃度明顯低于其他工況。當(dāng)L=10m時(shí)，迎頭面及巷道粉塵濃度最低。當(dāng)L分別為7m、10m、13m位置處時(shí)，巷道及迎頭面粉塵平均濃度分別為236mg/m3、203mg/m3、249mg/m3。巷道沿程粉塵濃度對(duì)比如圖8所示。相較于未使用除塵風(fēng)機(jī)的工況(單一壓入式通風(fēng)方式)，粉塵濃度分別下降了63%、68%、61%。總體分析，由于除塵風(fēng)機(jī)良好的除塵效果，迎頭面及巷道的粉塵聚集區(qū)域明顯減小，粉塵濃度顯著降低。

圖8 巷道沿程粉塵濃度對(duì)比折線圖

4.2 壓、抽(用除塵風(fēng)機(jī))組合式通風(fēng)時(shí)風(fēng)流場(chǎng)分析

圖9 風(fēng)流場(chǎng)速度矢量分布

通過對(duì)粉塵場(chǎng)分析得知局部通風(fēng)機(jī)壓風(fēng)口位置對(duì)除塵效果影響很大。為探究原因，分析除塵風(fēng)機(jī)開啟后的風(fēng)流場(chǎng)變化情況。壓風(fēng)口距迎頭面距離為L(zhǎng)，L=5～7m時(shí)巷道內(nèi)流場(chǎng)狀況如圖9(a)所示，壓風(fēng)口距迎頭面太近使射流速度過大，且由于掘進(jìn)機(jī)機(jī)體阻礙而產(chǎn)生的大量渦流區(qū)，導(dǎo)致一部分粉塵會(huì)聚集在迎頭面附近的渦流區(qū)難以排出；另一部分粉塵被風(fēng)流吹散，擴(kuò)散至整個(gè)巷道，無法被除塵風(fēng)機(jī)有效捕捉處理，不利于高效率除塵[7]。當(dāng)L=13～15m時(shí)，如圖9(b)所示，除塵風(fēng)機(jī)與局部通風(fēng)機(jī)之間不易形成合適的抽吸風(fēng)流，巷道內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)十分復(fù)雜，風(fēng)流在風(fēng)筒側(cè)下方形成回流，將大量粉塵擴(kuò)散到巷道。當(dāng)L大于13m時(shí)、距離塵源點(diǎn)過遠(yuǎn)，射流在未到達(dá)迎頭面前就已經(jīng)衰減，在除塵風(fēng)機(jī)與局部通風(fēng)機(jī)之間形成循環(huán)風(fēng)，大量干凈氣流直接流向除塵風(fēng)機(jī)。導(dǎo)致除塵風(fēng)機(jī)無法有效捕捉含塵氣流，除塵效果減弱，高濃度的粉塵會(huì)在距迎頭面5m的范圍內(nèi)聚集，造成一定的安全隱患[8]。當(dāng)L=7～13m時(shí)，如圖9(c)所示，除塵風(fēng)機(jī)能有效捕捉處理大部分含塵氣流，少量粉塵隨回風(fēng)風(fēng)流擴(kuò)散，粉塵聚集的可能性很小。相較于未開啟除塵風(fēng)機(jī)的工況(單一壓入式通風(fēng))，局部通風(fēng)機(jī)壓風(fēng)口位置在L=7～13m的合理范圍內(nèi)時(shí)，巷道風(fēng)流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定且渦流區(qū)明顯減少，利于減少粉塵聚集。

5 結(jié) 論

本研究為濕式振弦除塵風(fēng)機(jī)在玉華煤礦2410綜掘工作面實(shí)際應(yīng)用過程中的高效除塵提供了理論依據(jù)，并得出如下結(jié)論：

1)在僅采取單一壓入式通風(fēng)方式下，巷道和迎頭面的粉塵平均濃度約為637mg/m3，遠(yuǎn)高于煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)流場(chǎng)在距離掘進(jìn)面30m后穩(wěn)定在0.6m/s左右。

2)采用壓、抽(用除塵風(fēng)機(jī))組合式通風(fēng)方式，由于濕式振弦除塵風(fēng)機(jī)良好的除塵效果，使得迎頭面及巷道粉塵濃度顯著降低，相較于單一壓入式通風(fēng)方式粉塵濃度降低了60%以上。且當(dāng)局部通風(fēng)機(jī)壓風(fēng)口距迎頭面10m附近時(shí)，降塵效果最好。

3)采用壓、抽(用除塵風(fēng)機(jī))組合式通風(fēng)方式時(shí)，局部通風(fēng)機(jī)壓風(fēng)口距離迎頭面距離(L)的合理范圍為7～13m，L>13m時(shí)，壓入風(fēng)流與除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)口之間容易形成循環(huán)風(fēng)，導(dǎo)致除塵效率降低，L<7m時(shí)，產(chǎn)塵源處風(fēng)速過大，導(dǎo)致粉塵擴(kuò)散加劇，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)避免這兩種情況出現(xiàn)。